基于X线图像的全膝关节置换术在体运动学研究

张海森综述 吕 龙审校

目前对于严重的膝关节炎患者而言，全膝关节置换术（total knee arthroplasty，TKA）已成为一种常规的手术治疗方式[1]。合适假体的选择对保证TKA手术效果、提高预后质量具有重要意义。研究发现，TKA术后的膝关节假体越是能够对股骨相对胫骨前后移动进行适当的控制进而接近正常的运动模式，则越有可能改善患者的运动功能并延长假体的使用寿命，因此TKA运动学研究也显得尤为重要[2-5]。近年来众多学者对TKA运动学进行了深入研究和报道，研究方法包括干尸离体研究[2-4]、步态试验运动分析[5]、CT重建分析[6,7]、动态磁共振测试[8]以及基于X线图像的运动测量方法[9,10]等。值得注意的是，干尸研究不能模拟活体膝关节在体负重状态下的动态情况，步态试验因皮肤标志物与骨之间的移动而使评估误差过大，CT和动态磁共振测试往往在非负重状态下进行，而基于X线图像的在体运动测量可以在完全负重、动态状态下进行，克服了上述方法存在的弊端，是目前应用较多的方法。此外，二维—三维图像匹配技术的发展大大提高了此项技术的准确性。本文在复习相关文献的基础上，综述基于X线图像的TKA在体运动学研究方法及其对假体设计和手术策略的指导意义。

1 基于X线图像的TKA运动测量方法

20 世纪80年代末，国外基于放射线成像和形状匹配技术的膝关节置换运动学在体定量研究开始见诸报道[11-13]。由于有助于更好地理解TKA术后的关节运动功能，因此该项技术不断得到发展并被实践证明是一种行之有效的方法。该方法的基本思想是：通过X线透视或摄片可以获得实施TKA治疗患者的膝关节图像。X线由一个点源发出，以射线的形式向四周发散，生成对象的实际阴影中心或透视投影。将投照距离及图像的像素间距等参数输入计算机，应用特定的图像处理程序即可在计算机上重现相同的光学现象。通过逆向工程软件获得膝关节假体计算机辅助设计（computer-aided design，CAD）的三维模型（或由假体制造商提供），应用一定的图像匹配算法对其三坐标位置不断进行修饰，直至与病人的二维图像匹配为止，而一旦匹配成功，模型的位置和方向就能够真实反映患者体内假体的实际位置和方向。

一些学者通过不同的算法及配准方法进行了TKA运动学评估研究。Banks、Dennis等[9,10]较早将基于模板的单平面图像匹配方法用于评估TKA后膝关节的在体运动学，之后的相关报道亦多为对其的补充和发展。该匹配方法大致分为以下几步：（1）应用X线透视成像技术获得TKA病人术后膝关节不同屈曲角度下的侧位图像；（2）通过假体CAD模型建立一个股胫假体在侧位不同屈曲角度、不同旋转角度的图像集（图1A）；（3）应用计算机算法实现二维—三维假体图像匹配（图1B）；（4）计算出运动过程中股胫假体的相对位移和旋转。

图1 基于模板的单平面图像匹配方法[14]

对于这种技术测量的准确性，Banks等[9]指出，每种运动测量误差平行运动一般是0.5～1 mm，旋转上是0.5°～1.0°。为了提高测量的准确性，一些学者在单平面图像配准的基础上实现了同位双平面配准，即在同一体位下进行两角度的X线投照，进而获得同体位两角度的X线图像，然后进行一种体位下图像的两次匹配。Haneishi等[15]的同位双平面配准研究表明，图像变形引起的平均误差为0.4～0.5像素，最大不超过1.1像素。应用何种形状进行配准亦是影响结果准确性的重要因素，通常应用的匹配形状有边缘形状检测模式、平坦阴影模式和三维边缘混合模式等。Fregly等[16]研究证实，基于边缘形状检测的图像配准是影响单平面图像配准准确性的限制因素，与平坦阴影模式相比，边缘形状检测具有更好的准确性。

基于模板（即股胫假体在侧位不同屈曲角度、不同旋转角度的图像集）的图像匹配技术在进行X线成像时涉及到的两个重要参数是：主距离（principal distance，从X光光源到成像平面的垂直距离）和主点（principal point，从X光光源向成像平面作垂线，垂足点即为主点）。在进行前瞻性研究时，主距离和主点可人为确定或在投照时得以准确评估，但在一些回顾性研究或运用患者术前X线图像时往往是不得而知的。Chouteau等[17]发现，主距离以及主点分别发生±15 cm、±5 cm的变化（指主点与投照中心的距离，通常是上下距离）时所测得的TKA运动学变化在平移运动上＜1 mm，在旋转上＜1°，而借助高质量的X线图像进行基于图像匹配的TKA运动学评估时，主点和主距离在一定范围内的变化对于运动学分析结果的影响非常有限。

