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Apr 07, 2023

大腿骨コンポーネントの過度の屈曲位置は、人工膝関節全置換術において異常な運動学および関節接触/靭帯力を引き起こす

Rapporti scientifici Volume 13,

Scientific Reports volume 13、記事番号: 6356 (2023) この記事を引用

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全膝関節形成術（TKA）における大腿骨コンポーネントの過度の屈曲では臨床転帰が不良であることが報告されていますが、そのメカニズムはまだ解明されていません。 この研究は、大腿骨コンポーネントの屈曲の生体力学的な影響を調査することを目的としました。 十字型置換 (CS) および後方安定化 (PS) TKA がコンピューター シミュレーションで再現されました。 次に、大腿骨コンポーネントを前方基準で 0° から 10° まで屈曲させ、インプラントのサイズと拡張ギャップを維持しました。 膝の運動学、関節接触、靱帯の力を深く膝を曲げる動作で評価しました。 CS TKA で大腿骨コンポーネントを 10° 屈曲すると、屈曲の途中で内側コンパートメントの逆説的な前方移動が観察されました。 PS インプラントは、中間屈曲範囲の 4° 屈曲モデルで最もよく安定しました。 内側コンパートメント接触力と内側側副靱帯 (MCL) 力は、インプラントの屈曲に伴って増加しました。 どちらのインプラントでも、膝蓋大腿接触力や大腿四頭筋に顕著な変化はありませんでした。 結論として、大腿骨コンポーネントの過剰な屈曲により、異常な運動学および接触/靱帯力が生じました。 過度の屈曲を避け、大腿骨コンポーネントの軽度の屈曲を維持すると、CS および PS TKA における運動学および生体力学的効果が向上します。

全膝関節全置換術（TKA）は、末期膝関節炎患者の生活の質と日常活動を改善することに成功しました1。 患者の状態、インプラントの設計、手術技術など、多くの要因が臨床結果に寄与する可能性があります1、2、3。 外科手術の中でも、インプラントの適切な位置は TKA 成功の重要な要素の 1 つです4,5。

矢状面における最適な補綴物の配置は不明ですが、大腿骨コンポーネントをわずかに屈曲させた位置が推奨されています5、6。 大腿骨コンポーネントが伸びると、大腿骨前部に切欠きが生じ、膝蓋大腿部の接触圧が増加する可能性があります7、8。 ノッチングを避けるために、大腿骨コンポーネントを制御して、前方フランジを大腿骨の前皮質とほぼ平行にすることができ9、ナビゲーションされた TKA ではわずかに屈曲した位置が使用されています7,10。 ただし、大腿骨コンポーネントの屈曲により後顆のオフセットが増加し、膝の運動学や関節の固さに影響を与える可能性があります11、12。 以前の報告では、大腿骨コンポーネントの矢状屈曲が 2°増加すると、屈曲ギャップが 1 mm 減少することが示されました 11。 さらに、過度に伸ばした位置と曲げた位置の両方が、ポリエチレンインサートに過剰なストレスを与えると考えられています13、14。

コンピューターシミュレーション研究では、後方基準による大腿骨コンポーネントの屈曲により、TKA の運動学および生体力学的効果が改善されることが報告されています8,15。 しかし、以前の研究では、過度の屈曲は満足感と機能が劣ると報告されました16。 この研究では、コンピューター シミュレーション研究を使用して、膝の生体力学に対する前方参照による大腿骨コンポーネントの屈曲の影響を調査しました。 仮説は、大腿骨コンポーネントのわずかな屈曲は運動学や関節/靱帯の力に影響を与えないというものでした。 ただし、大腿骨コンポーネントが過度に屈曲すると、異常な運動学および/または異常な関節/靱帯力が示されます。

本研究は、キマキオト大学大学院および医学部の倫理委員会によって承認され（登録番号 R0980）、ヒトを対象とした医療および健康研究に関する国家倫理ガイドラインおよびヘルシンキ宣言の倫理基準に従って実施されました。 骨モデルを作成した 1 人の参加者には、放射線被ばくを含むこの検査のリスクについてインフォームド・コンセントが提供され、同意されました。

