7、人工关节外科学

7、人工关节外科学 P225~235----马旭、文字.................................................................................................... 1 P237~256----杜明昌、图文 ...............................................................................................13 P256~270----杨政博、文字 ...............................................................................................34 P225~235----马旭、文字 P225页 或非简体类抗炎药物以及胃肠道愤痛病史有关。THR术后引起的急性胆囊炎、急性痛风也有报道。当病人出现腹痛、肠梗阻时，除考虑急腹症外，注意排除骨水泥进入盆腔的可能。 术前有心脏疾病者，要预防术后出现急性心肌梗死、充血性心力衰竭和血栓栓塞性疾病等心血管疾病，避免术中或术后出现低血容量、低氧状态。使用骨水泥时，应检测血压。曾有报道在骨水泥填入髓腔后出现高血压、房颤、心脏停搏现象。当股骨柄假体插入髓腔时，脂肪颗粒和骨髓被挤压进入血循环，有可能引起脂肪栓塞。 THR术后最常见的死亡原因是肺栓塞、心肌梗死引起的心力衰竭。 第十二节术后处理及康复 随着人工全髋关节置换术(THR)的广泛应用，术后康复日益受到重视，精灌的手术技术只有结合完美的术后康复治疗，才能获得最理想的效果。THR术后康复是很复杂的问题，它不但与疾病本身有关，也与手术操作技术、患者的信心、精神状态以及对康复治疗配合程度密切相关。 THR术后康复措施的目的在于，促进患者恢复体力，增强肌力，增大关节活动度，恢 复日常生活动作的协调性。康复计划的制订必须遵循个体化、渐进性、全面性三大原则。功能锻炼时应注意运动量的控制，一般认为功能锻炼后如局部出现疼痛、肌肉僵硬，经休息30min或服用阿司匹林仍不能缓解，应考虑活动过量。如何掌握每日活动量的问题，可参照本书第三章膝关节置换术后的康复一节。 一、康复前的评价 由于手术本身直接影响术后康复计划，康复人员必须了解手术的详细情况。 (1)假体的位置:假体应按正常解剖位置放入，理想的髋臼假体位置是前倾15?士10?，外翻40?士10?，股骨假体旋前5?~10?。如髋臼前倾过多，则在外旋、内收伸直位时 不稳;如髋臼前倾不够，则在屈曲，内收内旋位时不稳;如髋臼外翻过多，则在屈曲60?、内收内旋位时不稳;如髋臼外翻不够，则在极度屈曲内收内旋位时易发生假体间撞击。如股骨假体前倾过多，则在伸展、内收和外旋位时不稳。如股骨假体前倾不够，则在极度屈曲内收和内旋位时不稳。康复训练人员，只有了解假体位置的优劣，才能很好地指导病人活动，因而能避免训练时发生脱位等并发症。 术中置入假体后，应常规检查屈曲、外展及外旋三方向上髋关节的稳定性，如在某方向上不稳，术中应立即寻找原因予以处理，术后应主动与康复人员互通信息，避免相应的功能锻炼。一般认为，术中假体位置合适，活动时无彼此撞击，只要术侧下肢不过度内收内旋，很少发生屈曲时髓脱位。另外，即使髋关节很稳定，也应避免伸髓位外旋。 (2)手术入路对关节稳定性影响:后入路很少出现髋关节伸展内收外旋位的不稳。前 入路较少引起髋关节屈曲时不稳。正侧方入路特别是关节囊完整者，在髋关节屈伸活动时最为稳定。 