压力传感技术在膝关节置换术中的应用进展2026

压力传感技术在膝关节置换术中的应用进展2026

膝关节置换术（kneearthroplasty,KA）是治疗晚期膝关节骨关节炎的有效手段，包括全膝关节置换术（totalkneearthroplasty,TKA）和膝关节单髁置换术（unicompartmentalkneearthroplasty,UKA）。两种手术成功的关键之一是术中软组织平衡的精确实现

[1]，且文献报道TKA后翻修患者中，有35%的患者是由软组织不平衡导致的

[2]。但是传统软组织平衡方法大多由术者凭主观感觉判断，高度依赖外科医生的主观经验，年轻或经验不足者难以实现理想平衡。为此，医生们一直尝试将难以直接测量的软组织张力转化为可测量的膝关节间隙压力，从传统手术工具中使用的机械式张力计等简易装置，到近十年伴随智能技术出现的压力传感技术

[3]。压力传感器垫片的出现为TKA软组织平衡提供了新的量化工具

[4]，其能在术中实时监测膝关节内压力分布，辅助医生做出更精确的软组织平衡决策

[5]，有望提升手术精确性与患者术后满意度

[6,7,8,9,10]。本文即探讨压力传感技术在KA中的应用，包括压力传感器垫片的分类、工作原理、临床效果及与机器人辅助KA结合的研究进展，旨在为临床医生提供该技术的全面视角，以优化手术流程、提高患者术后满意度。尽管目前压力传感器垫片的应用尚存争议，但是其在提升手术效果方面的潜力不容忽视，值得进一步研究与应用

[11]。

一、压力传感器垫片的介绍

（一）压力传感器垫片的分类

在临床应用中，压力传感器垫片主要依据以下3种分类方法进行区分：按使用场景可分为全膝压力传感器垫片和单间室压力传感器垫片两大类；按数据传输方式可分为有线型垫片和无线型垫片；按外形设计可分为关节型垫片和平面垫片，前者允许在膝关节不同屈曲角度下更精确地测量压力值，这为手术提供了重要的数据。然而，这种精确性是以增加手术前的准备工作为代价的，因为每种假体都需要定制的外壳。相比之下，平面垫片在截骨完成后即可进行压力测量，无需与假体外形匹配，从而简化了术前的准备流程。

（二）压力传感器垫片的工作原理

关节型全膝压力传感器垫片是目前临床上最常用的压力垫片，其形状类似传统全膝垫片试模，由外壳、微控制器、压力传感器、电源及数据传输模块等单元构成。通常基于电阻式原理，即当外壳受到压力时，压力传导结构发生形变，将压力传递给压力传感器，传感器将压力变化转化为电信号输出。微控制器采集电信号后，通过数模转换将模拟信号转变为数字信号，再依据传感器数字电信号与压力的函数模型得出实际压力数值，随后以无线或有线方式传输到智能终端显示，使用户能通过图形界面直观、实时地了解垫片的工作状态，调整设置或查看测量结果，最终生成关节腔内的压力分布及压力点轨迹等信息。虽然压力传感器垫片是间接测量膝关节软组织张力的，但是其可以直接反映假体与软组织的相互作用

[12]。因此，理论上可以实现假体应力的均匀分布，从而有效降低假体磨损速率，延长假体使用寿命

[13]。同时，还能避免外科医生过度松解，从而提高膝关节的稳定性

[14]。

二、压力传感器垫片在TKA中的应用

（一）压力传感器垫片在传统TKA中的应用

2014年，Gustke教授团队首次将Verasense压力传感器垫片应用于TKA中，实现了对膝关节内、外侧软组织平衡状态的量化评估

[15]。在此技术基础上，中国工程师近年来持续创新，研发出多款适用于TKA的新型压力传感器垫片（图1）。这些国产产品体现了我国在骨科智能器械领域的技术突破，为TKA中关节平衡评估提供了更具针对性的国产化解决方案。该类压力传感器垫片的应用遵循标准化手术步骤：当完成胫骨与股骨的截骨操作后，术者需将压力传感器垫片精准放置于胫骨假体衬垫的对应位置。传感器垫片使得外科医生能够实时监测膝关节屈伸过程中内、外侧间室的压力差异，并记录不同角度的压力变化曲线，为判断软组织是否达到平衡提供了依据。研究表明，与压力传感器技术相比，外科医生的主观评估对软组织平衡的预测效果较差，尤其在判定膝关节是否稳定时表现更为明显