この研究は、コンピューター シミュレーションで筋骨格膝モデルを使用して実行されました (LifeMOD/KneeSIM 2010; LifeModeler Inc.、サン クレメンテ、カリフォルニア州、米国)。 シミュレーション モデルは、膝モデリング用の動的筋骨格プログラムで構成されています。 モデルには、脛骨大腿骨と膝蓋大腿骨の接触部、外側側副靱帯 (LCL)、内側側副靱帯 (MCL)、大腿四頭筋と腱、膝蓋骨腱、ハムストリング筋、および膝関節包の要素が含まれていました。 すべての靱帯束は、以前の研究で決定された材料特性を持つ非線形バネとしてモデル化されました 17。 挿入点の起源と剛性は、関連する解剖学的研究に基づいて決定されました 18、19、20、21。 シミュレーション プログラムは、運動学、接触状態、接触力の適切な推定を保証するために事前に検証されています 22,23。 靱帯の付着、境界条件、インプラントを含むコンピューター シミュレーション モデルを図 1 に示します。

コンピューターでレンダリングされた画像。 (a) オックスフォードニーリグを使用した本研究の全体像。 (b) この研究で使用した Bi-Surface インプラントによる靱帯の付着と境界条件。 (c) 膝を深く曲げる場合のシミュレーション プロトコルと可動範囲。 （d）Bi-Surface インプラントにおける遠位大腿骨の解剖学的軸に対する大腿骨コンポーネントの 0°、4°、7°、10°の屈曲を伴う 4 つのコンピューター シミュレーション モデルと、コンポーネントの 10° 屈曲を伴うインプラントのダウンサイズ モデル。

Bi-Surface Knee (京セラ、京都、日本)16 の大腿骨コンポーネントの過剰な屈曲位置による不良な臨床転帰に基づいて、十字型置換 (CS) 脛骨インサートを備えた Bi-Surface Knee System がコンピュータ シミュレーションに使用されました。この研究。 Bi-Surface Knee System は長期耐久性が期待できるユニークな人工関節で、第 3 顆としてボールソケットジョイントを備えており、深屈曲時でも大腿骨コンポーネントとポリエチレンディッシュ間の接触を可能にします24。 NexGen LPS-flex (Zimmer Biomet Inc.、米国インディアナ州ワルシャワ) は、多橈骨大腿骨コンポーネントを備えた固定ベアリング後方安定化 (PS) インプラントであり、最も広く使用されているプロテーゼの 1 つとしても評価されました 25。

3 次元骨モデルは、1 人の健康なボランティア（年齢：30 歳、性別：男性、身長：170 cm、体重：80 kg、股関節-膝-足首の角度：内反0.1°、脛骨内側近位角：86.9°、大腿骨機械的外側遠位角：87.0°、大腿骨前方湾曲角：4.2°、脛骨後部傾斜：4.1°）、2種類のインプラントを用いたTKAをシミュレーションした。 標準モデルとして使用するために、大腿骨コンポーネントの冠状方向の位置合わせは、大腿骨遠位端の切断の厚さを決定するために溝の切断を伴う大腿骨の冠状機械軸に対して垂直に設定されました。 前方基準を使用して、大腿骨コンポーネントの前後位置を決定しました。 矢状方向の位置合わせは大腿骨遠位の解剖学的軸と平行であり、大腿骨の前顆は大腿皮質の前縁と同一平面に切断され、軸回転は外科的上顆軸と平行であった。 脛骨コンポーネントは、冠状方向の位置合わせのために脛骨の機械軸に対して垂直に配置され、本来の後部傾斜 (4°) 16 を維持し、回転は赤木の線と平行でした。 元の膝蓋骨の厚さを維持するために膝蓋骨置換術が行われました。 適切なサイズのインプラント (大腿骨コンポーネントのサイズ: Bi-Surface Knee、XLAG、LPS-flex、F) をコンピューター シミュレーションで配置しました。

