为了提高人工全膝关节置换（TKR）术后力线的可重复性，大量的医疗卫生资源已经投入到计算机导航和个体化工具的研究中。传统观点一直认为下肢术后中立位力线应保持在±3°以内。近来，有很多文献发现TKR术后力线无论是否在±3°以内，患者术后假体生存率并无明显差异。
来自美国Mayo Clinic的M. P. Abdel MD等对膝关节的解剖轴线、TKR下肢中立位力线的历史和现状，及运动学力线的可行性进行了归纳总结，原文发表于Bone Joint J 2014年第96卷上。
据估计，至2030年，美国实施初次人工全膝关节置换术（TKR）的数量将增长673%，但和全髋关节置换（THR）不同的，仍有20%的TKR患者对术后结果不甚满意，其原因仍不明确。
TKR是一种骨和软组织的手术，需要重点关注假体的力线，尤其是假体的冠状位力线。为了获得理想的术后力线，很多医疗工作者将目光投向了计算机导航和个体化工具的改进和应用。
一直以来，传统观点普遍认为下肢的术后力线应该保持在±3°以内。随着关节假体和固定技术的进步，有学者对于将下肢力线根据是否±3°以内分为力线良好和力线不良的观点提出了质疑，其他学者更进一步提出了运动学轴线的概念。
作者在后文中对以下四个方面进行回顾：一、膝关节的相关解剖及轴线；二、TKR中立位轴线的相关文献；三、目前对TKR冠状位轴线的争议；四、运动学轴线的理论依据和临床研究。
解剖和轴线
下肢的轴线是相对于通过耻骨联合的垂线而言的。解剖轴线是指通过股骨和胫骨髓腔的直线。关节面的解剖轴是指股骨远端和胫骨近端切线垂直的直线。力线轴是指通过股骨头和距骨中心的直线，又称为Maquet线。
因为股骨远端关节面相对中线呈9°外翻，而胫骨近端的解剖轴相对中线有3°的内翻。正常情况下，胫骨的力线轴应和下肢力线轴重合，因此，胫骨的力线解剖轴夹角（TMA）为0°，即呈中立位。
考虑到股骨远端关节面力线相对中线有3°的外翻，所有股骨远端关节面力线解剖轴夹角为6°外翻（此即为股骨远端截骨角度）。综上所述，下肢轴线可以通过两种方式表述，即股骨-胫骨解剖轴线（AFT）夹角和股骨-胫骨力线轴（MFT）夹角。AFT角即为股骨关节面解剖轴（外翻9°）和胫骨关节面解剖轴（内翻3°）所成的角，通常为外翻6°。同理，MFT角即为股骨关节面力线轴（外翻3°）和胫骨关节面力线轴（内翻3°），通常为0°或称之为中立位力线。
AFT角可以通过下肢全长或膝关节局部X线进行测量，而MFT角的测量则必须依据下肢全长片。早期一些支持“冠状位安全区”的研究因为基于膝关节局部线片得到结论而受到诟病。Peterson和Engh等对50例膝关节的膝关节正位和下肢全长X线进行了比较，结果发现两者AFT角相差1.4°（SD -3°—5°；P<0.001）。但也有一些研究认为两者测量结果仍有一定相关性，并据此认为可以依据膝关节局部X线片进行角度测量。作者认为，仍应使用下肢全长站立位X线片，此时下肢力线不会受到力线轴和解剖轴间关系变异影响。
过去观点一直认为，恢复下肢中立性力线可以明显改善TKR假体寿命。来自临床病例、模拟装置、有限元及回顾分析研究均印证了上述观点。但因为过去很多研究的样本量较小，使用了老式假体和膝关节局部X线片，因此有必要根据目前情况进行更进一步研究。
Lotke和Ecker于1977年进行的研究认为，将TKR假体置于外翻3-7°的解剖位置可以获得良好临床结果。Hood等、Hvid和Nielsen认为解剖轴线的理想范围应在外翻2-12°之间，但Moreland等则主张应在外翻0-10°之间。
Mallory、Smalley、Danyi根据膝关节局部X线片认为下肢力线应保持在±10°之间，Bargren等进行了临床和尸体标本研究，结果发现Freeman-Swanson（ICLH）膝关节假体位于内翻位时在较低的压缩应力下即可发生失败，并且有着较高失败率。
Insall等认为下肢力线应位于膝关节中心的外侧即外翻位，但Townley则认为下肢力线应位于膝关节中心的内侧即内翻位。Riitter等认为后交叉韧带保留型假体应放置于中立位或轻度外翻位可改善假体的生存率，即5-8°的解剖外翻。上述的所有假体均是参考膝关节局部的X线片，并且采用的是老式的膝关节假体。
Jeffery等认为应拍摄下肢全长X线片，并使将术后的力线轴和Maquet线之间的角度应恢复至0±3°以内。虽然该研究使用是比较少见的假体设计，但多项有限元模型、模拟器、尸体标本等研究证实该观点。