2 TKA运动学研究对手术策略及假体设计的指导意义

2.1 手术技术

韧带及软组织平衡技术对TKA术后负重的膝关节运动学产生重要影响，特别是在应用非限制型假体之时[18]。从理论上来讲，使用非限制型膝关节假体可以重建近似于正常生理条件下的膝关节运动模式，但一些研究表明，非限制型膝关节假体术后的运动学表现为股骨髁“前滑”（sliding forward），而不是生理性“后滚”（roll-back）[3,19,20]。而Gamada等[21]近期所进行的一项前瞻性随机双盲对照研究却得出了不尽相同的结论。他们将研究对象分为两组：传统屈曲间隙平衡试垫组和弹性平衡装置组，均采用旋转平台后交叉韧带（posterior cruciate ligament，PCL）保留型假体，观察两组术后的膝关节运动学。结果显示，在负重弓步和被动跪坐活动中，两组膝关节运动学之间无统计学差异；在爬楼活动中，两组均有更多的内侧旋转中心，股骨假体多表现为后移，提示良好的韧带平衡能提供更接近于正常的膝关节运动模式；同时他们也强调，这只是近期研究的结果，远期观察还有待进一步的随访研究。

TKA术中是否保留交叉韧带，一直是颇受争议的话题。多数学者认为交叉韧带应尽量保留，不予切除。Haas等[22]研究表明，在移动平台型TKA中PCL切除与PCL替代（带有支柱-凸轮装置）有相似的运动模式，但是PCL替代型TKA在深屈膝活动中表现出更多的股骨假体“后滚”，PCL切除TKA在屈曲至90°过程中表现出更多的矛盾性股骨假体“前滑”，而附加的支柱-凸轮装置有利于促进屈膝中股骨假体“后滚”，提高膝关节屈曲度。Moro-oka[23]等通过一项对比研究发现，在步态的起步相和摆动相，前后交叉韧带（anterior cruciate ligament/posterior cruciate ligament，ACL/PCL）双重保留型TKA比单纯PCL保留型TKA表现出近似于正常生理状态的股骨“前滚”，尽管ACL保留对TKA术后临床功能的评估不是必需的，但保留ACL后使膝关节的运动模式更趋于正常，尤其是在最大屈曲位置上。目前大部分TKA将ACL予以切除，使膝关节的生理性前方牵拉限制作用丧失，由此导致的内在不稳可通过腘绳肌进行部分代偿，进而抵消伸肌力矩，使伸膝效率下降[24,25]。

2.2 股胫旋转模式及旋转中心

正常膝关节在屈曲过程中表现为胫骨相对股骨的内旋[26,27]，特别是步态起步相时的5°和爬楼屈膝时的8°[28]。这种内旋范围重建的膝关节与健康膝关节应该是相似的[29]，故TKA需提供上述范围内的轴向旋转。Banks等[30]指出，TKA后屈膝中早期的胫骨内旋不必持续到深屈膝时，胫骨内旋是时相性的，与屈曲度数相比，内旋程度与深屈膝姿势（如跪坐、蹲马步等）相关性更大。而Chouteau等[31]对移动平台型TKA运动学的观察结果却表明，随着屈膝度的升高，股骨假体旋转也逐渐增加，且这种旋转不是时相性的，但他同时指出，这一结果尚需大样本研究来加以进一步证实。

Dennis等[32]进行了一项包括1027个膝关节在内的大样本多中心研究，其对TKA后股骨轴向旋转的运动学评估结果显示，正常膝关节在深屈膝和步态中胫骨内旋分别是16.5°和5.7°。所有被测试的实施TKA的患者在深屈膝时胫骨内旋程度与正常膝关节相比均有所减小；在步态中所有类型的假体均表现为相似的旋转模式；正常膝关节和ACL保留型TKA的旋转均值高于ACL切除TKA的旋转均值。TKA组在深屈膝状态下有19%出现反向的旋转模式，在步行状态下则至少有31%的膝关节出现反向旋转模式。由此可见，正常的轴向旋转模式是建立良好髌骨轨迹、减小髌股剪力及实现膝关节的最大屈曲度所必须的重要前提。

