基于運動學(xué)分析的膝關(guān)節(jié)動態(tài)旋轉(zhuǎn)對位與屈伸軸線的研究.pdf

1、研究背景:
　　膝關(guān)節(jié)的運動學(xué)是理解膝關(guān)節(jié)的生理功能以及病理改變的基礎(chǔ)科學(xué)。與生物力學(xué)一樣，它也是諸多臨床手術(shù)的基礎(chǔ)，如全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(total knee arthroplasty，TKA)、前交叉韌帶重建術(shù)等。在過去的一百多年中，有諸多的解剖學(xué)、生物力學(xué)的學(xué)者及臨床醫(yī)生對膝關(guān)節(jié)的運動學(xué)進行了廣泛的研究。由于運動本身的復(fù)雜性，既往學(xué)者建立了多種理論和模型來對膝關(guān)節(jié)的運動進行解釋和描述。在這些工作的基礎(chǔ)上，現(xiàn)代的膝關(guān)節(jié)手術(shù)技術(shù)有了

2、飛速發(fā)展。其中最典型的是TKA。早期的TKA手術(shù)具有較高的失敗率和較短的假體壽命，而現(xiàn)代的TKA盡管仍存在一些亟待解決的問題，但成功率已經(jīng)大幅提高，成為被學(xué)界廣范認可的治療終末期骨性關(guān)節(jié)炎的金標準。
　　盡管如此，在膝關(guān)節(jié)運動學(xué)的有關(guān)研究中，仍有一些問題尚未被完全闡明。其中，兩個重要的問題是膝關(guān)節(jié)的生理對位和屈伸軸線(flexion-extension axis，F(xiàn)EA)的測定。對于前者，既往的研究者對冠狀面和矢狀面的對位問題已較

3、為明確。
　　對于膝關(guān)節(jié)的FEA，在過去的幾十年中學(xué)者們已從很多不同的角度對其進行了研究。早期的學(xué)者認為膝關(guān)節(jié)的FEA不是固定的，而是隨著屈膝角度的變化在股骨遠端按照一定的規(guī)律浮動。比如針對二維運動的“瞬時旋轉(zhuǎn)中心”和針對三維運動的“瞬時旋轉(zhuǎn)軸”的概念。這種非固定的旋轉(zhuǎn)軸心的數(shù)學(xué)表達非常復(fù)雜，不利于臨床醫(yī)生掌握和應(yīng)用。近年來的研究者傾向于認為膝關(guān)節(jié)是圍繞著兩條固定的軸線運動:圍繞著FEA進行屈伸，同時圍繞著另一條豎直軸線(long

4、itudinal axis，LRA)進行內(nèi)外旋。該模型簡化了運動的表述形式，同時可以將固定化的功能軸線和解剖軸線進行關(guān)聯(lián)。FEA的位置和方向?qū)εR床具有重要參考價值，比如TKA中假體的設(shè)計和安裝等。因此對其進行準確的解剖定位十分重要。然而，目前學(xué)界對于FEA的解剖位置仍然存在爭議。既往的學(xué)者認為股骨的髁上軸（transepicondylar axis，TEA）與FEA具有一致性。然而這一結(jié)論被最近的實驗所質(zhì)疑。學(xué)者們發(fā)現(xiàn)TEA的方向在屈膝

5、中會發(fā)生改變，因此不符合固定旋轉(zhuǎn)軸的要求;另一些學(xué)者主張連接股骨后髁中心的幾何中心軸(cylinderaxis，CA)才是與FEA最接近的解剖軸線，但對于該結(jié)論目前仍需更多的實驗來驗證。此外既往對于FEA的計算方法也存在一定缺點。它要求先通過反復(fù)的膝關(guān)節(jié)內(nèi)外旋實驗來定位LRA，再根據(jù)LRA的位置測量FEA。這種方法僅適合膝關(guān)節(jié)標本的體外測量實驗，而難于在活體運動學(xué)采集中應(yīng)用。因此開發(fā)一種新的計算FEA的方法也十分必要。
　　研究目

6、的：
　　首先建立一套基于雙平面X線攝影結(jié)合3D模型與2D影像配準技術(shù)的膝關(guān)節(jié)運動學(xué)檢測方法，并對其準確性進行驗證。在此基礎(chǔ)上，采集正常膝關(guān)節(jié)在體負重情況下的運動學(xué)數(shù)據(jù)，分析股骨與脛骨在橫斷面上動態(tài)的對位關(guān)系。對此定義了一個股骨在運動過程中綜合性的前-后方向，并將其和多條脛骨的解剖參考軸線進行對比。第三個目標是建立一種新的方法對FEA進行計算，隨后將FEA同TEA和CA兩條解剖軸線的位置進行對比，判斷哪一條可以更好地作為FEA的解