[15,16]。相较于传统的间隙平衡评估法，压力传感器垫片的应用显著提升了软组织平衡的评估准确性。如在TKA中，若压力传感器垫片显示屈伸过程中内、外侧压力差始终控制在66N以内，则可判定为达到理想平衡状态

[15,17]。当压力差值超出阈值时，医生可依据实时压力数据针对性地调整截骨量或进行软组织松解，避免因经验差异而导致过度矫正或矫正不足。这种"数据指导"的手术模式，不仅降低了手术对医生个人经验的依赖，更通过客观压力参数的记录与分析，为延长假体使用寿命和减少并发症的发生提供了技术支持。

（二）压力传感器垫片联合机器人技术在TKA中的应用

在Gustke教授之后，也有部分外科医生开始探索将压力传感器垫片与机器人辅助TKA相结合，以期提升手术精度并获得更佳的临床疗效。Bardou-Jacquet等

[18]的一项初步研究证实了在不进行关节周围软组织松解的情况下，利用Mako机器人结合压力传感器垫片辅助TKA，能够有效优化软组织张力。该研究29例患者使用压力传感器垫片后，膝关节屈伸平衡的患者数量从12例增加至23例。这表明结合机器人和压力传感器垫片反馈能够有效提高膝关节在屈曲和伸展状态下的平衡。Allom等

[19]的研究纳入200例TKA患者，发现仅通过机器人辅助TKA并不能量化膝关节的平衡，而将机器人与术中压力传感器垫片的实时反馈相结合，则可以在整个屈伸范围内实现良好平衡，并能改善关节内的应力分布不均匀。Valtanen等

[20]纳入200例后稳定型TKA患者，使用主动间隙撑开压力传感器垫片在术前测量压力，结果表明，仅在0°和90°时用传统张力计进行间隙平衡，无法保证整个屈伸范围内的膝关节稳定。而将计算机辅助与压力传感器垫片相结合，能实时监测内、外侧间室压力数值，实现整个屈伸范围的平衡，可以显著提升患者术后美国膝关节协会评分（KneeSocietyScore,KSS），缩短患者住院时间。

（三）压力传感器垫片是否真正改善了患者的临床结果？

随着压力传感器垫片在TKA中的应用逐渐增多，骨科医师试图量化术中软组织平衡，以改善患者的临床预后。然而，现有关于该技术的临床研究结果明显存在两种声音。Gustke等

[15,17]的研究表明：压力传感器垫片引导且定量平衡的人工TKA患者较不平衡患者更有可能实现术后疼痛减轻、功能改善和活动水平提高。Meneghini等

[21]的研究也证明：在TKA中，使用压力传感器垫片维持<267N内、外侧间室力差的患者术后加利福尼亚大学洛杉矶分校活动水平评分改善幅度最明显。Song等

[22]、MacDessi等

[23]的研究也肯定了使用术中压力传感器垫片对精确的软组织平衡是有益的。同时，压力传感器垫片的使用也降低了术后麻醉下手法松解患者的比例

[24]。与使用机械对线技术患者相比，使用传感器平衡技术的患者在运动和娱乐功能方面的表现更好，差异均有统计学意义（

P<0.05）

[25]。这提示该技术有助于缩小患者术后与术前活动能力的差距，尤其是在进行高强度或高难度的运动和娱乐活动时

[23,26]。对于合并严重关节畸形、韧带松弛度异常或广泛粘连等的复杂患者，压力传感器垫片的优势则更加明显

[27]。

然而，与上述研究结果形成鲜明对比的是，清华大学长庚医院蔡谞教授团队的一项荟萃分析表明：在初次人工TKA中，与传统软组织平衡方法相比，尽管术中应用了压力传感器垫片，但是并没有显著提高KSS功能评分、牛津膝关节评分(Oxfordkneescore,OKS)及膝关节损伤与骨关节炎评分(kneeinjuryandosteoarthritisoutcomescore,KOOS)，二者比较差异均无统计学意义（

