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全膝关节置换术中的手术器械

Published at: 2015年第1卷第S1期

AlfredJ.Tria Jr.
关键词:

《全膝关节置换与翻修技术》第二章

1 简介

20世纪70年代初,美国特种医院最早开展全膝关节置换术,并强调了韧带平衡及膝关节力线的重要性。随着聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥在关节置换领域的应用,假体的固定方式这一难题得到了解决,并使得假体的设计有了长足的发展。尽管膝关节假体的设计不断被改良,然而手术器械的设计却有些跟不上发展的步伐。导致这种问题的原因是由于研究者们一直把研究重点放在如何设计出更符合解剖和生物力学的假体上,以期在这种新型的固定方式下,假体的早期松动发生率能够降低,并能增加膝关节的活动度。同时研究者也认为,膝关节假体植入技术并不是影响膝关节置换手术疗效的核心问题。因此,手术器械的设计远落后于假体设计,以至于在假体应用的初期,相关手术器械尚未被设计出来。

20世纪80年代,膝关节假体的设计更加精细,并出现了生物型假体的概念。为了增大假体与骨的接触面积,生物型假体的截骨要求更高,这对手术器械也提出了更高的要求,需要假体和器械设计共同发展。毫无疑问,膝关节置换手术的疗效取决于合理的假体设计和精细的手术技术。依靠“外科医生的眼睛”来确定假体位置的方法不再令人接受,假体和手术器械的设计同样重要。

2 手术器械设计的基本原则

2.1 胫股力线

良好的膝关节整体力线需要保持5°~10°的解剖外翻,具体由股骨和胫骨在关节冠状面上的位置确定。关于膝关节假体定位主要有两种观点。大多数学者认为假体定位应参照下肢机械轴,胫骨截骨垂直于胫骨干长轴,股骨截骨平行于股骨机械轴(即从股骨头中心到膝关节中心及踝关节中心的连线)。另有学者认为应参照下肢解剖对线关系,在参照下肢机械轴的基础上,同时考虑胫骨平台存在的轻度内倾。其中胫骨截骨依据解剖关系(即2°~3°内翻截骨),股骨截骨在平行于股骨机械轴的基础上增加2°~3°。Hungerford和Krackow推崇这种截骨方式,认为其能更好地恢复膝关节的解剖关系(图2-1)。

图2-1 左图,下肢机械轴;右图,股骨解剖轴

2.2 股骨假体

前述讨论只涉及股骨和胫骨在冠状面上的角度关系。而手术过程中必须保证所有假体在矢状面、冠状面和水平面均位置良好。其中,股骨假体安放位置应位于股骨远端中央,外翻4°~ 6°,外旋3°~4°,同时不能过伸或过曲。股骨假体的外翻角可以参考股骨干。前后位置及外旋可以参考股骨后髁连线、股骨干前皮质、股骨髓腔、股骨上髁和屈曲间隙。上述所有参考标志均存在个体差异。股骨后髁易于定位。但是在膝关节内翻或外翻畸形的情况下,股骨内侧髁(内翻时)或外侧髁(外翻时)会出现缺损。在这种病理情况下测量出的股骨前后径将比真实值小,如果此时仍以股骨后髁连线作为截骨定位标志,股骨假体将会出现内旋(外翻畸形时)或外旋(内翻畸形时)(图2-2)。股骨干前皮质作为定位标志可靠性高。由于股骨外侧髁比内侧髁高,外科医生必须在两者之间选择参考标准。如果股骨前髁截骨减少,将增加髌骨到膝关节旋转中心的距离,从而导致髌股关节压力增加。股骨假体位置的前移也会增加屈曲间隙。如果股骨前部截骨量过多,将会出现股骨切割现象。1~2mm的缺损影响不大,然而较深的缺损将增加股骨髁上骨折的风险。如果所有股骨截骨均以股骨干前皮质作为参考,在不考虑植入假体型号的情况下,使用较小的假体将导致屈曲间隙的增加,甚至可能大于伸直间隙,且可能会增加不必要的截骨。使用较大的股骨假体将会出现屈曲间隙的减少,将不能保持与伸直间隙之间的平衡。

