Summary
Dit protocol presenteert een cadaverische studie van een draadloze sensor die wordt gebruikt bij mediale unipartmentale knieartroplastiek. Het protocol omvat de installatie van een hoekmeetapparaat, gestandaardiseerde Oxford unipartale kniearthroplastiek osteotomie, voorlopige beoordeling van flexie-extensie balans en toepassing van de sensor om flexie-extensie gap druk te meten.
Abstract
Unipartmentale knieartroplastiek (UKA) is een effectieve behandeling voor eindstadium anteromediale artrose (AMOA). De sleutel tot UKA is de flexie-extensie gap balans, die nauw verwant is aan postoperatieve complicaties zoals lagerdislocatie, lagerslijtage en artritisprogressie. De traditionele gap balance assessment wordt uitgevoerd door indirect de spanning van het mediale collaterale ligament te detecteren door middel van een gap gauge. Het is afhankelijk van het gevoel en de ervaring van de chirurg, wat onnauwkeurig en moeilijk is voor beginners. Om de flexie-extension gap balance van UKA nauwkeurig te beoordelen, ontwikkelden we een draadloze sensorcombinatie bestaande uit een metalen basis, een druksensor en een kussenblok. Na osteotomie maakt het inbrengen van een draadloze sensorcombinatie de real-time meting van intra-articulaire druk mogelijk. Het kwantificeert nauwkeurig de flexie-extensie gap balansparameters om verder femur slijpen en tibia osteotomie te begeleiden, om de nauwkeurigheid van de gap balans te verbeteren. We voerden een in vitro experiment uit met de draadloze sensorcombinatie. de resultaten toonden aan dat er een verschil van 11,3 N was na toepassing van de traditionele methode van flexie-extensie gap balans uitgevoerd door een ervaren expert.
Introduction
Knieartrose (KOA) is een globale last1, waarvoor momenteel de stapsgewijze behandelstrategie wordt aangenomen. Voor eindstadium unicompartmentale KOA is unipartmentale knieartroplastiek (UKA) een effectieve keuze, met een 10-jaarsoverleving van meer dan 90%2. Mediale UKA vervangt alleen het ernstig versleten mediale compartiment en behoudt het natuurlijke laterale compartiment, mediale collaterale ligament (MCL) en kruisband3. Het principe is om de flexiespleet en extensiekloof ongeveer gelijk te maken door tibiale osteotomie en femorale slijping, en om de MCL-spanning te herstellen na implantatie van de prothese en het dragen4. In vergelijking met totale knieartroplastiek heeft UKA grotere chirurgische moeilijkheden en technische vereisten. De belangrijkste bron is de juiste balans van ligamenten over het volledige bewegingsbereik van de knie3.
Traditioneel plaatst de chirurg na een voorlopige osteotomie een spleetmeter in de gewrichtsruimte en bepaalt indirect of de flexie- en extensiespleten gelijk zijn door de spanning van het MCL te voelen. De definitie en het gevoel van evenwicht zijn echter nauwelijks hetzelfde, zelfs voor ervaren chirurgen. Voor beginners is het moeilijker om de vereiste van evenwicht te begrijpen. De onbalans van de flexie-extensiekloof kan leiden tot een reeks complicaties5,6, wat resulteert in een verhoogd revisiepercentage.
Met de vooruitgang van de technologie hebben sommige onderzoekers geprobeerd tensoren toe te passen op UKA 7,8. Deze onderzoeken zijn echter allemaal op de vastdragende UKA en de tensor kan de MCL beschadigen bij gebruik.
De opkomst van sensoren komt niet alleen tegemoet aan de vraag naar het weergeven van de druk in de kniegewrichtsspleet, maar verschillende sensoren hebben vaak minder risico op MCL-schade vanwege hun kleine formaat 9,10. Bovendien zijn de sensoren die momenteel worden gebruikt allemaal bedrade transmissie, die de aseptische werking kan verstoren en niet handig genoeg is om te gebruiken.
