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大连医科大学附属第二医院骨科,辽宁省大连市 116023
李宝文★,男,辽宁省大连市人,1967年生,蒙古族,副主任医师,2002年大连医科大学毕业,硕士,主要从事骨与关节损伤,人工关节置换的研究。
libaowen127@sina.
com
摘要:本文就全膝关节置换(total knee arthroplasty,TKA)技术中不同假体的选择以及手术技术对于术后髌股关节生物力学、髌骨运动轨迹以及假体旋转位置的影响加以分析,探讨影响TKA术后膝关节功能以及假体使用寿命的相关力学因素。传统的解剖标志线受到多种因素的影响缺乏准确性, 因此胫骨假体不存在统一的线性定位。股骨上髁轴作为TKA术中确定假体旋转对线的参照轴较为可靠,能获得较为理想的髌股关节生物力学,减少术后并发症。胫骨结节内侧缘至中内1/3 线被认为是最理想的胫骨假体旋转定位区间, 线性的定位应根据患者膝关节内外翻畸形的程度而定。固定平台和移动平台假体TKA术后都明显的改善了患膝的症状和功能, 这两种假体在膝关节评分、疼痛评分、功能评分、髌骨评分及X线片检查结果方面均没有明显差异。但是移动平台假体组TKA术后的最大屈曲度小于固定平台假体组的最大屈曲度。虽然在实验室研究中移动平台型假体在耐磨损和关节运动学方面优于固定平台型假体, 但是在临床研究中的观点却并不一致。
关键词:全膝关节置换术;髌骨运动轨迹;髌股关节;假体旋转位置;生物力学
李宝文.全膝人工关节置换涉及的生物力学变化[J].中国组织工程研究与临床康复,2008,12(17):3313-3316
[www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-17/17k-3313(ps).pdf]
中图分类号: R318
文献标识码: B
文章编号: 1673-8225
(2008)17-03313-04
收稿日期:2008-02-16
修回日期:2008-03-14
(54200804170008/C·A)
Biomechanical alterations in total knee arthroplasty
Abstract: This paper analyzed the effects of prosthesis selection and surgical technique in total knee arthroplasty (TKA) on patellofemoral joint biomechanics, patella movement track and prosthesis rotational alignment to explore the mechanics-related factors of knee joint function and prosthesis service life after TKA. Traditional anatomic landmark line lacks of accuracy due to various factors, so there is no uniform linear localization for tibial prosthesis. Femoral epicondylar axis functions as the reference axis of prosthesis rotational alignment in TKA, which can achieve ideal patellofemoral joint biomechanics, and reduce postoperative complications. 1/3 line of medial border to moderate medial border of the tibial tubercle is regarded as the ideal rotational interval of the tibial prosthesis, and introversion and extroversion degrees of the knee joint are determinant of linear localization. Knee symptoms and function are significantly improved after fixed and mobile-bearing arthroplasties. These two kinds of prosthesis do not significantly vary in knee joint, pain, function, and patella scores as well as radiography. However, the knee motions during maximum flexion in the mobile-bearing arthroplasty are smaller than in the fixed one. It has been proven by experimental studies that mobile-bearing arthroplasty shows wearing resistance and joint movement superior over the fixed one, but there is no agreement in clinical studies.
