Summary
Этот протокол представляет собой трупное исследование беспроводного датчика, используемого при медиальной однокомпонентной артропластике коленного сустава. Протокол включает в себя установку устройства для измерения угла, стандартизированную оксфордскую однокомпонентную остеотомию эндопротезирования коленного сустава, предварительную оценку баланса сгибания-разгибания и применение датчика для измерения давления между сгибанием-разгибанием.
Abstract
Однокомпонентное эндопротезирование коленного сустава (UKA) является эффективным методом лечения терминальной стадии переднемедиального остеоартрита (AMOA). Ключом к UKA является баланс между сгибанием и разгибанием, который тесно связан с послеоперационными осложнениями, такими как вывих подшипника, износ подшипника и прогрессирование артрита. Традиционная оценка баланса разрыва выполняется путем косвенного определения натяжения медиальной коллатеральной связки с помощью измерителя разрыва. Он полагается на чувство и опыт хирурга, что неточно и сложно для начинающих. Чтобы точно оценить баланс между сгибанием и разгибанием UKA, мы разработали комбинацию беспроводных датчиков, состоящую из металлической основы, датчика давления и блока подушки. После остеотомии введение беспроводной комбинации датчиков позволяет измерять внутрисуставное давление в режиме реального времени. Он точно определяет параметры баланса между сгибанием и разгибанием, чтобы направлять дальнейшую шлифовку бедренной кости и остеотомию большеберцовой кости для повышения точности баланса зазора. Мы провели эксперимент in vitro с комбинацией беспроводных датчиков. результаты показали, что разница составила 11,3 Н после применения традиционного метода баланса между сгибанием и разгибанием, выполненного опытным экспертом.
Introduction
Остеоартрит коленного сустава (КОА) является глобальным бременем1, для которого в настоящее время принята стратегия поэтапного лечения. Для терминальной стадии однокомпонентной КОА эффективным выбором является однокомпонентное эндопротезирование коленного сустава (UKA) с 10-летней выживаемостью более 90%2. Медиальная UKA заменяет только сильно изношенный медиальный отсек и сохраняет естественный латеральный компартмент, медиальную коллатеральную связку (MCL) и крестообразную связку3. Принцип заключается в том, чтобы сделать промежуток сгибания и разрыв разгибания примерно одинаковыми с помощью остеотомии большеберцовой кости и шлифовки бедренной кости, а также восстановить натяжение MCL после имплантации протеза и подшипника4. По сравнению с тотальным эндопротезированием коленного сустава, UKA имеет большую хирургическую сложность и технические требования. Основным источником является правильный баланс связок по всему диапазону движений колена3.
Традиционно после предварительной остеотомии хирург вставляет измеритель разрыва в суставную щель и косвенно определяет, равны ли промежутки сгибания и разгибания, чувствуя напряжение MCL. Тем не менее, определение и ощущение равновесия вряд ли одинаковы даже для опытных хирургов. Новичкам сложнее понять требование баланса. Дисбаланс промежутка сгибания-разгибания может привести к серии осложнений5,6, что приводит к увеличению частоты ревизий.
С развитием технологий некоторые исследователи пытались применить тензоры к UKA 7,8. Тем не менее, все эти исследования проводятся на UKA с фиксированным подшипником, и тензор может повредить MCL при использовании.
Появление датчиков не только удовлетворяет потребность в отображении давления в щели коленного сустава, но и различные датчики часто имеют меньший риск повреждения MCL из-за их небольшого размера 9,10. Кроме того, все используемые в настоящее время датчики имеют проводную передачу, что может мешать асептической работе и недостаточно удобно в использовании.
Чтобы точно измерить параметры баланса зазора между сгибанием и разгибанием, мы разработали комбинацию беспроводных датчиков для UKA, которая состоит из металлического основания, беспроводного датчика с тремя датчиками давления на передней, медиальной и боковой сторонах и блока подушки. Комбинация датчиков измеряет и отображает давление в суставном пространстве в режиме реального времени, чтобы помочь хирургам точно оценить, была ли достигнута цель баланса.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Протокол был одобрен Комитетом по этике больницы Сюаньу (номер гранта: 2021-224) и был проведен в соответствии с Хельсинкской декларацией. Было получено информированное согласие ближайших родственников на использование трупов.
