ISSN 0972-978X 

  About COAA







Relationship between intraoperative joint gap in total knee arthroplasty and preoperative or postoperative range of motion

Hitoshi Sekiya • Kenzo Takatoku • Hisashi Takada • Naoya Sugimoto • Hideyuki Sasanuma • Yuichi Hoshino


Address for Correspondence

Hitoshi Sekiya (), Kenzo Takatoku, Hisashi Takada, Naoya Sugimoto, Hideyuki Sasanuma, Yuichi Hoshino

Department of Orthopaedic Surgery, Jichi Medical University, 3311-1 Yakushiji, Tochigi, 3290498, Japan

telephone: +81-285-58-7374



Each author certifies that he has no commercial associations (eg, consultancies, stock ownership, equity interest, patent/licensing arrangements, etc) that might pose a conflict of interest in connection with the submitted article.

Each author certifies that his institution approved the reporting of this case and that all investigations were conducted in conformity with ethical principles of research.

Katharine O’Moore-Klopf, ELS (East Setauket, NY, USA) provided professional English-language editing of this article.



In total knee arthroplasty (TKA), fine-tuning the intraoperative joint gap is said to be the key to a good outcome. However, it has been unclear how that gap is related to the preoperative or postoperative range of motion. To clarify the relationship between intraoperative gap and preoperative or postoperative extension deficit angle and flexion angle, we analyzed 161 knees in 150 women with osteoarthritis who underwent primary TKA without postoperative complications or abnormal instability. We measured the joint gap intraoperatively using a tensor device at 40 lb of force in extension and 90° of flexion. From the smaller of the medial gap or lateral gap in extension and 90° of flexion, we subtracted the thickness of the implant, and we defined the resulting value as an extension gap and a flexion gap. We defined the value obtained by subtracting the extension gap from the flexion gap as the gap difference. We classified the knees in our study by extension gap, flexion gap, and gap difference, with 3 groups for each of those gaps (for a total of 9 groups). There was strong correlation between postoperative deficit angle or flexion angle and preoperative extension deficit angle or flexion angle. Regarding extension gaps, flexion gaps, and gap differences, no significant difference was observed among groups for preoperative or postoperative extension deficit angle and flexion angle. Preoperative range of motion had little effect on intraoperative gaps, and intraoperative gaps had little effect on postoperative range of motion.

J.Orthopaedics 2012;9(3)e5

Key words: Total knee arthroplasty; Joint gap; Postoperative;  Preoperative;  Range of motion


Generally, patients with osteoarthritis whose activities of daily living involve ascending and descending steps may be content with a knee range of motion (ROM) >100° after total knee arthroplasty (TKA). However, Japanese patients, who more often squat or sit cross-legged than their non-Japanese counterparts, would require a ROM of 130° to 140° for activities of daily living even after TKA. To satisfy the need for deep knee flexion, high-flex TKA was recently developed; however, sufficient deep knee flexion still cannot be achieved in many cases. Preoperative ROM has been shown to be closely related to postoperative ROM in TKA [1,2]. However, the effects of other factors are controversial. Type of disease causing joint dysfunction, patient’s sex, patient’s age, patient’s body mass index, type of prosthesis used, the posterior inclination angle, patellar thickness, and the use of medial or lateral soft-tissue releasehave been reported as preoperative factors influencing postoperative ROM [1-3]. Reported intraoperative factors include treatment of the posterior cruciate ligament and the height of the joint level, whereas reported postoperative factors include rehabilitation, pain, and use of continuous passive motion [1-4]. Balancing the intraoperative gap between femur and tibia is said to be the key to successful TKA [5]. Too tight or too loose a balance has been reported to be related to the failure of TKA [6]. However, there are few reports about the relationship between the intraoperative gap and postoperative ROM [7,8]. To clarify that relationship, we conducted an investigation. Materials and methods