P>0.05）

[24]。此外，使用压力传感器垫片也未能显著缩短手术时间，改善下肢机械轴对线，降低翻修率。这意味着，尽管压力传感器技术可能为手术提供了更高的精确度，但是它并没有显著改善这些关键的临床评估指标

[26]。MacDessi等

[23]的研究结果显示：在TKA中，使用压力传感器技术来实现膝关节的平衡，并没有带来临床结果的显著改善。尽管这种技术使术中为实现膝关节平衡的调整次数增加，但是却并未降低翻修手术的比例，也没有改变对手术操作的要求。同时，更精确的软组织平衡是否能够提高假体的生存率及改善关节的生物力学特性还有待于进一步研究

[28]。另一项回顾性队列研究通过对比压力传感器垫片辅助与传统软组织平衡技术的临床效果发现，术后1年随访，两组患者的临床结局指标、膝关节活动度及术后并发症发生率比较差异均无统计学意义（

P>0.05）

[29]。但与此同时，有学者也承认与传统手工间隙平衡技术相比，压力传感器技术进行了更多的平衡步骤

[27]。

尽管压力传感器垫片的应用提升了手术的精度，但是其优势并未在远期临床结局中得以明确体现，这可能存在多重原因。首先，当前用于指导平衡的目标压力值并非最理想的指标，现有研究中目标压力值多基于术者模拟膝关节简单屈伸运动时获得的压力分布数据，而非膝关节在真实行走、上下楼梯等日常活动中的压力变化，导致其可能与患者实际功能需求存在偏差。其次，术后关节功能受多因素协同影响，术中平衡的单一效应被减弱。术后患者康复训练的依从性直接影响关节活动度和肌肉力量，这在一定程度上弥补了术中压力平衡的轻微偏差。此外，假体设计、患者体重控制及基础疾病管理等因素，也会对远期临床预后产生重要影响，仅依靠术中压力数据难以保障患者的长期临床结局。目前，关于传感器平衡技术的利弊尚无定论(表1)，需要多中心、大样本量的临床随机对照试验来进一步验证。

三、压力传感器垫片在UKA中的应用

在UKA中，软组织张力平衡对手术结果同样至关重要

[30]。在活动平台UKA中，软组织平衡不良是术后垫片脱位的重要原因。而对于固定平台UKA，软组织平衡不良是造成聚乙烯衬垫磨损的重要因素。在传统UKA中，软组织平衡同样更多依赖于术者的主观判断。近年来，压力传感器垫片同样被应用于UKA中，不过目前关于此方面的研究相对有限，一项前瞻性研究结果显示，在牛津UKA中应用压力传感器垫片，术后6个月患者的OKS评分和疼痛视觉模拟评分显著改善，临床结果良好

[31]。另一项前瞻性研究则证实通过测量术中膝关节伸直位的假体间压力可以在一定程度上预测术后髋-膝-踝角

[12]。中日友好医院郭万首教授使用压力传感器垫片时发现，在UKA中仰卧位组患者的屈曲间隙接触力较悬腿位组患者更高，但是两组患者术后6个月的下肢力线和KSS评分比较差异均无统计学意义（

P>0.05）

[32]。未来，机器人技术联合压力传感器垫片有望实现对UKA中软组织张力的更精准调控，从而为个性化手术方案的制定提供支持，进一步提升手术精度与术后关节的稳定性。

四、压力传感器垫片的应用局限性

（一）TKA与UKA中软组织张力重建目标尚未明确

众多学者致力于研究TKA中软组织张力重建的最佳目标值。Gustke教授在手术过程中使用压力传感器垫片，并将内、外侧间室的压力差控制在66N内，他认为这是维持软组织平衡的关键值

