杜刚 | 机器人辅助膝关节单髁置换术对坐起动作时膝关节生物力学的影响

2021
10/09

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中国修复重建外科杂志
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 探讨 Navio 机器人系统辅助膝关节单髁置换术(unicompartmental knee arthroplasty,UKA)对于坐起动作时膝关节生物力学的影响,明确 UKA 能否维持膝关节的生物力学特性。



杜刚1, 2,李政甜1,劳山1,Urish Ken2

1. 广西医科大学第一附属医院骨关节外科(南宁  530021)

2. 美国匹兹堡大学UPMC Magee 医院骨科(匹兹堡  15217)

基金项目:国家自然科学基金资助项目(81660372);广西壮族自治区重点研发计划项目(桂科 AB19110030)

通信作者:杜刚,Email:duganggxmu@outlool.com


关键词:机器人辅助膝关节单髁置换术;Navio 机器人;生物力学;旋转;下肢力线

引用本文:杜刚, 李政甜, 劳山, 等. 机器人辅助膝关节单髁置换术对坐起动作时膝关节生物力学的影响. 中国修复重建外科杂志, 2021, 35(10): 1259-1264. doi: 10.7507/1002-1892.202101061


 摘 要


目的    探讨 Navio 机器人系统辅助膝关节单髁置换术(unicompartmental knee arthroplasty,UKA)对于坐起动作时膝关节生物力学的影响,明确 UKA 能否维持膝关节的生物力学特性。


方法    回顾分析 2018 年1 月—2019 年 1 月接受 Navio 机器人系统内侧固定平台 UKA 治疗,并且获完整随访的 8 例内侧间室骨关节炎患者临床资料。男 4 例,女 4 例;年龄 58~67 岁,平均 62.3 岁。病程 6~18 个月,平均 13 个月。内翻畸形 4°~6°,平均 5°;膝关节屈曲活动度 0°~130°,平均 110°;所有患者均无伸直受限。术前 3 周及术后 7 个月采用双平面 C 臂X 线机收集患者坐起动作时双侧膝关节影像资料;通过双能 CT 扫描建立股骨、胫骨三维模型,自动匹配示踪软件将股骨、胫骨三维模型与 X 线片中的股骨、胫骨相匹配并同步。测量股骨、胫骨的生物力学参数,包括内旋/外旋、内翻/外翻、内侧及外侧间室接触中心点前后位移、外侧间室距离。


结果    8 例患者获随访,随访时间 5~7 个月,平均 6.4 个月。患侧手术前后比较,除内翻/外翻差异有统计学意义(t=4.959,P=0.002)外,其余指标差异均无统计学意义(P>0.05)。健患侧间比较,术前 3 周内翻/外翻、内旋/外旋差异有统计学意义(P<0.05),其余指标差异均无统计学意义(P>0.05);术后 7 个月内侧间室接触中心点前后位移差异有统计学意义(t=3.798,P=0.007),其余指标差异均无统计学意义(P>0.05)。


结论    UKA 可以有效矫正膝关节内外翻畸形,恢复膝关节旋转生物力学特性,且不影响外侧间室间隙的建立,但内外侧间室的接触中心仍有变化。


正 文


膝关节单髁置换术(unicompartmental knee arthroplasty,UKA)主要用于治疗单侧关节间室骨关节炎患者,相比于人工全膝关节置换术,具有微创、康复快、出血量少、死亡率较低等优势[1-2]。既往 UKA 术后假体长期生存率较低,但随着假体设计不断改进,其长期生存率也得到了大幅度提升[3]。尤其是近年来,机器人辅助 UKA 技术不断发展成熟,文献报道其可以提高外科手术精准度、假体安放力线的准确率及获得满意软组织平衡[4],理论上会更好地保留膝关节生物力学特性,提高患者满意度及功能[5]。Cobb 等[6]的一项随机对照试验显示机器人组 UKA 实现冠状面对齐的概率为 100%,而传统组仅为 40%。

