全膝关节置换术中软组织平衡测量装置的研究进展*

赵永正,吕波,许瀚,官孝天,牟雅洁,刘青松,冯超

(1.成都体育学院运动医学与健康学院，成都 610041；2.四川省医学科学院四川省人民医院骨科，成都 610072；3.成都市第一骨科医院,成都 610072)

1 引 言

在TKR术中的假体对齐和软组织平衡将影响TKR术后假体的使用寿命、关节的功能及患者的满意度[1]。韧带松弛和假体不对齐造成的膝关节不稳是TKR术后的主要并发症，也成为短期内翻修的主要原因之一[2]。在相同设计的植入物中，分析透视运动学(透视下观察胫骨和股骨运动)和磨损变化出现了很大差异，进一步强调TKR中软组织平衡的重要性[3]。一项针对526例[4]TKR的研究发现，大量软组织松解的膝关节在短期临床结果中表现良好，无并发症发生，并且与那些术前畸形较少、需要较少软组织松解的膝关节相比，在一年内取得了相似的临床结果，与术前相比韧带松解也能在短期内改善预后，证实了软组织韧带松解的可操作性。

手术中软组织松解可改善软组织的平衡，获得较好的功能结果，但不恰当的松解被认为是不稳的主要原因[5-6]。一般，手术中医生可通过测量截骨技术和间隙平衡技术使TKR术后的膝关节达到平衡状态。在测量截骨技术中，平衡韧带之前先进行骨切除，优点是更好地与解剖机械轴对齐[7]。在间隙平衡技术中，术者先松解软组织，然后将股骨与胫骨平行切开。现在很多医师试着将两者技术联合使用，下肢力线和软组织平衡也取得了良好的结果[8-9]。最近有很多手术器械用于组件对齐，但韧带平衡仍然在很大程度上依赖于外科医生的主观感觉, 重复性和精确度不能保证[10]。

2 传统手术平衡机械装置

使用机械牵开装置时，医生需对器械施加压力来分离关节和测量截骨后的间隙[11](见图1)。在使用机械设备时，由于精度较低，膝关节平衡往往很难实现，一部分原因是外科医生手动施力，施力大小易受主观变化影响，一部分原因是仪器上的视觉标记分辨率较低[7,12-14]。尽管医生认为在手术中的膝关节是平衡的，但据报道，大于50%的膝关节存在高达3 mm的屈伸间隙不匹配[14]。

图1 (a).间隙平衡装置根据软组织张力调整股骨旋转，实现矩形屈曲间隙;(b).撑开器Fig.1 (a).The gap balancing device adjusts the femoral rotation according to soft tissue tension to achieve the rectangular buckling gap;(b).Open device

通常用于韧带平衡的机械设备可分为间隔块、间隙平衡器和关节撑开装置。在使用间隔块时，外科医生选择一个合适大小的间隔块，手动检查膝关节在完全伸展和90°屈曲时的松弛情况。使用关节撑开装置时，医生用手对撑开器施加压力分开关节，测量两骨之间的距离。研究发现，在比较间隔块和干扰物时，对等间距的评估存在20%的分歧，在人工平衡完成后进行的术中测量显示，内侧和外侧间室之间的不平衡平均为22.7 N[15]。另一项比较间隔块、撑开器和试验部件的研究发现，使用手术器械存在主观性，在比较间隔块和撑开器时，对相等间隙的评估也存在高达20%的分歧，尽管韧带松解适当，术中使用垫片保持平衡，但在术后透视运动学分析中，仍有40%的患者出现股骨髁突翘起，24%的患者胫骨旋转异常[16]。

3 计算机辅助装置

计算机导航辅助TKR技术，在股骨与胫骨上安装红外线反射球，通过红外线等技术把信息传给计算机，通过计算机调整截骨信息，帮助医师精确截骨[17](见图2)。其优点是帮助医师减少主观判断失误，使假体植入更加准确，下肢力线更加精确，屈伸间隙更加平衡[17-20]。导航辅助间隙平衡产生的异常值更少，股骨-胫骨间隙比传统测量截骨技术的矩形间隙更少[21-22]。

图2 (a).计算机导航辅助TKR的软组织平衡;(b).计算机导航辅助TKR术后影像学表现Fig.2 (a).Soft tissue balance of TKR assisted by computer navigation;(b).Imaging findings after computer navigation assisted TKR