We analyzed 161 knees in 150 women with osteoarthritis who underwent primary TKA without postoperative complications or abnormal instability. ROM was evaluated by goniometer in all knees before surgery and 1 year after surgery. The women’s mean age was 75.9 ± 6.5 years (range, 54–89 years); mean height, 147.7 ± 6.0 cm (range, 134–168 cm); and mean weight, 59.4 ± 10.5 kg (range, 38–92 kg). The mean preoperative knee extension deficit was 14.8° ± 11.9° (range, 0°–50°), and the mean flexion angle was 118.1° ± 20.7° (range, 20°–150°). All TKAs were performed by the senior author (HS), and the Scorpio NRG posterior-stabilized TKA prosthesis (Stryker Howmedica Osteonics, Allendale, NJ, USA) was used in all knees. After bone cuts were made with the independent-cut method, a 40-lb tensor was used in extension and 90° of flexion, and release of the medial- or lateral-side soft tissue was conducted step by step. After joint reduction with trial components, if flexion contracture by manual force of >10° was observed, we increased the soft-tissue release until complete extension could be achieved. When additional release was required, we repeated the gap measurement after the release procedure.

For the gap measurement, we selected the smaller gap value among the lateral versus medial gaps. We defined the extension gap as the value subtracted by the thickness of the implant; that is:

thickness of femoral component + tibial component + polyethylene liner = extension gap


We defined the flexion gap as the value subtracted by the thickness of the implant from the gap in flexion. Also, we defined the gap difference as the value subtracted by the extension gap from the flexion gap, as described in the report by Higuchi et al [7]. To evaluate the effect of gaps on ROM, we classified the extension gap, flexion gap, and gap difference into 3 groups apiece, for a total of 9 groups, according the distribution of knees. Regarding extension gaps, 60 knees had gaps of ≤4 mm, 53 knees had gaps of 4. 1 to 5.5 mm, and 48 had gaps of ≥5.6 mm. Regarding flexion gaps, 58 had gaps of ≤4.5 mm, 58 had gaps of 4.6 to 7.5 mm, and 45 had gaps of ≥7.6 mm. Regarding gap differences, 67 had gaps of ≤0 mm, 52 had gaps of –0.1 to 3.0 mm, and 42 had gaps ≥3.1 mm.

We analyzed the correlation between preoperative and postoperative extension deficit or flexion angle using the Pearson correlation coefficient test. To investigate the difference in values among the 3 groups for preoperative or postoperative extension deficit angles and flexion angles, we used one-way analysis of variance and the Bonferroni post hoc test, conducted with the use of SPSS software (version 17.0; SPSS Inc., Chicago, IL, USA). We chose a level of p = 0.05 as indicating a significant difference.


The mean postoperative extension deficit angle was 3.4° ± 6.2° (range, 0°–45°), and the mean postoperative flexion angle was 118.3° ± 17.0° (range, 60°–150°).

A statistically significant positive correlation (r = 0.425; p < 0.001) was observed between the preoperative and postoperative flexion angles and between the preoperative and postoperative flexion angles (r = 0.411; p < 0.001). The mean extension gap was 4.8 ± 2.1 mm (range, 0–12 mm); mean flexion gap, 6.1 ± 3.4 mm (range, –3 to 14.5 mm); and mean gap difference, 1.3 ± 3.7 mm (range, –9.8 to 12 mm).

One-way analysis of variance showed no significant differences in preoperative or postoperative extension deficit angles or flexion angles among the 3 groups for extension gap, flexion gap, and gap difference (Tables 1 to 3).


Our study had some limitations. The first limitation concerns the position of the patella when the intraoperative gap was measured: We shifted the patella laterally, as has been done by other researchers. Recently, Matsumoto et al [9] reported recording the gap change for various knee flexion angles with a new tensor device that enabled gap measurement in cruciate-retaining TKA and posterior-stabilized TKA, two conditions that reduce the patellofemoral joint and evert the patella laterally. They observed no difference in measurement regardless of whether the patella was positioned at 0° of flexion or at 90° of flexion. Therefore, our measurements with a laterally shifted patella could be as reliable as measurements with a reduced patella.