Li BW.Biomechanical alterations in total knee arthroplasty. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu 2008;12(17):3313-3316(China) [www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-17/17k-3313(ps).pdf]
0 引言
人工膝关节置换术是治疗膝关节骨关节炎、类风湿性关节炎等病变晚期的有效方法。70年代中期出现的全髁型膝关节置换(total knee arthroplasty,TKA),标志着人工膝关节技术史上的一次革命,TKA的成功率较高,术后10~12年的随访优良率达98%,此后全髁型假体的设计又有所改进,从而使TKA技术日臻完善,成为目前人工膝关节置换术的标准设计。早期TKA技术要求在胫骨近端垂直截骨,在股骨远端及后髁采用平行截骨,但往往造成屈伸关节间隙不平衡,自80年代以来TKA技术开始发生理念性变化,即依据膝关节解剖、旋转、下肢力线排列及软组织平衡为基础的精确截骨技术,尽可能恢复髌骨运动轨迹以及假体的旋转位置,从而大大改善了TKA术后功能,提高了假体的使用寿命。本文就TKA技术中不同假体的选择以及手术技术对于术后髌股关节生物力学、髌骨运动轨迹以及假体旋转位置的影响加以分析,探讨了影响TKA术后膝关节功能以及假体使用寿命的相关力学因素。
1 全膝关节置换术中涉及的基本生物力学
1.1 胫股关节的生物力学 正常膝关节的运动学分析表明,在膝关节屈曲过程中,股骨通过滚动和滑动相结合的方式向胫骨后方移动,且同时存在胫骨内旋[1]。Draganich等[1]在正常膝关节标本上测得膝关节从伸直位至完全屈曲位时股骨向后滚动13.5 mm,且由于股骨外侧髁比内侧髁曲面半径大,外侧髁的后移较内侧髁大,导致屈膝时胫骨内旋。El Nahass等[2]观察了正常膝关节的运动方式,发现股骨向后滚动存在运动依赖性,平均为10.6~13.9 mm。在进行各种行走活动时,膝关节的旋转中心是不断变化的,胫股关节表面接触点位置也是不断发生变
化的。相对运动瞬时中心这一概念已经应用于膝关节研究中多年,正常膝关节活动的力学性质要求瞬时运动中心通过关节表面接触点的关节面垂直线上,当关节面和韧带结构不在正常解剖位置时,关节面之间没有正常滑动,而是倾向于相互分离或挤压时,瞬时运动中心将偏离这一垂线。关节的瞬时运动中心并不仅仅由韧带的动力学限制和关节面决定,它还取决于关节面的接触点位置。膝关节接触点的位置变化以及旋转中心的相应变化可以增加伸膝装置的力臂,减少功能负荷的力臂。交叉韧带本身是弹性结构,可以造成关节面接触点位置的改变,从而影响膝关节的动力学功能,因此交叉韧带可以看作是限制膝关节瞬时运动中心的结构。半月板则可以使骨性表面发生较小的位移即可以使接触点位置产生较大变化,从而有利于膝关节的动力学功能。
1.2 髌股关节的生物力学 髌股关节作用力不是为了直接平衡功能负荷而产生的,它们是为了在股四头肌通过髌韧带对胫骨施加作用力改变其作用方向而产生的。因此,髌骨的力学作用是机械性的改变受力方向。髌骨对3种力发生作用:股四头肌拉力、髌韧带拉力以及髌股关节面上的净压力,这3种力必须处于同一平面上。对于髌股关节来说,其关节动力学功能与其骨性结构对应位置间不存在固定关系。任一屈膝角度,实际接触部位是可变的,取决于特定负荷作用;同一屈膝角度,不同活动方式会产生不同负荷状态。应用生物力学原理的前提是作用于髌骨上的力位于同一平面,即分布于髌骨上的力必须能转化为与股四头肌肌力及髌韧带负荷处于同一平面的力。临床测量参数如股四头肌(Q)角,对于理解解剖结构对于髌股关节接触力的影响非常重要。前后位方向观察Q角时,Q角越大,外侧面向对于内侧面的接触力就越大,但是当膝关节屈曲到一定程度(大于20°)时,就不能用Q角来测量这一负荷分布了,因为此时髌骨所受作用力呈三维分布。
1.3 全膝关节置换术的生物力学 全膝置换术后膝关节的负荷力学改变不大,但对于关节挤压负荷的作用点应更仔细地加以分析。不同胫骨髁假体表面的前后曲度差别很大,交叉韧带保留型假体常较为平坦,而不保留交叉韧带和交叉韧带替代型假体则曲度较大。但是,其力学原理不会改变,即当关节反作用力仅由股骨和胫骨间传导的压缩负荷构成时,负荷力线必须通过关节面接触点而垂直于关节面。
2 问题的提出
问题1:全膝关节置换术中股骨与胫骨假体间的旋转对线如何影响髌股关节生物力学?
