全膝关节置换术（totalknee arthroplasty，TKA）能缓解晚期骨关节炎（osteoarthritis，OA）患者的疼痛并改善他们膝关节的功能。TKA的结果与患者、假体设计和手术技术等多个因素相关。活动范围（range of motion，ROM）被认为是影响TKA术后临床疗效的重要因素之一。尤其是TKA术后膝关节过伸与临床结果不良相关。在膝关节过伸的情况下，在步态周期的站立阶段，患者将继续强迫膝关节进入过伸状态，以帮助稳定下肢，从而导致股四头肌疲劳。TKA术后膝关节过伸很难纠正，因此，预防是最好的治疗。术中应尤其小心，以免假体植入后仍有韧带不稳定，从而导致术后膝关节过伸。只有少数研究评估了膝关节过伸的发生，因为它通常与特定的条件相关，例如外翻畸形、韧带松弛、既往曾行胫骨高位截骨术（high tibial osteotomy，HTO）或神经肌肉疾病（如脊髓灰质炎）。膝关节过伸畸形与负荷吸收减少和僵硬相关，导致接触应力增加和关节囊后方松弛，即便是在正常的膝关节中也是如此。然而，由于这种情况罕见，很少研究关注TKA术后膝关节过伸的影响。因此，还没有文献记载关于膝关节过伸的发生率及其功能可接受性的情况。另外，尽管以往的研究通常认为膝关节过伸角度大于5°是TKA术后膝关节过伸，但对于TKA术后膝关节过伸的危险因素、过伸的定义及其可接受的范围，尤其是在活动平台假体系统中，仍没有达成一致的意见。尽管活动平台膝关节的假体已经使用了30多年，但据我们所知，还没有关于低接触应力（low contact stress，LCS）活动平台假体TKA术后的临床结果和术后膝关节过伸发生率的研究。因此，我们的研究旨在研究活动平台假体TKA术后膝关节过伸的发生率、相关因素及其与临床预后的关系。我们假设膝关节过伸的患者比没有过伸的患者结果表现更差。另外，股骨后髁偏距（posterior condylar offset，PCO）的减少可能会潜在地影响活动平台TKA的膝关节过伸程度。我们回顾性地评估了2008-2013年间接受初次单侧TKA的484名患者。所有患者均有退行性骨性关节炎伴内翻畸形的病史。排除标准为：（1）内翻畸形＞20°（18例），（2）膝关节外翻大于中性轴（8例），（3）患肢截骨（13例），（4）严重骨缺损需植骨（15例），（5）术前屈曲挛缩＞30°（8例），（6）术后屈曲挛缩＞10°（9例），（7）体重指数（BMI）＞30kg/m2（6例），（8）临床全身性弛缓或神经肌肉合并症（如椎管狭窄症伴肌力下降）（7例），（9）TKA术后急性感染（2例），以及（10）不能按计划随访（32例）。在应用排除标准后，共有366名患者（387例膝关节）纳入本研究。使用LCS旋转平台活动平台全膝关节假体系统（LCS®，Depuy，华沙，印第安纳州，美国）。TKA患者年龄58-79岁，平均69.3±12.5岁，平均随访65.2±3.6个月，最短随访5年。手术采用股内侧肌入路（mid-vastusapproach），采用长约10 cm的正中皮肤切口。所有患者均切除十字韧带。胫骨截骨最初采用髓外法，随后使用撑开器（lamina spreader）或间隙侧块（gap blocks）的间隙技术进行股骨截骨。软组织平衡是通过松解内外侧和后方的组织。在使用撑开器并牵张下肢与对侧比对时，通过触诊韧带张力和评估间隙，确认实现了充分的软组织平衡。在间隙平衡的过程中，通过撑开器将内外侧间隙和屈伸间隙调整到3 mm以内。所有患者均未行髌骨表面置换术。假体的所有部件均用骨水泥固定。分别于术前、术后6周、3个月、6个月、1年及以后每年进行评估。