《Arthroplasty》：Full-flexion gap balancing-driven personalized preoperative planning for TKA: biomechanical evidence of improved load symmetry in an in vitro model
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摘要目的 全膝关节置换术（TKA）中的传统形态学基础规划（morphology-based planning, MB）常导致内外侧载荷不平衡，而这是假体松动的主要风险因素。本研究旨在评估一种全屈曲间隙平衡规划（gap balance planning, GB
摘要目的 全膝关节置换术（TKA）中的传统形态学基础规划（morphology-based planning, MB）常导致内外侧载荷不平衡，而这是假体松动的主要风险因素。本研究旨在评估一种全屈曲间隙平衡规划（gap balance planning, GB）方法，并将其生物力学性能与MB规划进行比较。
方法 研究人员对8名受试者进行了TKA手术规划。采用双X线影像系统（dual X-ray imaging system）获取体内（in vivo）膝关节运动学。基于体内动态运动学，在计算机模拟（in silico）手术规划框架内，通过最小化整个屈曲范围内的内外侧间隙差异，对假体位置进行优化。利用3D打印的体外（in vitro）模型，在不同屈曲角度下测量关节接触力，以比较GB与MB规划在内外侧载荷分布方面的差异。
结果 GB规划在解剖学约束范围内将股骨假体内翻/外翻（varus/valgus）优化约4°，显著将整个屈曲范围内的内外侧间隙差异降低至平均<1 mm（p < 0.05）。相比之下，MB规划下的内外侧间隙差异超过2 mm。此外，在中高屈曲角度（30°–100°）下，与MB规划相比，GB规划将内外侧载荷不平衡降低约38%–67%（p < 0.05）。
结论 与传统MB规划相比，GB规划可显著改善整个屈曲范围内的内外侧载荷平衡。该个体化规划在体外优化了关节载荷模式，从理论上可能更符合旨在降低屈曲相关不良结局的生物力学原则。
该研究发表于《Arthroplasty》，聚焦于全膝关节置换术（total knee arthroplasty, TKA）术前规划中长期存在的一个核心问题，即传统基于形态学的规划方法难以在整个屈曲活动范围内维持稳定的内外侧平衡。TKA是终末期膝骨关节炎的重要治疗手段，随着临床需求持续增长，如何提高假体植入精度、改善关节稳定性并降低翻修风险，已成为关节外科的重要研究方向。传统机械力线对线（mechanical alignment, MA）与测量截骨思路虽长期作为常规参考，但其主要依据静态解剖形态进行定位，往往只能保证伸直位或90°屈曲位的间隙对称，难以覆盖膝关节从0°到深屈曲全过程中的动态功能需求。既往研究提示，0°和90°达到平衡并不意味着中间屈曲区间仍保持平衡，术后仍可能出现中屈曲不稳、内外侧载荷偏移、股骨髁抬离以及持续疼痛等问题。正因如此，研究人员开展本研究，尝试将体内动态运动学信息纳入TKA术前规划，以建立一种覆盖全屈曲范围的个体化间隙平衡策略，并验证其相较传统形态学规划的生物力学优势。
研究人员以8例接受单侧TKA的受试者为对象，构建了从体内运动学采集、计算机模拟优化到体外力学验证的完整研究流程。研究的核心思想是：不再仅依赖骨性形态匹配来放置股骨假体，而是利用受试者在负重屈曲活动中的真实运动学轨迹，在全屈曲范围内最小化内外侧关节间隙差，从而获得更接近动态平衡目标的个体化股骨假体位置。研究结果显示，与传统MB规划相比，全屈曲间隙平衡规划（GB）主要通过调整股骨假体冠状位内翻/外翻实现优化，平均调整幅度约为3.8°。这一调整显著降低了0°–100°整个屈曲范围内的内外侧间隙差，使其平均维持在1 mm以下，而MB规划下该差值在各角度均超过2 mm。更重要的是，这种几何层面的改善进一步转化为力学层面的优势：在30°–100°中高屈曲区间，GB规划可将内外侧载荷不平衡降低约38%–67%。研究还发现，GB规划下侧副韧带长度变化模式更接近天然膝关节，提示该方法在恢复软组织募集特征方面也更具潜力。总体而言，论文表明，基于全屈曲间隙平衡的个体化术前规划有助于改善TKA术后负荷分配和软组织环境，为降低屈曲相关不良结局提供了生物力学依据。
在技术方法方面，研究主要采用了以下几类关键手段。首先，纳入8例终末期原发性骨关节炎且拟行单侧TKA的受试者，使用双X线影像系统采集0°–100°负重弓步运动中的体内膝关节运动学，并结合CT重建个体化三维骨模型。其次，在计算机模拟（in silico）框架中完成胫骨与股骨假体术前规划：胫骨侧通过模拟退火算法优化胫骨覆盖率，股骨侧则采用协方差矩阵自适应进化策略（covariance matrix adaptation evolution strategy, CMA-ES）最小化全屈曲范围内内外侧间隙差。再次，基于韧带包绕路径算法和非线性弹簧模型估算浅层内侧副韧带前束（aMCL）、浅层内侧副韧带后束（pMCL）及外侧副韧带中束（iLCL）长度与张力变化。最后，利用3D打印体外模型、嵌入式压力传感器及闭环加载平台，在不同屈曲角度下测量内外侧关节接触载荷，并比较GB与MB两种方案的力学差异。
