Summary
Detta protokoll presenterar en kadaverisk studie av en trådlös sensor som används vid medial unicompartmental knäartroplastik. Protokollet inkluderar installation av en vinkelmätningsanordning, standardiserad Oxford unicompartmental knee arthroplasty osteotomi, preliminär bedömning av flexion-extensionsbalans och applicering av sensorn för att mäta flexion-extension gaptryck.
Abstract
Unicompartmental knee arthroplasty (UKA) är en effektiv behandling för anteromedial artros i slutstadiet (AMOA). Nyckeln till UKA är balansen mellan flexion och extension, som är nära relaterad till postoperativa komplikationer som lagerförskjutning, lagerslitage och artritprogression. Den traditionella gapbalansbedömningen utförs genom att indirekt känna av spänningen hos det mediala kollaterala ligamentet med en gapmätare. Det bygger på kirurgens känsla och erfarenhet, vilket är oprecist och svårt för nybörjare. För att noggrant bedöma UKA:s balans mellan flexion och extension utvecklade vi en trådlös sensorkombination bestående av en metallbas, en trycksensor och ett kuddblock. Efter osteotomi möjliggör införandet av en trådlös sensorkombination realtidsmätning av intraartikulärt tryck. Den kvantifierar noggrant parametrarna för balans mellan flexion och extension gap för att vägleda ytterligare lårbensslipning och tibiaosteotomi, för att förbättra noggrannheten i gapbalansen. Vi genomförde ett in vitro-experiment med den trådlösa sensorkombinationen. Resultaten visade att det fanns en skillnad på 11,3 N efter tillämpning av den traditionella metoden för flexion-extension gapbalans utförd av en erfaren expert.
Introduction
Knäartros (KOA) är en global börda1, för vilken den stegvisa behandlingsstrategin för närvarande antas. För unicompartmental KOA i slutstadiet är unicompartmental knee arthroplasty (UKA) ett effektivt val, med en 10-årig överlevnad på över 90%2. Medial UKA ersätter endast det svårt slitna mediala facket och bevarar det naturliga laterala facket, medialt kollateralt ligament (MCL) och korsband3. Principen är att göra flexionsgapet och förlängningsgapet ungefär detsamma genom tibial osteotomi och lårbensslipning, och att återställa MCL-spänningen efter implantation av protesen och lager4. Jämfört med total knäartroplastik har UKA större kirurgiska svårigheter och tekniska krav. Huvudkällan är den korrekta balansen mellan ligament i hela rörelseomfånget i knäet3.
Traditionellt, efter preliminär osteotomi, sätter kirurgen in en gapmätare i ledutrymmet och bestämmer indirekt om flexion- och förlängningsgapen är lika genom att känna spänningen i MCL. Definitionen och känslan av balans är dock knappast densamma, även för erfarna kirurger. För nybörjare är det svårare att förstå kravet på balans. Obalansen i klyftan mellan flexion och förlängning kan leda till en serie komplikationer5,6, vilket resulterar i en ökad revisionsfrekvens.
Med teknikens framsteg har vissa forskare försökt tillämpa tensorer på UKA 7,8. Dessa undersökningar är dock alla på UKA med fast lager, och tensorn kan skada MCL när den används.
Framväxten av sensorer uppfyller inte bara efterfrågan på att visa trycket i knäledsgapet, utan olika sensorer har ofta mindre risk för MCL-skador på grund av sin lilla storlek 9,10. Dessutom är de sensorer som för närvarande används alla trådbundna överföringar, vilket kan störa den aseptiska driften och inte är tillräckligt bekvämt att använda.
För att noggrant mäta parametrarna för balans mellan flexion och extension gap utvecklade vi en trådlös sensorkombination för UKA, som består av en metallbas, en trådlös sensor med tre tryckprober på framsidan, mediala och laterala sidor och ett kuddblock. Sensorkombinationen mäter och visar trycket i ledutrymmet i realtid för att hjälpa kirurger att exakt bedöma om balansmålet har uppnåtts.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Protokollet godkändes av etikkommittén vid Xuanwu-sjukhuset (bidragsnummer: 2021-224) och genomfördes i enlighet med Helsingforsdeklarationen. Informerat samtycke erhölls från anhöriga för att använda kadaverna.
1. Installation av vinkelmätare
- Slå på omkopplaren på lårbenet och tibia vinkelmätningsanordningen. Öppna vinkelmätningsprogrammet på surfplattan, skanna QR-koderna för de två mätinstrumenten och klicka på Bluetooth-anslutning.