TKA プロテーゼを使用したコンピューター シミュレーションを使用して、オックスフォード タイプの膝リグに従って体重をかけて膝を深く曲げるスクワット活動の 2 サイクルをシミュレートしました (図 1a、b)。 しゃがむ動作中、体重 80 kg に相当する一定の垂直方向の力が股関節にかかり、これは膝にかかる最大 4,000 N の荷重に換算されます。 膝モデルは完全伸展から 150°まで屈曲し、4.5 秒以内に完全伸展に戻りました (図 1c)26。 2 サイクルの活動中、内側および外側コンパートメントの椎間関節中心の前後位置、各顆の脛骨大腿要素間接触力、膝蓋大腿接触力、側副靱帯力、および大腿四頭筋力を記録しました。 最初のサイクルは各コンポーネント間ジョイントの境界条件を適合させるにはわずかに不安定であったため、2 番目のしゃがみサイクルで測定された値が解析用に選択されました。

実験は、大腿骨コンポーネントの矢状方向の配置を変更することによって実行されました (図 1d)。 まず、大腿骨コンポーネントを、前方基準を使用して矢状面内の元の位置 (0°) から屈曲まで 4°、7°、および 10°回転させました。 この回転角度は、大腿骨コンポーネントの平均屈曲角度が 4°、標準偏差が 3°であり、大腿骨コンポーネントが過度に屈曲している患者（≧ 8.5°）は臨床転帰が劣っていたという以前の研究に基づいて選択されました 16。 大腿骨遠位部の切断は、元の大腿骨遠位部の解剖学的軸から曲げられ、大腿骨遠位部の切断は、伸展ギャップを保存するために溝の切断を使用して実行されました。 前方フランジの最近位点は、インプラントの前方への切り込みや前方への張り出しを避けるために、前方大腿皮質の表面に配置されました。 インプラントのサイズは変更されず、インプラントの後方オーバーハング (大腿骨コンポーネントを 0° から 10° に屈曲させたとき、Bi-Surface Knee と LPS-flex がそれぞれ 6.7 mm と 6.3 mm 増加) は残されました。 第二に、インプラントの後顆の増加した後方オーバーハングは、10°屈曲モデルのインプラントのダウンサイズ (1 サイズ小さい) を使用して減少しました。

大腿骨コンポーネントが 10°屈曲したバイサーフェイス膝では、15% ～ 25% サイクル (膝屈曲 40° ～ 70°) の間に両方の顆で徐々に後方への移動が観察され、その後、逆説的な前方への移動が観察されました。内側コンパートメント (図 2a)。 大腿骨コンポーネントの 10°屈曲を維持したまま大腿骨コンポーネントを縮小した場合、この異常な動きは観察されませんでした。 大腿骨コンポーネントの屈曲による二顆のロールバックの前に、側方区画の後方移動が観察されました（図2b）。 LPSフレックスでは、4°屈曲モデルは屈曲中間範囲（20％から40％サイクル）で比較的安定した内側コンパートメントを示しましたが、他の屈曲角度は逆説的な前方移動を示しました（図2c、d）。 大腿骨コンポーネントの屈曲の増加に伴い、両方のインプラントの両顆ロールバック中に内側コンパートメントが前方に移動しましたが、外側コンパートメントには目立った変化は見られませんでした（図 2a-d）。 インプラントのサイズを小さくすることにより、ロールバック段階とロールフォワード段階で内側および外側コンパートメントのファセット中心が前方に移動しました（図 2a ～ d）。

Bi-Surface Knee (a: MC: 内側コンパートメントおよび b: LC 外側コンパートメント) および LPS フレックス (c: MC、d: LC) の椎間関節中心の前後方向の移動。

各コンパートメントの接触力に関して、内側コンパートメントの接触力は伸展相（75% ～ 80% サイクル、Bi-Surface Knee の膝屈曲 75° ～ 50°、および 65% ～ 75%）でピークに達しました。サイクル、LPS-flex での膝屈曲 120° ～ 75°）（図 3a、d）。 どちらのインプラントでも、内側コンパートメントのピーク接触力は大腿骨コンポーネントの屈曲に伴って増加しましたが、外側コンパートメントの接触力には顕著な変化は見られませんでした（図 3a、b、d、e、表 1 および 2）。 ）。 大腿骨コンポーネントを小型化することにより、内側接触力が大幅に減少しました (図 3a、d、表 1、2)。 膝蓋大腿接触力は、大腿骨コンポーネントの屈曲によって大きく変化しませんでした（図 3c、f、表 1、2）。