图2-2 股骨假体位置的确定

(A) 股骨后髁连线与通髁线的关系;(B)膝内翻时,股骨内髁缺损(尤其是后方),如果以股骨后髁连线作为参考标志,将导致股骨假体外旋增加;(C)膝外翻时,股骨外髁萎缩(尤其是后方),如果以股骨后髁连线作为参考标志,将导致股骨假体内旋增加。

股骨髓腔是一个稳定的参考标志,尤其是在存在明显骨缺损及骨性标志缺失的翻修术中。股骨髓腔有助于假体前后方向定位及股骨远端外翻截骨。如果股骨髓内定位杆的长度能够到达股骨峡部,那么其定位准确性就会非常高。如果髓内杆的直径能够增加到同时接触股骨内外侧皮质,其定位精度则会更高。但是,股骨髓腔并不是良好的旋转定位标志。

股骨髁的连线即通髁轴在假体的旋转定位方面非常有意义。但股骨髁的位置很难确定,尤其是股骨内上髁。Rubash通过解剖研究分析股骨通髁线和股骨后髁连线,结果表明两者彼此关联。股骨通髁轴是一种可重复性好的定位标志,其定位类似于股骨后髁,仅和解剖特征相关。通过股骨通髁线确定假体旋转,使假体平行于股骨通髁线。外科医生不应该混淆股骨假体旋转定位和以胫骨假体作为参考的屈伸间隙平衡这两个概念。屈伸间隙平衡技术是一个完全独立的问题。股骨旋转定位的屈曲间隙平衡技术是参照已经在屈曲位获得良好侧副韧带平衡的胫骨截骨面。胫骨截骨完成后屈曲时膝关节松弛,经过侧副韧带平衡及股骨后髁截骨处理后,最终形成一个矩形空间(图2-4)。这种技术可以保证膝关节屈曲时韧带的平衡,但如果存在侧副韧带异常的紧张或松弛,将会出现股骨旋转不良,从而影响髌骨轨迹。

图2-3 股骨假体型号影响膝关节屈曲间隙,对伸直间隙无明显影响

图2-4 屈曲时侧副韧带平衡后,平行于胫骨近端行股骨后方截骨,形成一个矩形空间,同时检查屈伸间隙

股骨假体的旋转对位同时影响髌骨轨迹和膝关节屈曲时侧副韧带的平衡。股骨假体的滑车沟槽必须与髌骨相适应,且在屈曲至伸直的过程中始终维持正常的接触。股骨假体的内旋将使髌骨在股骨沟槽上的轨迹外移。同时内旋也将使屈曲间隙内侧紧张及外侧松弛。股骨假体的外旋有利于维持正常的髌骨轨迹,然而,如果外旋过度,将导致髌骨轨迹内移,屈曲间隙内侧松弛及外侧紧张。

2.3 胫骨假体

类似于股骨假体,胫骨假体也必须被视为一个单独的组件。大多数情况下,胫骨截骨在冠状平面垂直于胫骨轴,除非胫骨假体自带3°或4°的内翻。在矢状面上,胫骨截骨通常是垂直或轻度后倾的,通过股骨假体在胫骨平台表面的后滚机制,进一步改善膝关节的屈曲活动度。许多膝关节假体的聚乙烯衬垫存在轻微的后倾,因此可直接垂直于胫骨截骨。如果聚乙烯衬垫存在后倾,其厚度从前至后会逐渐变薄。聚乙烯衬垫的厚度最薄时可达临界厚度6mm甚至更低。因此,一些假体可以通过胫骨截骨实现胫骨平台的后倾,然后再植入前后厚度均匀的聚乙烯衬垫,从而避免改变聚乙烯厚度的问题。