随着全膝置换术数量的快速增长, 翻修病例也急剧增加。其中因髌股关节并发症而需要翻修的病例占到人工膝关节翻修总数的50%。作者在此探讨了TKA手术中,影响髌股关节生物力学的因素都包括哪些?作为骨科临床医生,如何才能确保TKA术中及术后良好的髌骨活动轨迹,延长术后假体的使用寿命?
问题2:全膝关节置换术中不同假体选择对于术后胫股关节运动学以及假体寿命的影响?
全膝关节置换术中可以选择的假体种类包括哪些?其中各种不同的假体如何影响术后胫股关节的运动及假体的使用寿命?在临床实际应用中,需要怎样选择假体的类型才能使得全膝置换手术后胫股关节的运动达到最优、假体的使用寿命得以延长?
3 问题的讨论
3.1 问题1的讨论 伴随全膝置换术数量的快速增长, 翻修病例也急剧增加。其中因髌股关节并发症而需要翻修的病例占到人工膝关节翻修总数的第1位。TKA术后影响膝关节功能的因素除了假体设计和病人自身的因素以外, 术中股骨与胫骨假体间的旋转对线关系也是影响全膝关节置换术后功能的重要因素[3]。假体间的旋转对线关系不好不仅会导致胫股关节半脱位和聚乙烯半月板的早期磨损或破裂,还可以影响髌骨的轨迹和功能[4-5]。股骨假体的旋转定位通常采用股骨髁上轴线,即指股骨内上髁与外上髁最突点的连线, 该轴线被认为是确定股骨假体旋转角度的可信标志线[6-7]。
研究发现股骨假体的轴向旋转对线与髌股关节的运动力学密切相关。内旋假体会明显增加髌股关节的外侧接触压;而假体适度外旋,则能减少Q角,降低股四头肌外侧矢量,获得较好的髌骨运动轨迹[8]。但是过度外旋则可以引起髌骨内侧脱位和髌股关节内侧接触压增加。髌股关节接触压长期超过聚乙烯所能承受的限度,必定引发髌骨假体磨损与松动。股骨假体选择与股骨髁上轴平行的轴向旋转位置,可以获得最优的髌股关节生物力学表现[9]。胫骨假体的旋转标志线至今没有一个统一的标准,关节内的解剖参考标志线主要有胫骨后髁线、胫骨经髁线和胫骨中沟线[9]。Dalury等[10]曾提出以胫骨结节的中内1/3线定位胫骨假体, 可实现置换膝关节的最大功能, 且目前被大多数临床医生采用,但这可能只是建立在医生的个人经验基础上, 而缺乏理论根据。随后,Dalury[11]对50 例初次人工全膝关节置换的观察发现, 其中4 例患者将膝关节在伸直状态下取得胫骨假体自然的转动方向, 即当胫骨假体处于相对于股骨假体的功能位时, 外旋也仅止于胫骨结节内侧缘的外侧0~4 mm(平均2 mm ) 处, 而非以往所认为的胫骨结节中内1/3处。常用的关节外解剖参考标志线如踝间线、第2 跖骨线, 个体差异十分显著, 实际上可信度并不高[4]。Yagi等[12]认为正常情况下胫骨经髁线与踝间线有14~33°的外扭转角, 平均23.5°, 即内踝偏前、外踝偏后, 踝间线(即内外踝连线) 并不在冠状面上。由于以上参照线均有其不准确性, 近期有学者使用电脑断层扫瞄归纳出在术中胫骨截骨面上, 以膝后交叉韧带的中点与胫骨结节内侧缘的连线将较为正确[13-14]。
3.2 问题2的讨论 膝关节置换手术中常用的假体包括后稳定型、固定平台保留后交叉韧带型和移动平台保留后交叉韧带型假体。不同假体对于术后膝关节的最大屈曲度和膝关节屈曲过程中股骨假体相对胫骨假体的前后移动距离均有不同影响。王晓峰等[15]研究发现TKA术后屈膝时股骨假体相对胫骨假体的运动方式与正常膝不同。后稳定型组股骨假体相对于胫骨假体向后移动,与正常膝关节相似,只是后移距离较小,平均6.3 mm;固定平台保留后交叉韧带型假体组有16 例(64%)表现出与正常膝关节相反的股骨前移;移动平台保留后交叉韧带型假体组有22 例(88%)表现与正常膝关节相反的股骨前移。以上与Banks等[16]的研究结果相似。
