全膝关节置换术的磁性三维动态追踪技术能够在大多数情况下以一度精度检测旋转运动：医学成像的新原理

《》：Magnetic three-dimensional dynamic tracking of total knee arthroplasty can detect rotational movements within one degree accuracy in most configurations: new principles for medical imaging

　　

摘要

背景

这项实验室研究旨在评估一种设备在追踪全膝关节置换术植入物旋转情况时的实用性与准确性。

方法

Kneematics设备包含两个传感器单元，即一个发射器和四个检测线圈，它们分别位于支架的内侧和外侧。交变磁场会在金属植入物表面产生涡流，进而形成随植入物姿态变化的次级磁场。检测器会将这些磁场变化转换为电压信号，该信号会随着植入物姿态的改变而变化。研究人员利用包含两个机械臂、Kneematics设备以及植入物的实验装置，通过神经网络根据电压信号来估算植入物的运动学参数。为了测试灵敏度，他们将膝盖从训练确定的中心位置向多个方向移动，同时还用最小尺寸的植入物替换了最大尺寸的植入物。该设备的准确性是通过计算每个自由度范围内偏离正常值（±1°）的次数及比例来衡量的。

结果

当使用处于中心位置的最大尺寸和最小尺寸的植入物时，股骨旋转的准确率分别为94–98%和97–99%，胫骨旋转的准确率则分别为94–99%和91–99%。而当将全膝关节置换术植入物置于五个不同位置时，股骨旋转的准确率为94–99%，胫骨旋转的准确率为83–99%。

结论

在超过90%的配置中，Kneematics设备都能以1°以内的精度可靠地追踪股骨和胫骨的三个旋转自由度。这项实验室验证结果表明，该设备在多种尺寸和位置的植入物应用中都具有较高的效能与稳定性，为后续的进一步开发及其在临床中的应用奠定了基础。

证据等级：V级。

引言

患者报告的结果评估工具被用于衡量全膝关节置换术后的自我报告症状、功能状态、生活质量以及患者满意度。这类工具也被用来评估植入系统[1]、[2]、手术技术[3]、[4]以及辅助技术[5]、[6]的疗效；不过，由于患者报告的结果反映的是患者的主观视角，而这一视角可能会受到与手术效果间接相关的各种因素的影响，因此可能无法充分敏感地识别并量化不同组别之间的细微差异[7]、[8]。

在评估手术决策（如植入物类型、对齐策略或辅助技术）对全膝关节置换术结果的影响时，理想的评估方式应是结合主观的患者报告结果与客观的性能及功能障碍评估指标[9]。步态分析是一种能够获取此类数据的理想方法[10]，但目前它仍主要在实验室环境中进行，需要昂贵的设备以及专业的技能，这就限制了其在临床环境中的常规应用。虽然也出现了可穿戴传感器和基于智能手机的系统等更为易用的替代方案，但由于其精度、可靠性不足，或是能够追踪的自由度有限，这些方案的普及也受到了制约[11]、[12]、[13]。

本研究介绍了一种利用金属植入物导电特性的便携式设备：交变磁场会在植入物中产生涡流，进而形成随植入物姿态变化的次级磁场，从而使检测器能够实现精确的定位追踪。这项实验室研究的目的是评估该设备在追踪全膝关节置换术植入物三个旋转自由度方面的实用性与准确性。研究目标包括：（1）评估该设备对股骨组件和胫骨基板的三个旋转自由度的追踪精度；（2）判断捕捉区域内的位置变化是否会影响追踪精度；（3）分析股骨或胫骨基板尺寸差异对追踪精度的影响。

章节节选

Kneematics设备

该设备由传感器硬件及其电子电路、有线通信转换器以及数据处理软件组成（见图1）。

在膝关节支架上安装有两个传感器单元，该支架可固定在患者下肢上，且膝关节需处于捕捉区域内。每个传感器单元包含一个发射线圈（15圈铜线）和四个检测线圈（120圈铜线）（见图2）。这两个传感器单元分别位于支架的内侧和外侧，从而在膝关节周围形成一个捕捉区域。

结果

当全膝关节置换术植入物处于捕捉区域的中心位置（即训练确定的定位），且分别使用最大尺寸和最小尺寸的植入物时，Kneematics设备的追踪准确率（误差<|1°|）分别为：股骨屈伸动作的准确率为94%和99%，内外旋动作的准确率为98%和97%，外展内收动作的准确率为97%和98%。对于胫骨而言，其屈伸动作的准确率为99%和99%，内外旋动作的准确率为94%和91%，外展内收动作的准确率为96%和96%（见表3）。

当改变

讨论

本研究最重要的发现是，在超过90%的配置中，Kneematics设备都能以1°以内的精度可靠地追踪股骨和胫骨的三个旋转自由度。将植入物的尺寸从最大改为最小，对旋转追踪的精度几乎没有影响。将全膝关节置换术植入物置于捕捉区域内的五个不同位置，也对精度影响甚微，唯有胫骨的内外旋精度在靠近远端的位置时下降到了83%。

结论

在超过90%的配置中，Kneematics设备都能以1°以内的精度可靠地追踪股骨和胫骨的三个旋转自由度。这项实验室验证结果表明，该设备在多种尺寸和位置的植入物应用中都具有较高的效能与稳定性，为后续的进一步开发及其在临床中的应用奠定了基础。

CRediT作者贡献说明

Stéphane Naudi：验证、方法设计、研究实施、资金筹集、数据整理、概念构思。Olivier May：文章撰写——审阅与编辑、验证、研究实施。Nicolas Fouilleron：文章撰写——审阅与编辑、验证、研究实施。Abderrahmane Kheddar：验证、方法设计、研究实施、数据整理。Sylvain Dutrieux：文章撰写——审阅与编辑、验证、方法设计、研究实施、数据整理。Nazim Mehdi：文章撰写——审阅与编辑、验证、研究实施。

资金支持

本手稿的编写工作得到了ELSAN的资助。

而这项研究的研发工作则由法国国家研究协会提供资金支持。

人工智能的应用

在准备这篇论文的过程中，作者们使用了Grammarly工具来提升文本的语法和风格。在使用该工具/服务之后，作者们又根据需要对内容进行了审核和修改，并对最终发表的文章内容承担全部责任。

伦理审批声明

这是一项实验室研究，未使用任何人类或动物样本及数据。

患者知情同意声明

本研究未使用任何患者数据或样本。

利益冲突声明

无。

Stéphane Naudi|Olivier May|Nicolas Fouilleron|Abderrahmane Kheddar|Sylvain Dutrieux|Nazim Mehdi

蒙彼利埃大学IES学院，法国蒙彼利埃