健康人群下肢力线测量在全膝关节置换术中的应用*

孙茂淋 何锐 张颖 郭林 陈光兴 杨柳

（中国人民解放军陆军军医大学第一附属医院关节外科中心，重庆 400038）

根据人体生物力学特征，膝关节独特的解剖结构使人体的重力通过传导可以经过膝关节中心或稍偏内侧[1,2]。因此在进行全膝关节置换术（total knee arthroplasty,TKA）时，应遵循膝关节的力学轴线特点进行术前计划。下肢力线是一个集合概念，在三维空间中，下肢力线分为冠状位力线、矢状位力线及旋转力线[3]。在冠状位，下肢力线的远端表现为轻度内翻，而在膝关节处呈现轻度外翻；在生物力学方面，下肢力线是为了保证膝关节关节线更加平行于地面，使膝关节中心更加靠近人体重力线，最终实现膝关节单位面积的压力负荷最小。因此我们可以把下肢力线比作下肢的“生命线”。在TKA 术中，能否重建正常下肢力线决定手术成败。通常认为将髋-膝-踝角（hip-knee-ankle angle,HKA）矫正为180°，TKA术后会获得良好的功能。有研究[4,5]表明，重建的下肢力线偏离标准（180°）内翻或外翻超过3°以上，会造成术后髌骨轨迹不良、假体松动、衬垫磨损等并发症。有学者[6,7]对美国健康人群进行调查研究发现，正常下肢力线并非是一条直线，而是表现为轻度内翻。目前对国人下肢力线标准研究较少，本研究通过对中国健康人群负重位下肢全长片进行测量，比较中国健康人群男性与女性下肢力线的差异，同时与美国健康人群的下肢力线进行比较。

1 资料与方法

1.1 研究对象

纳入标准：①双侧胫腓骨连接正常；②双下肢无创伤史或手术史；③双下肢无明显畸形；④每日中等强度运动量的健康人群。排除标准：①双侧胫腓骨连接异常；②双下肢明显畸形；③双下肢有创伤史或手术史。

根据纳入排除标准选取2017 年6 月于陆军军医大学第一附属医院进行毕业入伍体检男女学员各60例，男性年龄22～24 岁，平均（22.1±1.2）岁；女性年龄23～25 岁，平均（22.4±1.8）岁。所有受试者均于我院放射科拍摄负重位双下肢全长X 线片。通过查阅文献，提取Moreland[7]和Hsu[6]等对美国健康人群下肢力线研究中的相关数据。

本研究经过陆军军医大学第一附属医院伦理委员会批准，健康志愿者均签署知情同意书。

1.2 定位点及参考线的选择

股骨头旋转中心通过Mose圆法确定。膝关节中心由4 个参考点确定（图1）：内侧胫骨平台水平骨皮质连线中点（a）、胫骨髁间棘中心（b）、股骨外髁水平骨皮质连线中点（c）、髁间窝中点（d），这4 个参考点非常接近，相距不超过5 mm，可在四点附近选择一点作为膝关节中心。踝关节中心通过2 个参考点确定（图2）：胫骨远端骨皮质连线中点（e）、距骨上关节面骨皮质连线中点（f），这两个参考点非常接近，相距不超过3 mm，可在两点附近选择一点为踝关节中心。

图1 确定膝关节中心的参考点

图2 确定踝关节中心的参考点

下肢力线由股骨机械轴和胫骨机械轴构成，股骨机械轴为股骨头旋转中心与膝关节中心连线，胫骨机械轴为膝关节中心与踝关节中心连线；股骨解剖轴由股骨干髓腔内2个中心点确定，股骨干髓腔中心Ⅰ（femoral shaft center Ⅰ,FSCⅠ）为股骨干中上段髓腔任意一中心点，其下方10 cm处的髓腔中心点为股骨干髓腔中心Ⅱ（femoral shaft center II,FSCⅡ），FSCⅠ与FSCⅡ两点连线即为股骨解剖轴；胫骨解剖轴与胫骨机械轴基本重合；膝关节横轴为经过膝关节中心的股骨远端切线（图3）。