1. Установка углового измерительного прибора
- Включите переключатель прибора для измерения угла бедренной и большеберцовой костей. Откройте программное обеспечение для измерения угла на планшетном компьютере, отсканируйте QR-коды двух измерительных устройств и нажмите «Соединение Bluetooth».
- Поместите два прибора для измерения угла наклона на горизонтальный стол, нажмите кнопку «Калибровка » для калибровки и свяжите их ремнями на 10 см выше и ниже колена, чтобы измерить угол сгибания колена в режиме реального времени (рис. 1).
2. Стандартизированная остеотомия Oxford UKA
- Поместите труп в положение лежа на спине с нижними конечностями, задрапированными в сгибании и отведении над внешней стороной операционного стола.
- Вскрывают полость сустава медиальным парапателлярным доступом скальпелем. Сделайте разрез на 3 см дистальнее линии сустава по верхушке медиальной границы надколенника, заканчивающийся дистально на 1 см медиально к бугристости большеберцовой кости. Убедитесь, что глубина разреза достигает полости сустава.
- Удалите остеофиты медиального мыщелка бедренной кости, межмыщелковой ямки и передней большеберцовой кости с помощью ронжера.
- Вставьте ложки разного размера бедренной кости, чтобы зацепить задний мыщелок бедренной кости, и когда конец ложки находится на расстоянии около 1 мм от поверхности хряща, подходит размер бедренного протеза, соответствующий ложке.
- Выберите G-образный зажим диаметром 3 мм. Соедините G-образный зажим, направляющую большеберцовой пилы и ложку для определения размера бедренной кости вместе. Убедитесь, что стержень направляющего параллелен длинной оси большеберцовой кости как в короньной, так и в сагиттальной плоскостях, а хомут лодыжки направлен к ипсилатеральному переднему верхнему подвздошному отделу позвоночника.
- Сделайте вертикальные и горизонтальные надрезы на большеберцовой кости. Используйте сабельную пилу, чтобы сделать вертикальный разрез большеберцовой кости. Убедитесь, что разрез находится только медиально по отношению к вершине медиального большеберцового отдела позвоночника. Продвигайте пилу вертикально вниз до тех пор, пока она не упрется в поверхность направляющей пилы.
- Снимите прокладку с направляющей резекции большеберцовой кости и вставьте прорезную прокладку 0. Используйте качающийся пильный диск, чтобы иссечь плато. Удалите щелевую прокладку, поднимите плато широким остеотомом и удалите его с разгибаемым коленом.
- Сделайте отверстие в дистальном мыщелке бедренной кости. Убедитесь, что отверстие расположено на 1 см впереди переднего края межмыщелковой выемки и на одной линии с ее медиальной стенкой.
- Вставьте интрамедуллярный стержень в отверстие. Соедините направляющую бедренного сверла с интрамедуллярным стержнем. Выполните сверление бедренной кости с помощью направляющей для бедренной кости.
- Установите направляющую задней резекции и вставьте ее в просверленное отверстие. Убедитесь, что колеблющийся пильный диск направляется нижней стороной направляющей задней резекции, и выполните остеотомию заднего мыщелка бедренной кости. Удалите направляющую и фрагмент кости.
- Иссекают медиальный мениск. Оставьте небольшую манжету мениска для защиты MCL. Полностью удаляют задний рог.
- Вставьте патрубок бедренной кости 0. Прикрепите сферическую мельницу к патрубку и выполните фрезерование дистальных отделов бедренной кости.
3. Предварительная оценка промежутка между сгибанием-разгибанием
- Вставьте бедренную кость. Оцените зазор между сгибанием и разгибанием с помощью измерителя зазора.
- Используйте устройства для измерения угла наклона для контроля угла сгибания. Определите соответствующий баланс зазора между сгибанием и разгибанием, вставив измеритель зазора в суставное пространство с небольшим сопротивлением, и воспринимаемое напряжение будет почти равным, когда колено находится в положении сгибания под углом 20 ° (промежуток разгибания) и 110 ° (зазор для сгибания). Если промежутки не равны, шлифуйте бедренную кость в соответствии со значением разницы между промежутками сгибания и разгибания до тех пор, пока они не сравняются.