目前机器人辅助单髁置换系统有两种,一种是美国 Stryker 公司的 Mako 机器人系统,Lonner 等[4-5]报道传统单髁置换假体放置存在一定内翻畸形,而Mako 机器人系统可以提高单髁置换胫骨假体后倾角的准确度[6];但该系统需要术前收集患者的 CT三维重建数据。另一种为英国施乐辉公司的 Navio机器人单髁系统,与 Mako 机器人系统相比,该系统在提高假体安放准确度的同时,无需术前收集患者 CT 三维重建数据,可减少费用及辐射。但目前尚无 Navio 机器人系统辅助 UKA 术后生物力学及临床疗效的相关报道。走路行走、坐起动作及登楼梯是评估 UKA 术后膝关节生物力学改变的 3 个常用动作,其中坐起时膝关节承受约 3 倍体质量的重量。本研究通过测量 Navio 机器人系统辅助下UKA 手术前后患侧膝关节坐起时的生物力学及运动学参数,并与健侧膝关节进行比较,探讨 Navio机器人系统辅助 UKA 对膝关节生物力学的影响。报告如下。


1

临 床 资 料


1.1    患者选择标准

纳入标准:① 单纯内侧间室骨关节炎患者;② 内翻畸形<10°,膝关节屈曲活动度>115°,伸直受限<5°;③ 前、后交叉韧带完好;④ 膝关节 Kellgren Lawrence 分级Ⅱ级及以上;⑤ 对侧为健康膝关节,未合并骨关节炎或其他疾病;⑥ 接受 Navio 机器人系统内侧固定平台的 UKA 治疗。排除标准:① 类风湿性关节炎;② 创伤性关节炎;③ 身体质量指数>40 kg/m2;④ 合并骨质疏松;⑤ 合并心脑血管疾病。2018 年 1 月—2019 年 1 月共 9 例患者符合选择标准,其中 1 例失访退出研究,最终共 8 例接受完整随访纳入研究。

1.2    一般资料

本组男 4 例,女 4 例;年龄 58~67 岁,平均62.3 岁。病程 6~18 个月,平均 13 个月。左膝4 例,右膝 4 例。身体质量指数 26.5~33.2 kg/m2,平均 28.5 kg/m2。患者均为单纯内侧间室骨关节炎,内翻畸形 4°~6°,平均 5°;膝关节活动度0°~130°,平均 110°;所有患者均无伸直受限。术前 Kellgren-Lawrence 分级为 Ⅲ级 5 例,Ⅳ级 3 例。 

1.3    手术方法

患者于全麻下取仰卧位,取膝关节前内侧切口,依次切开皮肤及髌骨内侧支持带,显露股骨内侧髁及胫骨内侧平台,将 Navio 机器人系统的定位装置用螺钉牢固固定于股骨与胫骨上。然后安装系统提示,定位股骨及内踝,按照系统提示屈伸膝关节,确定膝关节旋转中心,进行膝关节韧带的张力测试。标记股骨髁的表面标志:膝关节中心点、股骨远端点、股骨后髁点,然后标记股骨表面形态。完成股骨标记后,再进行胫骨标记,包括胫骨中心点、最低点、后侧点、内外侧点及髁间嵴,最后进行胫骨表面形态标记。标记完成后在系统界面选择最优假体型号及确定假体位置,再根据此方案启动磨钻,按照系统提示打磨股骨及胫骨表面软骨,然后安装股骨及胫骨假体,缝合切口。

1.4    数据收集及处理

1.4.1    数据收集 术前 3 周及术后 7 个月,所有患者均进行以下测试:① 使用双能 CT 扫描患者双侧膝关节,扫描范围:膝关节中心线远、近各 10 cm,分辨率:0.6 mm×0.6 mm,扫描层厚:1.25 mm。使用 Mimics19.0 软件(Materialise 公司,比利时)识别骨组织并进行股骨、胫骨三维重建,形成三维模型。CT 平均辐射量为 1.0 mSv。② 患者从椅子上站起,采用实时双平面 C 臂 X 线机对膝关节进行透视(速度:100 帧/s,最大功率:90 kV,电流:160 mA,脉冲宽度:1 ms),收集患者坐起时生物力学数据。经 PCXMC 软件测试,X 线最大辐射量为 0.48 mSv。