有研究表明,股骨相对于胫骨的前后移动与前、后交叉韧带的完整性和伸肌装置的力学特性有关,特别是与髌韧带的牵拉方向和膝关节的屈曲度有关[17-19]。在膝屈曲度较小时,髌韧带的牵拉可在胫骨上产生前向剪切应力,胫骨的这种前向剪切应力通常被前交叉韧带的张力所克服。前交叉韧带的损伤或缺失可导致股骨相对胫骨向后移动(即胫骨前移)。在屈曲角度较大时,髌韧带的牵拉在胫骨上可产生后向的剪切应力,这种后向剪切应力通常被后交叉韧带的张力所克服。当后交叉韧带功能和张力不足时,可引起股骨相对胫骨前移(即胫骨后移)。Draganich等[1]研究正常膝关节标本的运动方式,发现切除前交叉韧带后,股骨相对于胫骨向后移位,再切除后交叉韧带,膝关节屈曲时出现股骨相对于胫骨向前移动。由此推测,本研究中保留后交叉韧带型假体TKA术后在屈膝角度较大时,可能由于术后后交叉韧带的功能或张力不足以对抗胫骨上的后向剪切应力,使股骨相对胫骨前移。而后稳定型假体组屈膝时股骨向后移动是因该假体设计制作时模拟了后交叉韧带的凸轮机制。在膝关节屈曲过程中,股骨假体的凸轮和替代后交叉韧带功能的胫骨平台柱的相互作用使股骨假体沿平台假体向后移动[20-21]。
股骨相对胫骨向前滑动会对膝关节产生不良影响。首先,由于股骨向前滑动,使得膝关节屈曲轴前移、伸肌装置紧张,软组织张力增加,这可能使膝关节最大屈曲角度减小。这也可能是保留后交叉韧带型假体TKA术后最大屈膝度比后稳定型假体小的原因。其次,由于股骨向前滑动,屈膝轴前移,使股四头肌的力矩缩短,导致股四头肌效率降低。同时,有研究表明,与挤压和滚动相比,滑动可使聚乙烯垫表面的剪切应力明显增加,明显加重聚乙烯垫的磨损[22]。王晓峰等[15]研究认为,临床工作中某些增大术后屈膝角度的方法并不能达到预期效果。如术中增大膝关节屈曲间隙以增加术后屈膝度的方法,通常靠应用较薄聚乙烯垫或切除较多的股骨后髁骨质以增大屈曲间隙,使膝屈曲时关节囊和韧带松弛,以达到较大的屈曲度。但是关节囊和韧带松弛可能会使膝屈曲时股骨向前滑动增加,致股骨后部与胫骨假体较早发生撞击,难以达到预期的效果。如果膝关节伸屈间隙不等宽,还易引起膝关节不稳。增加胫骨后倾角也可以使屈曲间隙增大。但对于后稳定型假体,增加胫骨后倾角会导致膝完全伸直时胫骨平台柱前方较早的撞击,使膝伸直受限。总之,TKA术后膝关节屈曲时股骨相对胫骨的前后移动方式对膝关节最大屈曲度有明显的影响。股骨在胫骨上的前向滑动会使膝最大屈曲度减小。
固定平台型TKA术后10~15 年的假体存活率( survival rate ) 达到约95%[23]。其远期失败的主要原因是聚乙烯平台的磨损和假体的松动。移动平台型假体的设计和应用晚于固定平台型假体。移动平台的设计目的是通过增加假体关节面间的形合度( conformity) 和允许聚乙烯垫在胫骨假体上移动, 以减少聚乙烯垫上下表面及骨-假体界面的应力, 进而达到减少磨损的目的。多项实验室研究表明移动平台型假体比固定平台型假体具有潜在的优势。应用膝关节模拟装置和恢复性研究表明, 与固定平台型假体相比, 移动平台型假体可降低聚乙烯垫的线性磨损率,在各种实验运动方式中, 其聚乙烯平台的应力均较小[24]。