1.3 测量指标

应用上海英飞达公司影像存档与通讯系统（INFINITT PACS，V5.0）输出图像并对每一个样本的双下肢全长片进行测量。HKA为胫骨机械轴与股骨机械轴相交形成的内侧钝角；胫骨平台内翻角（tibial plateau-tibial shaft angle,TP-TSA）为膝关节横轴与胫骨机械轴相交形成的下方内侧角；股骨生理性外翻角（knee physical valgus angle,KPV）为股骨机械轴与股骨解剖轴相交形成的锐角（图3）。其中，HKA与KPV反映下肢冠状位力线，TP-TSA 反映下肢旋转对线。每个样本由同一研究者用同一方法在下肢全长片上重复测量2次，并取2次测量的平均值。首先比较中国健康人群中不同性别间HKA、TP-TSA、KPV 3个角度的差异，然后将中国与美国健康人群进行比较。

图3 负重位下肢全长片测量示意图

1.4 统计学方法

采用SPSS 20.0 软件进行统计分析，符合正态分布的计量资料以均数±标准差表示，两组比较采用独立样本t检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 中国健康人群不同性别HKA、TP-TSA、KPV比较

中国健康人群中，女性HKA小于男性，女性下肢力线比男性表现出更明显的内翻趋势（t=7.013，P＜0.001）；男性TP-TSA小于女性，男性的胫骨平台内翻趋势更明显（t=25.546，P＜0.001）；男性KPV 大于女性，男性股骨比女性表现出更明显的外翻趋势（t=4.899，P＜0.001，表1）。

2.2 中国与美国健康人群HKA、TP-TSA、KPV比较

中国健康人群男性（t=4.983，P＜0.001）与女性（t=2.712，P=0.007）的HKA 均小于美国健康人群，下肢力线表现出更明显的内翻趋势；中国健康人群男性（t=24.646，P＜0.001）与女性（t=10.713，P＜0.001）的TP-TSA均小于美国健康人群，胫骨平台内翻趋势更加明显；中国健康人群男性（t=3.151，P=0.002）与女性（t=3.068，P=0.003）的KPV 均小于美国健康人群，股骨外翻趋势较小（表2）。

表1 中国健康人群不同性别HKA、TP-TSA、KPV比较（）

表1 中国健康人群不同性别HKA、TP-TSA、KPV比较（）

3 讨论

熟悉下肢力线特点是TKA 的基础，针对临床上存在下肢力线畸形的患者，无论采用何种手术方式，其共同目的均应包括重建正常的下肢力线[3]。对于临床上各不相同的畸形类型及畸形程度，需要详细测量患者的下肢力线，制定具体的术前计划及选择不同类型的假体。正常下肢力线就是健康人群的下肢力线。本研究纳入的入伍体检合格志愿者均为无膝关节疾患的健康成年人，男性与女性的样本数量相同，年龄基本与先前研究中美国健康人群样本一致，根据纳入及排除标准筛选入组。志愿者负重位双下肢全长X线片未见异常，因此可以作为中国健康人群的代表与美国健康人群进行比较。本研究通过在负重位下肢全长片上测量中国健康人群HKA、TPTSA、KPV，直观分析下肢力线特点，为TKA重建正常下肢力线提供参考标准。

TKA 是矫正下肢内外翻畸形的有效治疗方法，将患者下肢力线矫正至关节假体中央已成为公认的观点[8,9]。对膝关节进行动力学分析，其受力形式为重力矢量与肌肉合力矢量的合力，这个合力的方向经过股骨头旋转中心和踝关节中心并指向膝关节中心周围，即下肢力线。重建良好的下肢力线一直是TKA 的主要目的之一，TKA 术后满意度和假体使用寿命在很大程度上取决于良好的术后力线[10]。正确的下肢力线可让患者最大限度的保留伸膝装置的运动功能，获得理想的重力矢量传导，也可避免假体和骨水泥界面因受力不均衡而导致早期失败。本研究发现，中国与美国健康人群的HKA均＜180°，下肢力线呈现不足2°的内翻[11]。与美国健康人群比较，中国健康人群下肢力线内翻趋势更加明显，使膝关节内侧间室压力负荷更大，这也许与中国人膝关节骨关节炎发病率较高有关，但这仍需进一步研究证实。TKA 术中将下肢力线矫正为轻度的内翻（＜2°）可能会更加符合正常力线标准，将HKA 矫正为180°可能会导致矫枉过正。Fuchs等[8]认为TKA应将术后的下肢力线调整至膝关节假体中央偏内侧一点的位置，因为在正常人体膝关节负重时，内侧间室承受的负荷大于外侧间室。但是Chow 等[12]主张，TKA 术后残留内翻不能被接受，宁愿接受残留轻度外翻也不允许存在内翻畸形。经过TKA几十年的发展及临床随访研究证据证实，如果TKA 术后残留的内翻＞3°，其术后出现短期或中远期失败风险都会增加，而术后残存轻度的外翻则不会增加早期失败的风险[13]。

