人体三维成像技术分析多种膝关节骨关节炎支具有效性的对照性研究.doc

The Journal of Bone & Joint SurgeryIn Vivo Three-Dimensional Determination of the Effectiveness of the Osteoarthritic Knee Brace: A Multiple Brace Analysis人体三维成像技术分析多种膝关节骨关节炎支具有效性的对照性研究BY MATTHEW C. NADAUD, MD, RICHARD D. KOMISTEK, PHD, MOHAMED R. MAHFOUZ, PHD, DOUGLAS A. DENNIS, MD, AND MATTHEW R. ANDERLE, BSJ Bone Joint Surg Am. 87:114-119, 2005.介绍:以往对于膝关节支具效果的研究，主要关注前交叉韧带和支具稳定此韧带损伤膝关节的效果1-23。此类研究大多数应用关节动度测量法来分析功能性膝关节支具2,3,5-8,10-15。其他一些研究已经开始关注应用X线立体成像分析技术分析股骨胫骨的移动4,9,16,17，通过膝关节疼痛和功能分级主观评估佩戴支具的效果18-22，最终决定不同膝关节支具的有效性，例如铸塑支具23-26。虽然目前评估减荷支具治疗单侧关节炎退变患者的有效性的研究较少，但是以往通过应用X线透视分析的研究表明，佩戴支具能有效地治疗在负重情况下的非肥胖型膝关节骨关节炎患者27。在单一种类支具的调查中，其结果不是通过三维模型进行评估的，研究也没有表明不同种类的膝骨关节炎支具在相同条件下的表现优劣。本研究旨在观察人体在动态负重情况下，通过X线影像28,29测量分析有症状的单侧膝关节骨关节炎受试者，从而评估五种不同减荷膝关节支具分离股骨髁胫骨平台间隙的能力，以期减轻退化一侧的额外负荷。材料与方法：有五位确诊膝关节内侧间隙存在骨关节炎的患者经同意，在步行机上通过X线透视监测受试者正常步态时膝关节额状面的情况（图一，a和b）。中间关节间隙是由所有患者站立位经前后X线摄片测量得到的。所有的受试者都是同一个医生（M.C.N.）的病人，并且由临床诊断为单侧退化性关节间隙狭窄。最初，要求受试者在没有减荷支具辅助下进行步行（图一，a）。而后，为了评价安慰剂效应，每位受试者需要佩戴前交叉韧带支具时进行相同测试。最后，每位受试者佩戴五种不同的减荷膝骨关节炎支具，通过X线透射监测受试者正常步态（图一，b）。为了确定每个支具能正确佩戴，我们联系了每个公司，并要求其销售代表指导佩戴。这五个被评估的膝骨关节炎支具分别是Bledsoe Thruster 2 (Bledsoe Brace Systems，Grand Prairie，Texas)，Breg Tradition X2K (Orthofix International，Huntersville，North Carolina)，DJ OAdjuster (dj Orthopedics，Vista，California)，GII Unloader Spirit (Generation II；Richmond，British，Columbia，Canada)，和OAsys (Innovation Sports，Foothill Ranch，California)每个受试者也进行了断层扫描三维立体成像重建股骨远端及胫骨近端（图二）。由于每个人的骨骼的几何位置是不同的，因此我们利用计算机辅助设计模型为每个患者设计标准的股骨、胫骨和腓骨模型。计算机断层扫描的切面范围被设置在关节界面1mm到3mm之间，以期使患者最少地暴露于射线之下，同时也能准确地建立计算机辅助设计模型。三维立体骨密度数据被导入MIMICS软件包(Materialise, Ann Arbor，Michigan)，设定阈值后经分析，以区分骨骼和周围软组织。骨骼与肌肉的密度区别很大，因此阈值选定在两者之间以去除软组织而保留骨骼部分。分离后的股骨和胫骨边缘在每个计算机断层扫描数据切面上被确认，并通过初始图形交换规范（IGES）曲线（图二）确定。这些曲线被导入软件包(ProENGINEER，Parameteric Technology；Waltham, Massachusetts)，数据经过反复插入后形成了完整的股骨远端和胫骨腓骨近端表面三维立体模型（图三）。应用模型拟合技术，三维立体骨骼图像被覆盖在X线透视影像上，以确定内侧减荷的量30,31。未佩戴支具、佩戴前交叉韧带支具和五种膝骨关节炎支具的患者，其正常步态连续的负重期X线透视影像被导入计算机工作站。我们分别在步态负重期捕捉5副影像：跟骨着地期，33%的负重期、支撑中期、66%的负重期和足趾离地期。每个受试者佩戴五种膝骨关节炎支具和未戴支具时测定的数据都进行了分析。我们对每个患者的中间髁分离程度都进行了评估，并且比较所有5位患者佩戴五种不同支具，以证明哪种支具是最有效的。 本研究的三维立体成像分析的操作误差是0.3mm 32。图一：受试者在跑步机上进行正常步态的活动：（a）不佩戴支具，（b）佩戴支具。图二：正常膝关节的断层扫描三维重建图。图三：受试者的膝关节：（左）未佩戴支具；（中）佩戴有效支具；（右）佩戴无效支具。结果：首先，我们分析了前交叉韧带支具，内侧间隙分离距离在中间位和足趾分离位为0mm，只有在足跟着地位的均数为0.2mm，低于误差阈值0.3mm（表一）。接着分析了膝骨关节炎支具的结果（表一到表五）。平均来讲，内侧间隙分离距离的最大值发生在跟骨着地期，因此我们假设所有的这些支具在跟骨着地期的作用比支撑中期和足趾离地期更有效。Bledsoe支具（均值1.3mm）和DJO支具（均值1.2mm）在跟骨着地期的作用比其他支具都更有效（表一）。在支撑中期，只有Bledsoe支具产生的内侧髁分离距离是大于操作误差的。DJO支具在支撑中期能产生分离距离是0.3mm，与我们的操作误差相同，而其他三种支具的均值都小于0.3mm。在足趾离地期，佩戴Bledsoe支具的受试者的分离距离均值是1.3mm，佩戴DJO支具的结果是0.4mm，其他三种支具的均值都小于0.3mm，低于操作误差（表一）。