Om de balansparameters van de flexie-extensiekloof nauwkeurig te meten, ontwikkelden we een draadloze sensorcombinatie voor UKA, die bestaat uit een metalen basis, een draadloze sensor met drie druksondes aan de voor-, mediale en laterale zijden en een kussenblok. De sensorcombinatie meet en toont de druk in de gewrichtsruimte in realtime om chirurgen te helpen nauwkeurig te beoordelen of het balansdoel is bereikt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Het protocol werd goedgekeurd door de ethische commissie van het Xuanwu-ziekenhuis (subsidienummer: 2021-224) en werd uitgevoerd in overeenstemming met de Verklaring van Helsinki. Geïnformeerde toestemming werd verkregen van nabestaanden om de kadavers te gebruiken.
1. Installatie van hoekmeetapparatuur
- Schakel de schakelaar van het dijbeen en het scheenbeenhoekmeetapparaat in. Open de hoekmeetsoftware op de tabletcomputer, scan de QR-codes van de twee meetapparaten en klik op Bluetooth-verbinding.
- Plaats de twee hoekmeetinstrumenten op de horizontale tafel, klik op de kalibratieknop om te kalibreren en bind ze vast met riemen 10 cm boven en onder de knie om de buighoek van de knie in realtime te meten (figuur 1).
2. Gestandaardiseerde Oxford UKA osteotomie
- Plaats een kadaver in rugligging met de onderste ledematen gedrapeerd in flexie en abductie over de buitenkant van de operatietafel.
- Open de gewrichtsholte door de mediale parapatellaire benadering met een scalpel. Maak een snede van 3 cm distaal van de gewrichtslijn langs de top van de mediale rand van de patella, eindigend distaal op 1 cm mediaal tot de tibiale tuberositeit. Zorg ervoor dat de incisiediepte de gewrichtsholte bereikt.
- Verwijder osteofyten van de mediale femorale condylus, intercondylaire fossa en voorste scheenbeen met behulp van een rongeur.
- Plaats verschillende maten femorale lepels om de achterste femorale condylus te haken, en wanneer het uiteinde van de lepel ongeveer 1 mm verwijderd is van het kraakbeenoppervlak, is de grootte van de femorale prothese die overeenkomt met de lepel geschikt.
- Kies een 3 mm G-klem. Verbind de G-klem, tibiale zaaggeleider en femorale maatlepel met elkaar. Zorg ervoor dat de schacht van de geleider evenwijdig is aan de lange as van het scheenbeen in zowel het coronale als het sagittale vlak, en het enkeljuk wijst naar de ipsilaterale voorste superieure iliacale wervelkolom.
- Maak verticale en horizontale sneden op het scheenbeen. Gebruik de reciprozaag om een verticale tibiale zaagsnede te maken. Zorg ervoor dat de snede net mediaal is tot de top van de mediale tibiale wervelkolom. Verplaats de zaag verticaal naar beneden totdat deze op het oppervlak van de zaaggeleider rust.
- Verwijder de shim uit de tibiale resectiegeleider en plaats de sleuf 0 shim. Gebruik het oscillerende zaagblad om het plateau af te snijden. Verwijder de sleuf shim, draai het plateau omhoog met een breed osteotoom en verwijder het met de knie in extensie.
- Maak een gat in de distale femorale condylus. Zorg ervoor dat het gat zich 1 cm voor de voorste rand van de intercondylaire inkeping bevindt en in lijn is met de mediale wand.
- Steek de intramedullaire staaf in het gat. Verbind de femorale boorgeleider met de intramedullaire staaf. Voer femorale boringen uit met behulp van de femorale boorgeleider.
- Installeer de achterste resectiegeleider en steek deze in het geboorde gat. Zorg ervoor dat het oscillerende zaagblad wordt geleid door de onderkant van de achterste resectiegeleider en voer de osteotomie van de achterste femorale condylus uit. Verwijder de hulplijn en het botfragment.
- Snijd de mediale meniscus weg. Laat een kleine manchet van de meniscus achter om het MCL te beschermen. Verwijder de achterste hoorn volledig.
- Plaats een 0 femorale spigot. Bevestig de bolvormige molen op de spigot en voer distale femorale frezen uit.