7、剖替代。這些功能與解剖的關(guān)系的建立將為膝關(guān)節(jié)的基礎(chǔ)研究和臨床提供有意義的參考。
　　研究方法：
　　1、雙平面X線攝影與三維模型-二維影像配準技術(shù)的建立及驗證研究。
　　首先將膝關(guān)節(jié)標本固定在某個屈膝角度，并進行CT掃描和三維重建，獲取的模型作為標準參照。隨后采用雙平面X線攝影與三維模型-二維影像配準的方法對同一標本進行檢測，將配準的模型與上述標準參照進行對比，從而對系統(tǒng)誤差進行評估。
　　2、膝關(guān)節(jié)橫斷面的動態(tài)

8、旋轉(zhuǎn)對位研究
　　利用如前述所建立的運動學(xué)采集方法，采集了20例健康成人志愿者單側(cè)膝關(guān)節(jié)的運動學(xué)數(shù)據(jù)。對于每個受試者，分別采集其在單腿弓步屈膝運動下0°、15°、30°、60°、90°和120°時的運動學(xué)數(shù)據(jù)。在0°的模型中，確定一條股骨的前后軸線(femoralanteroposterior axis，F(xiàn)AA)，并追蹤該軸線的方向在上述屈膝位置中的變化。在此基礎(chǔ)之上，計算出一個綜合性的方向，即動態(tài)股骨前后軸線(femoral a

9、nteroposterior axis ofmotion, FAAm)，該方向?qū)⑴c各屈膝角度下的FAA保持最小的誤差平方和。
　　3、膝關(guān)節(jié)的屈伸軸線的研究
　　基于上一部分研究中建立的20例樣本的膝關(guān)節(jié)運動學(xué)數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了一個新算法對FEA進行計算。
　　研究結(jié)果：
　　1、本研究所建立的雙平面X線攝影與三維模型-二維影像配準技術(shù)可以有效地對膝關(guān)節(jié)負重狀態(tài)下的運動學(xué)進行檢測，并保持較高精度。根據(jù)尸體驗證實驗的結(jié)

10、果，該方法在前后、內(nèi)外以及遠近方向上平移自由度的平均偏差分別為0.80 mm，0.81 mm和0.70 mm;在冠狀面、矢狀面以及橫斷面三個平面上旋轉(zhuǎn)自由度的平均偏差分別為0.79°,0.88°和1.06°。
　　2、使用上述建立的方法成功獲取了所有參檢志愿者的運動學(xué)信息。FAA在從伸直位到屈膝的過程中表現(xiàn)出外旋的趨勢，在屈膝90°時達到最大(11.6°)。
　　3、在所有樣本中均成功計算出了FEA。其從股骨后髁的中心區(qū)域穿

11、過。
　　研究結(jié)論：
　　1、本研究所建立的雙平面X線攝影與三維模型-二維影像配準技術(shù)，是一個檢測膝關(guān)節(jié)在體負重狀態(tài)下運動學(xué)的有效方法。其具有較高的精度，在平移和旋轉(zhuǎn)自由度上的偏差可以分別控制在1mm以下和1°左右。與其他的運動學(xué)檢測手段，比如光學(xué)運動采集、MRI以及X線立體攝影測量等相比，所建立的方法在易用性、準確性和可行性間達到了一個較好的平衡，可以滿足后續(xù)實驗的需要。
　　2、目前在膝關(guān)節(jié)中較為常用的幾條解剖參考

12、軸線并不能準確地指示膝關(guān)節(jié)在橫斷面上的動態(tài)對位。與之相比，后者與脛骨結(jié)節(jié)的中內(nèi)三分之一部分可能存在更多的相關(guān)性。本研究所發(fā)現(xiàn)的這種功能與解剖的關(guān)系可幫助我們更好地理解膝關(guān)節(jié)的生理功能。此外該發(fā)現(xiàn)也可能為TKA提供一定的理論支持。針對目前臨床所使用的利用脛骨結(jié)節(jié)中內(nèi)1/3作為脛骨假體旋轉(zhuǎn)對位的解剖參考標志的方法，本研究為其提供了一定的實驗依據(jù)。
　　3、建立的新方法可以基于連續(xù)的膝關(guān)節(jié)運動學(xué)數(shù)據(jù)對FEA進行計算。膝關(guān)節(jié)的FEA并不與