与Dennis等[32]的研究结果相似，对TKA运动学的早期X线透视研究亦表明，TKA后假体的动态运动与正常膝关节差异明显[33]。在TKA切除ACL及半月板后，股骨在胫骨上屈曲状态下有“前滚”的趋势，在伸直状态下有“后移”的倾向。尽管一些病例出现矛盾性的胫骨外旋，但绝大部分胫骨旋转表现出正常屈膝过程中的内旋。量化这些位移和旋转的一个简单方法是考虑平均旋转中心（图2）：在正常膝关节屈曲中，股骨的后移和胫骨内旋产生一个旋转中心，屈曲中外髁相对内髁发生后移。在爬楼活动中，假体设计导致的内在限制明显影响平均旋转中心，后稳定膝在屈曲中股骨在胫骨上后移，大都表现为内侧旋转中心；步态适应移动平台设计允许屈曲中相对自由的股骨前后位移，大都表现出外侧旋转中心[33]。在非限制TKA中，可观察到屈曲时内髁相对外髁的“前滑”，然而这种设计同时观察到了外侧旋转中心。Banks等[34]在对一项包括25种不同TKA设计的爬楼运动分析中发现，假体的内在限制与平均旋转中心间存在显著的线性关系：拥有更大内在限制的设计存在内侧旋转中心（或主要内侧旋转中心），多达86%的非限制设计表现出外侧旋转中心。研究提示，只要病人的满意度和临床评分高，膝关节运动范围良好，满意临床效果的获得就有了保证。这也说明，假体设计者和临床医生有很大的余地去调整膝关节运动模式，改进假体设计，以实现对病人在肌肉力量、活动度以及假体寿命等功能方面的远期改善。

2.3 股骨髁上翘与聚乙烯磨损

膝关节假体的磨损与假体材料的特性、表面形态、病人的负重程度以及运动学相关[35]。股骨髁上翘有助于聚乙烯的异常磨损，特别是在一些较平滑的髁假体设计中。Dennis等[36]通过观察PCL保留型和PCL替代型TKA运动学发现，70%的PCL保留型假体和80%的PCL替代型假体出现了股骨髁上翘现象，上翘平均值分别为1.2 mm和1.4 mm，这可能导致聚乙烯磨损和假体松动的较早发生，由此他们认为，改进股胫假体在冠状位的几何匹配度是非常关键的，同样具有重要意义的还包括手术中的韧带平衡技术（图3，4）。

图2 4种膝关节假体在步态及爬楼活动中的股胫关节运动学[30]

图3后交叉韧带保留型TKA矢状面和额状面图像所表现出的股骨髁上翘[36]

图4 后稳定型TKA矢状面和额状面图像所表现出的股骨髁上翘[36]

假体磨损试验数据多来自体外力学测试的结果[37]，通过在体研究准确预测聚乙烯的磨损程度往往较难实现。但目前通过一些植入工具可以较为准确地实现体内假体的磨损预测[38,39]。Jennings等[39]运用一种生理膝关节探测器进行在体荧光透视研究，对施行固定平台和旋转移动平台TKA的病人进行在体假体超高分子聚乙烯垫层的磨损试验。结果显示，不出现股骨髁上翘的假体磨损率较低，固定平台组和旋转移动平台组假体磨损率为（5.2±2.2）mm3/MC和（8.8±4.8）mm3/MC，假体的股骨髁上翘加速了超高分子聚乙烯垫层的磨损，固定平台组和旋转移动平台组假体磨损率为（16.4±2.9）mm3/MC和（16.9±2.9）mm3/MC。尽管旋转移动平台型假体表现出更高的磨损率，但实际的磨损量和股骨髁上翘的影响均有赖于在体股骨髁发生上翘的实际频率。

2.4 股骨后髁几何重建及膝关节活动度

在衡量TKA术后功能的众多因素中，关节活动度(range of motion，ROM)一直是需要着重考虑的问题[40-42]。比利时学者Bellemans等[20]于2002年首次提出了股骨后髁offset的概念，将其定义为股骨后部皮质与股骨后髁最远点之间的垂直距离。它的变化对TKA术后的膝关节活动度具有重要影响，对其的深入研究认为它有利于避免膝关节屈曲状态下股骨后髁与胫骨后部皮质的提前撞击，进而获得TKA术后的最大膝关节屈曲度。Bellemans等[20]认为，在PCL保留型TKA中，股骨后髁offset的减小能使股骨髁的后部撞击提早发生，进而阻止膝关节的进一步屈曲。股骨后髁offset解剖值减小1 mm，最大被动屈曲度即降低6°。当膝关节的测量尺寸介于两种型号的假体之间时，以往一般主张选择较小型号的假体，但如此一来，即使股骨后髁offset解剖值仅缩短几毫米，也将使屈曲度潜在地呈数倍降低。如欲减弱股骨后髁offset的影响，则应尽可能使用较大型号股骨假体或调整较小型号股骨假体的位置，进而为病人提供更大的屈膝活动度（图5）。Goldstein等[43]亦通过计算机模拟技术分析了股骨后髁offset对PCL保留型TKA术后最大屈曲度的影响，得出的结论与Bellemans相似。但也有一些报道持不同看法，Hanratty等[44]通过研究发现，PCL保留型TKA术后股骨后髁offset较术前平均增加1 mm，股骨后髁offset与屈膝度之间并不存在统计学相关性。

