张先龙 | 机器人辅助人工全膝关节置换术中下肢对线选择与软组织平衡策略

2021
09/28

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中国修复重建外科杂志
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王俏杰,张先龙

上海交通大学附属第六人民医院骨科(上海  200233)

通信作者:张先龙,Email:dr_zhangxianlong@sjtu.edu.cn


关键词:机器人辅助人工全膝关节置换术;机械力学对线;运动学对线;功能性对线;软组织平衡

引用本文:王俏杰,张先龙. 机器人辅助人工全膝关节置换术中下肢对线选择与软组织平衡策略. 中国修复重建外科杂志, 2021, 35(10): 1221-1226. doi: 10.7507/1002-1892.202107069


 摘 要


下肢对线和膝关节软组织平衡是影响人工全膝关节置换术(total knee arthroplasty,TKA)术后患者满意度、临床功能结局和假体远期生存率的重要因素。机器人辅助 TKA(robot-assisted TKA,rTKA)具有实现精准截骨和软组织平衡的优势,然而在经典机械力学对线原则指导下的 rTKA 并未显著改善术后膝关节功能结局。运动学对线(kinematical alignment,KA)和功能性对线(functional alignment,FA)等新的 TKA 对线原则由于能够更好考虑患者自身膝关节形态和运动学特点,可能有助于 TKA 临床结果的提升。借助于压力感应器等更加客观准确的软组织平衡评估手段,KA 和 FA 已被证实能够更好地实现软组织平衡。rTKA 能够更加精准和可重复地实现 KA 或 FA 等非中立位对线目标,采用这些下肢对线和软组织平衡策略,有望进一步提高 rTKA 术后满意率。


正 文


人工全膝关节置换术(total knee arthroplasty, TKA)在过去几十年的发展过程中取得了长足进步,通过手术技术的提高、工具的标准化、假体设计和材料的改进以及围术期管理的优化,TKA 患者术后功能已得到明显改善,但患者对手术的总体满意度仍仅有约 80%[1-2],而且只有约 60% 患者感觉其膝关节是“正常的”,残留症状和功能障碍的发生率更是高达 33%~54%[1]

按照现有的认识与理解,下肢对线、屈伸间隙平衡和内外侧软组织平衡是影响 TKA 术后患者满意度、临床功能结局和假体远期生存率,也是可由医师控制的重要因素。传统手术操作依赖于手术医师经验,截骨和软组织平衡误差不可避免,而且经典的机械力学对线(mechanical alignment,MA)方法不适用于所有患者。近年来,包括机器人辅助 TKA(robot-assisted TKA, rTKA)在内的先进数字骨科技术逐渐应用于临床,旨在更加精准且个性化实施 TKA。在此基础上,越来越多医生开始思考在经典 MA 原则之外最理想的下肢对线原则和软组织平衡策略。本文就 rTKA 的相关研究进展及潜在的下肢对线选择和软组织平衡策略作一综述。


1

rTKA 的应用现状及原理概述


rTKA 系统是在计算机导航辅助手术基础上发展而来的,不仅能为医生提供基于解剖数据的截骨和假体植入位置参考信息,还拥有可以执行部分手术操作或引导医生在安全工作范围内进行操作的机械臂或工作组件,进一步提高了 TKA 的精准性,是当前膝关节外科领域发展热点。全球知名的人工关节假体生产厂家均已开发出各自的机器人手术系统,国内亦有多家企业联合临床与科研机构正在开展国产 rTKA 系统的研发工作,并已有部分rTKA 系统完成临床试验[3-4]

rTKA 系统按照医师在术中介入操控程度,分为主动式/自动式(active)、半主动式(semi-active)和被动式(passive)三类[5]。主动式/自动式系统在术中自动执行医生术前制定的手术计划,无需医生术中物理干预;代表产品为 THINK-TSolution One手术系统(THINK Surgical 公司,美国)。半主动式系统通过在术中提供触觉、声学或视觉反馈机制,引导医生在既定安全工作范围内进行精准截骨和假体植入;其代表为 Mako 交互式机械臂辅助手术系统(Stryker 公司,美国)。被动式系统在术中仅作为工具(如截骨导板)提供定位引导,大部分手术操作都是在医生直接控制下完成;例如 Rosa 膝关节机器人系统(Zimmer Biomet 公司,美国)[6]

