紅外線計算機導航下全膝關節置換的應用研究

徐永勝，魏寶剛，呂龍，王偉

內蒙古自治區人民醫院 骨關節科，內蒙古 呼和浩特 010017

0 前言

全膝關節置換術（Total Knee Arthroplasty, TKA）是用人工假體替代患者已經損壞的不可修復的膝關節從而達到根治膝關節疾病的一種手段。要想獲得長期優良的臨床效果，必須盡可能將關節假體的位置精確地安放，恢復下肢力線及軟組織平衡。近年來，TKA在手術技術方面主要的進步之一，就是影像導航技術在關節外科的成功應用[1]。影像技術與臨床治療相結合，開創了計算機導航輔助骨科導航手術（Computer Assisted Orthopedics Surgery，CAOS）[2]，如今 CAOS已經涉及脊柱外科、關節外科、創傷外科、骨腫瘤和矯形外科，近幾年來，歐美國家計算機輔助導航技術（CAS）越來越廣泛地被應用于膝關節外科[3]，國內也有部分醫院和醫生開始采用，本文通過比較計算機導航輔助TKA與傳統TKA病例，從而探討CAS下TKA是否值得臨床推廣。

1 資料與方法

1.1 一般資料

病例選自2006年1月～2011年1月，所有病例均為初次置換，術前內外翻畸形均<15°。導航組（CAS Group）：采用紅外線計算機導航完成全膝關節置換的病例，共計47例61膝，其中，男10例12膝，女37例49膝；年齡52～80歲，平均67歲；骨性關節炎41例49膝，類風濕性關節炎6例12膝。術前KSS評分平均（36±6）分。術前OXFORD評分平均（21±8）分。膝關節活動度為0～100°，平均48°；對照組為傳統組（Traditional Group）：同時間段隨機抽取的60例82膝傳統手術患者，其中，男15例18膝，女45例64膝；年齡51～78歲，平均65歲；骨性關節炎50例66膝，類風濕性關節炎10例16膝。術前KSS評分平均（34±6）分。術前OXFORD評分平均（20±8）分。膝關節活動度為0～105°，平均46°。

1.2 手術方法

1.2.1 導航組

患者平臥于手術臺，導航系統放置于對側，調整camera啟動導航系統，輸入患者資料并按步驟進行激活、注冊股骨和脛骨追蹤器（tracker）、pointer及定位校準。采用膝關節正中切口，依次切開皮膚、皮下、關節囊及滑膜，顯露膝關節。固定錨釘于股骨遠端及脛骨近端，正確連接tracker，下肢機械軸線（髖膝踝垂直經線）注冊：通過髖關節旋轉中心，膝關節中心點，踝關節中心點確認。導航手術所需解剖標記點或面的注冊：包括股骨遠端前方骨皮質，股骨內、外上髁，股骨髁中點，股骨內外髁關節面，股骨滑車中軸線脛骨髁間棘中點脛骨內外側平臺關節面，脛骨前后線，內、外踝，踝關節中心。手術前，術者要大致估計導航系統得到的參數是否正確。股骨遠端及脛骨截骨后，用帶示蹤器的截骨平面探測器進一步確認截骨是否正確，截骨厚度可精確到1 mm，角度控制精確到0.5～1°。通過比較截骨前與截骨后下肢力線和運行軌跡、內外側張力曲線，可進一步行截骨或軟組織松解以獲得最佳的下肢力線和運行軌跡。截骨完成后安裝假體，植入脛骨及股骨假體部件、墊片，縱向加壓，通過監視器顯示下肢力線，待骨水泥凝固后測定并記錄最終的下肢力線和運行軌跡、內外側張力曲線。

1.2.2 傳統組

采用標準全膝關節置換技術，患者平臥于手術臺，行膝關節正中切口，內側入路顯露膝關節。股骨側采用髓內定位法進行股骨遠端截骨。脛骨側采用髓外定位法進行與脛骨機械軸垂直的脛骨近端截骨。安裝假體后在完全伸膝位和屈膝90°位評估內、外側軟組織穩定性，并進行針對性軟組織松解以平衡膝關節屈、伸間隙。