[15]。这一数据基于临床观察，即压力差超过66N后,患者的预后效果不佳，因此他假设<66N应为目标值。随后，Meneghini等

[21]通过分组试验初步证实，内、外侧间室压力差<267N的组别患者术后评分改善幅度最明显。若将该压力差进一步控制在66N内，则能够获得最佳的预后效果。尽管这一目标值被目前大多数学者所采纳，但是关于将内、外侧间室压力差控制在该数值以内是否为软组织平衡的精确目标值仍存在争议，需开展更多高等级证据的实验设计来进一步验证。然而，仅凭压力参数是否足够？是否存在其他因素对软组织平衡产生影响？

（二）压力传感器垫片的应用对手术时间与经济成本的影响

术中使用压力传感器垫片并非没有缺点，与手动平衡膝关节相比，一些外科医生为了获得精确的目标压力值，需要多次松解软组织，可能导致术后软组织炎症反应加重，而短期内的功能结果却没有显著改善

[33]。若与机器人辅助技术相结合，虽能优化平衡效果，但需额外学习设备的协同操作流程，增加了技术门槛。结合现有研究证据，在TKA及UKA中应用压力传感器时，需评估"手术时间增加"与"术后临床效果改善"的实际收益：一方面，压力传感器垫片的使用会因技术操作流程及软组织松解次数增加而直接延长手术时间；另一方面，其带来的术后临床效果改善存在局限性，虽然能够减少术后麻醉下手法松解比例、提升患者运动与娱乐功能评分，但是在膝关节功能核心指标、手术机械轴对线精度、假体翻修率等方面，与传统手工平衡技术相比差异均无统计学意义（

P>0.05），且暂未证实可提高假体长期生存率。因此，临床应用时需结合患者的个体情况、术者的操作熟练度及医疗团队的技术配置，综合评估"延长手术时间"的潜在风险与"临床效果改善"的实际价值。对于严重关节畸形、韧带松弛度不均等复杂患者，压力传感器垫片的量化数据可辅助减少盲目操作，此时延长手术时间或可转化为更稳定的软组织平衡效果，具备一定的收益合理性。简而言之，压力传感器垫片的应用并非"普适性优化选择"，需要围绕"手术时间成本"与"临床效果收益"建立个体化评估流程，避免因技术盲目应用而导致的医疗资源浪费或手术风险增加。

（三）截骨前张力测量的技术空白

在传统TKA及UKA中，压力传感器垫片虽然已成为术中间隙平衡与软组织张力量化的重要工具，但是其应用存在显著局限，当前主流产品大多仅能在截骨完成后使用，无法在截骨前实现对膝关节原始软组织张力的直接测量，这一技术空白在一定程度上制约了手术方案的术前规划与个体化调整。从现有研究与临床实践来看，无论是用于TKA的Verasense压力传感器垫片，还是为UKA定制的压力传感器垫片，其设计逻辑均以"适配截骨后关节间隙"为核心

[6,16,17]。这些传感器垫片的结构设计与工作原理，决定了其必须在截骨完成后才能测量。从技术原理来看，截骨前张力测量的难点在于膝关节原始解剖结构的复杂性。截骨前，膝关节间隙受关节畸形（如内翻、屈曲挛缩）、软骨磨损程度、韧带松弛度个体差异等因素影响，空间形态不规则且缺乏稳定的支撑面；而现有压力传感器垫片多为刚性或半刚性结构，需依托截骨后平整的胫骨、股骨截骨面才能实现稳定贴合与压力传导

[34]。此外，截骨前关节内存在软骨、半月板等组织，传感器垫片若直接介入可能造成损伤，且难以精准捕捉软组织的真实张力。目前，北京积水潭医院周一新教授团队研发的软组织平衡求解器实现了在截骨前测量软组织张力

[35]，因此有望突破这一局限，使术者在截骨前即可获取量化张力数据，为截骨方案的制定提供更精准的依据，进一步推动TKA手术向"术前规划-术中执行-术后评估"全流程量化的方向发展。

五、压力传感器垫片在KA中的应用展望

利用新材料开发新一代传感器垫片是未来提升TKA中评估水平的重要技术突破口。尽管当前研究已取得显著进展，如黄维教授团队开发的新型柔性传感器成功实现了超宽范围与高灵敏度的协同提升

[36]，但是在精度和生物相容性方面仍有提升空间。在此背景下，以石墨烯为代表的各类先进材料，为解决此类"瓶颈"问题提供了新的