3. Voorlopige beoordeling van de flexie-extensiekloof
- Voeg een femorale proef in. Beoordeel de flexie-extensiekloof per spleetmeter.
- Gebruik hoekmeetapparaten om de buigingshoek te bewaken. Definieer de juiste flexie-extensiespleetbalans door de spleetmeter met lichte weerstand in de gewrichtsruimte te plaatsen en de waargenomen spanning als bijna gelijk wanneer de knie zich in de flexpositie bevindt op 20 ° (verlengingsspleet) en 110 ° (flexiespleet). Als de openingen niet gelijk zijn, maal dan het dijbeen volgens de verschilwaarde tussen de flexie- en extensieopeningen totdat ze gelijk zijn.
4. Toepassing van sensorcombinatie om flexie en verlengingsspleetdruk te meten
- Verwijder de magnetische inductieschakelaar van de sensor. Open de drukmeetsoftware op de tabletcomputer, scan de QR-code van de sensor en voer de meetinterface in.
- Klik op de knop Apparaat verbinden ; De sensor wordt automatisch gekalibreerd na een succesvolle verbinding.
- Selecteer het juiste dikte kussenblok volgens de meterspecificatie. Plaats de sensor op de metalen voet en installeer het kussenblok op de sensor (figuur 2).
- Klik op Aan de slag op de tabletcomputer. Plaats de draadloze sensorcombinatie in het mediale compartiment en plaats de metalen basis op het tibiale osteotomieoppervlak (figuur 3).
- Meet de flexie- en extensiespleetdruk bij 110° (figuur 4A,B) en 20° (figuur 4C, D) knieflexie. Bereken de gemiddelde waarden afzonderlijk voor drie opeenvolgende metingen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Deze in vitro studie werd uitgevoerd op een 60 jaar oud vrouwelijk kadaver. Met de S-grootte femorale prothese en 3 mm met het doelwit, na het uitvoeren van femorale slijpen en tibiale osteotomie, gebruikte de chirurg de spleetmeter om de flexie-extensie gap-spanning voorlopig te beoordelen en geloofde dat evenwicht was bereikt.
Nadat de femorale proef was geïnstalleerd, werd de draadloze sensor in de mediale gewrichtsruimte geplaatst en werd de intra-articulaire druk driemaal gemeten bij 110 ° (flexiekloof) en 20 ° (verlengingsspleet) van flexie. De flexie-extensiespleetdruk was 49,9 N-44,8 N, 47,1 N-25,9 N en 42,0 N-34,2 N (tabel 1). De drukwaarden voor de flexiespleet waren vrij consistent, terwijl de drukwaarden voor de verlengingsspleet heel verschillend waren. De gemiddelde druk in de flexie- en extensiespleten was respectievelijk 46,3 N en 35,0 N, met een gemiddeld verschil van 11,3 N. Postoperatieve röntgenfoto's toonden een geschikte prothesepositionering (figuur 5).
| Meettijden | Intra-articulaire druk (N) | |
| Flexie 110° (flexie spleet) | Flexie 20° (verlengspleet) | |
| 1 | 49.9 | 44.8 |
| 2 | 47.1 | 25.9 |
| 3 | 42.0 | 34.2 |
| Bedoelen | 46.3 | 35.0 |
Tabel 1: Intra-articulaire druk gemeten door de sensor.