在每次就诊时，一名经验丰富的独立研究助理使用膝关节协会（Knee Society，KS）评分系统、特殊外科医院评分系统（Hospital for special surgery scoring system，HSS）和西安大略省和麦克马斯特大学指数（Western Ontario and McMaster Universities Index，WOMAC）评分，一名资深骨科医生在患者仰卧位下使用量角器评估被动、非负重ROM到最近的5°。量角器通常用于测量ROM，并且具有良好的重复性。在随访期间也对术后并发症进行了评估。根据末次随访时的ROM，膝关节过伸超过5°被定义为膝关节过伸。在末次随访时，根据膝关节过伸程度将患者分为两组（非过伸组和过伸组）。最后，非过伸组（第1组）344例膝关节和过伸组（第2组）43例膝关节进入本研究。在每次随访中获得下肢全长和站立位的正侧位和Merchant位X线片，并评估下肢力线、假体位置和任何与松动相关的特征。患者站立位是指双脚对称内旋，以使双侧髌骨位于正前方。胫骨近端和股骨远端骨干轴线，定义为在距关节线5 cm和15 cm处皮质外径中点的连线，用于测量矢状面伸直角度（图1）。关于哪个点或哪个轴显示真正的机械轴或ROM仍存争议；本研究中使用的骨干轴线具有很高的重复性。对关节线、胫股角度（mechanicaltibiofemoral angle，MAD）和假体力线也进行了评估。在冠状面和矢状面上评估假体的位置，包括冠状位股骨假体角度、冠状位胫骨假体角度、矢状位股骨假体角度和矢状位胫骨假体角度（图2）。通过测定术前和术后的差值来评估PCO和PCO的变化（图3）。在膝关节侧位片上测量胫骨后倾角（a）和股骨远端截骨倾角（b）。负值表示膝关节过伸。胫骨后倾角（a）定义为胫骨假体下表面与髓腔中心连线之间的夹角，股骨远端截骨倾角（b）定义为股骨假体远端截骨面下表面与髓腔中心连线之间的夹角（图4）。这些角度（a+b）之间的差异被用来确定股骨假体位置是否补偿了胫骨假体位置，或者它是否导致了膝关节过伸，如负值所示。使用鼠标指针光标和计算机自动计算在PACS（PictureArchiving and Communications System，图片存档和通信系统；通用电气，芝加哥，伊利诺伊州，美国）上执行所有测量，并将值四舍五入为两位小数。图1：有延伸角的X线片测量结果。两条线分别连接距关节线5 cm和15 cm皮质外径的中点。
图2：展示的是假体的测量结果。
图3：展示的是股骨后髁偏距（PCO）的X线片评估。测量股骨后方皮质延长线与其平行线与股骨髁最突出点之间的距离。
图4：胫骨后倾角（a）定义为胫骨假体下表面与髓腔中心连线之间的夹角，股骨远端截骨倾角（b）定义为股骨假体远端截骨面下表面与髓腔中心连线之间的夹角。
使用Windows系统的19.0版SPSS（芝加哥，伊利诺伊州，美国）和G*power分析（版本3.1.5）进行统计学分析。研究的主要结果衡量标准是TKA术后平均伸直角度的差异。在使用最终伸直角度的事后分析（post hocpower analysis）中，在双边α误差（two-sidedα error）为5%的情况下，发现计算的效能为1，计算的效果大小为3.6986359，以检测显著差异。采用配对t检验、独立t检验或Wilcoxon符号秩和检验，根据Shapiro-Wilk检验的正态分布，比较手术前后或过伸组与非过伸组之间的差异。使用RM ANOVA分析随时间变化的数据，并对所有时间点的平均伸直角度进行后比较。将Bonferroni调整，包括特定模型内的所有成对比较应用于p值以说明多次测试。计算Pearson相关系数以评估伸直角度、影像学测量和临床结果之间的相关性。对有统计学意义的因素进行t检验或相关分析，进行Logistic回归分析，包括影像学测量。