4. Применение комбинации датчиков для измерения давления на сгибание и растяжение
- Снимите магнитно-индукционный выключатель питания датчика. Откройте программное обеспечение для измерения давления на планшетном компьютере, отсканируйте QR-код датчика и войдите в интерфейс измерения.
- Нажмите кнопку « Подключить устройство »; Датчик будет автоматически откалиброван после успешного подключения.
- Выберите блок подушки соответствующей толщины в соответствии со спецификацией калибра. Поставьте датчик на металлическое основание и установите на датчик блок подушки (рисунок 2).
- Нажмите кнопку Начать работу на планшетном компьютере. Вставьте комбинацию беспроводных датчиков в медиальный отсек и установите металлическое основание на поверхность остеотомии большеберцовой кости (рис. 3).
- Измерьте давление между сгибанием и разгибанием при сгибании колена под углом 110° (рис. 4A, B) и 20° (рис. 4C, D). Рассчитайте средние значения отдельно для трех последовательных измерений.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Это исследование in vitro было проведено на 60-летнем женском трупе. С S-образным протезом бедренной кости и 3 мм, несущим мишень, после выполнения шлифовки бедренной кости и остеотомии большеберцовой кости хирург использовал измеритель промежутка для предварительной оценки натяжения разрыва сгибания-разгибания и полагал, что баланс был достигнут.
После того, как бедренная кость была установлена, беспроводной датчик был вставлен в медиальную суставную щель, и внутрисуставное давление было измерено три раза при 110° (промежуток сгибания) и 20° (промежуток сгибания) сгибания. Давление между сгибанием и разгибанием составляло 49,9 Н-44,8 Н, 47,1 Н-25,9 Н и 42,0 Н-34,2 Н (табл. 1). Значения давления для зазора сгибания были довольно постоянными, в то время как значения давления для зазора разгибания были совершенно разными. Среднее давление в промежутках сгибания и разгибания составило 46,3 Н и 35,0 Н соответственно со средней разницей 11,3 Н. Послеоперационные рентгенограммы показали правильное положение протеза (рис. 5).
| Время измерения | Внутрисуставное давление (N) | |
| Сгибание 110° (промежуток сгибания) | Сгибание 20° (промежуток разгибания) | |
| 1 | 49.9 | 44.8 |
| 2 | 47.1 | 25.9 |
| 3 | 42.0 | 34.2 |
| Значить | 46.3 | 35.0 |
Таблица 1: Внутрисуставное давление, измеренное датчиком.
Рисунок 1: Устройства для измерения угла . (А) Устройства для измерения угла были установлены на 10 см выше и ниже центра колена. (B) Измерительное программное обеспечение может отображать угол сгибания колена в режиме реального времени. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Структура комбинации беспроводных датчиков. Комбинация беспроводных датчиков состоит из (A) металлического основания, (B) беспроводного датчика с тремя датчиками давления (желтые стрелки), (C) и блока подушки. (D) Комбинация, образовавшаяся после вложенной сборки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Применение комбинации датчиков. После остеотомии и установки бедренной кости комбинация беспроводных датчиков вставляется в медиальный отсек для измерения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Положение для измерения давления. А) Давление между сгибательными промежутками измерялось при сгибании колена под углом 110°; (B) давление между сгибательным зазором составляло 49,9 Н. (C) давление в удлинительном зазоре измерялось при 20° сгибания колена; (D) давление в удлинительном зазоре составляло 44,8 Н. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Послеоперационная визуализация. Послеоперационная передне-задняя рентгенограмма показала хорошее расположение и охват большеберцового компонента. Послеоперационная боковая рентгенограмма показала хорошее позиционирование и угол сгибания бедренного компонента. Сокращения: AP = передне-задний; LT = боковой). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Подвижный носитель УКА является эффективным средством лечения переднемедиального КОА. Он имеет преимущества меньшей травматичности, быстрого восстановления и поддержания нормальной проприоцепции коленного сустава11,12,13. Ключом к UKA является баланс сгибания-разгибания; то есть сделать зазор сгибания и зазор на разгибание как можно более равными при условии восстановления напряженияMCL 14. Дисбаланс может привести к вывиху подшипника, износу протеза или прогрессированию в боковом отсеке15,16,17,18. Методы равновесия обычно связаны с опытом хирурга, что влияет на удовлетворенность пациента и выживаемость протеза.
