In vitro Påføring av en trådløs sensor i fleksjon-ekstensjonsgapbalanse av unicompartmental kneartroplastikk

Summary

Denne protokollen presenterer en kadaverisk studie av en trådløs sensor som brukes i medial unicompartmental kne artroplastikk. Protokollen inkluderer installasjon av en vinkelmåler, standardisert Oxford unicompartmental kneartroplastisk osteotomi, foreløpig vurdering av fleksjon-forlengelsesbalanse og anvendelse av sensoren for å måle fleksjon-forlengelsesgaptrykk.

Abstract

Unicompartmental knee artroplastikk (UKA) er en effektiv behandling for end-stage anteromedial slitasjegikt (AMOA). Nøkkelen til UKA er gapbalansen mellom fleksjon og forlengelse, som er nært knyttet til postoperative komplikasjoner som lagerluksasjon, lagerslitasje og leddgiktprogresjon. Den tradisjonelle gapbalansevurderingen utføres ved indirekte å registrere spenningen i det mediale kollaterale ligamentet med en gapmåler. Det er avhengig av kirurgens følelse og erfaring, noe som er upresist og vanskelig for nybegynnere. For å nøyaktig vurdere gapbalansen mellom fleksjon og forlengelse av UKA, utviklet vi en trådløs sensorkombinasjon bestående av en metallbase, en trykksensor og en puteblokk. Etter osteotomi tillater innsetting av en trådløs sensorkombinasjon sanntidsmåling av intraartikulært trykk. Den kvantifiserer nøyaktig parametrene for fleksjon-forlengelsesgap for å veilede videre lårbensliping og tibiaosteotomi, for å forbedre nøyaktigheten av gapbalansen. Vi gjennomførte et in vitro-eksperiment med den trådløse sensorkombinasjonen. resultatene viste at det var en forskjell på 11,3 N etter bruk av den tradisjonelle metoden for fleksjon-forlengelsesgapbalanse utført av en erfaren ekspert.

Introduction

Kneartrose (KOA) er en global byrde¹, som den trinnvise behandlingsstrategien for tiden er vedtatt for. For unicompartmental KOA i sluttstadiet er unicompartmental kneartroplastikk (UKA) et effektivt valg, med en 10-års overlevelsesrate på over 90%². Mediale UKA erstatter kun det sterkt slitte mediale rommet og bevarer det naturlige siderommet, mediale kollaterale ligament (MCL) og korsbånd³. Prinsippet er å gjøre fleksjonsgapet og forlengelsesgapet tilnærmet likt ved tibial osteotomi og lårsliping, og å gjenopprette MCL-spenninger etter implantasjon av protese og lager⁴. Sammenlignet med total kneproteseplastikk har UKA større kirurgiske vanskeligheter og tekniske krav. Hovedkilden er riktig balanse mellom leddbånd gjennom hele spekteret av bevegelse av kneet³.

Tradisjonelt, etter foreløpig osteotomi, setter kirurgen inn en gapsmåler i leddrommet og bestemmer indirekte om fleksjons- og forlengelsesgapene er like ved å føle spenningen i MCL. Imidlertid er definisjonen og følelsen av balanse neppe den samme, selv for erfarne kirurger. For nybegynnere er det vanskeligere å forstå kravet om balanse. Ubalansen i fleksjon-forlengelsesgapet kan føre til en rekke komplikasjoner^5,6, noe som resulterer i økt revisjonshastighet.

Med teknologiutviklingen har noen forskere forsøkt å bruke tensorer på UKA ^7,8. Imidlertid er disse undersøkelsene alle på den fastbærende UKA, og tensoren kan skade MCL når den brukes.

Fremveksten av sensorer oppfyller ikke bare etterspørselen etter å vise trykket i kneleddgapet, men forskjellige sensorer har ofte mindre risiko for MCL-skade på grunn av deres lille størrelse ^9,10. I tillegg er sensorene som for tiden brukes, kablet overføring, noe som kan forstyrre den aseptiske driften og ikke er praktisk nok til å bruke.

For å måle balanseparametrene for fleksjon og forlengelse nøyaktig, utviklet vi en trådløs sensorkombinasjon for UKA, som består av en metallbase, en trådløs sensor med tre trykksonder på forsiden, medial- og sidesiden, og en puteblokk. Sensorkombinasjonen måler og viser trykket i leddrommet i sanntid for å hjelpe kirurger med å nøyaktig vurdere om balansemålet er oppnådd.