使用AIC的结果进行向后剔除（backward elimination）的逐步Logistic回归分析，以确定采用LCS进行TKA术后膝关节过伸的影响因素。由于存在偏差的风险（术前、术前、术后PCO、PCO变化、倾角及其差异），高度相关的因素分别进入回归分析。两名骨科医生独立测量了术前和术后的X线片，测量间隔为1周。每名外科医生在第一次测量后2周进行观察者内可靠性的重测方法。使用一致性组内相关系数（intraclasscorrelation coefficient，ICC）来计算观察者间和观察者内的可靠性，该系数量化了由于变异性引起的方差的比例。显著性水平设为0.05。这项研究得到了我们的机构审查委员会的批准。在387例膝关节中，43例（11.1%）在最后一次随访时表现为膝关节过伸。严重过伸超过10°者仅为5例（1.3%，5/387例膝关节）。RM ANOVA分析显示，随时间变化的组与时间×组之间的差异有统计学意义（被动vs重力）分析（p＜0.001，Greenhouse–Geisser法）。在事后分析中，至TKA术后3个月时伸直角度的差异无统计学差异，TKA术后6个月时的差异有统计学意义。术后1年首次发现角度大于10°的严重过伸。除了机械轴外，在胫股角度和术前PCO值方面，两组间无统计学差异。过伸组（第2组）的MAD和PCO均大于非过伸组（第1组）。两组在最终随访时的WOMAC总分、HSS评分和KS膝关节评分比较，差异无统计学意义，但第2组的膝关节过伸角度、WOMAC功能评分和KS功能评分明显较差。尤其是爬楼梯功能方面的KS功能评分，以及WOMAC功能评分中的爬楼梯功能评分，差异均有统计学意义。X线片中的伸直角度大于量角器的测量。除了PCO、股骨远端截骨倾角（b）和倾角（a+b）的差异外，两组之间没有统计学上的差异。第2组术前PCO大于第1组，但术后PCO差异无统计学意义，导致第2组术后PCO变化较大。Pearson相关系数分析显示，术前PCO与PCO的变化有显著相关性（r=−0.53，p=0.000）。这些结果表明，术前PCO较大与PCO下降幅度较大有关。第2组股骨远端截骨倾角（b）和倾角差异（a+b）较第1组有较大幅度的延长（负值）。PCO、术前MAD和临床结果的评估与术后伸直角度相关。其中，术后KSFS的系数值高于术后KSKS的系数值，尽管该系数值似乎是中等的。术前MAD的增加、PCO变化的减少和倾角差异是采用LCS假体的初次TKA术后膝关节过伸风险的显著因素。PCO的变化、倾角的差异和术前MAD也被确定为术后伸直程度的预测因素。在多元线性回归分析中，关节线位置的改变显著，而在Logistic回归分析中，关节线位置的改变不显著。在用单变量线性回归分析得出的PCO变化公式中，术后PCO每减少6.1 mm，屈曲挛缩减少1°，这可能与膝关节过伸相关。另外，倾角的差异减少4.9°，代表的是伸直，可导致屈曲挛缩减少相当于1°。然而，在多元和单变量线性回归分析中，调整后的R2值很低。本组无感染、假体早期无菌性松动、髌骨错位、内外侧不稳和透亮线（radiolucent lines）等并发症。影像学测量的整体ICC大于0.83（0.83-0.92），表明所有测量在观察者间和观察者内都有良好的可靠性。本研究的目的是调查术后膝关节过伸的发生率和相关因素。我们发现，随访5年后，11.1%的膝关节过伸超过5°，功能结果较差，尤其是在爬楼梯功能方面，尽管没有发现发生了严重的并发症。与术后膝关节过伸相关的因素有术前MAD增加、PCO改变减少、倾角不一致。根据单变量分析公式，PCO每减少6.1 mm，倾角差异每减少4.9°，似乎会导致1°的膝关节过伸。