以下为研究结果的分部分解读。
Implant positions and medial–lateral gap differences under different planning
该部分主要分析两种规划策略下假体位置变化及其对内外侧间隙平衡的影响。研究显示，在解剖学约束条件下，惩罚性胫骨覆盖指数达到77.1% ± 5%，胫骨假体前后轴相对Insall线的偏差为3.0° ± 1.1°。与MB规划相比，GB规划最主要的调整发生在股骨假体冠状位内翻–外翻方向，平均调整3.8° ± 2.4°，其余自由度变化较小。通过全屈曲范围内的间隙分析可见，MB规划在所有屈曲角度下均表现为超过2 mm的内外侧间隙差；仅以站立位0°或0°+90°为优化目标的缩减版GB策略虽可在局部改善平衡，但仍存在残余不对称。相比之下，全屈曲GB规划可将平均间隙差控制在1 mm以下，并在0°–80°范围内较MB取得显著更小的间隙差，说明若仅针对有限屈曲角度进行平衡优化，难以替代覆盖全屈曲轨迹的规划策略。
Ligament length changes from 0° to 100° of flexion in the native knee and after TKA under the two planning strategies
该部分评估不同规划下术后韧带长度变化与天然膝的接近程度。结果表明，两种规划均能在一定程度上反映天然膝韧带长度变化的总体趋势，但GB规划与天然膝更为一致。对于aMCL，天然膝长度由0°时的88.1 ± 3.5 mm增至70°时的95.1 ± 4.2 mm后趋于平台；对于pMCL，天然膝长度则由0°时104.0 ± 3.3 mm逐渐缩短至100°时96.9 ± 2.9 mm。MB规划在整个屈曲范围内均与天然韧带长度存在持续且显著偏离，而GB规划的显著差异仅限于部分特定角度或极端屈曲区间。对于iLCL，天然膝在屈曲过程中表现为轻度缩短，GB规划较好重建了这一模式；MB规划则呈现出“先稳定后下降”的非天然特征，即在50°之前长度基本不变，之后才下降，且在整个屈曲弧内均明显偏离天然状态。该结果说明，GB规划不仅改善骨性间隙关系，也更有利于重建接近生理状态的侧副韧带募集模式。
Medial–lateral load under the MB plan and GB plan
该部分通过体外实验直接测量关节载荷，以验证几何平衡是否转化为力学获益。结果显示，在内侧间室载荷方面，两种方案在早期屈曲时相对稳定，随后均随屈曲加深而升高，但MB规划在整个屈曲范围内始终表现出更高的内侧载荷。GB规划下内侧载荷在0°–40°基本稳定，由72 N增至78 N，至100°时升至122 N；MB规划则在0°–30°维持相对稳定，由93 N增至99 N，至100°时升至159 N，且各角度均显著高于GB。对于外侧间室载荷，两种方案未见显著差异，提示载荷差异主要来自内侧过载的缓解。进一步分析内外侧载荷差可见，随着屈曲增加，两种方案的载荷不平衡均有上升趋势，但GB始终保持更优的对称性，在30°–100°范围内其内外侧载荷差显著小于MB。以100°屈曲为例，GB规划的内外侧载荷差为69 N，而MB为112 N。该结果从直接测得的接触力角度支持了GB规划在中高屈曲区间改善负荷共享的能力。
Discussion
讨论部分指出，本研究首次将体内动态运动学用于TKA的间隙平衡术前规划，并通过计算机模拟和体外实验联合验证了其生物力学价值。研究人员认为，传统形态学规划虽可提供几何参考，但难以应对膝关节在完整屈曲活动中的动态载荷需求；GB规划通过优化股骨假体冠状位取向，使全屈曲范围内的内外侧间隙明显缩小，并进一步改善负荷分布。讨论中还强调，临床上软组织平衡通常被理解为屈曲范围内内外侧间室载荷尽可能均衡，而传统平衡过程高度依赖术者经验，常需额外软组织松解才能补偿不平衡。GB规划在本研究中可将内外侧载荷差维持在更接近既往推荐阈值的范围内，尤其在80°以内表现更为稳定，这意味着其有望减少术中反复调整。与此同时，研究还认为GB规划更接近天然膝的侧副韧带长度变化模式，可能有助于降低屈曲位软组织过度紧张及中屈曲不稳风险。论文也谨慎指出，该研究仍存在局限，包括体外模型未完全纳入主动肌力、交叉韧带及更复杂软组织约束；模型材料与真实软骨及临床假体材料并不相同；韧带张力估算基于非线性弹簧模型而非真实黏弹性行为；所用体内运动学来源于负重弓步任务，尚不能完全代表日常活动；此外，本研究仅评估即时生物力学结果，尚未涉及磨损、骨改建及无菌性松动等长期过程。因此，作者将本研究定位为一种具有明确生物力学合理性的术前规划验证，为今后的尸体实验、机器人辅助手术整合以及临床转化提供依据。
研究结论部分可译为：
与MB规划相比，个体化GB规划在中高屈曲角度将内外侧载荷不平衡降低约38%–67%。该策略还改善了间隙对称性，并使0°–100°屈曲范围内侧副韧带长度变化更接近由体内运动学导出的天然参考状态。这些改善提示，该策略可在体外优化关节载荷与软组织条件，从理论上支持旨在减少屈曲相关不良结局的生物力学方案。
