来源：Does component alignment affect gait symmetry in unilateral total hip arthroplasty patients? Clin Biomech，2015 Oct，30(8):802-807

作者：Tsung-Yuan Tsai, Jing-Sheng Li, Dimitris Dimitriou, Young-Min Kwon

研究机构：Department of Orthopaedic Surgery, Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School, Boston, MA 02114, USA

1.引言

全髋关节置换术(THA)是一种非常成功的骨科手术，用于终末期髋关节骨性关节炎患者髋关节功能的恢复。虽然全髋关节置换术后髋关节功能得到了显著改善，但是术后可能存在髋关节屈曲范围减小，伸展时间缩短，双下肢不对称负荷等。持续的非对称运动和关节负荷可能导致肌肉疲劳，运动学和动力学的不平衡以及更高的界面应力，从而增加损伤的风险并影响组件的寿命。

THA术后并发症如髋关节撞击，边缘负荷，脱位和翻修手术与THA术中组件的错位或未对准有关。另外，有报道显示股骨头颈部偏移，头颈比和髋髋臼杯前倾都可影响术后髋关节屈曲范围。然而，THA患者步态期间假体组件对齐对髋关节运动的影响尚未见报道。因此，本研究的目的是评估髋臼及股骨组件对齐是否影响单侧THA患者在步态期间的髋关节运动学及其之间的相关性。零假设是在单侧THA患者步态期间组件对齐对体内髋关节运动学没有影响，组件对齐和对侧髋关节运动变化之间没有显著相关性。

2. 材料与方法

2.1. 病人的人口统计学

本研究招募了19例接受单侧THA的单侧终末期髋关节骨性关节炎患者(男性5例，女性14例，右侧13例，左侧6例),经过伦理审查委员会批准。平均年龄为60.6岁(表1)。术后平均随访时间为10.6个月。所有患者接受非骨水泥型金属、聚乙烯衬垫及锥形股骨柄进行全髋关节置换术(DJO Surgical, Encore Medical, Austin, Texas, USA; Zimmer, Warsaw, Indiana, USA)。髋髋臼杯和股骨头尺寸分别为50至56mm和32至40mm。本研究中包括的所有患者均无脱位或半脱位或任何手术并发症报告。

表1 所纳入患者相关数据统计

2.2. 基于CT的三维建模及髋关节方向测量

每位患者接受了CT扫描(Sensation 64，西门子，德国)，从第五椎骨到股骨中段，用于构建受试者髋髋臼杯，股骨柄和髋骨(图1)的特异性表面模型(Tsai等，2014a)。获得植入侧和非植入侧髋部的杯前倾角和倾斜，并与先前方案上的3D髋关节模型直接进行数字化比较(Murray，1993)。为了比较植入侧和非植入侧股骨之间的股骨前倾和内收，使用一个定制的表面配准方法(图1)(Tsai 等，2015)。镜像植入股骨和对侧股骨模型之间的3D偏差分析显示，距离的平均值(标准偏差)为0.69(0.26)mm。

图1

图1 双荧光成像跟踪程序流程图。获取患者CT，进行关节三维重建模型，以及捕捉关节运动的二维图像。通过自主研发的程序将三维图像和二维图像进行配准。配准后的骨骼位置用来测量步态中髋关节的运动学。

2.3. 髋关节的位置和坐标系确定量化

测量和比较植入和非植入侧的骨盆髋关节中心(HJC)和股骨头中心(FHC)。将最佳拟合球体与髋髋臼杯的马蹄形表面的重心确定为HJC。最佳拟合球面的中心确定为FHC。对于THAs，HJCs和FHC被定义为髋髋臼杯和股骨头最佳拟合球体的重心。HJC沿着两侧局部坐标轴的差异被认为是杯侧三轴变化。沿着局部轴的两侧之间的FHC位置的差异被计算为股骨前/后(A/P)偏移，股骨上/下(S/I)偏移和股骨内/外(L/M)偏移。植入和非植入髋关节之间的HJC，FHC和髋臼方向的差异被认为是THA对髋部位置和方向的总体影响。髋髋臼杯和股骨干的上下偏移被认为是腿长度的变化。

过去的文献定义了骨盆和股骨坐标系，用于描述关于髋臼杯的髋关节旋转和股骨头平移。坐标系统的由相应的解剖平面来定义。以右髋为例，X，Y和Z轴分别指向前，向上，向右。为了确定植入侧股骨坐标系，用表面-表面配准方法将镜像非植入侧股骨来确定植入侧坐标系，不受THA的影响。