众所周知，TKA术后膝关节过伸是手术中应该避免的并发症，因为会导致一系列的功能障碍。然而，只有少数研究集中于TKA后膝关节伸直对包括自身免疫性疾病和既往手术在内的罕见疾病的作用。因此，对于初次TKA术后膝关节过伸的发生率及其作用或可接受的范围记录较少。在Siddiqui等人的一项研究中，在2587例常规TKA中，术后膝关节过伸＞5°的发生率为8.2%。然而27.6%的病例伸直角度大于0°。他们报告说，6个月时膝关节过伸的患者在2年后出现过伸的可能性是6.5倍，内外侧松弛超过5mm可能是膝关节过伸的危险因素。另外，当膝关节过伸畸形增加超过5°时，功能结果更差。在Kim等人的研究中，末次随访时，3.2%（7/215）的患者膝关节过伸超过5°，但遗留膝关节过伸在0°-5°之间的发生率为12.6%（27/215）。在Ritter等人的一项研究中，在5622例常规TKA中，膝关节过伸发生率为1.6%。
然而，在我们的研究中，最后一次随访时遗留伸直超过5°的发生率为11.1%，略高于Siddiqui等人指出的8.2%。另外，在TKA术后6个月膝关节过伸开始恶化，术后不久未显示出膝关节过伸的，术后1年仍保持膝关节过伸状态。患者术后6个月可完成康复，软组织恢复稳定，不再出现疼痛或肿胀，但可能开始出现膝关节过伸现象。另外，由于本研究使用的是LCS假体理念的活动平台假体，因此本研究中的膝关节过伸发生率较高可能是由于假体设计、严重内翻导致的软组织平衡、PCO减少和截骨角度不匹配等多种因素共同作用的结果。LCS假体系统股骨远端截骨角度与股骨解剖长轴成10°角，与胫骨近端截骨倾角7°-10°相匹配。膝关节过伸可能比其他假体更常见，在其他假体中，截骨通常垂直于股骨轴线（图5）。在这项研究中，评估了倾角（a+b）的差异，将这种假体的特点考虑在内。假如股骨和胫骨的截骨角度不匹配，在LCS假体中可能会增加膝关节过伸的风险，因为当截骨角度不匹配时，较深的平台假体的前唇（the anterior lip of the deep dish bearing）可能不足以防止膝关节过伸，尤其是没有凸轮-立柱（cam-post）的假体。
图5：展示的是LCS移动平台假体系统与其他传统假体在股骨远端截骨角度上的不同。这里绘制的参考线垂直于股骨的解剖长轴。a：LCS移动平台假体与参考线成10°。B：与参考线平行的常规TKA。
根据本研究的结果，倾角的差异减小（负值），即胫骨股骨联合假体的位置是过伸的，是本研究中膝关节过伸的因素。使用该公式，倾角的差异减少4.9°似乎会导致1°的过伸，尽管调整后的R2值似乎相对较低。由于倾角差的下降值足够大（4.9°）才能影响1°的过伸角度，因此倾角差的临床安全范围可能足够宽，但结合其他因素，可能会加重LCS-TKA术后的膝关节过伸。有趣的是，术前有6例（＞5°过伸）出现膝反屈（genu recurvatum），所有患者均采用中立位伸直角度矫正畸形，直至最终评估。因此，在最后一次随访时，他们被归类为第1组。需要用更多不同的人口统计数据来进行进一步的研究。
另一方面，与术前相比，股骨后髁偏距（condylar offset of the posterior femoral condyle）的降低是LCS假体系统活动平台膝关节过伸的一个因素。Mitsuyasu等人发现股骨后部较大的假体减小了伸直间隙，导致由于后方组织较紧而减小了伸直间隙。在Kim等人的研究中，在使用固定平台TKA时，PCO值的变化可能会影响关节囊后方的紧密程度，他们发现这可能与关节囊后方组织松解后的愈合潜力导致随访期间膝关节过伸减少有关。在本研究中，PCO的变化也与术后伸直程度呈正相关，与术前PCO呈负相关（r=−0.53），并被发现是使用活动平台LCS假体系统时膝关节过伸的危险因素。