Figuur 1: De hoekmeetapparatuur. (A) De hoekmeetapparatuur werd 10 cm boven en onder het midden van de knie geïnstalleerd. (B) De meetsoftware kan de knieflexiehoek in realtime weergeven. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: De structuur van de draadloze sensorcombinatie. De draadloze sensorcombinatie bestaat uit (A) een metalen basis, (B) een draadloze sensor met drie druksondes (gele pijlen), (C) en een kussenblok. (D) De combinatie die wordt gevormd na geneste assemblage. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Toepassing van sensorcombinatie. Na de osteotomie en installatie van de femorale proef wordt de draadloze sensorcombinatie in het mediale compartiment geplaatst voor meting. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Positie om de druk te meten. (A) De flexie gap druk werd gemeten bij 110° van de knieflexie; (B) de flexiespleetdruk was 49,9 N. (C) De druk van de verlengingsspleet werd gemeten bij 20° knieflexie; (D) de uitschuifspleetdruk was 44,8 N. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Postoperatieve beeldvorming. Postoperatieve antero-posterieure röntgenfoto toonde een goede positionering en dekking van tibiale componenten. Een postoperatieve laterale röntgenfoto toonde een goede positionering en flexiehoek van de femorale component. Afkortingen: AP = antero-posterior; LT = lateraal). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Mobile-bearing UKA is een effectieve behandeling voor anteromediale KOA. Het heeft de voordelen van minder trauma, snel herstel en het behoud van normale knieproprioceptie11,12,13. De sleutel tot UKA is flexie-extensie balans; dat wil zeggen, het zo gelijk mogelijk maken van de flexiekloof en de verlengingskloof op basis van het herstellen van MCL-spanning14. De onbalans kan leiden tot lagerdislocatie, slijtage van de prothese of progressie in het laterale compartiment15,16,17,18. Balanstechnieken zijn meestal gerelateerd aan de ervaring van de chirurg, wat de tevredenheid van de patiënt en de overleving van de prothese beïnvloedt.
Gap gauge is nu een veelgebruikte UKA gap balance tool. De chirurg plaatst de spleetmeter in de gewrichtsruimte en voelt de spleetspanning om ruwweg te bepalen of de flexie- en extensiespleet in balans is. Deze aanpak is sterk afhankelijk van de sensatie en ervaring van de chirurg, dus het is moeilijk voor beginners om een precieze balans te bereiken, wat een van de redenen is voor de steile leercurve van UKA en de ontwikkeling van prothetische complicaties. Bovendien voldoet deze methode niet aan de eisen van millimeterniveau dijbeenslijpen in UKA.
Vervolgens werden tensoren toegepast op de gap balance assessment van UKA19. Tensoren kunnen een constante afleidingskracht uitoefenen op de gewrichtsruimte om de spanning van het MCL te herstellen. Door de afleidende afstand van de gewrichtsruimte te meten, kan het de flexie- en extensiespleet nauwkeurig meten. Omdat de tensor echter verschillende afleidingskrachten kan uitoefenen, verandert de afleidende afstand van de gewrichtsruimte wanneer het MCL niet wordt hersteld naar normale spanning of het MCL te veel wordt afgeleid door letsel. Op dit moment is een geschikte afleidingskracht die kan overeenkomen met verschillende lagerdiktes niet overeengekomen op 7,8,19.
Anders dan de bovenstaande twee ruwe meetinstrumenten, is de draadloze sensor die we hebben gebruikt ingebed met drie geïntegreerde druksondes, die de intra-articulaire druk tijdens het volledige bewegingsbereik van de knie in realtime kunnen weergeven. De draadloze sensor zet het traditionele ruwe gevoel van MCL-spanning om in nauwkeurige intra-articulaire druk en met behulp van een hoekmeetapparaat kunnen chirurgen de flexie-extensiebalans nauwkeurig beoordelen. Voor chirurgen, vooral beginners, kan dit effectief helpen bij een nauwkeurige osteotomie, de leercurve verkorten en het chirurgische effect verbeteren.
Om verschillende maten lagers en dijbeenprothesen op elkaar af te stemmen, zijn draadloze sensoren ook verkrijgbaar in verschillende maten. Tijdens het gebruik is het belangrijkste om een geschikt kussenblok voor de sensor te selecteren volgens het osteotomieplan; Anders kan het leiden tot slijtage van het osteotomieoppervlak en de flexie-extensiespleetbalans beschadigen.