- Placera de två vinkelmätinstrumenten på det horisontella bordet, klicka på knappen Kalibrering för att kalibrera och bind dem med remmar 10 cm över och under knäet för att mäta knäets böjningsvinkel i realtid (figur 1).
2. Standardiserad Oxford UKA osteotomi
- Placera ett kadaver i ryggläge med de nedre extremiteterna draperade i flexion och bortförande över utsidan av operationsbordet.
- Öppna ledhålan genom det mediala parapatellarmetoden med en skalpell. Gör ett snitt 3 cm distalt mot foglinjen längs toppen av patellaens mediala kant och sluta distalt vid 1 cm medial till tibial tuberositeten. Se till att snittdjupet når ledhålan.
- Ta bort osteofyter i medial femoralkondyl, interkondylär fossa och främre skenben med hjälp av en rongeur.
- Sätt i olika storlekar av lårbensstorleksskedar för att haka den bakre femorala kondylen, och när skedens ände är cirka 1 mm från broskytan är storleken på lårbenprotesen som motsvarar skeden lämplig.
- Välj en 3 mm G-klämma. Anslut G-klämman, tibialsågguiden och lårbensstorleksskeden tillsammans. Se till att styrningens axel är parallell med skenbenets långa axel i både koronal- och sagittalplanen, och fotledsoket pekar mot den ipsilaterala främre överlägsna iliacryggraden.
- Gör vertikala och horisontella snitt på skenbenet. Använd tigersågen för att göra ett vertikalt skensågsnitt. Se till att snittet är precis medialt mot toppen av den mediala tibialryggraden. För sågen vertikalt nedåt tills den vilar på sågstyrningens yta.
- Ta bort mellanlägget från tibialresektionsstyrningen och sätt in det slitsade 0-mellanlägget. Använd det oscillerande sågbladet för att skära ut platån. Ta bort det slitsade mellanlägget, häv upp platån med en bred osteotom och ta bort den med knäet i förlängning.
- Gör ett hål i den distala femorala kondylen. Se till att hålet är beläget 1 cm framför den främre kanten av det interkondylära hacket och i linje med dess mediala vägg.
- Sätt in den intramedullära stången i hålet. Anslut lårbensborrstyrningen med den intramedullära stången. Utför lårbensborrning med hjälp av lårbensborrguiden.
- Installera den bakre resektionsstyrningen och sätt in den i det borrade hålet. Se till att det oscillerande sågbladet styrs av undersidan av den bakre resektionsstyrningen och utför den bakre femorala kondylosteotomi. Ta bort styrningen och benfragmentet.
- Punktbeskatta den mediala menisken. Lämna en liten manschett på menisken för att skydda MCL. Ta bort det bakre hornet helt.
- Sätt in en 0 lårbenspigot. Fäst den sfäriska kvarnen på tappen och utför distal lårbensfräsning.
3. Preliminär bedömning av klyftan mellan flexion och utvidgning
- Sätt in en femoralisk prövning. Bedöm flexion-extension-gapet med gapmätare.
- Använd vinkelmätningsenheter för att övervaka flexionsvinkeln. Definiera lämplig balans mellan flexion och extension gap genom att sätta in spaltmätaren i ledutrymmet med lätt motstånd och den upplevda spänningen är nästan lika när knäet är i flexläge vid 20 ° (förlängningsgap) och 110 ° (flexion gap). Om mellanrummen inte är lika, slipa lårbenet enligt skillnadsvärdet mellan flexion- och förlängningsgapen tills de är lika.
4. Applicering av sensorkombination för att mäta flexion och förlängningsgaptryck
- Ta bort sensorns magnetiska induktionsströmbrytare. Öppna tryckmätningsprogramvaran på surfplattan, skanna sensorns QR-kod och gå in i mätgränssnittet.
- Klicka på knappen Anslut enhet ; Sensorn kalibreras automatiskt efter lyckad anslutning.
- Välj lämpligt tjocklekskuddeblock enligt mätarspecifikationen. Sätt sensorn på metallbasen och installera kuddblocket på sensorn (bild 2).
- Klicka på Börja arbeta på surfplattan. Sätt in den trådlösa sensorkombinationen i medialfacket och montera metallbasen på tibialosteotomiytan (figur 3).
- Mät trycket i flexions- och förlängningsgapet vid 110° (figur 4A,B) och 20° (figur 4C, D) för knäböjningen. Beräkna medelvärdena separat för tre på varandra följande mätningar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Denna in vitro-studie utfördes på ett 60-årigt kvinnligt kadaver. Med lårbensprotesen i S-storlek och 3 mm som bär målet, efter att ha utfört lårbensslipning och tibial osteotomi, använde kirurgen gapmätaren för att bedöma flexion-extension gapspänning preliminärt och trodde att balans uppnåddes.