以胫骨结节为参照,胫骨假体也必须在水平面上旋转对位。胫骨的旋转对位相对较简单(图2-4)。胫骨结节是主要的参考标志。大多数膝关节假体系统以胫骨结节为基础进行胫骨旋转定位,除非出现胫骨结节明显的内移或外移,其中胫骨结节内移非常少见。在胫骨结节解剖学异常的情况下,胫骨假体的旋转定位依据膝关节屈曲状态下的股骨假体,然后再以伸直状态作为参考,从而检查膝关节全范围的活动度。当胫骨结节明显旋转时,假体的旋转定位将会非常困难。如果胫骨假体内旋,髌骨随髌韧带移动,倾向于向外移动。如果胫骨假体外旋,髌骨轨迹将更加居中,但是胫骨和股骨将不能解剖对位,这种旋转扭矩可能导致假体的松动或磨损。

2.4 髌骨假体

随着膝关节表面置换技术的提高,最后一个需要攻克的难题是髌股关节。无论胫骨及股骨假体的位置如何,在膝关节屈伸活动中髌骨必须始终位于股骨沟槽中间。有时需要通过软组织松解和/或胫骨结节截骨使髌骨位于股骨假体沟槽中。髌骨的厚度已成为关注的焦点,手术器械的发展有利于解决这一问题。虽然目前相关文献不多,但大多倾向于通过髌骨置换来减小原有髌骨的厚度。髌骨厚度变薄使得关节假体更加接近膝关节旋转中心,从而能够减少关节表面应力,并有利于减少磨损和骨折。大多数外科医生赞成保留至少10 mm的原髌骨床。髌骨截骨应平行于前皮质表面,且假体和髌骨总的厚度应该等于或小于原髌骨厚度。髌骨也可以偏心安装在截骨床上。虽然作者认为髌骨应置于截骨床的中央位置,然而,一些研究认为髌骨内移有利于获得一个更好的髌骨轨迹。

如果髌骨假体是多面型的,假体对线变得愈加重要。髌骨的轨迹应该位于股骨滑槽中央;然而,如果髌骨假体的接触面从股骨滑槽中旋出,可能会出现假体扭转。如果髌骨假体有一个活动表面设计,使得在膝关节运动过程中发生旋转,上述问题可能得到解决。但是,活动平台型设计需要一个金属基板,这通常会增加髌骨的总厚度,而且还会增加应力即假体磨损。

3 手术器械

3.1 截骨器械

早期膝关节置换术没有精细的截骨模块指导,而是手动直接截骨。随着电动工具的引入,截骨的可重复性更好,外科医生要求更精准的截骨导向。由于截骨模块的产生,外科医生依据其提供的支撑及导向进行精准截骨(图2-5)。然后就有了限制锯片的截骨槽的产生,它能防止锯片随意摆动。截骨槽能最大限度地保证截骨的精度。接下来,便出现了截骨框架的概念。通过截骨槽的限制,这种截骨框架结构允许多次截骨。其优点在于能同时完成多个部位的截骨(图2-6)。过多的模块和截骨槽会导致截骨精度的下降。这种复合框架结构可以避免繁琐的步骤,简化截骨过程,因此能增加截骨的精度。接着就有了往复锯的应用,它的应用进一步消除了震荡锯片产生的摆动,降低了截骨块的表面温度,控制了截骨深度。迄今为止,这种卡槽限制下的锯片截骨仍是膝关节置换术中截骨的金标准。本文作者倾向于使用截骨框架限制下的旋转锯片截骨,这些设备未来仍具有很大的改进空间。

图2-5 在合适的旋转定位基础上,股骨截骨模块固定于股骨远端关节面

图2-6 髓外定位框架结构定位于股骨远端,在一次定位的基础上可完成所有截骨操作

虽然激光在其他方面取得了很大进展,但开放性膝关节手术中仍不建议采用激光设备。最常用的止血方式仍是电凝止血。同时,电动工具截骨的精度令人满意。

已有一些研究试图将机械手臂应用于膝关节手术,随着手术器械精度的不断提高,未来这种方式可能会更加受欢迎。目前常用的骨性标志很难被机械手臂所运用。可能当这些标志变得越来越精准时,再使用这种方式会更合适。

