可移动轴承单间室膝关节置换术中基于传感器的间隙平衡评估

摘要

本文介绍了一种用于测量活动衬垫单间室膝关节置换术（UKA）中间隙接触力和间隙平衡的实验方案。结合临床和影像学数据，我们希望确定接触力的正常范围，并建立间隙平衡的阈值。

摘要

移动轴承单间室膝关节置换术（UKA）中最重要的步骤是平衡膝关节的屈曲和伸展间隙。传统上，这种平衡是通过医生主观评估拔出塞尺时的阻力感来确定的。由于该方法主要依赖于外科医生的经验，其准确性一直存疑。在过去10年中，压力传感器已被引入用于指导全膝关节置换术（TKA）中的间隙平衡。然而，传感器技术直到最近才被应用于UKA。本文报告了一位经验丰富的外科医生使用传感器评估20例UKA患者间隙平衡的情况。所用传感器为根据移动轴承UKA胫骨试模形状定制设计的力传感矩阵。术后临床结果和影像学数据均被记录，以供后续比较。我们的目标是利用该方法评估不同外科医生完成的200例以上UKA手术，最终实现间隙平衡结果的标准化。

引言

移动衬垫单髁膝关节置换术（UKA）目前是治疗膝关节内侧间室骨关节炎（AMOA）最成功的方法之一¹。术中屈曲与伸直间隙的平衡是实现成功UKA的关键^2,3。间隙过紧可能加剧移动衬垫的磨损；此外，增高的间隙接触力可能导致术后外翻畸形以及膝关节外侧间室的退变⁴。因此，在UKA中实现理想的间隙张力以及可接受的间隙平衡，是学习曲线中的重要环节⁵。根据移动衬垫UKA的外科技术操作手册⁶，术者必须使用测力规插入并拔出关节间隙，以"感知"接触力的大小。通过评估插入和取出测力规所需的力度，术者可判断间隙平衡是否可接受。因此，该判断主要依赖于术者的经验。

近年来，全膝关节置换术（TKA）中内侧和外侧间隙平衡的数字化测量已有广泛报道^7,8,9。关于间隙平衡阈值的建议也已提出⁷。然而，传感器技术最近才被引入单髁膝关节置换术（UKA），目前尚无广泛认可的间隙平衡目标。

去年，一种专门用于测量活动平台单间室膝关节置换术（mobile-bearing UKA）中关节间隙接触力的力传感器被引入⁵。在本研究方案中，展示了基于传感器引导的间隙接触力测量方法。此外，还纳入了一组接受过活动平台单间室膝关节置换术的20例患者病例系列，以评估间隙接触力和间隙平衡情况。本方案的最终目标是确定接触力的正常范围，并建立活动平台单间室膝关节置换术中间隙平衡的阈值。

方案

本研究已获中日友好医院人类伦理委员会批准（批准号：2020-50-k28）。

1. 力传感器的准备与灭菌

1. 在灭菌前，使用耐磨胶带将力传感器固定在胫骨试模的上表面。
2. 采用过氧化氢气体等离子低温灭菌法对力传感器进行包装和灭菌（图1）。
   注意：应将传感器固定在胫骨试模上，以防止剪切力的影响。

移动轴承单髁膝关节置换术的操作步骤

1. 根据标准手术指南⁶或Zhang等人介绍的运动对线技术¹⁰，执行移动平台单间室膝关节置换术（mobile-bearing UKA）的操作步骤。
2. 完成所有骨切割并经手动确认间隙平衡后，停止手术操作。

3. 安装力传感器

1. 首先安装力传感器和胫骨试模，然后安装股骨部件。
2. 确保传感器、USB 线缆和笔记本电脑正确连接。随后将塞尺插入组件间隙中，并将膝关节置于120°深度屈曲位置，作为测量的起始点。（图2）。
   注意：使用已灭菌的量角器以确保膝关节屈曲角度的准确性。