Efter att lårbenstestet installerades sattes den trådlösa sensorn in i det mediala ledutrymmet och det intraartikulära trycket mättes tre gånger vid 110 ° (flexion gap) och 20 ° (extension gap) av flexion. Flexion-extension gaptrycket var 49,9 N-44,8 N, 47,1 N-25,9 N och 42,0 N-34,2 N (tabell 1). Tryckvärdena för flexionsgapet var ganska konsekventa, medan tryckvärdena för förlängningsgapet var helt olika. Det genomsnittliga trycket i flexion- och förlängningsgapen var 46,3 N respektive 35,0 N, med en genomsnittlig skillnad på 11,3 N. Postoperativa röntgenbilder visade lämplig protespositionering (figur 5).
| Mättider | Intraartikulärt tryck (N) | |
| Flexion 110° (flexionsgap) | Flexion 20° (förlängningsgap) | |
| 1 | 49.9 | 44.8 |
| 2 | 47.1 | 25.9 |
| 3 | 42.0 | 34.2 |
| Betyda | 46.3 | 35.0 |
Tabell 1: Intraartikulärt tryck uppmätt av sensorn.
Figur 1: Utrustning för vinkelmätning . (A) Vinkelmätningsanordningarna installerades 10 cm över och under knäets mittpunkt. (B) Mätprogramvaran kan visa knäböjningsvinkeln i realtid. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Bild 2: Strukturen för den trådlösa sensorkombinationen. Den trådlösa sensorkombinationen består av (A) en metallbas, (B) en trådlös sensor med tre trycksonder (gula pilar), (C) och ett kuddblock. (D) Den kombination som bildas efter kapslad montering. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: Användning av sensorkombination. Efter osteotomi och installation av lårbensstudien sätts den trådlösa sensorkombinationen in i medialfacket för mätning. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4: Position för att mäta tryck. (A) Flexionsgaptrycket mättes vid 110° knäböjning; (B) flexionsgaptrycket var 49,9 N. (C) Förlängningsgaptrycket mättes vid 20° knäböjning; (D) förlängningsgaptrycket var 44,8 N. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 5: Postoperativ avbildning. Postoperativ antero-posterior röntgenbild visade god tibialkomponentpositionering och täckning. En postoperativ lateral röntgenbild visade god positionering och flexionvinkel för lårbenskomponenten. Förkortningar: AP = antero-posterior; LT = lateral). Klicka här för att se en större version av denna figur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Mobilbärande UKA är en effektiv behandling för anteromedial KOA. Det har fördelarna med mindre trauma, snabb återhämtning och upprätthållande av normal knäproprioception11,12,13. Nyckeln till UKA är flexion-extension balans; det vill säga att göra flexionsgapet och förlängningsgapet så lika som möjligt under förutsättning att återställa MCL-spänning14. Obalansen kan leda till lagerförskjutning, protesslitage eller progression i sidoutrymmet15,16,17,18. Balanstekniker är vanligtvis relaterade till kirurgens erfarenhet, vilket påverkar patienttillfredsställelse och protesöverlevnad.
Gap gauge är ett allmänt använt UKA gap balance-verktyg nu. Kirurgen sätter in spaltmätaren i ledutrymmet och känner spaltspänningen för att grovt avgöra om flexion och förlängningsgapet är balanserat. Detta tillvägagångssätt är starkt beroende av kirurgens känsla och erfarenhet, så det är svårt för nybörjare att uppnå en exakt balans, vilket är en av anledningarna till UKA: s branta inlärningskurva och utvecklingen av protetiska komplikationer. Dessutom uppfyller denna metod inte kraven för millimeternivå lårbensslipning i UKA.
Därefter tillämpades tensorer på UKÄ:s gapbalansbedömning19. Tensorer kan applicera en konstant distraktionskraft på ledutrymmet för att återställa spänningen i MCL. Genom att mäta ledutrymmets distraherande avstånd kan den noggrant mäta flexion och förlängningsgapet. Men eftersom tensorn kan utöva olika distraktionskrafter ändras det distraherande avståndet för ledutrymmet när MCL inte återställs till normal spänning eller MCL är överdistraherad för skada. För närvarande har en lämplig distraktionskraft som kan matcha olika lagertjocklekar inte överenskommits om 7,8,19.