虽然各支具的均值差距很大，但所有支具的最大内侧髁分离距离都很显著（表二）。在跟骨着地期，所有支具的最大分离距离都大于2mm（同一受试者）。其中，有四个支具在支撑中期的最大分离距离大于1mm，有两个支具在足趾离地期的最大分离距离大于1mm。接着，我们评价各支具对于内侧髁减荷的作用。佩戴Bledsoe支具的五个受试者中，有四个受试者在跟骨着地期、支撑中期和足趾离地期时内侧髁的有效分离距离大于0mm（表三）。DJO支具是第二有效地，而其他三个支具的效果接近于前交叉韧带支具。在支撑中期，佩戴前交叉韧带支具的五位受试者中，有三位受试者的内侧髁有效减荷大于0mm，而Breg支具和GII支具只有两位受试者有效。同样的结果经0.3mm操作误差作为阈值调整后再次分析，而这可能对于支具的评估更有效，因为支具必须使内侧髁减荷达到0.3mm，这是一个绝对的分离。在这个测试评估中，Bledsoe和DJO支具再次成为最有效的（表四）。佩戴这两种支具的五位受试者中，有四位在跟骨着地期有效，有三位在支撑中期有效。在足趾离地期中，佩戴Bledsoe支具有四位有效，而佩戴DJO支具有两位有效。最后我们评估了每个受试者佩戴各支具在不同负重期的均值。这个均值是统计了每个受试者在所有五个步态负重期的结果（跟骨着地期，33%的负重期、支撑中期、66%的负重期和足趾离地期）（表五）。在1、2、3号受试者中，Bledsoe支具提供了最大的分离距离，而OAsys和GII支具提供了最少。所有的五种支具对于4号受试者都是无效的。只有Bledsoe和Breg支具使所有受试者的内侧髁分离距离大于0mm。5号受试者佩戴Bledsoe支具时，获得了最大均值1.6mm，而OAsys支具对其有效性最小（表五）。表一：所有佩戴不同支具的五位受试者在正常步态负重期，三个不同位置的内侧髁分离距离的平均数。表二：所有佩戴不同支具的五位受试者在正常步态负重期，三个不同位置的内侧髁分离的最大值。表三：所有佩戴不同支具的五位受试者在正常步态负重期，三个不同位置内侧髁分离超过0mm的个数。表四：所有佩戴不同支具的五位受试者在正常步态负重期，三个不同位置内侧髁距离超过0.3mm的个数。表五：所有佩戴不同支具的五位受试者在步态负重期，内侧髁分离距离的平均数。讨论：膝关节骨关节炎患者使用减荷支具的目的就是减少已退化的关节间隙的负重。由于负重转移到正常的或症状较轻的一侧间隙时，患侧所产生的疼痛就可能减轻。大量的研究分析了正常步态时膝关节的外展内收动作。外展动作发生在跟骨着地期早期，但随着步态的进行很快就转为内收动作33。内收动作时大约有36到50N产生，如果存在变形就将进一步增加34,35。正常的受试者在行走时，在支撑中期内收动作中内侧膝关节间隙的负重会增加70%-75%36-38。为了调整内收动作，大量的生理代偿机制被应用于膝关节：（1）重新分布髁的负重，（2）收缩对抗肌群，（3）增加侧面软组织和交叉韧带的强度，（4）增加身体的侧摆，（5）减少迈步距离，（6）通过趾外翻减少踝关节内翻动作。如果生理代偿机制不能代偿，则内侧间隙过度的负重和随之而来的膝关节疼痛就可能发生。当应用膝关节骨关节炎支具临床表现有效后，其长期有效性和顺从率没有很好的调查。Giori在随访患者一年半到两年后，发现年轻患者的顺从率最高39。可能是年轻患者比老年患者更容易说服避免手术治疗，然而停止佩戴支具或进行下一步治疗的理由也并不明确。其他研究表明减荷支具能够减少内翻动作40。Pollo等报道使用外翻支具能改善疼痛和活动度41。他们的研究显示，佩戴支具能平均减少13%的内翻动作，平均减少11%的内侧间隙负重41。据我们所知，之前没有研究利用X线透是三维立体进行分析。在以前的研究中，我们应用人体二维负重X线透视分析，提示减荷支具能有效打开狭窄的髁间隙，进而缓解膝关节内侧疼痛27。我们假设这种设计的支具是通过将负重中心向对侧、相对健康的关节间隙方向转移来发挥作用的。从理论上说，它也能减轻正常步态时内收动作。但是我们通过X线透视发现不能缓解疼痛的发生与不能分离髁间隙有着密切相关，因此限制了我们先前的研究27。这都发生在肥胖的患者，他们很难获得合适的支具。这个发现提示，减荷支具能直接转移适当的力到股骨和胫骨，以使那些下肢肌肉减弱的受试者获得最大收益。据我们所知，本实验是第一个通过研究膝关节骨关节炎患者的三维模拟成像分析来自五个不同厂家的支具，而这些产品有着显著的差异。有时，膝关节骨关节炎支具的效果甚至差于作为安慰组的前交叉韧带支具。本次研究中，Bledsoe支具的疗效最显著，DJO支具次之，而其他的支具效果不理想。所有的支具对于膝关节的减负效果，在跟骨着地期最强，而在支撑中期最弱。五位受试者中，有四位佩戴支具后内侧髁得到了减荷，只有一位受试者佩戴五种膝骨关节炎支具后都没有效果。总而言之我们的研究提示，使用膝关节骨关节炎支具是治疗单侧膝骨关节炎的有效方法，尤其是对于年轻的患者，而且不同的支具其不同的治疗效果也是有差异的。参考文献：1. Beynnon BD, Johnson RJ, Fleming BC, Peura GD, Renstrom PA, Nichols CE, Pope MH. The effect of functional knee bracing on the anterior cruciate ligament in the weightbearing and nonweightbearing knee. Am J Sports Med. 1997;25:353-9.2. Bagger J, Ravn J, Lavard P, Blyme P, Sorensen C. Effect of functional bracing, quadriceps and hamstrings on anterior tibial translation in anterior cruciate ligament insufficiency: a preliminary study. J Rehabil Res Dev. 1992;29:9-12.3. Beck C, Drez D Jr, Young J, Cannon WD Jr, Stone ML. Instrumented