Bi-Surface Knee (a ～ c​​) および LPS フレックス (d ～ f) の接触力。 (a、d) 内側コンパートメント、(b、e) 外側コンパートメント、(c、f) 膝蓋大腿関節。 MC 内側コンパートメント、LC 外側コンパートメント、PF 膝蓋大腿関節。

靱帯力を観察すると、大腿骨コンポーネントの屈曲が増加するにつれてMCL力が増加し、屈曲期と伸展期の両方で各ピークが観察されました（図4a、d）。 これらのピーク MCL 力は、中間屈曲範囲 (膝屈曲約 50° ～ 80°) に対応する約 25% ～ 30% および 75% ～ 80% のサイクルで観察されました。 大腿骨コンポーネントを膝屈曲 7° から 10° に屈曲すると、両方のインプラントで MCL 力が大幅に増加しましたが、これは大腿骨コンポーネントの小型化によって著しく減少しました (Bi-Surface で 52% の減少、48% の減少)。元のサイズから LPS-flex に変換）（図 4a、d、表 3 および 4）。 LCLに対する影響はMCLに対する影響よりも小さく、大腿四頭筋の力は大腿骨コンポーネントの屈曲やインプラントサイズによって劇的に変化しませんでした（図4b、c、e、f、表3および4）。

Bi-Surface Knee (a ～ c​​) および LPS-flex (d ～ f) の靱帯力。 (a、d) 内側側副靱帯、(b、e) 外側側副靱帯、(c、f) 大腿四頭筋。 MCL内側側副靱帯、LCL外側側副靱帯。

この研究は、大腿骨コンポーネントの過剰な屈曲により、CS および PS TKA の両方で内側区画接触力と MCL 力が増加することを実証しました。 Bi-Surface Knee は、インプラントが 10° で屈曲されたときの逆説的な前方移動によって表される、屈曲中期の不安定性を示しました。 LPS 屈曲では、大腿骨コンポーネントの 4° 屈曲が中間屈曲で最も安定し、他の屈曲角度では逆説的な前方移動が見られました。 総合すると、これらのインプラントでは、大腿骨コンポーネントのわずかな屈曲は膝の生体力学にとって安全である可能性があります。 大腿骨コンポーネントの小型化により、おそらく後部オーバーハングの減少により、接触力と靱帯の力の増加が解消されました。

各インプラントを比較すると、両方のインプラントが良好な安定性を示した 4°屈曲モデルを除いて、Bi-surface Knee は中間屈曲範囲でより安定しているように見えました。 接触および靱帯力の変化に対する大腿骨コンポーネントの屈曲の影響は、両方のインプラントで同様の傾向を示しましたが、Bi-Surface Knee のピーク接触力の大きさは、LPS-flex のものより小さかった。 LPS-flex がピーク接触力を示した屈曲範囲では、Bi-Surface 膝のボールソケットジョイントには第 3 顆として別の接触領域があり、これにより内側顆と外側顆の接触力が減少していると考えられます。 初期から中期の屈曲範囲における靱帯力の違いは、おそらくインプラントの安定性、前後位置、および回転の複合効果によるものと考えられます。