Till skillnad från ovanstående två grova mätverktyg är den trådlösa sensorn vi använde inbäddad med tre integrerade tryckprober, som kan visa det intraartikulära trycket under knäets fulla rörelseområde i realtid. Den trådlösa sensorn omvandlar den traditionella grova känslan av MCL-spänning till exakt intraartikulärt tryck, och med hjälp av en vinkelmätningsanordning kan kirurger noggrant bedöma flexion-extensionsbalansen. För kirurger, särskilt nybörjare, kan detta effektivt hjälpa till med en exakt osteotomi, förkorta inlärningskurvan och förbättra den kirurgiska effekten.
För att matcha olika storlekar på lager och lårbensproteser finns även trådlösa sensorer i olika storlekar. Under användningsprocessen är det viktigaste att välja ett lämpligt kuddblock för sensorn enligt osteotomiplanen; Annars kan det leda till slitage på osteotomiytan och skada balansen mellan flexion och extension.
Tidigare studier har rapporterat sensorer med färre inbäddade tryckprober vilket resulterar i lägre noggrannhet eller trådbunden överföring som inte uppfyller de aseptiska kraven under kirurgi 20,21,22,23,24,25. Den trådlösa sensorn vi använde tar hänsyn till både mätnoggrannhet och aseptiska krav. I denna in vitro-studie fann vi att även en erfaren kirurg inte kunde uppnå fullständig ekvivalens av flexion och förlängningsgap. För att bestämma ett rimligt tryckområde för flexion-extensionsbalansen krävs ytterligare multicenterstudier in vivo med stora prover.
Denna trådlösa sensor har dock också vissa begränsningar. För det första kan den frekventa införandet av sensorkombinationen med dess metallbas bära tibialplatåns osteotomiyta, vilket orsakar osteotomifel, vilket strider mot det ursprungliga målet om exakt flexion-extensionsbalans. För det andra är den trådlösa sensorn vi använde en engångsenhet; Batteriet kan bara leverera ström i cirka 3 timmar. För närvarande förbättrar vårt team tekniken så att sensorn kan återanvändas och uppfylla kraven på trådlös laddning. Dessutom designar vi också ett nytt kuddblock som helt kan simulera mobila lager för att visa kontaktpunktsbanan för tibial- och lårbensproteserna i realtid under knäböjning och förlängningsrörelser.
Användningen av den trådlösa sensorn kan hjälpa till att kvantifiera intraartikulärt tryck och styra osteotomi för att uppnå exakt balans mellan flexion och förlängning. Detta kommer att kompensera för bristen på erfarenhet av gapbalans hos nybörjare och minska inlärningssvårigheterna för UKA. Tillämpningen av trådlösa sensorer återspeglar trenden mot individualiserade och intelligenta metoder för ledkirurgi och den tekniska innovation som orsakas av nära tvärvetenskapligt samarbete.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes av Beijing Hospitals Authority Clinical Medicine Development of Special Funding Support [bidragsnummer: XMLX202139]. Vi vill uttrycka vår tacksamhet till Diego Wang för värdefulla förslag.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| angle measuring device | AIQIAO(SHANGHAI) MEDICAL TECHNOLOGY CO., LTD. | 20203010141 | angle measuring device of femur,angle measuring device of tibia |
| Oxford Partial Knee System | Biomet UK LTD. | 20173130347 | Oxford UKA |
| Wireless sensor combination | AIQIAO(SHANGHAI) MEDICAL TECHNOLOGY CO., LTD. | 20212010325 | a metal base, a wireless sensor with three pressure probes, and a cushion block |
References
- Spitaels, D., et al. Epidemiology of knee osteoarthritis in general practice: a registry-based study. BMJ Open. 10 (1), 031734 (2020).
- Heaps, B. M., Blevins, J. L., Chiu, Y. F., et al. Improving estimates of annual survival rates for medial unicompartmental knee arthroplasty, a meta-analysis. The Journal of Arthroplasty. 34 (7), 1538-1545 (2019).
- Goodfellow, J. W., O'Connor, J. J., Pandit, H., Dodd, C. A., Murray, D. Unicompartmental Arthroplasty with the Oxford Knee. , Goodfellow Publishers. (2016).
- Whiteside, L. A. Making your next unicompartmental knee arthroplasty last: three keys to success. The Journal of Arthroplasty. 20, 2-3 (2005).
- Burger, J. A., et al. Risk of revision for medial unicompartmental knee arthroplasty according to fixation and bearing type : short- to mid-term results from the Dutch Arthroplasty Register. The Bone & Joint Journal. 103 (7), 1261-1269 (2021).