testing of functional knee braces. Am J Sports Med. 1986;14:253-6.4. Beynnon BD, Pope MH, Wertheimer CM, Johnson RJ, Fleming BC, Nichols CE, Howe JG. The effect of functional knee-braces on strain on the anterior cruciate ligament in vivo. J Bone Joint Surg Am. 1992;74:1298-312.5. Branch TP, Hunter R, Donath M. Dynamic EMG analysis of anterior cruciate deficient legs with and without bracing during cutting. Am J Sports Med. 1989;17:35-41.6. Cawley PW, France EP, Paulos LE. The current state of functional knee bracing research. A review of the literature. Am J Sports Med. 1991;19:226-33.7. Colville MR, Lee CL, Ciullo JV. The Lenox Hill brace. An evaluation of effectiveness in treating knee instability. Am J Sports Med. 1986;14:257-61.8. Cook FF, Tibone JE, Redfern FC. A dynamic analysis of a functional brace for anterior cruciate ligament insufficiency. Am J Sports Med. 1989;17:519-24.9. Jonsson H, Karrholm J. Brace effects on the unstable knee in 21 cases. A roentgen stereophotogrammetric comparison of three designs. Acta Orthop Scand. 1990;61:313-8.10. Martin RC, Steadman JR. Quantitative analysis of anterior tibial translation using the MVP brace. Am J Knee Surg. 1992;5:129-34.11. Mishra DK, Daniel DM, Stone ML. The use of functional knee braces in the control of pathologic anterior knee laxity. Clin Orthop Relat Res. 1989;241:213-20.12. Pettrone FA, Rood C. A comparative study of brace effectiveness in the anterior cruciate ligament-deficient knee. Am J Knee Surg. 1992;5:117-22.13. Rink PC, Scott RA, Lupo RL, Guest SJ. Team physician #7. A comparative study of functional bracing in the anterior cruciate deficient knee. Orthop Rev. 1989;18:719-27.14. Romash MM, Henningsen HJ, Claybaugh J. Knee bracescomparative functional testing. Orthop Trans. 1989;13:501.15. Wojtys EM, Loubert PV, Samson SY, Viviano DM. Use of a knee-brace for control of tibial translation and rotation. A comparison, in cadavera, of available models. J Bone Joint Surg Am. 1990;72:1323-9.16. Acierno SP, DAmbrosia C, Solomonow M, Baratta RV, DAmbrosia RD. Electromyography and biomechanics of a dynamic knee brace for anterior cruciate ligament deficiency. Orthopedics. 1995;18:1101-7.17. Feller J, Bartlett J, Chapman S, Delahunt M. Use of an extension-assisting brace following anterior cruciate ligament reconstruction. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 1997;5:6-9.18. Harilainen A, Sandelin J, Vanhanen I, Kivinen A. Knee brace after bonetendon-bone anterior cruciate ligament reconstruction. Randomized, prospective study with 2-year follow-up. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 1997;5:10-3.19. DeVita P, Torry M, Glover KL, Speroni DL. A functional knee brace alters joint torque and power patterns during walking and running. J Biomech. 1996;29:583-8.20. Alexander AH. In search of the perfect ACL brace. Am J Orthop. 1995;24:328-36.21. Decoster LC, Vailas JC, Swartz WG. Functional ACL bracing. A survey of current opinion and practice. Am J Orthop. 1995;24:838-43.22. Helfet AJ, Manley MT, Vaughan CL. The helicoid knee brace: a lightweight but effective support for the damaged knee. Injury. 1983;15:189-92.23. Veldhuizen JW, Verstappen FT, Koene FM, Greep JM. Effects of cast-bracing of the knee on physical performance in healthy subjects. Int J Sports Med. 1994; 15:520-4.24. Odenbring S, Lindstrand A, Egund N. Early knee mobilization after osteotomy for gonarthrosis. Acta Orthop Scand. 1989;60:699-702.25. Matsuno H, Kadowaki KM, Tsuji H. Generation II knee bracing for severe medial compartment osteoarthritis of the knee. Arch Phys Med Rehabil. 1997; 78:745-9.26. Jawad AS, Goodwill CJ. TVS brace in patients with rheumatoid arthritis or osteoarthritis of the knee. Br J Rheumatol. 1986;25:416-7.27. Komistek RD, Dennis DA, Northcut EJ, Wood A, Parker AW, Traina SM. An in vivo analysis of the effectiveness of the osteoarthritic knee brace during heelstrike of gait. J Arthroplasty. 1999;14:738-42.28. Dennis DA, Komistek RD, Hoff WA, Gabriel SM. In vivo knee kinematics derived using an inverse perspective technique. Clin Orthop Relat Res. 1996;331:107-17.29. Stiehl JB, Dennis DA, Komistek RD, Keblish PA. In vivo kinematic analysis of a mobile bearing total knee prosthesis. Clin Orthop Relat Res. 1997;345:60-6.30. Mahfouz MR, Komistek RD, Dennis DA, Hoff WA. In vivo assessment of the kinematics in normal and anterior cruciate ligament-deficient knees. J Bone Joint Surg Am. 2004;86 Suppl 2:56-61.31. Komistek RD, Dennis DA, Mahfouz M. In vivo fluoroscopic analysis of the normal human knee. Clin Orthop Relat Res. 2003;410:69-81.32. Mahfouz MR, Hoff WA, Komistek RD, Dennis DA. A robust method for registration of three-dimensional knee implant models to two-dimensional fluoroscopy images. IEEE Trans Med Imaging. 2003;22:1561-74.33. Dennis DA. Patellofemoral complications in total knee arthroplasty. In: Callaghan JJ, Dennis DA, Paprosky WG, Rosenberg AG, editors. Orthopaedic knowledge update: hip and knee reconstruction. Rosemont, IL: American Academy of Orthopaedic Surgeons; 1995. p 283-9.34. Burstein AH. Biomechanics of the knee. In: Insall JN, editor. Surgery of the knee. New York: Churchill Livingstone; 1984. p 21-39.35. Bartel DL, Burstein AH, Santavicca