膝内翻全膝关节置换术中运动学对线与机械对线后胫股及髌股运动学——一项动态膝关节试验台研究

《Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery》：Tibiofemoral and patellofemoral kinematics after kinematic versus mechanical alignment in varus TKA—a dynamic knee rig study

　　

摘要
引言：在膝内翻全膝关节置换术（total knee arthroplasty, TKA）中，运动学对线（kinematic alignment, KA）通过保留个体关节解剖显示良好的临床结果。然而，尚不清楚这是否导致膝关节运动学比机械对线（mechanical alignment, MA）更接近原生基线状态。因此，本研究评估在标准化动态肌肉加载下蹲过程中，KA与MA对膝内翻膝胫股和髌股运动学及接触生物力学的直接影响。
材料与方法：7例具有结构性膝内翻（?1.4°至?8.3°）的新鲜冷冻人尸体膝关节标本在动态膝关节试验台（dynamic knee rig）中于肌肉控制加载下（30°至130°屈曲）测试。在同一标本的三个连续状态中连续记录运动学、髌后接触面积、峰值压力和股四头肌力：原生、KA TKA和使用内侧枢轴（medial-pivot）假体设计的MA TKA。统计分析采用一维统计参数映射（one-dimensional statistical parametric mapping），包括非参数SnPM1D ANOVA和用于运动学的成对SnPM{F}检验，以及用于接触力学和股四头肌力的配对样本SPM{t}检验。
结果：在对线技术之间（KA vs. MA），经Holm-Bonferroni校正后，运动学和髌股生物力学未出现统计学显著差异（所有p_adj > 0.05）。描述性上，与MA相比，KA在深屈曲（100°–120°，p = 0.028；p_adj = 0.084）显示非生理性股骨前移趋势以及持续性髌骨内移（差值可达5 mm），但这些在校正后未保持统计学显著性。两种TKA技术均显著降低髌骨接触面积（p_adj < 0.01），说明这是TKA的总体效应而非对线特异性差异。
结论：KA未被证明比MA更接近恢复原生膝关节运动学或髌股力学。描述性运动学变异提示，在使用标准假体几何时，KA不会自动优化功能性关节力学。

研究背景：早期生物力学数据将术后膝内翻对线视为持续疼痛和聚乙烯过早磨损的风险因素，其机制为内侧间室过载，后续文献亦强调这一原则。然而，该生物力学教条忽视个体解剖变异。解剖研究显示，约32%男性和17%女性存在>3°的结构性膝内翻，主要由内侧近端胫骨角（medial proximal tibial angle, MPTA）决定。在机械对线（mechanical alignment, MA）框架下强制矫正此类个体解剖，常显著改变原生关节线位置。临床研究因此报告个体化对线技术如运动学对线（kinematic alignment, KA）的优势：接受KA全膝关节置换术（total knee arthroplasty, TKA）患者术后满意度较高、早期疼痛较低，遗忘关节评分（Forgotten Joint Score, FJS）和膝关节学会评分（Knee Society Score）显著更优；该临床优势在膝关节冠状面排列（Coronal Plane Alignment of the Knee, CPAK）I型表型中更明显，而CPAK IV型中KA与MA结果相当。从生物力学角度，假设这些改善与功能性运动学优化相关。步态分析提示KA TKA较MA更接近自然步态和原生膝关节运动学；KA条件下尽管残留内翻轴，膝内收力矩降低，可能归因于保留关节线倾斜；术中测力证实KA范围内的残留解剖内翻不导致内侧间室过载，临床研究亦提示其中期再手术率和假体生存不受不利影响。然而，标准化动态条件下的精确三维膝关节运动学仍有争议：初步尸体膝架研究显示KA较MA增加胫骨内旋并增强内侧枢轴运动，而体内步态分析数据相互矛盾，一方面显示KA TKA后运动学更接近健康对照，另一方面未显示MA与KA之间实质性运动学差异。因此，本研究旨在研究标准化动态膝关节下蹲中KA与MA对膝内翻膝体外胫股及髌股运动学和生物力学的直接影响，研究假设为膝内翻膝中KA的运动学较MA更接近原生状态。研究人员在7例结构性膝内翻尸体膝关节中开展同一标本内原生、KA TKA和MA TKA连续状态比较，结果显示KA未被证明比MA更接近恢复原生膝关节运动学或髌股力学；描述性差异未达统计学显著，TKA本身显著降低髌骨接触面积。该研究对“KA通过恢复原生运动学而获得临床优势”的机制提出质疑，并提示标准假体几何下KA不自动优化功能关节力学。