Second, we selected the smaller gap value among lateral versus medial gaps. Matsumoto et al [9] did not discuss any differences between medial and lateral gaps. Although Higuchi et al [7] categorized medial gaps and lateral gaps separately, data analysis in our study would have become too complex to understand if we had used both medial and lateral gaps. To evaluate the space around the implant in the most simple fashion, we used the smaller gap value among lateral versus medial gaps.

In recent years, TKA prostheses have been improved to provide deep knee flexion. This is important because in Asian cultures, deep knee flexion is a part of daily life [1]. As we found, the preoperative flexion angle is strongly correlated with the postoperative flexion angle [1,2]. Surgeons have no control over the preoperative flexion angle. However, they can control the type of prosthesis that is used [10], the surgical technique [11], and the postoperative rehabilitation protocol [1].

High-flexion TKA has been reported by some researchers [12] to produce better postoperative flexion than conventional TKA; however, others have reported no difference in flexion between the two procedures [7]. Higuchi et al [7] reported that mobile TKA, which can reduce rotational mismatch between femoral and tibial components, produced better flexion than fixed TKA; however, some say that there is no difference [2,13]. Many have reported that in the treatment of the posterior cruciate ligament (PCL), a better flexion angle can be achieved in TKA with PCL removal than with PCL preservation [13]. However, some reports have indicated no difference in TKA with PCL removal versus PCL preservation [2]. It is possible that larger femoral components, with a large posterior offset, could be more advantageous than smaller components for achieving better flexion.

For surgical techniques, rotation of the femoral component [14] and thickness of patellar components [1] were correlated with postoperative knee flexion angle. Bengs and Scott [3] reported that passive knee flexion decreased 3° for every 3-mm increment of patellar thickness in TKA. However, Kotani et al [2] reported the opposite.

For a long time now, soft-tissue balance has been considered an important factor affecting the results of TKA [5,6]. However, only a few reports [7,8] have appeared about investigations of the relationship between the intraoperative gap and the postoperative ROM.

Asano et al [8] investigated the proper strength of soft-tissue tension in TKA using the same device that we used in this study, and they concluded that 126 N in extension and 121 N in flexion constituted proper tension. They anticipated that low soft-tissue tension would generate a high range of flexion; however, there was no correlation between soft-tissue tension in flexion and postoperative range of flexion in their study. Also, because the size of the gap was constant, the relationship between gap size and ROM was unclear.

Higuchi et al [7] prospectively investigated the relationship between intraoperative ligament balance and postoperative ROM in TKA with a mobile platform versus TKA with a fixed platform. Using a tensor device, they measured the gap at a distraction force of 80 N in extension and 90° of flexion, and they defined the value of the extension gap subtracted from the flexion gap as the intraoperative gap difference, just as in our study. They found no correlation between gap difference and postoperative ROM in mobile-bearing TKA. However, there was a positive correlation in fixed-bearing TKA; they had no comment about the reason for that.

Because too tight a gap in TKA can cause knee failure [6], we anticipated that the smaller the gap during surgery, the smaller the postoperative ROM would be. Likewise, we anticipated that preoperative ROM would have some effect on the intraoperative gap. From our results, however, it became clear that preoperative ROM had little effect on extension gap, flexion gap, and gap difference, and also that these gaps had little effect on ROM at 1 year after surgery. These results indicate that if we acquire large gaps in extension or flexion during TKA to improve the postoperative ROM, improvement cannot always be achieved. If we confirm complete knee extension after a trial reduction during TKA, the postoperative ROM will be closely related to the preoperative ROM, not to the intraoperative gap. Previously, we reported that a large amount of varus laxity immediately after TKA in varus-deformed knees had decreased by 3 months after TKA [15]. Thus, intraoperative soft-tissue tension can change after TKA. In view of that finding, it was reasonable to think that the joint gap would change after surgery. If the gap were constant after surgery, then theoretically, intraoperative gap size would have a strong effect on postoperative ROM. However, because of the change in the soft-tissue tension and gap, the anticipated relationship between intraoperative gaps and postoperative ROM were not observed in our study.