然而，与Kim等人的研究不同，过伸角度在随访期间未见降低。PCO的改变对关节囊后方松弛有明显影响，但结合股骨远端切口的独特角度对活动平台LCS假体系统的影响更大。另外，在本研究中，术前内翻角度也是一个危险因素，更积极地松解内外侧间隙减少PCO可能会导致术后膝关节过伸，尤其是在采用LCS活动平台假体的术前PCO较大的患者中。然而，与倾角的差异一样，PCO的变化（6.1 mm）也有很大的临床安全范围；术后膝关节过伸需要评估其他未包括在本研究中的因素。简而言之，外科医生应该注意匹配股骨和胫骨的倾角，在进行软组织平衡的同时，不要减少PCO中过多。需要进一步研究才能根据假体具体说明风险因素。
先前的研究表明，过伸组患者爬楼梯的功能结果更差。然而，在不同的研究中，膝关节过伸的定义和测量是不同的，因此TKA术后膝关节过伸的发生率和结果很难在同一条线上进行比较。测量膝关节过伸量角器可能存在误差，膝关节过伸的定义仍然没有定论；因此，真正的膝关节过伸和测量的过伸之间的临床结果可能被混淆了。在我们的研究中，量角器和X线片之间的过伸角度也有统计学上的差异；因此，假如用X线片来定义膝关节过伸，结果可能会改变（p=0.000）。然而，过伸组的功能评分更差，尤其是在爬楼梯的功能上。由于膝关节过伸对膝关节和股四头肌的稳定性或爬楼梯时的下肢肌肉疲劳有负面影响，爬楼梯的功能评分可能比平地差。因此，在活动平台TKA中应避免严重的膝关节过伸。另外，有必要在进一步的研究中更具体地定义过伸角度。
这项研究有一些局限性。首先，测量的准确性是有争议的。量角器是评估ROM常用的测量工具，已知误差在5°左右。因此，由于测量误差，各种研究中与膝关节过伸相关的临床结果可能有所不同。这也可能是本研究中膝关节过伸发生率相对较高的一个原因。需要进一步的研究来使用更可靠的测量方法来明确膝关节过伸的定义。第二，尽管本研究中膝关节过伸的患病率高于既往的研究，但膝关节过伸病例的数量相对较少。另外，这是一项回顾性研究，本研究的危险因素需要前瞻性研究来验证。然而，研究活动平台假体术后膝关节过伸的研究很少。因此，本研究中的中期随访结果可能是有价值的。第三，与LCS假体不同的是，其他类型的假体可能有不同的结果。由于另一种假体的手术以及假体概念有所不同，当使用其他假体时，相同的过伸角度可能会有不同的临床结果。第四，没有通过客观测量来评估内外侧间隙的情况，如应力位X线片，这可能是术后膝关节过伸的一个因素。然而，在随访期间的体格检查中，没有发现有严重的内外侧失衡的情况。第五，要找出影响膝关节过伸的因素，还需要更多的人口学数据进行长期的深入研究。虽然PCO降低和倾角的差异是膝关节过伸的危险因素，但统计能力较低。假体设计、内外侧间隙、屈伸间隙、股四头肌无力等因素均可影响TKA术后膝关节过伸的发展。将膝关节过伸结果与其他假体进行比较，有助于评价膝关节过伸的影响因素。然而，本研究中的几个重要因素也会影响膝关节过伸，在手术和评估过程中应该注意。
简而言之，假如股骨和胫骨的截骨角度不匹配，或者术前发现存在严重内翻以及PCO减少，则LCS活动平台假体的TKA术后可能会出现膝关节过伸。然而，仍存在膝关节过伸的患者多年来没有进展，临床结果是可以接受的，但过伸组患者的功能结果更差，尤其是在爬楼梯的功能上。在LCS假体的TKA中，应仔细考虑内外侧平衡，以及PCO的可能变化以及评估股骨和胫骨的截骨角度差异。
活动平台TKA术后膝关节过伸超过5°，即使没有出现严重的并发症，中期随访时也显示出较差的功能结果。由于有膝关节过伸的风险和可能出现较差的功能结果，应注意维持PCO，并要与股骨和胫骨的截骨角度相匹配。
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