Protocol

Protokollen ble godkjent av etikkomiteen ved Xuanwu sykehus (tilskuddsnummer: 2021-224) og ble gjennomført i samsvar med Helsinkideklarasjonen. Det ble innhentet informert samtykke fra pårørende til bruk av.

1. Installasjon av vinkelmåler

1. Slå på bryteren på lårbenet og tibia vinkelmåleapparat. Åpne programvaren for vinkelmåling på nettbrettet, skann QR-kodene til de to måleenhetene og klikk på Bluetooth-tilkobling.
2. Plasser de to vinkelmåleinstrumentene på det horisontale bordet, klikk på kalibreringsknappen for å kalibrere , og bind dem med stropper 10 cm over og under kneet for å måle kneets fleksjonsvinkel i sanntid (figur 1).

2. Standardisert Oxford UKA osteotomi

1. Plasser en i liggende stilling med nedre ekstremiteter drapert i fleksjon og bortføring over utsiden av operasjonsbordet.
2. Åpne felleshulen ved den mediale parapatellare tilnærmingen med en skalpell. Lag et kutt 3 cm distalt for leddlinjen langs toppen av patellaens mediale grense, og slutt distalt ved 1 cm medialt til tibial tuberositet. Sørg for at snittdybden når felleshulen.
3. Fjern osteofytter av mediale femorale kondyle, intercondylar fossa og fremre tibia ved hjelp av en rongeur.
4. Sett inn skjeer i forskjellige størrelser av lårbensstørrelser for å hekte den bakre lårkondylen, og når enden av skjeen er ca. 1 mm fra bruskoverflaten, er størrelsen på lårbensprotesen som svarer til skjeen egnet.
5. Velg en 3 mm G-klemme. Koble G-klemmen, tibialsagguiden og femoralstørrelsesskjeen sammen. Sørg for at føringens skaft er parallelt med tibias lange akse i både koronal- og sagittalplanet, og ankelåket peker mot den ipsilaterale fremre iliaca ryggraden.
6. Lag vertikale og horisontale kutt på tibia. Bruk stempelsagen til å lage en vertikal tibial sag. Sørg for at kuttet bare er medialt til toppen av den mediale tibiale ryggraden. Flytt sagen vertikalt ned til den hviler på overflaten av sagføringen.
7. Fjern mellomlegget fra tibialreseksjonsveiledningen og sett inn det slissede 0-mellomlegget. Bruk det oscillerende sagbladet til å skjære ut platået. Fjern det slissede mellomlegget, løft platået opp med en bred osteotom, og fjern det med kneet i forlengelse.
8. Lag et hull i den distale femorale kondylen. Sørg for at hullet ligger 1 cm foran den fremre kanten av det interkondylære hakket og på linje med medialveggen.
9. Sett den intramedulære stangen inn i hullet. Koble lårborføringen med den intramedulære stangen. Utfør lårboring ved hjelp av lårborføringen.
10. Monter den bakre reseksjonsveiledningen og sett den inn i det borede hullet. Forsikre deg om at det oscillerende sagbladet styres av undersiden av den bakre reseksjonsveiledningen og utfør den bakre femorale kondylosteotomien. Fjern føringen og beinfragmentet.
11. Excise den mediale menisken. Legg igjen en liten mansjett av menisken for å beskytte MCL. Fjern det bakre hornet helt.
12. Sett inn en 0 femoral spigot. Fest den sfæriske møllen på spigot og utfør distal lårbensfresing.

3. Foreløpig vurdering av fleksjon-forlengelsesgapet

1. Sett inn en lårprøve. Vurder fleksjon-forlengelsesgap etter gapsmåler.
2. Bruk vinkelmålingsenheter for å overvåke fleksjonsvinkelen. Definer passende fleksjon-forlengelsesgapbalanse ved å sette gapmåleren inn i leddrommet med liten motstand, og den oppfattede spenningen som nesten lik når kneet er i fleksposisjonen ved 20 ° (forlengelsesgap) og 110 ° (fleksjonsgap). Hvis hullene ikke er like, slip lårbenet i henhold til differanseverdien mellom fleksjons- og forlengelsesgapene til de er like.