Hsu等在1990年发表了一篇标志性文章，文中提到对120例不同年龄、不同性别的全长下肢负重位影像进行了研究，并且据此提出了一些非常重要的研究结论。
他们发现股骨和胫骨力线之间角度为内翻1.2°，这个结果很难解释为什么将胫骨假体置于内翻3°的位置。其次，股骨关节面解剖-力线轴夹角在4-5°之间，且会因采用的下肢全长或膝关节局部X线片而有所差异。最后，，当采用单腿站立时，下肢应力的75%会通过胫骨内侧平台。
当前的观点
目前我们对于正常、骨关节炎性以及置换后的膝关节较以往已有了更为透彻了解。随着各种技术水平不断提高，对于冠状位力线的研究也越来越深入。传统观点中一直根据0°±3°的“安全区”标准来区分力线良好或力线不良，但最近多项研究均认为两者术后假体生存率没有明显差异。
其中最重要的一项研究是Parratte等对分别使用了3种不同假体的398例骨水泥型初次TKR临床和放射学结果进行了回顾。所有患者在手术前后均拍摄站立位全长片，他们发现，术后力线为0°±3°时并未改善术后15年假体生存率。
所以，他们认为将术后力线分为“力线良好”和“力线不良”并没有太大价值。但他们也提到，“在没有更多更准确的数据来为患者确定个体化的术后理想力线之前，中立位下肢力线仍不失为一个可供参考的理想目标。即使引入了新的力线目标值，也需要将中立位的力线作为标准，对两者进行比较”。
Bonne等此后也进行了相似的研究，他们发现当以0°±3°为标准分别力线良好和力线不良时，术后15年时的生存率和冠状位力线之间无明显相关。
Matziolis等进行了一项小样本研究，同样发现TKR术后力线良好病例和术后内翻病例生存率或临床结果之间没有明显差异。但该研究中术后力线不良仅有30例，且各组均没有翻修病例。作者最后认为，正确的假体力线对于所有病例仍然非常重要。
Morgan等也进行了相似的研究，他们对197例TKR的下肢全长X线片测量解剖轴线后，根据AFT分为三组，包括：中立位组（外翻4°-9°）、外翻组（外翻大于9°）、内翻组（外翻小于3.9°），结果各组之间的生存率没有差异。
Berend等还发现胫骨假体内翻超过3.9°时失败率会明显增加，如果BMI大于33 kg/m2，这种趋势会更加明显。Fang等在2009年时对上述数据做了更深入分析。他们将随访时间增加了6年，并且观察了所有6070例TKR假体的失败率，而不仅限于胫骨侧假体。
结果发现，根据膝关节局部X线片测得的解剖轴线在外翻2.4°-7.2°之间时生存率最高，但力线良好和力线不良病例的翻修率仅相差1%。Ritter等分别就每侧假体的解剖轴线、下肢整体解剖轴线，对所有病例的生存率进行了随访。
结果发现，当股骨假体解剖轴线外翻超过8°、胫骨假体相对胫骨轴线内翻、以及股骨胫骨假体均发生偏移但下肢整体力线正常时，假体失败率会明显增加。Collier等报道，当下肢内翻大于5°时，内侧间室的聚乙烯衬垫磨损会明显增加。
还有一些学者对假体轴线相关的临床功能结果进行了研究。Magnussen等发现中立位力线和内翻位力线的国际膝关节协会（IKS）评分没有明显差异，但也有两项研究认为，术后冠状位力线在±3°以内时，1年随访时的功能结果更好。
Choong等也发现冠状位力线在0°±3°范围内时，术后3周、3个月、6个月、12个月时可以获得更好的IKS评分和SF-12功能评分。Longstaff等同样认为，良好的TKR力线可以明显改善术后1年时的KSS评分。
TKR的运动学轴线
膝关节固有性内翻（constitutional varus）的概念来自Bellemans等的报道，他们对250名20-27岁的无症状成年志愿者进行了研究，结果发现32%的男性和17%的女性的膝关节存在固有性内翻，即其自身力线内翻超过了3°。因此，他们认为如将这些患者的力线恢复至中立位，则其结果可能难以令人满意。
屈曲轴的概念目前也逐渐广为接受，但如何在术中确定这条轴线却存在很多争议。屈曲轴是指胫骨旋转所围绕的轴线，但它不属于包括冠状位、矢状位或轴位在内的任何一个传统意义上平面。现在已经有人提出，采用经过股骨内外上髁的通髁线（TEA）来近似代表膝关节的实际屈伸轴线（FEA）。
Churchill等采用二维分析的方法发现，TEA和真实的FEA之间仅相差3°±1°，且没有统计学差异。而Eckhoff等认为TEA位于FEA的前上方，因此并不能很好的替代FEA（图1-3）。最近又有人提出可以参考“圆柱轴”，即在膝关节屈曲10°-120°时和内外侧髁接触点等距离的一条直线。和TEA相比，“圆柱轴”和下肢力线之间的关系更加垂直。