无论采用何种程度的控制,无论是否依赖于术前影像学数据,现有的主流 rTKA 系统工作时总体均遵循以下几个步骤:根据术前患者影像学资料或术中注册获得的空间信息,建立患者精准的骨骼模型并制定手术计划;术中注册完成后,根据膝关节各个屈伸角度的软组织张力(内外侧间隙)进一步微调手术计划;最后,术者在机械臂或操作组件引导下进行截骨操作。


2

rTKA 的优势


与传统工具 TKA 相比,rTKA 能够更加精准地实现手术计划,包括股骨和胫骨假体植入位置、关节线重建、肢体力线以及胫骨截骨后倾角度等[7-8]。Sires 等[9]对 37 例使用 Mako 手术机器人辅助 TKA患者的数据进行分析发现,与术前计划相比,股骨远端、股骨前方及胫骨近端截骨量偏差分别仅为(0.38±0.32)、(0.44±0.27)、(0.37±0.30)mm,94.29%患者的截骨量测量值与术前计划偏差在 1 mm 以内。冠状位下肢力线与术前计划的绝对偏差平均为 0.78°,其中 78.13% 患者与术前计划偏差在 1.00°以内,所有患者偏差均未超过 3.00°。该团队进一步采用术后 CT 检查来验证最终假体位置及肢体力线与术前计划的偏差,证明 rTKA 系统能够实现术前计划所确定的截骨及肢体力线目标[10]。机器人系统的精准性,使得处于培训阶段的年轻医师在学习曲线阶段就能实施更加安全和理想的手术[11]

rTKA 由于能够为手术操作提供安全边界,对膝关节周围软组织具有较好的保护作用。Hampp等[12]在尸体标本研究中发现,与传统工具手术操作相比,机器人系统能够显著降低术中对后交叉韧带的医源性损伤,对内侧副韧带深层、髂胫束、腘肌腱等组织的损伤也有一定程度降低。Kayani 等[13]进行的前瞻性病例对照研究发现,与传统手术相比, rTKA 能够显著减少膝关节内侧、后方及外侧的医源性软组织损伤,不论是可纠正还是不可纠正的畸形,机器人组需要进行软组织松解的患者比例更低,且无 1 例需要进行完全松解。


3

经典 TKA 原则下 rTKA 对术后功能结果的影响


对于 rTKA 能否将上述精准性优势转化为患者术后膝关节功能改善这一问题,目前仍存在一定争议。对较早期的主动式机器人系统 ROBODOC 辅助 TKA 的近期和中、长期随访研究表明,患者术后功能结果与传统 TKA 相当[14-16]。这可能是由于早期的 ROBODOC 机器人系统仅能够提高截骨精准性,而未考虑膝关节周围软组织状况造成的[17]。新的机器人系统多会用不同方式综合考虑软组织平衡和截骨制定手术计划,因此对 TKA 术后功能结果可能具有正面影响。多项研究显示,新近出现的rTKA 系统能够改善患者术后早期疼痛、活动度和行走距离等膝关节功能[18-20]。然而,通过进一步深入分析,我们发现这些研究多为非随机、开放标签的病例对照研究,并且可能存在研究者利益冲突[21],研究结果存在偏倚。更重要的是,在术后半年或更长时间以后,机器人组和传统手术组在功能和患者满意度上不存在显著差异[22-23]。通过进一步分析我们观察到,这些研究中的 rTKA 组除了使用机器人辅助截骨外,在下肢力线选择以及软组织平衡原则上并未脱离经典的 MA 方法。

上述结果表明,要进一步改善患者 TKA 术后功能,提高患者满意度,仅仅在经典 TKA 理论基础上提高手术精准性可能是不够的,我们需要重新审视 TKA 的基本手术原则,其中最重要的就是下肢对线和软组织平衡基本原则[24]