以前の研究では、TKA における大腿骨コンポーネントの屈曲の運動学的および生体力学的効果が調査されています。 以前のコンピュータシミュレーション研究では、PS インプラントと十字保持 TKA インプラントの両方で、大腿骨コンポーネントの前後方向の移動と大腿四頭筋の力が減少することが記載されています 8,15。これらの研究では、大腿骨コンポーネントの伸展 -3°から屈曲 7°までの 10°の範囲を評価しました。大腿骨の機械的軸に対して。 私たちの研究では、大腿骨コンポーネントの角度は、大腿骨遠位の解剖学的軸に対して定義されました。この場合、大腿骨の機械軸に対して 1.0° 屈曲していました。 評価範囲は屈曲0°～10°とした。 したがって、調査されたインプラントの位置は、以前の研究で使用されたものとは異なりました。 もう 1 つの違いは、インプラントの屈曲方法にあります。 大腿骨コンポーネントのノッチの形成と前方の張り出しを避けるために、大腿骨遠位部の前皮質と同一面に配置された前方参照を使用して大腿骨コンポーネントを屈曲させました。 したがって、大腿骨コンポーネントの屈曲により、大腿骨コンポーネントの後方突出量が増加することになる。 臨床報告では、大腿骨コンポーネントの屈曲と後顆オフセットの増加は、大腿骨コンポーネントの後方突出の結果であると報告されています16,27。ただし、以前のシミュレーション記事では、インプラントの屈曲の正確な方法は不明でしたが、大腿骨インプラントはを後方基準で曲げると、前方フランジの前方突出が観察されました8,15。 コンピューター シミュレーションを使用した別の生体力学的研究では、十字型保持 TKA28 を使用してインプラントの屈曲とサイズの影響が評価されました。屈曲の評価範囲は、大腿骨の機械軸に対して 0° ～ 9°でした。 彼らの研究では、大腿骨コンポーネントも後方基準で屈曲され、後方オーバーハングの増加は生じませんでした。 その結果、大腿骨コンポーネントの屈曲により、腕を伸展させる際の膝伸筋モーメントが増加し、大腿四頭筋と膝蓋大腿骨の接触力が減少し、安定した運動学が得られることがわかりました。 大腿骨コンポーネントの小型化により、膝蓋大腿接触力は増加しますが、内側膝蓋大腿靱帯力と PCL 力は減少するという、さまざまな結果が生じます。 上述の研究では、後方基準でインプラントを屈曲させましたが、インプラントの屈曲は運動学や生体力学に深刻な悪影響を与えることは示されませんでした。 彼らのモデルでは、前部フランジの前部の張り出しが存在する可能性がありますが、後部の張り出しは観察されませんでした。 対照的に、私たちの研究では、インプラントは前方基準で屈曲されました。 したがって、後方オーバーハングの増加は屈曲ギャップの減少を引き起こし、広範な屈曲モデルにおける関節/靱帯の力の増加につながります。

インプラントの小型化により、深刻な異常な運動学を引き起こすことなく、関節/靱帯の力が軽減されます。 後方オーバーハングを比較すると、4°屈曲と 10°屈曲のダウンサイズ モデルは同様の後方オーバーハングを持っていました。 最初の髄内ガイドが誤って屈曲位に挿入され、後顆の適切なサイズ設定によって前方基準 TKA が正常に実行された場合、後方オーバーハングは回避されました。 これが今回の検討で用いたダウンサイジングモデルの条件です。 しかし、移植中にインプラントが誤って曲げられた場合、後方オーバーハングは避けられませんでした。 以前の研究では、最終移植時に大腿骨コンポーネントの望ましくない屈曲が 23% 発生したと報告されています 29。 このエラーにより後部の張り出しが生じ、この研究では過剰な屈曲が生じる可能性があります。

臨床的には、大腿骨コンポーネントの屈曲の影響がさまざまな側面で報告されています。 インプラントの寿命の観点から見ると、大腿骨コンポーネントの屈曲は再置換術 TKA の危険因子の 1 つでした。これは、屈曲したインプラントの前フランジの前方張り出しが大腿四頭筋腱を刺激し、膝蓋骨クレピタスを引き起こす可能性があるためです 30。 別の研究では、屈曲が 3°を超える大腿骨インプラントは、中立 (屈曲が 0°から 3°) および拡張された大腿骨コンポーネントと比較して故障率が高いことが報告されています 31。 臨床転帰に関しては、ある研究では、大腿骨コンポーネントの過剰な屈曲（> 8.5°）を有する患者は、安全範囲が広く、良好な満足度と機能が得られたものの、転帰が劣ることを示しました16。 機械学習モデルの予測を使用した別の研究では、脛骨の傾斜が本来の傾斜から 2°以内に変化し、大腿骨コンポーネントの屈曲が 0°であると、「満足または非常に満足」している可能性と膝が「常に正常である」可能性が増加することが示されました。 7°4まで。 大腿骨コンポーネントの矢状方向のアライメントの許容範囲については統一見解はありませんが、過度の屈曲は避けるべきであることが報告されています5、6、7、8。 現時点では、「過剰な」屈曲を示す決定的な角度はありませんが、2 種類のインプラントの生体力学を観察すると、大腿骨遠位部の解剖学的軸に対する 10°の屈曲は、異常な運動学を引き起こすため、「過剰な」屈曲であるように見えました。両方のインプラントにおける過度の関節接触/靭帯力。