通过自动示踪软件技术(该技术在体内的精确度为 0.7 mm,旋转精度为 0.9°[6])将股骨和胫骨的三维模型分别与 X 线片影像中的股骨和胫骨进行匹配。见图1。


 

图 1     数据收集     a. 患者从椅子上站起时动作;b. 双平面 C 臂 X 线机透视;c. 双能 CT 扫描双侧膝关节;d. 胫骨和股骨三维模型视图;e. 应用自动示踪软件,将三维模型与 X 线片影像进行匹配;f. 匹配后的股骨、胫骨三维模型


1.4.2    数据处理 在上述匹配后的图像中进行数据处理。建立股骨、胫骨解剖参照系统:① 以股骨内、外髁中心点连线的中点作为股骨中心点,内、外髁中心点连线作为 X 轴,股骨中心点与髋关节中心点(由通过髋关节的 CT 扫描确认)的连线作为 Y轴,Z 轴垂直于 X、Y 轴并通过股骨中心点。② 以胫骨内、外侧平台边缘点连线的中点作为胫骨中心点,踝关节内、外踝连线的中点作为踝关节中心点。内、外侧平台边缘点连线作为 X 轴,胫骨中心点与踝关节中心点的连线作为 Y 轴,Z 轴垂直于X、Y 轴并通过胫骨中心点。

以上述坐标轴作为空间坐标轴,以近端股骨作为参照,通过测定膝关节内侧间室、外侧间室接触中心点的位置,测量患者坐起动作 [从屈曲开始至伸直位结束(95°~0°)]过程中,膝关节胫骨相对于股骨在不同维度的移动轨迹。参数指标包括:内旋(正值)/外旋(负值)(水平面,膝关节内侧间室接触中心点的变化);内翻(正值)/外翻(负值)(冠状面,膝关节内翻/外翻的力线变化);内侧及外侧间室接触中心点前(正值)、后(负值)位移(矢状面);外侧间室距离(空间水平,外侧间室股骨远端与胫骨近端的距离)。使用 Butterworth 滤波器对所有旋转运动学参数进行矫正。由于每 1 度屈曲角度之间数值差别微小,因此按 5° 间隔计算上述指标,所有屈曲角度数据取均值。对术前 3 周及术后 7 个月健侧与患侧,以及患侧肢体手术前后个测量参数进行比较。

1.5    统计学方法

采用 SPSS24.0 统计软件进行分析。数据以均数±标准差表示,手术前后差异及健患侧间比较采用配对 t检验;检验水准α=0.05。


2

结 果


8 例患者获随访,随访时间 5~7 个月,平均 6.4个月。患侧手术前后比较,除内翻/外翻差异有统计学意义(t=4.959,P=0.002)外,其余指标差异均无统计学意义(P>0.05)。健患侧间比较,术前 3 周内翻/外翻、内旋/外旋差异有统计学意义(P<0.05),其余指标差异均无统计学意义(P>0.05);术后7 个月除内侧间室接触中心点前后位移差异有统计学意义(t=3.798,P=0.007)外,其余指标差异均无统计学意义(P>0.05)。见表1,图2。


 


 

图 2     坐起动作期间患侧膝关节生物力学手术前后差值变化示意图(胫骨相对于股骨的位置变化)     每根线条代表1 例患者 a. 内翻(正值)/外翻(负值);b. 内旋(正值)/外旋(负值);c. 内侧间室接触中心前移(正值)/后移(负值);d. 外侧间室接触中心前移(正值)/后移(负值)


3

讨 论


随着机器人技术的发展,临床机器人系统辅助UKA 逐渐增多。据文献报道,目前美国有 17% 的临床骨科医生应用机器人辅助技术,在住院患者手术中利用率达 29%[7-9];而我国也正在开展骨科手术机器人的基础及临床研究。

与传统 UKA 相比,机器人系统辅助 UKA 可以有效提高手术精确度,降低假体安放误差[10]。机器人辅助系统具有一定学习曲线,会增加手术时间,但可以有效提高假体安放准确度,将假体安放在骨质最好的位置,理论上可以延长假体使用寿命[11-12]。研究表明[2]Mako 机器人系统与 Navio 机器人系统手术精准度无明显差别,但后者术前无需采集患者CT 数据,只需要术中进行骨骼标记。