4

rTKA 下肢对线的选择


理想的 TKA 对线目标是目前备受关注的焦点问题[25]。经典的 MA 方法[26]是目前使用最广泛的TKA 对线方法,其着眼于重建二维平面上髋-膝-踝中心轴(即机械力线)来恢复下肢力线,通过垂直于机械力线截骨及股骨假体外旋,创造出平衡的伸直-屈曲间隙安放膝关节假体。这一对线方法具有很好的可重复性且易于掌握,使 TKA 获得了良好的远期假体生存率。然而,这一经典理论也有可能是造成部分患者 TKA 术后不满意的重要原因[24]。文献报道正常成年人中有 32% 男性和 17.2% 女性存在膝关节生理性内翻(内翻超过 3°)[27]。多项研究[28-29]证明,对于术前存在膝关节内翻的骨关节炎患者,TKA 术后残留轻度内翻畸形不会对术后结局产生不利影响。而近期甚至有数项研究[30-32]证明,术后残留轻度内翻的患者膝关节功能显著优于纠正至中立位的患者。MacDessi 等[33]通过对正常年轻人群和膝关节炎患者的下肢关节形态进行分析,结合髋-膝-踝机械轴对线及膝关节关节线在冠状位上的倾斜方向,提出了新的膝关节冠状位对线分型系统(CPAK 分型)和功能性膝关节表型的概念。他们的研究结果显示,在正常人群和接受 TKA 的患者中,自然膝关节形态符合 MA 目标者仅占约15%。如果千篇一律地按照 MA 原则进行手术,则很多情况下会改变膝关节周围软组织的自然张力和运动轴线,无法重建自然膝关节的运动学特征。

Howell 等[34]提出了 TKA 的运动学对线(kine-matical alignment,KA),即参考膝关节本身的运动轴,在补偿磨损的软骨厚度基础上,股骨远端、后方和胫骨近端截骨均为内外侧相等厚度的对称性截骨,目标是重建膝关节运动时的 3 条轴线(即胫骨屈伸轴、髌骨屈伸轴和胫骨内外旋轴),尽可能恢复膝关节正常生物力学状态。临床研究[35-37]显示,KA-TKA 在提高术后早期膝关节功能评分、改善膝关节活动度及提高患者满意度方面可能较MA-TKA 更有优势;但由于其未充分考虑下肢力线,可能会造成下肢力线过度偏离中立位,由此是否会导致假体远期生存率下降尚未可知;同时,由于股骨假体未外旋放置,在假体几何形态保持传统设计而不进行变革的情况下,是否会对髌骨轨迹产生不利影响仍不清楚。

rTKA 技术可以达到更为精准的截骨、软组织平衡和下肢对线,意味着能够更精准且可重复地实现非中立位对线目标,降低了术后力线严重偏离目标值的风险[10]。在此基础上,逐渐由 KA 衍生出了功能性对线(functional alignment,FA)的概念[38], FA 主要强调的是在去除骨赘后,根据患者膝关节周围软组织在内外翻应力下的张力状态,优先通过调整截骨和微调假体位置,来获得屈伸间隙平衡和内外侧间隙平衡,尽可能减少对膝关节周围软组织的松解,同时保持下肢冠状位力线在(0±3)° 的可接受安全范围内。在越来越多证据[28-31]证明轻度偏离中立位并不会显著影响膝关节假体远期生存率的基础上,在由机器人提供的高度精准性辅助下,我们有必要对 rTKA 所适用的理想下肢对线原则进行深入探索,进而对传统对线原则做出改变。


5

FA 原则指导下的 rTKA 具有良好的软组织平衡


尽管对于采用哪种下肢对线方法进行 TKA 最为理想尚无一致意见,但获得软组织平衡对于 TKA的成功至关重要已达成共识。医生在术中对于软组织平衡的判断带有很强的主观性,与个人经验密切相关,且已有研究发现医生的判断并不能很好地预测是否真正实现了软组织平衡[39]

在软组织平衡方面,尽管有机器人的辅助,对于 TKA 来说,软组织平衡和软组织张力的客观判断仍然是难点。近年来在国外逐渐获得应用的数字化术中间隙压力传感器有望很好解决这一难题,其中以 VerasenseTM 系统(OrthoSensor 公司,美国)的应用最具代表性。VerasenseTM 系统是一种在 TKA 术中测量关节间隙压力与压力分布的一次性传感器,可实时测量膝关节全范围活动时内外侧关节间隙压力[40]。基于生物力学测试结果及经验丰富的医师术中结合计算机导航和传感器压力检测结果,Gustke 等[41]将理想的膝关节内、外侧压力分别定义为不超过 55 磅和 40 磅,理想的内外侧平衡定义为内、外侧间室压力差<15 磅。Song等[42]在 50 例采用 VerasenseTM 系统引导的 TKA 手术中,对使用传统张力计评估获得间隙平衡的患者用 VerasenseTM 系统进行验证,发现有 56% 患者在伸直位、32% 患者在屈曲位仍未获得真正的平衡(即内、外侧间室压力差>15 磅)。与传统手术依靠医师手感对术中软组织平衡作出经验性判断相比,使用 VerasenseTM 系统能够明显提高术中获得真正软组织平衡的概率,从而使患者获得更好术后早期关节活动度、更高膝关节遗忘评分和满意度[43-44]