1.3 術后評價

臨床評價包括：手術時間、術后24 h引流量、術后6個月膝關節活動度、KSS評分和OXFORD評分以及并發癥情況。影像學評價包括：軟組織平衡角度變量、軟組織平衡分離變量、髖膝踝經線（Mechanical Femoral Axis to Tibial Axis Angle, mFTA），常規膝關節X線正、側位片上進行測量假體位置角度（見圖1），包括α、β、γ、δ及Q角。在膝關節前后位上，α角為術后股骨髁假體兩髁切線與股骨解剖軸線相交內側所成的角；β角為脛骨平臺假體平面與脛骨解剖軸線所成的夾角。在側位X線片上，γ角為股骨髁假體前方平面垂線與股骨軸線所成的夾角；δ角為股骨平臺假體平面與脛骨解剖軸線相交后方的夾角；Q角又叫股脛角，由股骨中軸和從髕骨中點延伸到脛骨結節間形成的角[4]。

圖1 前后位和側位X線片上角度測量

1.4 統計學處理

數據分析采用SPSS13.0軟件，兩組樣本差異比較選用成組t檢驗，α值取0.05。

2 結果

兩組術中均無神經、血管損傷，手術切口均一期甲級愈合。手術時間：導航組為80～120 min；傳統組為65～100 min，有統計學差異（P<0.05）。術后24 h引流量：導航組為600～850 mL，傳統組為550～800 mL，無顯著差異（P>0.05）。術后隨訪時間6～72個月，平均34個月，兩組均無感染及假體周圍骨折發生，住院期間術后2 w內，導航組7例、傳統組11例出現患肢腫脹，經下肢靜脈彩超、血D二聚體檢測，導航組發生DVT （深靜脈血栓）2例，傳統組發生DVT 3例，發展為PE 1例，均經積極治療痊愈出院，無死亡病例。術后6個月并發癥發生率：導航組（4.2%）、傳統組（5.0%）；膝關節活動度：導航組69～110°（平均95°）、傳統組65～108°（平均93°）；KSS評分導航組平均（80±9）分、傳統組平均（78±9）分；OXFORD評分導航組平均（37±9）分、傳統組平均（36±9）分；以上數據兩組比較均無顯著差異（P>0.05）。

導航組和對照組mFTA：導航組為（0.94±0.96）°，傳統組（1.76±1.53）°，有統計學差異（P<0.05）。兩組α、β、γ、δ及Q角（見表1），無顯著差異（P＞0.05），但導航組分布類似于標準正態分布，取值較為集中，極值范圍小。軟組織平衡角度變量：導航組為2°以內；傳統組為2～4°，有統計學差異（P<0.05）。軟組織平衡分離變量：導航組為2～4 mm；傳統組為5～7 mm，有統計學差異（P<0.05）。

表1 術后內置物角度和Q角（股脛角）比較及分布

3 討論

3.1 膝關節導航的硬件及軟件系統

美國紐約州布法羅總醫院骨科Kenneth A.Krachow教授與W.M.M教授于1995年開始合作，從事開發計算機輔助全膝關節置換系統項目，采用Optitrack紅外跟蹤設備，于1997年8月在TKA手術中應用了導航，并發展為膝關節跟蹤模塊，目前已在多個國家廣應用。現今國內應用的膝關節導航系統除了Stryker公司的 Navigation Systerm以外，還有德國Brainlab公司Vector Vision系統和Aesculap公司Orhto-Pilot系統。所有的系統都有堅固的身體標記物，也稱為tracker，通過錨釘或固定針固定于患者的股骨、脛骨和骨盆上，信號接收器（camera）使tracker視覺化，并跟蹤其在手術空間內的運動形成圖像，安裝有特殊軟件程序的計算機系統進行識別和計算各參數，從而精確地指導手術。除硬件外，軟件的更新對于提高全膝關節假體部件定位和下肢軸線精確性也起著很重要的作用[6]。據Ryan G[7]報道，采用傳統手術方法和計算機輔助導航技術對315例患者行單側全膝置換，結果顯示：術前及術后X線片測量，應用2.0版軟件，導航組（93%）與傳統組（82%）相比，下肢力線的精確性可顯著提高（下肢中立位±3°，P＜0.02），應用3.1版軟件提高更為明顯（99%，P＜0.03）；使用止血帶時間傳統組平均74 min，2.0版軟件平均90 min，3.1版軟件平均73 min，應用Stryker 2.0版軟件在止血帶使用時間上明顯長于傳統手術方式或應用3.1版軟件（P＜0.001）。但這些因素能否影響患者功能以及術后假體生存率，需要進一步和更多樣本資料的隨訪研究。