3.2 器械设计

选择何种解剖参数进行膝关节假体的对线及平衡,将明显影响所设计出来的器械类型。前面重点讨论了不同假体的各种参数。在膝关节手术过程中,外科医生必须既要把股骨、胫骨和髌骨作为单独的实体,同时又要把它们作为一个有机整体。在不同的手术方法中,可能会先处理股骨侧,也可能会先处理胫骨侧。无论采用何种方法,总的目标和原则相同,但手术过程各有侧重点。本章所阐述的手术将先从胫骨侧处理开始,然后进行股骨侧处理,最后再处理髌骨。

3.3 胫骨侧处理

胫骨侧处理的手术器械是根据髓内或髓外定位的。由于胫骨干及踝关节体表标志明显,胫骨髓外定位非常可靠。除了病变严重的翻修病例,胫骨结节和腓骨头通常可用做定位标志。依据目前所用的截骨系统,胫骨初次截骨通常垂直于胫骨干伴轻微后倾。胫骨截骨模块分为两类,一种为能够将摆锯片置于其内部的槽内截骨模块;另一种为将摆锯片置于其上方的槽外截骨模块。槽内截骨模块能够控制摆锯的活动范围但会导致后方的截骨面的视野不良。槽外截骨模块在增加手术视野的同时也增大了截骨的误差。胫骨截骨槽可以允许成角度截骨以容纳胫骨托假体。电动旋转锯片在膝关节截骨方面应用广泛。这些器械在截骨过程将会产生大块的骨碎片,这使得采用槽内截骨将导致手术视野不佳。胫骨初次截骨同样可采用髓内胫骨定位系统。但是胫骨髓腔过窄,胫骨干弯曲或胫骨近端表面异常使得髓内定位困难增大。Simmoms通过研究探讨髓内定位的准确性,结果表明对于内翻膝其定位准确性为83%,而对于外翻膝其准确性仅37%。定位困难最主要的原因是胫骨弯曲,其出现在66%的外翻膝中。因此他建议术前拍摄胫骨全长片,或者对膝外翻畸形患者同时加用髓外定位以检测其定位是否正确(表2-1)。综合文献,髓内或髓外定位器械的准确性一致,然而,对于膝外翻畸形,髓内定位效果差。

3.4 股骨侧处理

膝关节置换术中股骨侧的处理更加复杂。由于大腿肌肉覆盖,股骨近端止血带的应用及肥胖发病率的增加,使得术中股骨可见性差,不易体表定位。股骨头体表定位困难,通过髂前上棘也很难进行股骨远端手术定位。另外,股骨干还存在生理性前屈,甚至内翻。已有多项研究评估股骨侧髓外或髓内定位的准确性(表2-2)。目前大多数研究认为髓内定位效果更佳。1988年,Tillett和Engh比较了髓内定位和髓外定位股骨远端截骨的效果,结果表明这两种定位无显著差异。髓外定位时,需预先通过影像学检查明确股骨头的体表定位,因此耗时相对较长,而髓内定位更加方便快捷。上述研究者随后又发表了一篇关于髓外定位及髓内定位比较的文章,结果表明髓内定位的准确性为87.5%,而髓外定位的准确性仅为68.8%。他们认为导致这种差异的原因是由于影像学测量精度的提高。同时,他们也指出髓外定位结果的个体差异更大。

如果股骨髓腔非常大,插入的髓内定位杆可能出现内翻或外翻。Bertin进行了这方面的研究,结果表明加长加粗的髓内杆有助于防止这种差异的产生(图2-7)。一旦股骨髓内杆安放位置合适,便可通过截骨重建下肢生物力学轴。具体的截骨方案依据术前下肢站立位全长片或术中影像学检查确定。尽管髓内定位设备不断改良,仍建议术中再次行髓外检查确定假体位置。此研究者并不依靠下肢站立位全长片来评价下肢力线。对于内翻膝,采用髓内定位4°外翻截骨。对于外翻膝,髓内定位设置2°~ 3°外翻截骨。通过以上方法,术后X 线检查示胫股角维持在5°~ 10°外翻。在膝关节置换术中,采用这种粗略的定位方法可避免明显的假体对线不良。