Eerdere studies hebben sensoren gemeld met minder ingebedde druksondes, wat resulteert in een lagere nauwkeurigheid of bedrade transmissie die niet voldoet aan de aseptische vereisten tijdens de operatie 20,21,22,23,24,25. De draadloze sensor die we hebben gebruikt, houdt rekening met zowel de meetnauwkeurigheid als de aseptische vereisten. In deze in vitro studie ontdekten we dat zelfs een ervaren chirurg geen volledige gelijkwaardigheid van flexie- en extensiekloven kon bereiken. Om een redelijk drukbereik voor flexie-extensiebalans te bepalen, zijn verdere large-sample, multicenter in vivo studies vereist.
Deze draadloze sensor heeft echter ook enkele beperkingen. Ten eerste kan het veelvuldig inbrengen van de sensorcombinatie met zijn metalen basis het osteotomieoppervlak van het tibiale plateau slijten, waardoor osteotomiefouten ontstaan, wat in strijd is met het oorspronkelijke doel van een nauwkeurige flexie-extensiebalans. Ten tweede is de draadloze sensor die we gebruikten een wegwerpapparaat; De batterij kan slechts ongeveer 3 uur stroom leveren. Momenteel verbetert ons team de technologie om de sensor te kunnen hergebruiken en te voldoen aan de vereisten voor draadloos opladen. Daarnaast ontwerpen we ook een nieuw kussenblok dat mobiele lagers volledig kan simuleren om het contactpunttraject van de tibiale en femorale prothesen in realtime weer te geven tijdens knieflexie- en extensiebewegingen.
Het gebruik van de draadloze sensor kan helpen om de intra-articulaire druk te kwantificeren en osteotomie te begeleiden om een nauwkeurige flexie-extensiebalans te bereiken. Dit compenseert het gebrek aan gap balance-ervaring bij beginners en vermindert de leermoeilijkheden van UKA. De toepassing van draadloze sensoren weerspiegelt de trend naar geïndividualiseerde en intelligente benaderingen van gewrichtschirurgie en de technologische innovatie die tot stand wordt gebracht door nauwe interdisciplinaire samenwerking.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door Beijing Hospitals Authority Clinical Medicine Development of Special Funding Support [subsidienummers: XMLX202139]. We willen Diego Wang bedanken voor waardevolle suggesties.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| angle measuring device | AIQIAO(SHANGHAI) MEDICAL TECHNOLOGY CO., LTD. | 20203010141 | angle measuring device of femur,angle measuring device of tibia |
| Oxford Partial Knee System | Biomet UK LTD. | 20173130347 | Oxford UKA |
| Wireless sensor combination | AIQIAO(SHANGHAI) MEDICAL TECHNOLOGY CO., LTD. | 20212010325 | a metal base, a wireless sensor with three pressure probes, and a cushion block |
References
- Spitaels, D., et al. Epidemiology of knee osteoarthritis in general practice: a registry-based study. BMJ Open. 10 (1), 031734 (2020).
- Heaps, B. M., Blevins, J. L., Chiu, Y. F., et al. Improving estimates of annual survival rates for medial unicompartmental knee arthroplasty, a meta-analysis. The Journal of Arthroplasty. 34 (7), 1538-1545 (2019).
- Goodfellow, J. W., O'Connor, J. J., Pandit, H., Dodd, C. A., Murray, D. Unicompartmental Arthroplasty with the Oxford Knee. , Goodfellow Publishers. (2016).
- Whiteside, L. A. Making your next unicompartmental knee arthroplasty last: three keys to success. The Journal of Arthroplasty. 20, 2-3 (2005).
- Burger, J. A., et al. Risk of revision for medial unicompartmental knee arthroplasty according to fixation and bearing type : short- to mid-term results from the Dutch Arthroplasty Register. The Bone & Joint Journal. 103 (7), 1261-1269 (2021).
- Ridgeway, S. R., McAuley, J. P., Ammeen, D. J., Engh, G. A. The effect of alignment of the knee on the outcome of unicompartmental knee replacement. The Journal of Bone and Joint Surgery. British Volume. 84 (3), 351-355 (2002).
- Suzuki, T., et al. Evaluation of spacer block technique using tensor device in unicompartmental knee arthroplasty. Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery. 135 (7), 1011-1016 (2015).