4. Påføring av sensorkombinasjon for å måle fleksjon og forlengelsesgaptrykk

1. Fjern sensorens magnetiske induksjonsstrømbryter. Åpne trykkmålingsprogramvaren på nettbrettet, skann sensorens QR-kode og gå inn i målegrensesnittet.
2. Klikk på Koble til enhet-knappen ; Sensoren kalibreres automatisk etter vellykket tilkobling.
3. Velg riktig tykkelse pute blokk i henhold til måleren spesifikasjonen. Sett sensoren på metallbasen og installer puteblokken på sensoren (figur 2).
4. Klikk Start arbeid på nettbrettet. Sett den trådløse sensorkombinasjonen inn i det mediale rommet og fest metallbasen til tibial osteotomioverflaten (figur 3).
5. Mål fleksjons- og forlengelsesgaptrykket ved 110 ° (figur 4A, B) og 20 ° (figur 4C, D) knefleksjon. Beregn gjennomsnittsverdiene separat for tre påfølgende målinger.

Representative Results

Denne in vitro-studien ble utført på en 60 år gammel kvinnelig. Med S-størrelse femurprotese og 3 mm bærende mål, etter å ha utført lårsliping og tibial osteotomi, brukte kirurgen gapsmåleren til å vurdere fleksjon-forlengelsesgapspenning foreløpig og trodde at balanse var oppnådd.

Etter at lårbensforsøket var installert, ble den trådløse sensoren satt inn i det mediale leddrommet, og det intraartikulære trykket ble målt tre ganger ved 110° (fleksjonsgap) og 20° (forlengelsesgap) fleksjon. Fleksjon-ekstensjonsgaptrykket var 49,9 N-44,8 N, 47,1 N-25,9 N og 42,0 N-34,2 N (tabell 1). Trykkverdiene for fleksjonsgapet var ganske konsistente, mens trykkverdiene for forlengelsesgapet var ganske forskjellige. Gjennomsnittstrykket i fleksjons- og ekstensjonsgapene var henholdsvis 46,3 N og 35,0 N, med en gjennomsnittlig forskjell på 11,3 N. Postoperative røntgenbilder viste hensiktsmessig proteseposisjonering (figur 5).

Måletider	Intraartikulært trykk (N)
	Fleksjon 110° (fleksjonsgap)	Fleksjon 20° (forlengelsesgap)
1	49.9	44.8
2	47.1	25.9
3	42.0	34.2
Bety	46.3	35.0

Tabell 1: Intraartikulært trykk målt av sensoren.

Figur 1: Vinkelmåleenhetene . (A) Vinkelmålingsenhetene ble installert 10 cm over og under midten av kneet. (B) Måleprogramvaren kan vise knefleksjonsvinkelen i sanntid. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 2: Strukturen til den trådløse sensorkombinasjonen. Den trådløse sensorkombinasjonen består av (A) en metallbase, (B) en trådløs sensor med tre trykksonder (gule piler), (C) og en puteblokk. (D) Kombinasjonen dannet etter nestet montering. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 3: Påføring av sensorkombinasjon. Etter osteotomi og installasjon av lårbenforsøket, settes den trådløse sensorkombinasjonen inn i medialrommet for måling. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 4: Posisjon for å måle trykk. (A) Fleksjonsgaptrykket ble målt ved 110 ° knefleksjon; (B) fleksjonsgaptrykket var 49,9 N. (C) Forlengelsesgaptrykket ble målt ved 20 ° knefleksjon; (D) forlengelsesgaptrykket var 44,8 N. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 5: Postoperativ bildediagnostikk. Postoperativ antero-posterior røntgenbilde viste god tibial komponentposisjonering og dekning. Postoperativ lateral røntgen viste god posisjonering og fleksjonsvinkel på femoralkomponenten. Forkortelser: AP = antero-posterior; LT = lateral). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Discussion

Mobilbærende UKA er en effektiv behandling for anteromediall KOA. Det har fordelene med mindre traumer, rask gjenoppretting og opprettholdelse av normal knepropriosepsjon^11,12,13. Nøkkelen til UKA er fleksjon-forlengelsesbalanse; det vil si å gjøre fleksjonsgapet og forlengelsesgapet så likt som mulig under forutsetning av å gjenopprette MCL-spenning¹⁴. Ubalansen kan føre til lagerluksasjon, proteseslitasje eller progresjon i siderommet^15,16,17,18. Balanseteknikker er vanligvis relatert til kirurgens erfaring, noe som påvirker pasienttilfredshet og proteseoverlevelse.

