运动学对线应用于全膝关节置换术的研究进展

赵春涛，卿明松，彭笳宸

膝关节骨性关节炎已成为老年人常见疾病之一，越来越多的患者选择手术方法治疗终末期膝关节骨性关节炎，全膝关节置换术（total knee arthroplasty，TKA）是改善终末期膝关节骨性关节炎患者疼痛和恢复膝关节功能的一种行之有效的方法，并取得了临床医师的认可［1］。患者TKA 术后的10 年、15 年生存率可达 93.3% 和 88.7%［2］，虽然假体长期生存率较高，但是约1/5 行TKA 的患者对术后效果不满意，对缓解疼痛的满意度为72%～86%，对特定日常生活活动的功能满意度为70%～84%［3］，导致患者不满意的因素有很多，如术后膝关节疼痛、膝关节活动度减小等，部分原因可能是TKA 后未能重建膝关节自身的运动学特征。对于近年来兴起的运动学对线方法，外科医师担忧其术后并发症、术后膝关节功能及假体长期生存率等，本文主要对其概念、背景、手术方法、术后临床效果及存在问题等作一综述，旨在为外科医师在TKA 术中选择不同下肢对线方案提供参考。

1 运动学对线理念与机械力学对线理念不同点

对于外科医师来说，下肢力线精确重建是患者术后假体寿命和术后功能的重要影响因素。在过去的30 年中，TKA 中最常见的下肢力线重建方法是机械力学对线方法（mechanical alignment，MA），大多数情况下，股骨头中心与距骨中心的连线经过膝关节中心，该连线称之为下肢机械力线；机械力学对线是指垂直于机械轴行股骨远端、胫骨近端截骨，使股骨-胫骨关节线垂直于下肢机械离线，机械力学对线方法指导的TKA 依赖于在冠状平面上建立下肢机械轴0°±3°范围内。该种手术方式术后，下肢的机械轴穿过中心并垂直于膝关节线［4］，胫骨平台内外侧受力相等，理论上可以减少膝关节假体磨损，提高膝关节假体的生存率。

与MA 关注的二维平面不同的是，运动力学对线方法（kinematic alignment，KA）关注的是患者个性化的解剖结构，并重建膝关节的三维立体结构，在最小化松解膝关节周围软组织及韧带的同时，将股骨、胫骨和髌骨的旋转轴与膝关节的3 个生理运动轴线相一致［9］。股骨假体和胫骨假体固定在尽量不松解韧带的股骨、胫骨上［10-12］，并恢复膝关节线原有的角度和高度。根据患者术前膝关节影像学表现，尽量恢复患者术前膝关节内、外翻关节线或者中立位关节线。与机械力学指导全膝关节置换（mechanical alignment-total knee arthroplasty，MA-TKA）模拟膝关节简易运动不同，运动力学对线指导全膝关节置换（kinematic alignment-total knee arthroplasty，KATKA）的目标是提高患者术后膝关节功能，减轻疼痛，减小手术创伤，并试图最大可能恢复膝关节原有的运动状态。KA-TKA 参照膝关节病变前状态原位恢复膝关节关节面，如果患者存在生理性内、外翻关节线，则术后部分患者股骨-胫骨关节线会偏离传统的中立位对线，因此外科医师对KA-TKA 术后假体磨损及寿命表示很大的担忧。

2 KA-TKA提出的背景

2.1 解剖因素 有研究表明，人体生理股骨-胫骨关节线存在一定的内外翻角度，相当一部分正常人群一旦骨骼发育成熟，就存在膝关节生理性内翻（男性32%，女性17%）［4］。如果这部分生理性膝内、外翻患者在其老年时需要行TKA，需要按照原来膝关节线制定手术计划，生理性内、外翻患者需将术后股骨-胫骨关节线分别做成内倾、外翻关节线。如果强制按照MA-TKA 方式行手术治疗，可能会改变其股骨远端、股骨后部和胫骨关节线的角度和高度［4，13］，并改变术后膝关节的解剖结构［5-6］，导致部分患者出现术后膝关节不适［7-8］。假体运动轴线与原有膝关节运动轴线不一致，甚至还需要加大股骨假体旋转角度、松解膝关节周围韧带及关节囊以达到软组织的平衡，因此使下肢力线恢复到中立位的机械对齐的MA-TKA 就有可能不是最佳的手术方式。

2.2 改善患者术后疗效 目前手术工具以及膝关节假体均按照MA-TKA 手术方式进行设计，为了获得较好的下肢力线，外科医师认为需要提升手术工具的精度，并将计算机导航及个性化的截骨导向器应用于MA-TKA，这些方法虽然可以提高假体安放的准确性并使力线更标准，手术精度更高，但是研究发现这些做法并没有从根本上提高患者TKA 术后的早、中期疗效，反而增加了手术时间和治疗成本［14-16］。

MA-TKA 截骨后保证内侧和外侧间室内实现更平衡的负荷分配，并尽可能减小假体磨损率和无菌松动率。KA-TKA 术后部分患者股骨-胫骨关节线偏离传统中立位对线，从力学角度外科医师认为KA-TKA 术后存在胫骨平台内侧或外侧受力较大，外科医师对KA-TKA 术后膝关节假体的磨损存在一定的担忧，但是随着聚乙烯材料质量和耐用性的不断提高，对膝关节假体磨损及生存率的担忧程度越来越低，并且有荟萃分析提出KA-TKA 未增加并发症的发生率［17］。MA-TKA 虽然在一定程度上缓解了患者的疼痛症状，纠正了畸形，提高了患者术后的生活质量。然而，仍有一部分患者对术后膝关节功能不满意，这需要改进手术技术或开发新的手术技术。关节炎前膝关节解剖和韧带松弛的恢复和保存逐渐成为研究热点［20］，KA-TKA 也开始广泛应用于临床。