- Takayama, K., et al. Joint gap assessment with a tensor is useful for the selection of insert thickness in unicompartmental knee arthroplasty. Clinical Biomechanics. 30 (1), 95-99 (2015).
- Ettinger, M., et al. In vitro kinematics of fixed versus mobile bearing in unicondylar knee arthroplasty. Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery. 135 (6), 871-877 (2015).
- Matsumoto, T., Muratsu, H., Kubo, S., Kuroda, R., Kurosaka, M. Intra-operative joint gap kinematics in unicompartmental knee arthroplasty. Clinical Biomechanics. 28 (1), 29-33 (2013).
- Newman, J. H., Ackroyd, C. E., Shah, N. A. Unicompartmental or total knee replacement? Five-year results of a prospective, randomised trial of 102 osteoarthritic knees with unicompartmental arthritis. The Journal of Bone and Joint Surgery. British Volume. 80 (5), 862-865 (1998).
- Yang, K. Y., Wang, M. C., Yeo, S. J., Lo, N. N. Minimally invasive unicondylar versus total condylar knee arthroplasty-early results of a matched-pair comparison. Singapore Medical Journal. 44 (11), 559-562 (2003).
- Watson, J., Smith, V., Schmidt, D., Navratil, D. Automatic implantable cardioverter-defibrillator: early experience at Wilford Hall USAF Medical Center. Southern Medical Journal. 85 (2), 161-163 (1992).
- D'Ambrosi, R., Vaishya, R., Verde, F. Balancing in unicompartmental knee arthroplasty: balancing in flexion or in extension. Journal of Clinical Medicine. 11 (22), 6813 (2022).
- Collier, M. B., Eickmann, T. H., Anbari, K. K., Engh, G. A. Lateral tibiofemoral compartment narrowing after medial unicondylar arthroplasty. Clinical Orthopaedics and Related Research. 464, 43-52 (2007).
- Collier, M. B., Eickmann, T. H., Sukezaki, F., McAuley, J. P., Engh, G. A. Patient, implant, and alignment factors associated with revision of medial compartment unicondylar arthroplasty. The Journal of Arthroplasty. 21 (6), 108-115 (2006).
- D'Ambrosi, R., et al. Radiographic and clinical evolution of the Oxford unicompartmental knee arthroplasty. The Journal of Knee Surgery. 36 (3), 246-253 (2023).
- Koskinen, E., Paavolainen, P., Eskelinen, A., Pulkkinen, P., Remes, V. Unicondylar knee replacement for primary osteoarthritis: a prospective follow-up study of 1,819 patients from the Finnish Arthroplasty Register. Acta Orthopaedica. 78 (1), 128-135 (2007).
- ten Ham, A. M., Heesterbeek, P. J. C., vander Schaaf, D. B., Jacobs, W. C. H., Wymenga, A. B. Flexion and extension laxity after medial, mobile-bearing unicompartmental knee arthroplasty: a comparison between a spacer- and a tension-guided technique. Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 21 (11), 2447-2452 (2013).
- Clarius, M., Seeger, J. B., Jaeger, S., Mohr, G., Bitsch, R. G. The importance of pulsed lavage on interface temperature and ligament tension force in cemented unicompartmental knee arthroplasty. Clinical Biomechanics. 27 (4), 372-376 (2012).
- Heyse, T. J., et al. Balancing UKA: overstuffing leads to high medial collateral ligament strains. Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 24 (10), 3218-3228 (2016).
- Heyse, T. J., et al. Balancing mobile-bearing unicondylar knee arthroplasty in vitro. Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 25 (12), 3733-3740 (2017).
- Jaeger, S., et al. The influence of the femoral force application point on tibial cementing pressure in cemented UKA: an experimental study. Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery. 132 (11), 1589-1594 (2012).
- Peersman, G., et al. Kinematics of mobile-bearing unicompartmental knee arthroplasty compared to native: results from an in vitro study. Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery. 137 (11), 1557-1563 (2017).
- Sun, X., et al. Sensor and machine learning-based assessment of gap balancing in cadaveric unicompartmental knee arthroplasty surgical training. International Orthopaedics. 45 (11), 2843-2849 (2021).