3.2 下肢軸線

人工全膝關節置換手術療效的好壞取決于多種因素，如醫生的手術技術的精確性、假體安放角度、下肢軸線和軟組織平衡的恢復以及良好的骨水泥技術。其中，術后下肢軸線是影響術后假體壽命的最重要因素之一，根據力線正確安裝假體是手術成功的關鍵。大量研究表明，全膝關節置換術后下肢力線超過3°與早期手術失敗及臨床結果密切相關，軸線不良是非感染松動的重要原因已成為共識[6,8-12]。導航系統可以精確地計算髖、膝、踝關節中心，截骨時分別指示出股骨和脛骨機械軸線角度，相當于在直視下進行截骨，大大降低了整體下肢機械軸偏差的可能性。有關下肢機械軸線偏差在±3°范圍內的比例，據Bathis[13]報道，導航組為96%，傳統組為78%；據Stulberg[14]報道，導航組為88%，傳統組為72%。以上結果均顯示利用計算機輔助導航技術可以大大提高術后下肢軸線的精確性，與本文研究結果相一致。

3.3 軟組織平衡

除下肢軸線外，全膝關節置換時還需考慮軟組織連接情況、韌帶張力等因素，以獲得關節的穩定和最大的活動范圍，軟組織平衡是膝關節置換術成功與否的關鍵因素之一[15-16]。軟組織平衡不佳可能導致聚乙烯襯墊內、外側壓力不均衡，從而加速磨損影響長期療效。對于進行關節置換的患者來說，傳統全膝關節置換手術中軟組織平衡主觀性較強，主要是術者進行主觀判斷，在伸直位和屈曲90°位進行評估的，目前導航系統對術中軟組織平衡依然沒有專門的應用軟件，其調控依然要依靠術者的經驗與機械撐開等方法，有學者報道[17]，計算機導航系統可以從膝關節伸屈0～120°的過程中動態監測軟組織平衡及運動曲線，得出的數據可以作為判斷側副韌帶和后方關節囊張力的參考依據，但可靠性尚有待進一步研究和證實。因此，有待開發專用的軟組織平衡測量軟件，根據測量的數值調控關節間隙和內外側軟組織張力的平衡，檢測安裝假體前后軟組織張力和關節假體穩定性，以最終獲得最佳的軟組織平衡。

3.4 假體位置調整

假體位置的好壞是保障手術成功的一個關鍵因素[7]，假體對位不良會引起髕骨活動軌跡不良、髕骨脫位等許多問題，長期以往會導致假體部件的磨損增加，進而導致假體松動[18]。本研究術后前后位X線片上測量α角、β角和Q角，結果發現導航組與傳統組α角與β角較為接近，且兩組結果無明顯差異，比較兩組Q角，差異無統計學意義（P＞0.05），二者均接近正常值，證明了兩組手術方式均可以較好的確定股骨和脛骨冠狀面的力線，減少股骨遠端和脛骨截骨所致的內、外翻畸形[19-21]。術后側位X線片上測量股骨端γ角和脛骨端δ角，結果發現γ角在導航組均值為3.10°（-3～7°），傳統組為3.52°（-3～8.6°）；δ角導航組為85.14°（79～89°），傳統組為85.89°（78～92°）；兩組結果無明顯差異，但導航組的取值比較集中，且分布區間更小，證明了導航手術較傳統手術更加精確[21-23]。

4 結論

紅外計算機導航輔助下全膝關節置換能夠提高截骨精確性，使假體位置安裝更精確、軟組織平衡更佳，同時降低假體位置和下肢軸線偏差的風險，值得臨床推廣應用。

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