基于運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的膝關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)對(duì)位與屈伸軸線的研究.pdf

1、研究背景:
　　膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)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(duì)膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了廣泛的研究。由于運(yùn)動(dòng)本身的復(fù)雜性，既往學(xué)者建立了多種理論和模型來對(duì)膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)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(rèn)可的治療終末期骨性關(guān)節(jié)炎的金標(biāo)準(zhǔn)。
　　盡管如此，在膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)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(gè)重要的問題是膝關(guān)節(jié)的生理對(duì)位和屈伸軸線(flexion-extension axis，F(xiàn)EA)的測(cè)定。對(duì)于前者，既往的研究者對(duì)冠狀面和矢狀面的對(duì)位問題已較

3、為明確。
　　對(duì)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(duì)其進(jìn)行了研究。早期的學(xué)者認(rèn)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(yuǎn)端按照一定的規(guī)律浮動(dòng)。比如針對(duì)二維運(yùn)動(dòng)的“瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心”和針對(duì)三維運(yùn)動(dòng)的“瞬時(shí)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(dá)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(rèn)為膝關(guān)節(jié)是圍繞著兩條固定的軸線運(yùn)動(dòng):圍繞著FEA進(jìn)行屈伸，同時(shí)圍繞著另一條豎直軸線(long

4、itudinal axis，LRA)進(jìn)行內(nèi)外旋。該模型簡(jiǎn)化了運(yùn)動(dòng)的表述形式，同時(shí)可以將固定化的功能軸線和解剖軸線進(jìn)行關(guān)聯(lián)。FEA的位置和方向?qū)εR床具有重要參考價(jià)值，比如TKA中假體的設(shè)計(jì)和安裝等。因此對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的解剖定位十分重要。然而，目前學(xué)界對(duì)于FEA的解剖位置仍然存在爭(zhēng)議。既往的學(xué)者認(rèn)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(shí)驗(yàn)所質(zhì)疑。學(xué)者們發(fā)現(xiàn)TEA的方向在屈膝

5、中會(huì)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(duì)于該結(jié)論目前仍需更多的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。此外既往對(duì)于FEA的計(jì)算方法也存在一定缺點(diǎn)。它要求先通過反復(fù)的膝關(guān)節(jié)內(nèi)外旋實(shí)驗(yàn)來定位LRA，再根據(jù)LRA的位置測(cè)量FEA。這種方法僅適合膝關(guān)節(jié)標(biāo)本的體外測(cè)量實(shí)驗(yàn)，而難于在活體運(yùn)動(dòng)學(xué)采集中應(yīng)用。因此開發(fā)一種新的計(jì)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(zhǔn)技術(shù)的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)檢測(cè)方法，并對(duì)其準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，采集正常膝關(guān)節(jié)在體負(fù)重情況下的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，分析股骨與脛骨在橫斷面上動(dòng)態(tài)的對(duì)位關(guān)系。對(duì)此定義了一個(gè)股骨在運(yùn)動(dòng)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(jìn)行對(duì)比。第三個(gè)目標(biāo)是建立一種新的方法對(duì)FEA進(jìn)行計(jì)算，隨后將FEA同TEA和CA兩條解剖軸線的位置進(jìn)行對(duì)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(zhǔn)技術(shù)的建立及驗(yàn)證研究。
　　首先將膝關(guān)節(jié)標(biāo)本固定在某個(gè)屈膝角度，并進(jìn)行CT掃描和三維重建，獲取的模型作為標(biāo)準(zhǔn)參照。隨后采用雙平面X線攝影與三維模型-二維影像配準(zhǔn)的方法對(duì)同一標(biāo)本進(jìn)行檢測(cè)，將配準(zhǔn)的模型與上述標(biāo)準(zhǔn)參照進(jìn)行對(duì)比，從而對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行評(píng)估。
　　2、膝關(guān)節(jié)橫斷面的動(dòng)態(tài)

8、旋轉(zhuǎn)對(duì)位研究
　　利用如前述所建立的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。對(duì)于每個(gè)受試者，分別采集其在單腿弓步屈膝運(yùn)動(dòng)下0°、15°、30°、60°、90°和120°時(shí)的運(yùn)動(dòng)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(jì)算出一個(gè)綜合性的方向，即動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了一個(gè)新算法對(duì)FEA進(jìn)行計(jì)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(zhǔn)技術(shù)可以有效地對(duì)膝關(guān)節(jié)負(fù)重狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行檢測(cè)，并保持較高精度。根據(jù)尸體驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的結(jié)

10、果，該方法在前后、內(nèi)外以及遠(yuǎn)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(gè)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(yùn)動(dòng)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(shì)，在屈膝90°時(shí)達(dá)到最大(11.6°)。
　　3、在所有樣本中均成功計(jì)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(zhǔn)技術(shù)，是一個(gè)檢測(cè)膝關(guān)節(jié)在體負(fù)重狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)檢測(cè)手段，比如光學(xué)運(yùn)動(dòng)采集、MRI以及X線立體攝影測(cè)量等相比，所建立的方法在易用性、準(zhǔn)確性和可行性間達(dá)到了一個(gè)較好的平衡，可以滿足后續(xù)實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)確地指示膝關(guān)節(jié)在橫斷面上的動(dòng)態(tài)對(duì)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(duì)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(duì)位的解剖參考標(biāo)志的方法，本研究為其提供了一定的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　　3、建立的新方法可以基于連續(xù)的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)FEA進(jìn)行計(jì)算。膝關(guān)節(jié)的FEA并不與