关键技术方法概述：研究人员采用7例新鲜冷冻人尸体膝关节标本，来源于4名供者（2男2女，含3对双侧），平均年龄87.8±7.8岁，经慕尼黑大学伦理委员会批准（批准号22-1120）；标本具有结构性膝内翻（?1.4°至?8.3°）。每例依次测试原生、KA TKA和MA TKA三种状态，使用同一内侧枢轴（medial-pivot）假体设计。动态膝关节试验台在肌肉控制下完成30°至130°主动下蹲，维持50 N地面反作用力；光电运动追踪系统记录胫股和髌股三维运动，压力传感膜记录髌后接触面积与峰值压力，并记录股四头肌力；采用一维统计参数映射（SPM1D）及非参数SnPM1D ANOVA、SnPM{F}和配对SPM{t}分析。

研究结果：
胫股运动学（Tibiofemoral kinematics）：通过动态膝架运动追踪评估中心股骨前后平移、胫骨内外旋、动态内外翻及平均旋转点。原生膝至130°屈曲逐步后移总计5 mm，MA TKA轨迹接近原生；KA TKA至90°屈曲诱导5 mm股骨前移，随后至130°屈曲继发后移，终末仍更靠前，与原生基线偏差超过5 mm。MA与KA在100°–120°屈曲的差异有统计学意义（p = 0.028，未校正），但经Holm-Bonferroni校正后未保持显著（p_adj = 0.084）。胫骨旋转方面，原生随屈曲增加内旋3°；MA后内旋至90°超过8°后平台；KA早期至约70°内旋类似MA（总计5°），随后轻度下降，100°–130°更接近原生基线；因离散度大未达显著。内外翻方面，原生至最大屈曲外翻逐渐增加至5°；KA轨迹全周期接近原生；MA至90°前曲线相似，之后外翻增加至130°的7°，超过原生和KA约2°，但KA与MA无统计学显著差异。平均旋转点显示原生30°–90°内侧轻度前移并伴典型外侧股骨后滚，>90°内外侧相对对称后移，外侧7.5 mm、内侧2.0 mm；MA总体相似，内侧至100°前移2.5 mm后轻度后移，外侧30°–70°明显后滚，总外侧后滚>14.0 mm；KA未显示典型内侧枢轴模式，60°前中央旋转伴轻度前内和后外平移，随后至100°平行前移、至130°平行后移，总内侧4.0 mm（前向）和外侧3.0 mm。描述性上KA胫股运动学轮廓较原生改变，MA虽外侧后滚更明显但更接近原生运动学模式。

髌股运动学（Patellofemoral kinematics）：通过绝对运动追踪评估髌骨移位和倾斜。原生髌骨至90°屈曲轻度内移约2.5 mm；MA后初始轻度内移（较原生差值1.0 mm），90°起与原生曲线汇合；KA后30°屈曲明显内移（较原生差值5.0 mm），至60°进一步内移后反转为轻度外移，>100°仍较原生基线内移2.0 mm；MA较KA更接近原生，但宽离散使趋势无统计学显著。髌骨倾斜方面，原生至60°内旋、平台、>100°再次明显内旋；TKA后髌骨倾斜更均匀且总体内旋增加，MA全周期逐渐内旋3°，KA初始内旋2°、80°后转为等量外旋；两种对线策略间无统计学显著差异。