4. 接触力原始数据的测量与记录

1. 使用为此传感器开发的计算机程序记录力值的原始数据。
2. 首先，注意操作界面的右侧（图3），将采样频率设置为10 Hz，记录时间设置为5 s。然后，当膝关节处于120°屈曲角度时，点击数据反馈按钮。
3. 当记录过程结束后，依次在膝关节屈曲角度为90°、60°、45°、20°和0°时再次点击数据反馈按钮（图3）。
   ​注意：原始数据由计算机程序保存为.txt文件，需进一步处理以获取力值。

5. 原始数据的管理

1. 将 .txt 文件输入电子表格（数字表格）以进行原始数据转换。计算 50 条记录的平均值作为接触力。
   ​注意：该程序还可以显示接触力的分布情况。

6. 临床与影像学观察

1. 记录患者的人口学数据，如年龄、性别、诊断结果以及美国膝关节协会评分（AKSS）。
2. 术前及术后1周内拍摄下肢负重位的前后位、侧位及全长X线片。
3. 测量股骨和胫骨假体的内翻/外翻对线（图4-1）、股骨假体的屈曲/伸展对线以及胫骨后倾角（图4-2）。
4. 在术前和术后下肢全长X线片上测量髋-膝-踝角。测量假体的连续性（图4-3）以及聚拢/分离角，后者反映股骨假体轴线相对于胫骨假体表面的角度关系（图4-4）。
5. 确保这些数据得到整合，以便将来进行分析。
   注：角度放射学测量方法^6,11见于图4。

结果

队列人口统计学特征
2021年3月至6月期间，中国—日本友好医院纳入了前20例接受可移动垫片单髁膝关节置换术（mobile-bearing UKA）的患者。所有手术均由一位具有超过2,000例UKA手术经验的高年资医生完成。人口统计学特征及假体数据见表1。患者年龄范围为58至82岁，诊断均为内侧间室骨关节炎（AMOA）。

关节间隙受力与平衡测量结果
关节间隙受力模式如图5所示。膝关节在0°、20°、45°、60°、90°和120°屈曲时的平均接触力分别为70.3 N、96.9 N、116.1 N、95.1 N、73.6 N和58.3 N。通过计算20°时的受力（伸展间隙）减去90°时的受力（屈曲间隙），得到平均间隙平衡值为23.2 N。结果见表2。

临床与影像学评估结果
在临床...

讨论

本研究提供了传感器技术在评估移动轴承单间室膝关节置换术（UKA）中关节间隙接触力和平衡性方面的详细操作方案。我们希望确立标准接触力以及间隙平衡差异的目标值，从而帮助骨科医生在未来更便捷地确定衬垫厚度和实现间隙平衡。

关节间隙过度撑开可能导致术后肢体外翻畸形、外侧间室的远期退变，甚至骨关节炎（OA）进展，这被认为是单髁膝关节置换术（UKA）翻修最常见的原因^4,12。然而，关节间隙过松则无法防止活动衬垫脱位，从而引发术后并发症。传统上，衬垫厚度的选择依赖于术者对间隙接触力的经验判断，缺乏客观的参考标准⁵。传感器技术在全膝关节置换术（TKA）中应用广泛，因其使用便捷且可直接读取受力数值而取得显著成功^7,13。研究表明，基于传感器引导的TKA相比传统手术具有更优的临床效果^13...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
牛津单髁关节置换术	Zimmer/Biomet		有关货号，请参见牛津单髁膝关节微创手术器械（股骨部件、胫骨部件、半月板衬垫）
聚四氟乙烯生料带	3M		耐磨胶带，广泛用于生物力学实验
Verasense	OrthoSensor	Verasense	TKA 传感器
Excel	微软		数字表格软件
STERRAD 100S 灭菌系统	Johnson&安普&约翰逊	STERRAD 100S	低温过氧化氢气体等离子体灭菌
UKA 力传感器	Qingrui Boyuan	自主研发	由清睿博远科技联合设计并生产
用于记录原始数据的计算机程序	Qingrui Boyuan	自主研发	由清睿博远科技联合设计并生产
量角器	上海 M&G 文具公司	任何	在灭菌系统中进行灭菌
USB 线	联想		任何
笔记本电脑	联想		任何基本配置