3 KA-TKA手术方法

实现KA-TKA 可以分以下几个步骤：术前需完善膝关节影像学资料，根据影像学资料重建膝关节三维模型，从而构建出正常膝关节生理结构，并作出截骨导向器，选择合适的假体，确定假体安装的三维空间位置［21-22］。截骨模块包含锯槽及钉孔用来限制截骨导向器位置，固定导向器后截骨，截骨后检查膝关节稳定性及活动度，必要时松解膝关节周围软组织和补充截骨，确定截骨厚度与假体厚度一致［22］。计算机导航技术已经应用于诸多外科手术中，Hutt等［23］尝试在计算机导航下进行MA-TKA，据术前站立位下肢全长片上制定手术计划，并将术前计划与术中测量结果进行比较，以排除导航设备可能发生的严重错误，并就最终假体安放角度作出最终计划，手术取髌旁入路，松解侧副韧带，使用计算机导航系统确定下肢力线，将股骨远端髁和胫骨平台的软骨和骨丢失情况与完整部位进行比较。后髁截骨采用传统标准器械进行，与传统KA-TKA 方法一致。

4 KA-TKA术后膝关节临床疗效

4.1 增大膝关节活动度 Dossett 等［24］通过观察分别行MA-TKA 和KA-TKA 的2 组患者术前及术后6 个月的临床疗效及运动功能，结果显示，KA-TKA组的膝关节屈曲度优于MA-TKA 组。Matsumoto等［25］研究表明KA-TKA 术后屈膝角和功能活动度评分明显优于MA-TKA 组。另有多项研究亦显示KA-TKA 组的膝关节功能优于 MA-TKA 组［26-28］；但是也有研究显示KA-TKA 组的膝关节功能与MATKA 组无明显差异［29-30］。因此这两种手术方式术后膝关节活动度是否增大仍有待进一步研究。

4.2 良好的膝关节运动状态 与MA-TKA 相比，KA-TKA 可以更好地恢复髌骨的运动学轨迹。关于尸体和生物力学的研究将膝前疼痛和髌骨轨迹不良主要归因于股骨和胫骨假体位置不良［31-32］。Keshmiri 等［33］采用运动学和机械对齐技术对 10 具尸体膝关节假体植入前后的髌骨运动学进行比较，并使用计算机导航系统进行比较。对自然膝关节、KA-TKA 和 MA-TKA 后膝关节屈曲 10°～90°时髌骨横向滑动、髌骨旋转、髌骨上髁移动距离、髌骨正侧移位变化等方面证实KA-TKA 在自然髌骨运动学恢复方面优于 MA-TKA。Maderbacher 等［34］研究发现，在膝关节屈曲 0°～90°之间时，KA-TKA 较 MATKA 在胫骨内旋或股骨后滚以及胫骨内收方面显示出更自然的胫股运动模式；Lozano 等［35］研究发现KA-TKA 术后髌骨在滑车内的运动更符合生理状态；Koh 等［36］研究发现 KA-TKA 在膝关节深屈膝过程中的髌股生物力学优于MA-TKA。综合上述研究，KA-TKA 可以更好地还原术前的膝关节运动状态，使髌骨有着更好的运动轨迹及运动状态，也减少了因髌骨运动轨迹不良导致的术后膝前区疼痛。

4.3 接近正常步态 TKA 后大多数患者未能恢复到患病前的膝关节状态［37］。TKA 后步态分析系统结果显示，患者膝关节运动范围较正常人群减小［38］。McClelland 等［38］研究发现，与 MA-TKA 相比，KATKA 术后患者的膝关节运动学更接近于正常人群，能更好地再现患者步态。而McNair 等［39］研究认为KA-TKA 与MA-TKA 术后患者步态并无明显差异。Yeo 等［40］对行 MA-TKA 与 KA-TKA 患者进行 8 年随访显示，未发现2 组患者术后步态有明显差异。目前的文献中关于MA-TKA 与KA-TKA 术后膝关节动态研究较少，且评估步态的方法无统一的标准及评估工具，相关研究结论尚需进一步研究验证。

4.4 良好的假体生存率 全膝关节假体的生存率主要取决于下肢力线对齐以及假体植入位置，因此KA-TKA 后是否会对假体的长期存活产生不利的影响成为焦点，遵循患者的自然解剖将导致胫骨平台假体被放置在内翻位，假体偏离机械轴3°以上放置会增加胫骨平台塌陷、聚乙烯材料磨损、假体松动、膝关节不稳定和疼痛的风险，从而导致手术早期失败［41］。但是随着研究的深入，结果显示KA-TKA 的假体长期生存率与MA-TKA 无明显差异。Howell等［42］回顾分析 222 例 KA-TKA 术后患者，发现胫骨假体、膝关节和四肢在内翻和外翻范围内的排列不影响种植体的10 年生存率、年翻修率和功能水平，KA-TKA 术后膝关节假体生存率为98.5%。另一项研究指出在TKA 运动调整后6.3 年，胫骨内翻体、膝关节和肢体的排列不影响种植体的存活或功能［43］。

5 问题与展望

KA-TKA 的治疗费用、手术时间较MA-TKA多，MA-TKA 需要个性化的截骨导向器或者需要在导航下更精准地完成膝关节置换术；目前尚无针对KA-TKA 手术方法设计的假体，使用的是MA-TKA型假体，可能影响下肢力线及术后临床效果。目前KA-TKA 短期术后膝关节功能是否优于MA-TKA仍存在争议，KA-TKA 的临床效果及安全性尚需进一步研究验证。运动力学对线的提出为外科医师在行TKA 时多了一种选择，也促使外科医师对传统TKA 手术方式的思考及改进。