髌股接触力学与股四头肌功能（Patellofemoral contact mechanics and quadriceps function）：通过压力传感膜和股四头肌力记录评估。TKA后髌股接触面积较原生明显下降；原生与MA在45°–85°屈曲差异显著（p < 0.001，未校正），原生与KA在55°–80°屈曲差异显著（p < 0.001，未校正），Holm-Bonferroni校正后均保持显著（p_adj < 0.01）。KA至100°屈曲总体接触面积较大；>100°屈曲MA接触面积增加，而KA和原生曲线下降；KA与MA之间无显著差异。髌后峰值压力随屈曲波动并总体增加，原生>110°后急剧下降；KA至90°持续高于原生但未达显著，>110°稳定且明显增加；MA至80°接近原生，随后短暂下降（p = 0.042，未校正），最大屈曲回到原生水平，但Holm-Bonferroni校正后不显著（p_adj = 0.126），主要归因于MA条件高变异性。股四头肌力反映维持50 N地面反作用力所需努力；三种状态至60°屈曲轨迹相同，之后TKA诱导股四头肌力逐渐降低，KA至100°屈曲初期略明显，随后MA略低；对线策略间无相关或显著差异。

讨论部分总结：作者指出初始假设未获证实，n = 7时结果不确定；KA未在所研究参数中一致地比MA更接近原生膝关节力学。描述性上，KA与屈曲中期股骨前移和髌骨内移相关，且未恢复经典内侧枢轴模式；胫骨旋转和内外翻平均轨迹上KA更接近原生，但接触面积、峰值压力和股四头肌力在两种对线技术间无显著差异。作者认为这些膝架运动学数据不能清晰近似KA后原生膝关节运动学，亦不提供证据支持“恢复类原生运动学”解释既往报告KA有利临床结果。讨论中提出的可能机制包括：KA保留关节线倾斜，可能改变股四头肌经髌骨作用力向量，使股骨沿倾斜平面于屈曲中期前移；内侧枢轴假体原按MA中性机械方向设计，KA保留结构性关节线方向可能造成功能不匹配；未行软组织松解导致相对紧张的内侧屈曲间隙可能促进前移代偿；该矛盾性前移未见于直轴标本初步研究，可能与MA转换时省略3°股骨组件外旋有关。髌骨持续内移可能源于残余关节线倾斜及内侧倾斜致假体滑车内移，并缺乏股骨组件外旋；使用为MA设计的标准股骨组件可能改变髌股轨迹，KA专用几何能否更好恢复原生髌股力学尚待研究。接触面积下降为TKA后常见现象；KA至100°屈曲接触面积较大的描述性趋势与原生髌骨轨迹未完全恢复并存；>100°屈曲接触面积总体下降可能与压力膜未完全覆盖髌股滑车有关，并限制深屈曲峰值压力评估；KA至90°屈曲峰值压力略高可能与描述性髌骨内移及相关剪切力有关。限制包括：膝架不能动态复制所有相关肌群，主动股四头肌模拟优于被动测试但向日常活动外推受限；样本量和统计功效有限，双侧标本可能无法完全排除个体内两侧相关，未显著结果不能解释为KA与MA生物力学等效，不能排除II型错误；3D打印光聚合物组件表面粗糙度和摩擦高于标准钴铬钼合金，虽涂布凡士林降低摩擦但不能完全复现天然滑液或聚乙烯-金属摩擦学；测试顺序固定为原生→KA→MA且不能随机化，软组织蠕变、干燥或压配固定丢失可能优先影响最后测试的MA；内侧枢轴设计限制结果向其他假体构型外推。研究结论（翻译）：在该膝内翻生物力学膝架模型中，KA TKA未被证明比MA更接近恢复原生膝关节运动学。使用标准股骨组件时，KA与MA在髌骨轨迹和胫股运动学上的描述性差异未达统计学显著；鉴于样本量有限，这些发现不应被解释为生物力学等效的证据。这些观察到的生物力学趋势是否转化为临床差异，或是否需要替代的对线特异性组件几何以更好恢复原生髌股轨迹，值得进一步研究。