この研究にはいくつかの制限がありました。 まず、シミュレーションは、死体の研究から補間された材料特性からなる、一般的に健康な膝関節を備えた仮想の可変モデルで構成されていました。 運動学と得られた力は、TKA の生理学的に関連する動きについて検証されていますが、得られた値は、末期関節炎を患っている生きている患者の値と完全に同じではない可能性があります。 第二に、この研究では標準的な骨モデルが使用されたため、統計分析は実行されませんでした。 この研究では、透視分析で実際の膝の動きで検証された単一の健康な骨モデルが使用されました。 X線撮影による倫理的理由により、現在複数の骨モデルをご用意できません。 現実世界では実行が困難な骨モデルの実験条件を変更できることは、コンピュータ シミュレーション研究の強みであり、単一の検証された骨モデルを使用した研究が数多く報告されています8、25、26、28、32、33。 、34。 ただし、健康なボランティアであっても、性別、人種、個人に応じて解剖学的差異が存在します35。 変形性関節症の進行により、大腿骨の湾曲、内反脛骨、または脛骨の傾斜にさらなる解剖学的変化が生じる可能性があります 36,37。 術前および術後の下肢のアライメントは、TKA38 後の生体力学に影響を与える可能性があります。 ただし、機械的アライメント TKA を使用してシミュレートされたのは、ニュートラル アライメントの骨モデルのみです。 したがって、実際の臨床状況を模倣したより代表的な情報を得るには、変形性膝関節症を含む複数の骨モデルをさらに研究することが理想的です。 第三に、この研究では 2 つの固定ベアリング インプラント、1 つの CS インプラントと 1 つの PS インプラントのみが分析されました。 同様の結果が十字型保持 TKA または可動軸受 TKA で得られるかどうかは不明です。 さらに、CS および PS TKA 内であっても、表面形状の違いにより、大腿骨コンポーネントの最適な屈曲はプロテーゼごとに異なる場合があります。 しかし、少なくともこの研究で評価された 2 つのインプラントでは、臨床研究での悪い結果と同様に、大腿骨コンポーネントの過度の屈曲が警告されました 4,16。 大腿骨コンポーネントの過度の屈曲の影響を一般化するには、さまざまなタイプのインプラントを使用したさらなる研究が理想的です。

結論として、4°の大腿骨コンポーネントの軽度の屈曲は、膝を深く曲げる動作中に安定した中間屈曲を示し、大腿骨コンポーネントの屈曲が増加するにつれて内側関節/靱帯の力が増加しました。 臨床研究によって示唆されているように、大腿骨コンポーネントの軽度の屈曲は、大腿骨コンポーネントの目標矢状方向の位置合わせに適しており、膝の生体力学を考慮すると過度の屈曲は避けるべきです。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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著者は博士に感謝します。 技術サポートをしていただいた田中義久氏と渡辺睦氏。 著者らはまた、英語の編集に協力してくれたエディテージに感謝します。

〒606-8507 京都市左京区聖護院川原町54 京都大学大学院医学研究科 整形外科学教室

Kohei Nishitani, Shinichi Kuriyama, Shinichiro Nakamura, Young Dong Song, Yugo Morita, Hiromu Ito & Shuichi Matsuda

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KN は研究デザイン、データ分析、解釈に貢献し、原稿を執筆しました。 SK、SN、HI はデータ分析、解釈、原稿の改訂に貢献してくれました。 YS と YM はデータ収集に貢献しました。 SM は構想と解釈に貢献し、原稿を改訂し、研究を監督しました。 著者全員が原稿を読んで承認しました。

Correspondence to Kohei Nishitani.

KN と SN は京セラから研究助成を受けています。 SMは京セラから研究助成金、コンサルティング料、講演謝金、Zimmer-Biomet講演謝金を受け取った。 すべての著者は競合する利益を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

西谷 和也、栗山 晋、中村 晋 ほか大腿骨コンポーネントの過度の屈曲位置は、人工膝関節全置換術において異常な運動学および関節接触/靱帯力を引き起こします。 Sci Rep 13、6356 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-33183-2

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受信日: 2023 年 1 月 14 日

受理日: 2023 年 4 月 8 日

公開日: 2023 年 4 月 19 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33183-2

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