计算机导航技术通常以骨骼标志物做参照，经常忽视软组织对膝关节的重要性。一项meta[19]分析认为，机器人辅助手术和计算机导航手术能改善下肢对齐和假体定位，相对于医师手动控制能更好地提高手术结果，但在软组织平衡时，计算机导航的作用还需进一步研究。Brown等[23]对连续的3 100例计算机导航TKR患者的并发症进行回顾性评估，手术中使用的高速电锯、微创拉钩和定位钉等手术器械会误伤皮肤、韧带和腓总神经。因此，计算机导航TKR技术能精确截骨与准确定位假体，在平衡和保护膝关节周围软组织时还需提高。

4 电子平衡装置

传统的手术机械装置通常只测量90°弯曲和完全伸展时的间隙，且精确度很难保证。电子平衡装置通过调节膝关节内、外间室的屈伸间隙应力来帮助软组织平衡，可测量显示内侧、外侧室间力以及股骨接触部位。

Fig.3Electronic mechanical balance measuring device (gasket prosthesis)

电子平衡装置在概念上等同于带有压力敏感器和带力传感器的胫骨垫片[24-29](见图3)。股骨截骨完成后，利用电子平衡装置完成膝关节屈曲、伸展时内、外侧间室应力相等。Camarata[30]报道了eLIBRA装置，在胫骨和股骨远端切开后，在股骨远端加上应力感受器，胫骨近端插入合适厚度的传感器智能胫骨垫片，利用股骨后髁截骨对齐来平衡90°屈曲时内侧和外侧隔间的应力，优点是减少软组织的松解。Gustke等[31]提出在假体内加入传感器智能垫片、信号接收器、数据显示终端的电子负载传感器Verasense。手术截骨完成后，将合适厚度的传感器智能垫片插入膝关节，在屈膝0°、10°、45°、90°、120°测量关节压力，通过信号接收器、数据显示终端显示出膝关节内外侧应力值，从而指导医生完成手术。Gustke等[31]、Meere等[32]在术中运用该传感器垫片松解软组织，取得了内外侧压力大致相等的结果。Gustke等[33]、Elmallah等[34]、Golladay等[35]把传感器与传统间隙平衡技术做比较发现，传感器垫片组的膝关节内外侧应力比传统组应力差更小，但传感器组需要更多次的松解。因软组织需更多次松解，手术步骤、手术时间也相应增加，有研究报道对初学者平均增加了11 min，但是当手术超过50台后，利用电子平衡装置的手术时间将与传统手术时间接近[36-37]。

图3 电子力学平衡测量装置(垫片假体)

为了撑开力更加可控，改进的电子平衡装置上增加了机械位移装置与位移传感装置[38](见图4)。改进后的电子平衡装置可在胫骨截骨、股骨截骨、切断不同的软组织后使用该装置，以满足膝关节不同屈曲角度下的应力平衡。吴昊等[39]团队研制的自动液压撑开装置通过对两个球囊注入液体，液体容积经电脑分析后可用来反馈间距与压力的变化。Kwak等[40]对气缸里注入气体将力传导至股骨板来测量膝内、外侧的间距与压力。Kwak在尸体研究中验证了该装置牵引力为150 N，与医生手动拉力(148±9.1)N相一致[40]。Hasenkamp等[41]报道了在电子平衡装置的垫片内加入可控制的气囊，改进后的装置有完整测量整个弯曲范围内的股骨-胫骨距离和内外侧应力的功能，体外实验结果显示，该装置距离误差在0.1 mm以内，应力误差在4 N以内，医生可以利用该装置显示的股骨-胫骨距离和内外侧应力实现软组织的平衡。

图4 (a).电子平衡测量装置安装在大腿上，利用注射器充气调整膝内、外侧应力于股骨-胫骨距离；(b).股骨切开前软组织的松解与电子平衡测量组织的试插入Fig. 4 (a).The electronic balance measuring device is installed on the thigh, and the internal and external stresses of the knee are adjusted to the femur - tibia distance by injecting gas；(b).Release of femur soft tissue before incision and test insertion of electron balance measurement tissue

5 不足与展望

目前传统器械的TKR术软组织平衡在我国还是主流，存在手术成本高昂、医生技术要求、新技术尚需普及等问题，软组织平衡还停留在医生主观判断阶段。计算机辅助导航技术虽能精确下肢力学对线，但软组织平衡方面还需进一步优化。电子平衡测量装置帮助医生术中对软组织完美平衡，但报道相对较少。计算机辅助技术与无线传感技术是不断发展的学科，随着两种技术的不断进步与报道的增多，未来将改变目前凭医生经验判断关节是否达到平衡的处境。