图2-7 加长加粗的髓内杆有助于防止定位误差产生

髓内定位杆有助于防止股骨假体过屈或过伸。髓内参考可以直视股骨前后皮质,外科医师可依此确定股骨假体前后安放位置,从而为髌股关节与胫股屈曲间隙两者的相互关系提供最佳解决方案。

虽然髓内股骨定位杆似乎能解决大多数股骨假体安放位置的问题,但是股骨假体的旋转位置仍未解决。除了股骨畸形严重的情况,股骨上髁体表位置一般很明显。股骨上髁位置的确认已成为一个非常重要的问题。Insall通过新型器械为股骨上髁解剖提供独到见解,Rubash表明股骨内上髁中央存在凹陷,彻底清除其上覆滑膜后便可明确辨别。其中央凹陷亦可通过同心圆法进行确认。Krackow认为股骨上髁可作为股骨旋转对位的参考标志。Whitesides的研究明确了股骨沟槽的前后轴线,并指出了其与股骨上髁及股骨后髁连线的相互关系 (图2-1)。Rubash研究证实股骨后髁连线和股骨髁上连线两者之间的相关性。

3.5 髌骨处理

髌骨表面截骨的器械设计仍处于研究早期。许多外科医生认为只要有一个电动锯片和一个经验丰富的术者,即可完成良好的髌骨表面截骨。手术经验是最宝贵的器械之一,截骨辅助器械只能帮助提高其准确性。髌骨截骨通常采用固定于卡槽内的摆锯或固定于截骨模块内的锯片。如果卡槽固定不稳,截骨时锯片就会摆动。亦有采用截骨器械包裹髌骨,然后采用旋转锯片清理髌骨表面。然而,这种操作设备有些笨重,截骨完成后髌骨表面比较模糊。髌骨面的修整必须尽可能精细,但迄今为止,尚无理想的解决方案。有研究者采用旋转锯片进行截骨,并在操作过程中可随时调整截骨角度以保证锯片始终处于正确位置,从而确保精细截骨 (图2-8)。

3.6 膝关节平衡

胫骨和股骨侧处理完成后,膝关节屈伸间隙也必须达到平衡。目前,软组织平衡的调节一般在膝关节完全伸直及屈曲90°的情况下进行。大多数膝关节置换系统并不包含处理或调控屈伸平衡的设备。由韧带而保持平衡的屈伸间隙可通过韧带紧张度检测设备进行分析。在过去,这种设备非常笨重,且测量准确性较手动测量无明显优势。Dr. Robert Booth发明了一种新的器械,可以评价膝关节从屈曲到伸直整个过程中的软组织平衡,并能进一步预测合适大小的股骨假体及胫骨垫片厚度(图2-9 )。该研究者已将上述仪器用于临床,并获得了早期成功。如果这种设备能进一步完善,则有利于我们更好地调控膝关节的屈伸间隙。

图2-8 髌骨截骨导向装置

图2-9 新型膝关节软组织测量器

4 结论

膝关节置换手术的器械仍在不断完善。目前,大多数膝关节置换系统由两个独立的团队分别开发假体和手术器械。毫无疑问,手术操作越精准,术后效果越好,假体生存时间越长。

目前,髓外胫骨定位,髓内股骨定位,及参照髌骨原始厚度的髌骨表面处理是膝关节置换的标准处理方法。用于调控膝关节屈伸间隙平衡的器械尚处于研发早期。在不久的将来,各类器械所采用的参照或标志可能会发生变化,然而,基本原则不会因此而改变。

参考文献:略

译者:曾敏

中南大学湘雅医院,骨科,医学博士

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