膝关节假体类型不同，TKA术后股骨后髁offset对膝关节屈曲度的影响也不尽相同。Arabori等[45]研究证实，在PCL保留型TKA膝关节中，股骨后髁offset的减小与术后膝关节屈曲受限有关；而在后方稳定型TKA膝关节中，股骨后髁offset的减小并未对术后膝关节屈曲产生影响。他们认为其主要原因是两种假体膝关节在屈曲过程中的运动学不同所致。股骨在胫骨上的更大后移会增加膝关节屈曲度，一项对16个不同TKA设计的TKA运动学评估研究表明：股骨的明显后移与最大负重屈曲度间存在显著的线性关系，在所有TKA设计中，股骨每后移1 mm，膝屈曲度增加1.4°[33]。尽管目前的一些研究表明股骨后髁offset对TKA术后膝关节屈曲度产生的影响可能因假体类型而异[45,46]，但是这些研究并未将术后股骨后髁offset的改变和屈膝中股骨相对胫骨的前后位移这两个因素同时引入，亦并未研究相同或相似运动模式下不同假体股骨后髁offset的变化对TKA术后最大屈曲度的影响。因此，股骨后髁offset在TKA中的意义仍有待进一步考察。

图5 PCL保留型TKA中股骨后髁offset减小使膝关节屈曲过程中胫骨平台后部与股骨后部皮质提前发生撞击，进而使膝关节屈曲度减小（左）；PCL保留型TKA中正常的股骨后髁几何重建使膝关节在胫骨平台后部与股骨后部皮质发生撞击之前获得更高的屈曲度（右）[20]

2.5 对线问题

假体设计和手术对线会影响最大活动范围内的关节接触和膝关节功能，而基于X线图像的TKA运动学研究结果可用于假体定位和在体动态观察，从而有助于假体定位和手术对线的准确性。通常在设计时要求膝关节假体能够最大程度地增加伸膝时的股胫关节接触面积，以适应0°～15°的过伸[19]。在模拟早期站立时，为了使假体达到0°的相对屈曲，通常需要进行假体磨损试验，然而并未考虑手术对线会将假体放在非0°相对屈曲位置这一重要因素。股骨假体植入时用髓内定位或用髓外技术与股骨远端正交对线，股骨轴前弓会使股骨假体在矢状面上前屈5°～7°。与此相似的是，胫骨假体的植入技术涉及从胫骨长轴的垂直对线到正常胫骨平台后倾角的批准对线，手术放置位置最终要使假体呈5°～12°的相对过伸。Banks等[19]用角度测量法和荧光透视法分别进行骨屈曲和假体屈曲的同步测量，结果显示，假体相对骨屈曲角度过伸平均9.5°（图6）。带有胫骨衬垫立柱的后稳定设计和一些PCL保留型设计通常限制5°～12°的过伸，如果假体在屈膝0°时被放置在大约10°过伸的位置上，这种过伸就会增加伸膝过程中股骨前移导致前方撞击的危险[43,44]，因而提醒外科医生在应用这类假体时应该了解其所允许的过伸范围，在安装假体时应将假体放置在适当位置上。

图6 拥有良好对线的膝关节普遍表现出假体的过伸[19]

2.6 旋转平台型TKA的运动学

从理论上讲，旋转移动平台膝关节假体具有在不限制股胫轴向旋转的情况下增加股胫关节匹配度和关节接触面积、进而降低股胫关节接触压的作用，可模拟正常膝关节运动模式，近年来应用广泛。但目前多项在体和离体研究结果表明，旋转平台假体与固定平台假体相比，并未表现出不同的运动模式[47-50]。Sugita等[49]观察了20例实施低接触压旋转平台和前后滑动型TKA的日本籍患者的膝关节运动学，结果提示，两种假体在体运动模式的差异无统计学意义。旋转平台假体表现出较小范围的前后位移和较大的轴向旋转，运动模式变化较小；前后滑动型假体的前后位移和轴向旋转非常明显，有较大的运动模式变化。与应用同类假体的美国籍患者比较，两组TKA后膝关节运动学差异有统计学意义，推测可能是生活习惯不同所致（日本人习惯跪坐，故对膝关节屈曲度有更大要求），此外，日本医生和美国医生行TKA时采用不同的韧带平衡技术也是其重要原因。

3 小结

基于X线图像的TKA在体运动学研究为直接观察和测量膝关节置换的动态运动学提供了独特的研究视野[51]。作为准确量化膝关节运动模式的工具，基于形状配准的TKA运动测量技术有助于术者掌握和理解假体设计的特征性信息和影响病人疗效的手术因素，对提高TKA手术的疗效、改善患者生活质量起到了非常重要的作用。

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