2.4. DFIS透视下的跑步机步态

每个THA病人被要求以自我感觉舒适的速度在双平面荧光成像系统(DFIS)(BV Pulsera, Phillips Medical, The Netherlands)的透视下在跑步机上行走，使用30Hz/s的帧速率，98厘米的源图像的距离，脉宽8ms，60–80 kV和0.042–0.066 MAS。在跑步机步态期间，将两个薄压力传感器(力传感器电阻，Interlink Electronics，Camarillo，USA，USA)固定在鞋底上用于定义步态。静止站立位作为运动学测量的参考位置。CT和双平面成像系统的平均有效剂量为9.1mSv。

2.5. 步态期间髋关节运动学的配准

髋关节2D透视图像和特定对象的3D模型被导入到虚拟DFIS环境中以确定髋关节位置。当髋关节模型在虚拟图像增强器上的投影与实际髋关节的荧光轮廓最相符时，就被配准了。用于测量髋关节运动学的荧光透视跟踪技术的准确性(精确度)在运动过程中的平移小于0.93(1.13)mm，旋转角度小于0.59°(0.82°)。应用于THA时，精度更高。每隔一帧分析荧光图像。按照ISB推荐的原则计算髋部旋转角度。从髋髋臼杯中心到髋臼坐标系中的FHC的3D矢量定义为髋关节平移。相对于行走方向和地平线确定骨盆倾斜度(下降/上升)，轴向旋转和A/P倾斜。在步态期间进行三次插值以获得连续数据。通过将左侧和右侧髂后上棘的中点指向左右两侧髂前上棘的中点来确定步态的行走方向。同时计算了植入侧和非植入侧髋关节的旋转和股骨头平移的运动范围(ROM)。

2.6数据分析

步态周期中非植入和植入侧骨盆和髋关节的运动通过配对t检验以确定是否有明显的差异(α=0.05)。皮尔森相关系数被用来评估在单侧全髋关节置换术中步态的非对称运动的因素(如表1)或统计学变量(α=0.05)。步态不对称运动与可能的影响因素(α=0.05)之间的关系通过多元回归分析进行分析。

3. 结果

3.1.股骨和髋髋臼杯的方向和定位

髋臼平均前倾和倾斜度健侧为17.9°(SD5.8°，范围10.4°至35.9°)和52.7°(SD2.9°，范围47.0°至57.6°)，26.3°(SD10.0°，分别为6.9°至51.0°)和置换侧为38.4°(SD6.8°，范围30.7°至56.8°)。与健侧相比，置换侧髋髋臼杯前倾显著增加了15.9°(SD 11.1°;表2，pb 0.001)，置换侧的髋髋臼杯倾斜显著降低了14.2°(SD7.0°;表2，pb0.001)。植入侧股骨前倾显著增加了8.5°(SD10.4°;表2，p=0.002)，股骨内收也下降了0.4°(SD7.0°;表2，p=0.820)。对于THA对髋关节的总体影响是髋关节前倾和外展分别显著增加了24.3°(SD14.0°;pb0.001)和14.6°(SD10.4°;pb0.001)。

表2

表2 THA患侧髋关节和健侧在髋髋臼杯角度、股骨干角度、整体髋的角度上的差异。表中列出平均值(Avg),标准差(SD),最小值(Min) ，最大值(Max)范围。每一列的图形表示角度正、负偏差影响。通过单样本t检验检测两侧是否有统计学意义。*代表具有统计学意义。

3.2 髋髋臼杯与股骨位置

在相对于健侧，置换侧髋髋臼杯的位置显著向前平移1.3(SD2.6)mm(表3)。髋髋臼杯的平均前平移为1.3mm，沿着所有解剖方向具有-5.6至5.8mm的差异(表3)。置换侧股骨垂直方向偏移显着增加2.3(SD4.4)mm(表3，p=0.032)。沿A/P和L/M方向没有发现FHC的显著平移(表3)。髋髋臼杯和股骨柄位置对髋部位置的综合作用导致THA侧腿长度显著增加2.4(SD4.3)mm(表3，p=0.025)。

表3

表3 THA患侧髋关节和健侧在髋髋臼杯角度、股骨干角度、整体髋的位置上的差异。表中列出平均值(Avg),标准差(SD),最小值(Min)，最大值(Max)，范围。每一列的图形表示角度正、负偏差影响。通过单样本t检验检测两侧是否有统计学意义。*代表具有统计学意义。