Gap gauge er et mye brukt UKA gap balance verktøy nå. Kirurgen setter gapsmåleren inn i leddrommet og føler gapspenningen for å grovt avgjøre om fleksjons- og forlengelsesgapet er balansert. Denne tilnærmingen er sterkt avhengig av kirurgens følelse og erfaring, så det er vanskelig for nybegynnere å oppnå en presis balanse, noe som er en av årsakene til den bratte læringskurven til UKA og utviklingen av protesekomplikasjoner. I tillegg tilfredsstiller ikke denne metoden kravene til millimeternivå femursliping i UKA.

Deretter ble tensorer brukt på UKAs gapbalansevurdering¹⁹. Tensorer kan bruke en konstant distraksjonskraft på felles plass for å gjenopprette spenningen til MCL. Ved å måle den distraherende avstanden til fellesrommet, kan den nøyaktig måle fleksjons- og forlengelsesgapet. Men fordi tensoren kan utøve forskjellige distraksjonskrefter, endres den distraherende avstanden til leddrommet når MCL ikke gjenopprettes til normal spenning eller MCL blir overdistrahert til skade. For tiden er det ikke avtalt en passende distraksjonskraft som kan matche forskjellige lagertykkelser ^7,8,19.

Forskjellig fra de to grove måleverktøyene ovenfor, er den trådløse sensoren vi brukte innebygd med tre integrerte trykkprober, som kan vise det intraartikulære trykket under kneets fulle bevegelsesområde i sanntid. Den trådløse sensoren konverterer den tradisjonelle grove følelsen av MCL-spenning til nøyaktig intraartikulært trykk, og ved hjelp av en vinkelmåler kan kirurger nøyaktig vurdere fleksjon-forlengelsesbalanse. For kirurger, spesielt nybegynnere, kan dette effektivt hjelpe til med en presis osteotomi, forkorte læringskurven og forbedre den kirurgiske effekten.

For å matche forskjellige størrelser på lagre og lårbensproteser, er trådløse sensorer også tilgjengelige i forskjellige størrelser. I bruksprosessen er det viktigste å velge en passende puteblokk for sensoren i henhold til osteotomiplanen; Ellers kan det føre til slitasje på osteotomioverflaten og skade gapbalansen mellom fleksjon og forlengelse.

Tidligere studier har rapportert sensorer med færre innebygde trykkprober som resulterer i lavere nøyaktighet eller kablet overføring som ikke oppfyller de aseptiske kravene under operasjonen 20,21,22,23,24,25. Den trådløse sensoren vi brukte, tar hensyn til både målenøyaktighet og aseptiske krav. I denne in vitro-studien fant vi at selv en erfaren kirurg ikke kunne oppnå fullstendig ekvivalens av fleksjons- og forlengelsesgap. For å bestemme et rimelig trykkområde for fleksjon-ekstensjonsbalanse, er det nødvendig med ytterligere store prøver, multisenter in vivo-studier.

Imidlertid har denne trådløse sensoren også noen begrensninger. For det første kan den hyppige innsettingen av sensorkombinasjonen med metallbasen bære osteotomioverflaten på tibialplatået, noe som forårsaker osteotomifeil, noe som er i strid med det opprinnelige målet om presis fleksjon-forlengelsesbalanse. For det andre er den trådløse sensoren vi brukte en engangsenhet; Batteriet kan bare levere strøm i ca 3 timer. For tiden forbedrer teamet vårt teknologien for å gjøre det mulig å gjenbruke sensoren og oppfylle kravene til trådløs lading. I tillegg designer vi også en ny puteblokk som fullstendig kan simulere mobile lagre for å vise kontaktpunktbanen til tibial- og lårprotesene i sanntid under knefleksjon og forlengelsesbevegelser.

Bruken av den trådløse sensoren kan bidra til å kvantifisere intraartikulært trykk og veilede osteotomi for å oppnå nøyaktig fleksjon-forlengelsesbalanse. Dette vil kompensere for mangelen på gapbalanseerfaring hos nybegynnere og redusere lærevanskene til UKA. Anvendelsen av trådløse sensorer gjenspeiler trenden mot individualiserte og intelligente tilnærminger til leddkirurgi og den teknologiske innovasjonen som følge av nært tverrfaglig samarbeid.

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