Измеритель разрыва в настоящее время широко используется UKA для балансировки разрывов. Хирург вставляет измеритель зазора в суставное пространство и чувствует натяжение зазора, чтобы примерно определить, сбалансирован ли зазор сгибания и разгибания. Этот подход в значительной степени зависит от ощущений и опыта хирурга, поэтому новичкам трудно достичь точного баланса, что является одной из причин крутой кривой обучения UKA и развития ортопедических осложнений. Кроме того, этот метод не соответствует требованиям шлифовки бедренной кости миллиметрового уровня в UKA.
Впоследствии тензоры были применены к оценке баланса разрываUKA 19. Тензоры могут прикладывать постоянную отвлекающую силу к совместному пространству, чтобы восстановить напряжение MCL. Измеряя расстояние оттягивания суставной щели, он может точно измерить промежуток сгибания и разгибания. Однако, поскольку тензор может оказывать различные отвлекающие силы, расстояние оттягивания суставного пространства изменяется, когда MCL не восстанавливается до нормального напряжения или MCL чрезмерно отвлекается на травму. В настоящее время соответствующая отвлекающая сила, которая может соответствовать различным толщинам подшипников, не согласована 7,8,19.
В отличие от двух вышеупомянутых грубых измерительных инструментов, беспроводной датчик, который мы использовали, оснащен тремя встроенными датчиками давления, которые могут отображать внутрисуставное давление во время полного диапазона движений колена в режиме реального времени. Беспроводной датчик преобразует традиционное грубое ощущение напряжения MCL в точное внутрисуставное давление, а с помощью устройства для измерения угла хирурги могут точно оценить баланс сгибания-разгибания. Для хирургов, особенно начинающих, это может эффективно помочь в точной остеотомии, сократить кривую обучения и улучшить хирургический эффект.
Чтобы соответствовать различным размерам подшипников и бедренных протезов, беспроводные датчики также доступны в различных размерах. В процессе использования самое главное – подобрать подходящий блок подушки для датчика в соответствии с планом остеотомии; В противном случае это может привести к износу поверхности остеотомии и повреждению баланса между сгибанием и разгибанием.
В предыдущих исследованиях сообщалось о датчиках с меньшим количеством встроенных датчиков давления, что приводило к более низкой точности, или проводной передаче, которая не соответствовала асептическим требованиям во время операции 20,21,22,23,24,25. Беспроводной датчик, который мы использовали, учитывает как точность измерений, так и требования к асептике. В этом исследовании in vitro мы обнаружили, что даже опытный хирург не может достичь полной эквивалентности промежутков сгибания и разгибания. Чтобы определить разумный диапазон давления для баланса сгибания-разгибания, требуются дальнейшие многоцентровые исследования in vivo с большими образцами.
Однако этот беспроводной датчик также имеет некоторые ограничения. Во-первых, частое введение комбинации датчиков с его металлической основой может привести к износу остеотомической поверхности плато большеберцовой кости, что приведет к ошибкам остеотомии, что противоречит первоначальной цели точного баланса сгибания-разгибания. Во-вторых, беспроводной датчик, который мы использовали, является одноразовым устройством; Аккумулятор может питаться только около 3 часов. В настоящее время наша команда совершенствует технологию, чтобы датчик можно было использовать повторно и он соответствовал требованиям беспроводной зарядки. Кроме того, мы также разрабатываем новый блок подушки, который может полностью имитировать подвижные подшипники для отображения траектории точки контакта протезов большеберцовой и бедренной костей в режиме реального времени во время сгибания и разгибания колена.
Использование беспроводного датчика может помочь количественно оценить внутрисуставное давление и направить остеотомию для достижения точного баланса сгибания-разгибания. Это компенсирует отсутствие опыта баланса разрыва у новичков и снизит сложность обучения UKA. Применение беспроводных датчиков отражает тенденцию к индивидуальным и интеллектуальным подходам к хирургии суставов и технологическим инновациям, вызванным тесным междисциплинарным сотрудничеством.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторам раскрывать нечего.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана Управлением больниц Пекина по развитию клинической медицины специальной финансовой поддержки [номера грантов: XMLX202139]. Мы хотели бы выразить нашу благодарность Диего Вангу за ценные предложения.
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).