图1 左膝外侧（A）和外侧（B）观，前上方为TEA，后下方为FEA。
图2 左膝正位观。上方为TEA，下方为FEA
图3 左膝轴位观。上方为TEA，下方为FEA
（以上配图均引自Eckhoff D, Hogan C, DiMatteo L, Robinson M, Bach J. Difference between the epicondylar and cylindrical axis of the knee. Clin Orthop Relat Res. 2007; 461:238–244.）
基于上述理由，Howell等主张参考运动学轴线来恢复关节炎病变之前的正常下肢力线，以避免对侧副韧带不必要的松解。
他们对214例采用运动学轴线的交叉韧带保留型假体病例随访了31个月，所有病例分为中立位组（0°±3°）、内翻组（>3°）和外翻组（>3°），结果发短期内各组均未出现灾难性失败的病例。他们认为，TKR参考运动学轴线会增加失败风险的说法是没有根据的。
但是由几个方面的问题值得我们注意。首先，力线不良的病例不会在短期内（平均31个月）出现灾难性失败，更不能将此外推至中长期的结果。其次，采用运动学轴线的TKR往往需要借助个体化的工具。最后，该结论并未被其他研究所广泛证实。
对运动学轴线TKR的热议更多是源于目前TKR术后较高的不满意率。其实除了力线以外，患者自身、术者以及诸多环境因素均在其中扮演了非常重要的角色。从理论上说，这种观点主要是为了最大程度的恢复患者的解剖。但正如在前文中提到的，支持这种观点的相关临床和基础研究还远远不足。
除了Howell等以外，Dossett等也进行了一项随机对照研究，对参考运动学轴线和运动学轴线的82例TKR进行了比较，结果发现，运动学轴线组的股骨假体外翻平均增加了2.4°，胫骨假体内翻平均增加了2.3°。
随访6个月，和力学轴线组比较，运动学轴线组的WOMAC评分增加了16分，OKS评分增加了7分，KSS评分增加了25分，膝关节屈曲范围增加了5°。该研究并未提及导致这种差异的因素，但只有66%的随机病例完成了分析，同时该研究的把握度仅满足轴线分析，但无法满足临床结果的比较，并且运动学轴线组使用了个体化工具。以上三个因素可能是导致差异的重要原因。
目前我们对矢状位和轴位上的理想轴线还知之甚少。一方面，很多学者认为获得准确的矢状位轴线比冠状位轴线更加困难，另一方面，矢状位轴线对术后功能和假体生存率的影响却很少有研究涉及。但值得注意的是，矢状位的对线不良确实可以导致关节不稳。Kim等发现，股骨假体屈曲度大于3°、胫骨假体矢状位力线小于0°、胫骨后倾大于7°是导致术后失败的危险因素。
目前旋转对位对假体生存率的影响同样不甚明确。这主要是因为不论是术中还是术后，都没有一种测量旋转度的准确方法。然而，股骨假体的旋转度对于良好的屈曲间隙平衡，以及屈曲过程中胫股关节和髌股关节的平衡都非常的重要。Kim等报道了股骨假体外旋小于2°或大于5°、胫骨假体外旋小于2°或大于5°均会明显增加失败率。
假体的旋转可能会TKR的功能影响更大。Berger等采用CT断层扫描对假体内旋和髌骨轨迹不良的关系进行了研究，他认为假体内旋和髌骨轨迹不良直接相关。
假体出现1°-4°之间的轻度内旋会导致髌骨轨迹外移和髌骨倾斜，5°-8°之间的中度内旋会导致半脱位，7°-17°之间的严重内旋会导致髌骨脱位甚至失败。因此，胫骨假体的旋转对于功能同样非常重要。
如果胫骨假体假体相对胫骨平台的截骨面内旋，则胫骨就会相对股骨外旋。此时胫骨结节相对外移而导致Q角增大，最终使得髌骨向外侧半脱位。已有很多研究报道，胫骨假体旋转不良的翻修率更高且术后结果更差。
最后需要强调的是，即使使用计算机导航，人为错误也会导致截骨和假体位置产生偏差。Mason等对计算机导航术后力线进行了meta分析，结果发现9%的胫股力线、4.9%的股骨力线和4%的胫骨力线出现了离群值。因此，在试图获得“轻度”内翻位的时候，除了术中设定的3°内翻以外，还会出现因人为错误导致的3°-4°内翻，两者叠加最终会导致不可接受的后果。
虽然一些医生主张修正“最佳冠状位力线”的定义，中立位轴线和经典截骨方法仍是目前的金标准，并且有既往大量的研究结果得出的结论支持。虽然通过技术的改进可以提高手术精度，但人为错误仍无法避免。简单的用“正常值”和“离群值”这种二分变量的方法对力线进行描述显然并不适当，但中立位力线仍应有一个“安全的范围”。