利用数字化压力传感器进行 TKA 的研究表明,基于 FA 原则的 rTKA 能获得更好软组织平衡。Chang 等[45]利用压力传感器测量了 30 例按照FA 原则接受 rTKA 的患者在各个屈伸角度下膝关节内外侧间室压力。术中按照 FA 原则调整截骨和假体位置,以骨水泥固定股骨假体和胫骨托之后插入压力感受器,测量结果显示膝关节内外侧间室压力差在屈膝 10° 时为(6.1±4.6)磅(P=0.140),屈膝45° 时为(5.4±3.9)磅(P=0.510),屈膝 90° 时为(4.9±4.5)磅(P=0.800)。30 例患者中无 1 例内侧或外侧间室压力绝对值超过 60 磅,无 1 例需要在截骨完成后、测量压力之前进行额外软组织松解。

rTKA 带来的这种个性化而又精准的对线和软组织平衡,有望使患者 TKA 术后功能进一步改善,提升患者整体满意度。Smith 等[19]进行了一项前瞻性对照研究,对 120 例按照 FA 原则接受 rTKA 的患者与 103 例按照 MA 原则接受传统 TKA 的患者进行随访观察,两组患者均使用同一种假体,采用相同术后康复方案,术后 1 年患者总体满意率 rTKA 组为 94%,显著高于传统 TKA 组(82%),差异有统计学意义(P=0.005)。


6

未来相关研究展望


rTKA 系统仍处于发展的初级阶段。现有的rTKA 系统大多以医生施加应力状态下的关节间隙大小来间接代表软组织张力,仍然存在主观性和无法标准化的问题。未来需要进行更多研究,借助新的数字化工具,使术中屈伸间隙大小更客观地转换为直接可显示的软组织张力。利用机器人的高度精准性优势,通过优化设计更大样本量、更高质量的前瞻性随机对照临床研究,探究现有的 MA、KA和 FA 等下肢对线原则中,哪种最能够体现 rTKA在患者功能结果上的潜在优势。尽管有大量证据表明,获得内外侧软组织平衡对于 TKA 至关重要,但分析自然膝关节运动学特征的研究[46]发现,自然膝关节存在内侧紧、外侧松的现象。通过 TKA 来重现上述自然膝关节中存在的内外侧软组织张力特点,是否能够进一步改善 TKA 的功能结局,还需要未来借助机器人进一步进行深入研究。

人工智能介入 TKA 是未来相关研究的又一重要方向,借助不断累积的大数据,人工智能有望更加快速地为患者制定更个性化和更理想的下肢对线及软组织平衡解决方案,从而获得最佳 TKA 手术效果。


通讯作者



张先龙,主任医师,教授,博士生导师,现任上海创伤骨科临床医学中心常务副主任、上海交通大学附属上海市第六人民医院骨科关节外科主任。先后承担国家重点研发计划1项、国家自然科学基金面上项目4项;在国内外重要期刊发表论文190余篇,其中SCI 论文130余篇。现任中华医学会骨科学分会关节外科学组副组长;中国医师协会骨科医师分会关节外科学组副组长、手术标准化学组组长;中国研究型医院学会关节外科学专业委员会人工关节表界面材料研究学组(CASIS)组长;上海医学会骨科专科分会关节外科学组组长;中国医师协会机器人外科医师分会医用机器人分会委员。


第一作者



王俏杰,医学博士,上海交通大学附属上海第六人民医院骨科主治医师。2006年毕业于北京协和医学院(原中国协和医科大学)。自2011年开始专注从事成人髋、膝关节重建外科的临床和研究相关工作。擅长人工髋、膝关节置换手术、膝关节周围截骨保膝手术以及人工关节假体周围感染的规范化诊治,并擅长利用计算机导航、机器人等先进的数字化骨科技术提高手术治疗的精准性。2017年在Rothman Institute进行为期一年的进修学习。学术任职:中国医师协会骨科医师分会手术标准化学组委员、中国骨科菁英会(关节)会员。


参考文献:




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关键词:
膝关节置换术,rTKA,软组织,机器人,膝关节,截骨,骨科

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