- Ridgeway, S. R., McAuley, J. P., Ammeen, D. J., Engh, G. A. The effect of alignment of the knee on the outcome of unicompartmental knee replacement. The Journal of Bone and Joint Surgery. British Volume. 84 (3), 351-355 (2002).
- Suzuki, T., et al. Evaluation of spacer block technique using tensor device in unicompartmental knee arthroplasty. Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery. 135 (7), 1011-1016 (2015).
- Takayama, K., et al. Joint gap assessment with a tensor is useful for the selection of insert thickness in unicompartmental knee arthroplasty. Clinical Biomechanics. 30 (1), 95-99 (2015).
- Ettinger, M., et al. In vitro kinematics of fixed versus mobile bearing in unicondylar knee arthroplasty. Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery. 135 (6), 871-877 (2015).
- Matsumoto, T., Muratsu, H., Kubo, S., Kuroda, R., Kurosaka, M. Intra-operative joint gap kinematics in unicompartmental knee arthroplasty. Clinical Biomechanics. 28 (1), 29-33 (2013).
- Newman, J. H., Ackroyd, C. E., Shah, N. A. Unicompartmental or total knee replacement? Five-year results of a prospective, randomised trial of 102 osteoarthritic knees with unicompartmental arthritis. The Journal of Bone and Joint Surgery. British Volume. 80 (5), 862-865 (1998).
- Yang, K. Y., Wang, M. C., Yeo, S. J., Lo, N. N. Minimally invasive unicondylar versus total condylar knee arthroplasty-early results of a matched-pair comparison. Singapore Medical Journal. 44 (11), 559-562 (2003).
- Watson, J., Smith, V., Schmidt, D., Navratil, D. Automatic implantable cardioverter-defibrillator: early experience at Wilford Hall USAF Medical Center. Southern Medical Journal. 85 (2), 161-163 (1992).
- D'Ambrosi, R., Vaishya, R., Verde, F. Balancing in unicompartmental knee arthroplasty: balancing in flexion or in extension. Journal of Clinical Medicine. 11 (22), 6813 (2022).
- Collier, M. B., Eickmann, T. H., Anbari, K. K., Engh, G. A. Lateral tibiofemoral compartment narrowing after medial unicondylar arthroplasty. Clinical Orthopaedics and Related Research. 464, 43-52 (2007).
- Collier, M. B., Eickmann, T. H., Sukezaki, F., McAuley, J. P., Engh, G. A. Patient, implant, and alignment factors associated with revision of medial compartment unicondylar arthroplasty. The Journal of Arthroplasty. 21 (6), 108-115 (2006).
- D'Ambrosi, R., et al. Radiographic and clinical evolution of the Oxford unicompartmental knee arthroplasty. The Journal of Knee Surgery. 36 (3), 246-253 (2023).
- Koskinen, E., Paavolainen, P., Eskelinen, A., Pulkkinen, P., Remes, V. Unicondylar knee replacement for primary osteoarthritis: a prospective follow-up study of 1,819 patients from the Finnish Arthroplasty Register. Acta Orthopaedica. 78 (1), 128-135 (2007).
- ten Ham, A. M., Heesterbeek, P. J. C., vander Schaaf, D. B., Jacobs, W. C. H., Wymenga, A. B. Flexion and extension laxity after medial, mobile-bearing unicompartmental knee arthroplasty: a comparison between a spacer- and a tension-guided technique. Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 21 (11), 2447-2452 (2013).
- Clarius, M., Seeger, J. B., Jaeger, S., Mohr, G., Bitsch, R. G. The importance of pulsed lavage on interface temperature and ligament tension force in cemented unicompartmental knee arthroplasty. Clinical Biomechanics. 27 (4), 372-376 (2012).
- Heyse, T. J., et al. Balancing UKA: overstuffing leads to high medial collateral ligament strains. Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 24 (10), 3218-3228 (2016).
- Heyse, T. J., et al. Balancing mobile-bearing unicondylar knee arthroplasty in vitro. Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 25 (12), 3733-3740 (2017).
- Jaeger, S., et al. The influence of the femoral force application point on tibial cementing pressure in cemented UKA: an experimental study. Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery. 132 (11), 1589-1594 (2012).
- Peersman, G., et al. Kinematics of mobile-bearing unicompartmental knee arthroplasty compared to native: results from an in vitro study. Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery. 137 (11), 1557-1563 (2017).
- Sun, X., et al. Sensor and machine learning-based assessment of gap balancing in cadaveric unicompartmental knee arthroplasty surgical training. International Orthopaedics. 45 (11), 2843-2849 (2021).