3.3 单侧THA患者的不对称步态

本研究中单侧THA患者的步速为2.8(SD0.5)km/h。跟对侧比较，患侧在大部分步态周期中(除了70%-80%期间，图2a)伴随更大的髋关节内旋，在摆动期后阶段部分(在85%—100%期间，图2c)有较大髋关节内收，和较小的最大伸髋角度(大约在40%的步态期间)。与对侧髋关节比较，术后患侧髋关节内旋角和内收分别平均增加5.1°(SD 6.5°;-11°至18.3°)，以及2.3°(SD 3.9°，-3.8°至9.3°)(图2a和b)。患侧髋关节在步态中间期伸髋角度更小(图2c)。在整个步态周期中，患侧股骨头在各方向位移幅度均比对侧大(图2d、e、f)。与对侧相比，患侧股骨头在80%-95%的摆动后期有较大的内移(图2d)，以及在步态周期的25%-45%阶段里，位移更向后改变(图2f)。

图2g可明显发现，与对侧相比，在双脚支撑期和步态摆动后期患侧骨盆倾斜角度更大。骨盆轴向旋转在步态摆动初始阶段和末期有显著性差异。

图2

图2。可分别看出两侧骨盆上升/下降(a)、骨盆内外旋转(b)、前/后倾斜(c)、股骨头内/外平移(d)、上下平移(e)，前后平移(f)，髋外展/内收(g)，髋关节内/外旋(h)，髋关节屈/伸(i)步态中的差异。水平轴上的红杠(步态周期%)表明两侧下肢有显著统计学差异。灰色虚线表示足尖离地。图中可看出两侧髋关节旋转、髋关节位移和骨盆倾斜的差异。

3.4 假体对齐与THA患者运动步态的相关性

在步态周期中，四个参数与髋关节内旋角度增加成显著正相关，包括髋臼杯前倾角(R=0.49，P=0.034)，整体髋关节前倾角(R=0.50，P=0.030)，髋臼杯的上下位移(R=0.48，P=0.038)，和髋臼杯内外方向的位移(R=−0.52，P=0.023)。在本研究的步态中，髋关节内收角度改变，髋关节屈曲/伸展或骨盆倾斜与下列因素无关，包括随访时间，年龄，体脂比，髋臼杯直径，股骨柄头直径，和假体部件对齐。通过多元逐步回归分析得出，髋臼杯前倾角，髋臼杯内外位移和患肢长度这三个因素对髋关节内旋角度变化，有统计学意义(表4，R=0.81)。这些变量诠释了65.4%髋关节内外旋角度改变。在回归模型中，假体部件对齐的其他变量，并没有影响髋关节在步态中的旋转变化。正向正逐步回归模型残差的正态性检验(p=0.064)和常数方差检验(p=0.114)均已通过。

表4 通过逐步回归模型识别的变量系数R和R2，用于确定步态中髋关节I/E旋转的变化。

4 讨论

全髋关节置换术中假体错位或者对准度不够，与术后并发症密切相关。但是，目前没有相关研究关于全髋置换病人行走时，假体对齐与髋关节不对称运动之间的潜在联系。本实验探讨了19名单侧全髋置换患者行走时的假体对齐与髋关节运动学之间的相互联系。本研究发现，与对侧相比，患肢行走时髋关节内旋增大，与髋臼杯前倾角、髋臼杯内移和患肢长度的增加有关。上文所列数据否定了单侧THA患者步态中假体对齐与髋关节动态运动之间无显著相关性的假设。

一些影像技术可用于测量THA假体对齐。通常所用骨盆前后位X线测量假体角度方向时，测出的股骨水平位移偏小。使用X线平片和二维断层CT在测量过程中会受到患者髋关节旋转和骨盆倾斜的影响。本研究所采用的三维重建模型和镜像反射成像技术，不受患者髋关节旋转和骨盆倾斜的影响。镜像反射技术能够量化几何局部的差异，并且精确测量和比较双侧骨与关节的对齐性。

根据以往的文献资料，通过皮肤标记点的运动分析观察THA体内运动状态。有文献报道称THA患者行走时，可在矢状面发现髋关节活动度减少。也有相关资料显示通过单侧THA术后1年的患者步态分析，患侧髋关节最大伸展角度减少。但单侧全髋置换术患者在比较两侧骨盆倾斜、旋转、髋关节旋转、内收等方面无显著性差异。而在本实验中，单侧THA患者在比较两侧骨盆倾斜、旋转、髋关节旋转、内收等方面有显著性差异。导致本研究结果跟以往报道的不同的原因，可能与不同测量方法和步态分析时软组织移动误差有关。