表2 中国与美国健康人群HKA、TP-TSA、KPV比较（,°）

表2 中国与美国健康人群HKA、TP-TSA、KPV比较（,°）

注：美国健康人群样本量100例，测量单侧下肢；中国健康人群样本量120例，测量双下肢

旋转对线影响人工关节假体覆盖、屈伸间隙平衡、伸膝装置功能、髌骨关节功能等多个方面[14,15]。股骨假体的旋转位置主要影响TKA术中屈曲间隙平衡及术后髌骨轨迹。如果膝关节假体旋转对线不良，患者在屈膝过程中会导致关节运动学及生物力学的异常，使得术后疗效不佳[16]。同时，旋转对线不良也可导致TKA 术后膝前区疼痛，对于这种旋转对线不良患者进行髌骨置换并不能解决患者的疼痛问题，因为疼痛的源头不在髌骨而在旋转对线[17]。因此，对于一些难以解释的膝前区疼痛，可在CT 上对假体的旋转对线进行核实以寻找疼痛的真实原因。为了旋转对线准确，股骨假体必须外旋放置，股骨假体内旋放置将会引起TKA术后早期失败。膝关节的旋转对线是由股骨远端的解剖形态决定的，但在一定程度上也受膝关节内外侧软组织情况的影响[18]。膝关节屈曲时内侧副韧带紧张而外侧副韧带松弛，若在股骨后髁进行对称截骨，则会形成一个“梯形”间隙。假体安放后使膝关节屈曲位外侧副韧带更加松弛，最终导致屈曲间隙不平衡。如果以股骨后髁连线为参考进行外旋截骨，使截骨线与通髁线平行则可形成一个“矩形”间隙，能对胫骨平台内翻角和屈曲位外侧副韧带松弛作出补偿，使假体植入后内外侧间室受力均衡[19]。在安装股骨假体时，其放置的外旋角度等于股骨后髁连线与通髁线的夹角，基本与TPTSA 大小相同。本研究发现，中国健康人群的TPTSA小于美国健康人群，因此在放置股骨假体时应适度增加外旋角度以提高旋转对线的准确性。

下肢力线是多因素共同作用的结果。虽然中国健康人群男性TP-TSA小于女性，但男性的KPV大于女性，股骨外翻与胫骨内翻共同作用，最终使得女性HKA 小于男性，导致女性下肢力线内翻趋势更加明显。股骨远端截骨在髓内导向杆辅助下进行，为使股骨假体垂直于股骨机械轴，应将截骨板外翻放置，外翻角度与KPV 相等。本研究发现，中国健康人群男性KPV略大于女性，但在数值上十分接近，因此实际术中外翻截骨角度基本相同。

本研究也存在以下局限性：首先，纳入样本量不足，从全国范围内纳入健康志愿者，增加样本量才能更客观地反映国人的下肢力线特点；其次，本研究纳入军校学员年龄均在25岁左右，身材比例各不相同，不能客观代表各个年龄段健康人的整体情况。

综上所述，充分了解中国健康人群下肢力线特点非常必要，因为TKA 应该个体化而非模板化。只有熟知本国人的下肢力线特点，才能更加准确的重建冠状位下肢力线及旋转对线。由于目前使用的进口假体是根据欧美人群膝关节解剖及下肢力线特点进行设计，尚未有专门针对国人设计的假体问世。随着TKA、术中导航技术、3D打印个体化手术器械的发展，个体化的TKA 逐渐成为研究热点[20,21]。未来可能实现根据每一个患者实际HKA、TP-TSA、KPV 大小，参照该地区正常下肢力线标准设计个体化手术器械、进行个体化截骨、安装个体化假体。通过分析国人下肢力线特点，通过灵活调整截骨及适度软组织松解可适当弥补假体设计方面的不足。因此，下肢力线特点的研究是TKA 的手术基础，只有掌握下肢力线特点才能更好的完成TKA。