  • Ryu J, Saito S, Yamamoto K, Sano S. Factors influencing the postoperative range of motion in total knee arthroplasty. Bull Hosp Jt Dis 1993; 53:35–40
  • Kotani A, Yonekura A, Bourne RB. Factors influencing range of motion after contemporary total knee arthroplasty. J Arthroplasty 2005; 20:850–856
  • Bengs BC, Scott RD. The effect of patellar thickness on intraoperative knee flexion and patellar tracking in total knee arthroplasty. J Arthroplasty 2006; 21:650–655
  • Chiarello CM, Gundersen L, O’Halloran T. The effect of continuous passive motion duration and increment on range of motion in total knee arthroplasty patients. J Orthop Sports Phys Ther 1997; 25:119–127
  • Griffin FM, Insall JN, Scuderi GR. Accuracy of soft tissue balancing in total knee arthroplasty. J Arthroplasty 2000; 15:970–973
  • Swany MR, Scott RD. Posterior polyethylene wear in posterior cruciate ligament-retaining total knee arthroplasty. A case study. J Arthroplasty 1993; 8:439–446
  • Higuchi H, Hatayama K, Shimizu M, Kobayashi A, Kobayashi T, Takagishi K. Relationship between joint gap difference and range of motion in total knee arthroplasty: a prospective randomised study between different platforms. Int Orthop 2009;33:997–1000
  • Asano H, Hoshino A, Wilton TJ. Soft-tissue tension total knee arthroplasty. J Arthroplasty 2004; 19:558–561
  • Matsumoto T, Kuroda R, Kubo S, Muratsu H, Mizuno K, Kurosaka M. The intra-operative joint gap in cruciate-retaining compared with posterior-stabilised total knee replacement. J Bone Joint Surg 2009; 91B:475–480
  • Maruyama S, Yoshiya S, Matsui N, Kuroda R, Kurosaka M. Functional comparison of posterior cruciate–retaining versus posterior stabilized total knee arthroplasty. J Arthroplasty 2004; 19:349–353
  • Lee DH, Choi J, Nha KW, Kim HJ, Han SB. No difference in early functional outcomes for mini-midvastus and limited medial parapatellar approaches in navigation-assisted total knee arthroplasty: a prospective randomized clinical trial. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc 2011; 19:66–73
  • Huang HT, Su JY, Wang GJ. The early results of high-flex total knee arthroplasty: a minimum of 2 years of follow-up. J Arthroplasty 2005; 20:674–679
  • Stiehl JB, Dennis DA, Komistek RD, Keblish PA. In vivo kinematic analysis of a mobile bearing total knee prosthesis. Clin Orthop Relat Res 1997; 345:60–66
  • Uehara K, Kadoya Y, Kobayashi A, Ohashi H, Yamano Y. Bone anatomy and rotational alignment in total knee arthroplasty. Clin Orthop Relat Res 2002; 402:196–201
  • Sekiya H, Takatoku K, Takada H, Sasanuma H, Sugimoto N. Postoperative lateral ligamentous laxity diminishes with time after TKA in the varus knee. Clin Orthop Relat Res 2009; 467:1582–1586


Table 1 Differences in preoperative and postoperative range of motion among 3 groups of extension gaps 

Table 2 Difference in preoperative and postoperative range of motion among 3 groups of flexion gaps 

Table 3 Difference in preoperative and postoperative range of motion among 3 groups of gap difference 

This is a peer reviewed paper 

Please cite as :ite Infection- A Review of Literature and Single Institution Experience

J.Orthopaedics 2012;9(3)e5




Arthrocon 2011

Refresher Course in Hip Arthroplasty

13th March,  2011

At Malabar Palace,
Calicut, Kerala, India

Download Registration Form

For Details
Dr Anwar Marthya,
Ph:+91 9961303044



Powered by


© Copyright of articles belongs to the respective authors unless otherwise specified.Verbatim copying, redistribution and storage of this article permitted provided no restrictions are imposed on the access and a hyperlink to the original article in Journal of Orthopaedics maintained. All opinion stated are exclusively that of the author(s).
Journal of Orthopaedics upholds the policy of Open Access to Scientific literature.