很少有研究探讨髋关节表面置换患者髋关节活动范围与假体规格参数之间的关系。有学者发现，对于髋关节表面置换的患者，有着较大直径的股骨颈和过度前倾角的假体对髋关节活动度有至关重要的影响。因为股骨颈直径较大，髋关节活动时可造成髋臼撞击。并且髋臼杯过度前倾会引起髋臼后缘撞击，最终导致增加假体边缘负载和加快假体磨损。髋关节活动度可能会受髋臼杯过度前倾和直径较大的股骨颈影响。但是，目前没资料显示在THA患者步态分析中，假体规格大小或者对齐程度是否对患侧髋关节内运动有一定影响。

本实验通过多元回归分析单侧THA患者步态，发现患侧髋关节内旋角度增加与髋臼杯前倾角、髋臼杯内移、患肢长度增加有关。髋臼杯前倾角增加影响髋关节运动灵活性和活动范围。髋臼杯内移可影响股骨相对骨盆的位置，改变了髋关节静止状态下周围肌肉长度，导致肌肉受力不平衡。以往研究表明，双下肢长度差异超过2cm将导致步态不对称。有学者发现，髋关节内旋可消除髋臼杯过度前倾的影响，避免髋臼后缘撞击和恢复髋关节屈伸活动度。髋关节置换术后，髋关节内旋可延长髋外展肌群的静止长度，恢复肌肉效率。尽管本研究中的每一个THA患者患肢长度增长小于2cm，根据之前文献报道，患肢增长对步态对称性没有显著影响。在本研究步态分析中，引起髋关节内/外旋角度改变的影响因素，髋臼杯前倾角和髋臼杯内移的改变占52.7%。而患肢不等长只占12.7%。因此，单侧THA患者若恢复其髋关节活动对称性，考虑髋臼杯前倾角和髋臼杯内移的角度改变比髋臼杯的位置更重要。

有学者研究发现，患有股骨畸形的儿童在行走时，常伴髋关节内旋，这样可以作为一个增加肌肉外展力臂的补偿机制。由于THA术后引起髋关节外展肌群肌力减弱，患侧髋关节内旋可能对增加外展活动度有补助作用。由于THA手术入路需要暴露髋臼和股骨头，尽管手术最后会修复相关组织，但仍可能对髋关节肌群造成一定损伤。

由一名专业的技师通过考虑该器官对射线敏感度，评估总有效辐射剂量。为避免不必要的辐射暴露，提供铅衣及保护患者甲状腺部位。本研究的有效辐射量是北美自然环境年剂量的3倍。尽管辐射防护标准假定任何剂量的辐射都可能对人体健康造成危害，但现有科学证据并不表明本研究所采用的低倍辐射量是有害的。

本研究仍存在一定限制。其中术后患者的随访时间、步速、身高及体重的范围波动过大，仍将他们纳入研究对象。然而本研究只发现双侧髋关节旋转在步态分析中的显著差异。两侧髋关节旋转的变化与上述变量之间没有发现相关性。尽管本研究样本量较小，但在此样本量基础上仍有显著统计学意义。虽然之前有学者研究表明，髋关节运动学在正常行走和在跑步机行走时的相似性，但髋关节在跑步机上的行走步态与在地面行走时可能仍有所不同。本研究假设双侧股骨的几何形态对称性来描绘坐标系统。因此本研究排除股骨畸形的患者。本研究只探讨后方入路的全髋关节置换术式。未探讨其他THA术式对髋关节运动步态的影响。所以本研究的结果或许不能适用其他THA术式的患者。下一步研究方向需通过功能活动，探讨THA外科技术、假体定位、假体设计、康复方案对髋关节内运动学的影响。

5 结论

本研究是首次通过步态分析，研究THA患者假体对齐和髋关节运动学之间的相关性。目前研究表明，单侧THA患者内旋角度增加与髋臼杯前倾角、髋臼杯内移增大、患肢长度增加显著相关。本研究表明通过髋关节动态活动的改变，从而弥补患侧髋关节异常几何形态。因此，恢复髋关节原有几何形态，包括髋臼杯前倾角和位置，有可能影响THA患者双侧髋关节步态运动的对称性。