在模拟的扭转应力和假体位置旋转不良的情况中, 移动平台型假体的接触应力分布和峰值均比固定平台型假体的小[25]。D’Lima等[25]的研究表明, 增加移动平台型假体关节间的形合度并不损害关节的运动学, 而在固定平台型假体中则不然;移动平台型假体的接触应力分布和峰值均比固定平台型假体的小。王晓峰等对固定平台假体55膝、移动平台假体53膝平均随访31个月,固定平台和移动平台假体TKA术后都明显的改善了患膝的症状和功能, 这两种假体在膝关节评分、疼痛评分、功能评分、髌骨评分及X射线平片检查结果方面均没有明显差异。但是移动平台假体组TKA术后的最大屈曲度小于固定平台假体组的最大屈曲度。目前还没有研究报道称移动平台型TKA的机械失败率比固定平台假体的好。Bugbee等[26]报道经4~10年的随访, 固定平台假体的存活率为99%。Watanabe等[27]对双膝分别采用固定平台型假体和移动平台型假体TKA术后患者中期随访结果显示两种假体无明显差异。Kim等[28]对固定平台假体和移动平台假体平均随访7.4年(6~8年) , 两组假体的存活率均为98%。多项临床对照研究对这两种类型假体的评价也不相同。Kim等[28]应用固定平台假体和移动平台假体对116例患者行双膝同时置换(左、右膝应用不同的假体) 。经平均7.4年的随访研究后认为, 两种假体TKA术后在膝关节评分、假体存活率和患者主观感受方面无差异。而Price等[29]分别采用AGC固定平台假体和TMK移动平台假体对39例患者行双膝同时置换, 并随访1年后认为移动平台假体组在膝关节疼痛评分和患者主观感受方面明显优于固定平台假体组。聚乙烯平台脱位是导致移动平台假体TKA失败的一个不利因素。Biau等[30]研究认为移动平台假体半脱位和脱位的危险是一个值得关心的问题, 也是其TKA术后早期翻修的原因之一。Kim等[28]对116例移动平台TKA患者随访6~8年,聚乙烯垫的脱位率为1%。有研究对移动平台假体的磨损率较低提出质疑: 尽管实验报道聚乙烯的线性磨损降低了, 但是由于增加了关节面间的接触面积, 即相互摩擦的面积增大了, 其在体内的磨损颗粒量会减少还是会增多。Huang等[31]研究认为虽然移动平台假体在理论上存在优势, 但是在临床上尚没有证实它优于固定平台假体。虽然在实验室研究中移动平台型假体在耐磨损和关节运动学方面优于固定平台型假体, 但是在临床研究中的观点却并不一致。
4 问题的解决
①骨假体选择与股骨髁上轴平行的轴向旋转位置,可以获得最优的髌股关节生物力学表现。②传统的解剖标志线受到多种因素的影响缺乏准确性, 因此胫骨假体不存在统一的线性定位。若想尽可能恢复胫骨正确的旋转位置, 首先要确定胫骨假体旋转位置大约为胫骨结节内侧缘至中内1/3 线, 而非以往所认为的一律以胫骨结节中内1/3 线为准。轻度膝内翻患者的胫骨假体旋转定位大约以胫骨结节内侧缘为准, 中度的则可以该区间的中线为标志, 而重度的则参照胫骨结节中内1/3 线。③固定平台和移动平台假体TKA术后都明显的改善了患膝的症状和功能, 这两种假体在膝关节评分、疼痛评分、功能评分、髌骨评分及X线片检查结果方面均没有明显差异。但是移动平台假体组TKA术后的最大屈曲度小于固定平台假体组的最大屈曲度。虽然在实验室研究中移动平台型假体在耐磨损和关节运动学方面优于固定平台型假体, 但是在临床研究中的观点却并不一致。
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