目前尚无关于 Navio 机器人系统辅助 UKA 治疗的生物力学改变的文献报道。坐起动作是患者日常动作,分析坐起动作生物力学参数旨在探索在膝关节负重情况下,患侧膝关节是否发生改变,机器人辅助 UKA 术后膝关节生物力学能否恢复正常。本研究收集了 8 例采用 Navio 机器人系统辅助UKA 治疗的内侧间室骨关节炎患者坐起动作生物力学数据,分析比较患侧与健侧的差异以及患侧手术前后的差异。结果显示,患侧膝关节术前较健侧内翻(−3.1±2.9)°,差异有统计学意义;而术后患侧与健侧相比,内外翻无明显差异,患侧膝关节术后较术前外翻(2.6±1.5)°,说明 Navio 机器人系统辅助 UKA 有效纠正了冠状面的内翻畸形,恢复了膝关节冠状面原有的生物力学特性。在旋转方面,患侧膝关节术前较健侧外旋(−3.7±3.5)°,差异有统计学意义,而术后患侧膝关节与健侧比较差异无统计学意义,表明 Navio 机器人系统辅助 UKA 有效恢复了膝关节旋转的生物力学特性。

既往假体设计基于股骨髁在不同屈曲角度有不同假体球形半径,导致膝关节在屈曲时会发生后滚及轴移。本研究数据也表明,UKA 术后患者在坐起动作过程中,膝关节不同屈曲角度内侧间室接触中心也会发生改变,这表明 UKA 假体虽然能恢复膝关节的生物力学,但由于假体设计,在膝关节屈曲过程中,内侧中心也会有后滚及内侧接触中心的变化。近年来,有部分学者[13]认为膝关节旋转轴移中心位于内侧平台,应该设计单一屈曲半径的假体,即“内轴膝”。但此种假体与传统假体孰优孰劣,尚存在争议。此外,本组患侧较健侧术前外侧间室接触中心点前移了(1.3±1.6)mm,而术后无明显差异。结合上述结论,本研究结果表明 Navio 机器人系统辅助 UKA 术后胫骨相对于股骨外旋,而内侧间室接触中心前移,外侧间室接触中心后移。

许多学者认为膝关节单髁假体矫正了内侧间室病变,会导致外侧间室负重增加,进而引起外侧间室骨关节炎进展,从而需行翻修手术[11-12]。本研究结果显示,Navio 机器人系统辅助 UKA 手术前后患侧外侧间室距离与健侧均无明显差异,说明UKA 假体不会影响外侧间室的固有间隙,不会增加外侧间室负重。

Navio 机器人系统辅助 UKA 目前刚进入临床应用,尚无相关生物力学研究文献报道,因此本研究具有较强的创新性。本研究采用双平面 X 线结合股骨、胫骨三维模型,其优点在于该模型距离误差为 0.7 mm,旋转误差为 0.9°[6],因此本研究数据较既往研究模型更加精确,虽然样本数量较小,但具有较强的说服力。

综上述,Navio 机器人系统辅助 UKA 可以有效矫正膝关节内翻畸形,最大限度恢复膝关节的固有生物力学,但由于假体本身设计会引起内外侧间室接触中心点位置改变,因此需在此基础上进一步改进假体设计,使 UKA 达到更好的临床效果。


作者简介



杜刚,骨科副主任医师,硕士生导师。曾在美国匹兹堡大学医学中心访学1年。专业为关节外科及运动医学,擅长肩、膝、髋、踝关节疾病的诊治。熟练掌握髋膝关节置换手术及肩、膝、髋、踝关节的关节镜手术技术。参与国家自然科学基金3项,主持省级重大课题1项、省级课题2项,作为第一作者或通讯作者发表SCI论文4篇,中文核心论文7篇。


参考文献:



 


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关键词:
单髁置换术,生物力学,膝关节,机器人,UKA,统计学,差异

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