P226页 二、住院期间康复 (一)一般康复(以下所有康复图片均假设左髋关节为患侧)术后当天晚上，在术侧肢体外下方垫入适当厚度的软垫，使髋、膝关节稍屈曲，患者穿防旋转鞋避免下肢外旋，并减轻疼痛。术后第一天，撤除软垫，尽量伸直术侧下肢，以防屈髋畸形。根据引流量，术后24~48h内拨除引流管，引流物作细菌培养及药敏试验。术后使用足底静脉泵，促进下肢血液循环。有静脉炎或血栓形成史者可酌情使用华法林或低分子量肝素等预防深静脉血栓的药物，但注意监测凝血酶原时间，防止继发出血。适当服用镇静止痛药，或采用病人自控型静脉止痛泵，减少疼痛刺激，保证病人休息。 术后早期体疗的主要目的是，保持关节稳定性和肌肉的张力，防止出现关节僵硬和肌肉萎缩。此时病人体力虚弱，功能锻炼的运动量不宜过大。术后头三天的具体体疗方法如下:?踝关节主动屈伸练习，促进下肢血液回流，减少深部静脉血栓发生机会;?股四头肌、腘绳肌和臀大、臀中肌肉的等长收缩练习，保持肌肉张力;?深呼吸练习。术后1~2天，拔除引流管，拍摄X光片，判断假体的位置，如无特殊问题，可 开始下列练习。 (1)髋、膝关节屈伸练习，并逐渐由起初的被动，向主动加辅助，到完全主动练习过 渡。 (2)髋关节旋转练习，包括伸直位和屈髋位两种练习。屈髋位练习时双手拉住床上支 架，作上身左右摇摆，注意臀部不能离床(图2-140)。 (3)髋关节伸直练习，屈曲对侧髋、膝关节，做术侧髋关节主动伸直动作，充分伸展屈髋肌及关节囊前部。 P227页 (4)股四头肌的等张练习。 (5)上肢肌力练习，目的是恢复 上肢力量，使病人术后能较好地使用拐杖。 在术后早期体疗康复过程中，应注意下列几点:?避免术侧髋关节置于外旋伸直位，为防止患者向对侧翻身。床头柜应放在手术侧;?抬高对侧床脚，或保持术侧肢体的外展。或在双腿间置入三角垫，但须防止下肢外旋(图2-141);?术后早期进行关节的活动度锻炼，否则待6~8周关节囊血肿吸收机化时，再行体疗纠正会非常困难;?如有术侧髋关节中度屈曲位不稳定，在坐位行髋关节旋转练习时，应避免上身向术侧倾斜。 (二)特殊康复练习 术后1周，病人体力多有所恢复，使用骨水泥固定型假体的患者已经可以下地进行功能康复练习。因此，该阶段的主要目的是恢复关节的活动度，同时进一步提高肌力。需要强调一点，下列所有特殊康复练习必须在医生、体疗师的直接指导下进行，结合术前髋关节病变程度、假体类型、手术过程和病人全身情况，有选择性地制订各自的康复计划。 1.床上练习 床上练习适用于术后7d以上。锻炼屈髋肌力量的最好办法是作髋关节半屈位的主动或主动抗阻力屈髋练习。故术后主动早期进行直腿抬高练习，不仅对屈髋肌锻炼的意义 P228页 不大，相反却经常引起髋臼承受过高压力，不利于非骨水泥固定的髋臼假体的骨组织长 入，同时术侧腹股沟区疼痛，影响病人的康复，因此术后早期不提倡这项练习。术后7天后，如无特殊情况，可允许病人翻身。正确的翻身姿势应是:伸直术侧髋关节，保持旋 转中立位，伸直同侧上肢，手掌垫在大粗隆后面，向术侧翻身，防止患肢外旋(图2- 142)。伏卧位，有利于被动伸展镜关节。 (1)吊带辅助练习:如图所示(图2-143)，通过床架上的滑轮装置，依靠绳索和大腿 吊带的向上牵引力量，同时作主动辅助屈髋练习、抗阻力伸髋练习、主动伸膝练习和髋 关节外展、内收练习。 (2)仰卧、俯卧位髋关节内外旋练习:锻炼时，需保持双下肢外展。如术中有髋关节伸直外旋位不稳定，则避免外旋髋关节练习。 2.坐位练习 坐位练习适用于术后6d以后。除非特殊需要，术后一般不宜久坐，否则容易使髋关 P229页 节疲劳，髋关节屈曲畸形也不能得到很好的矫正。术后6~8周内，病人以躺、站或行走为主，坐的时间尽量缩短，每天可坐4~6次，每次限半小时。值得强调的是与站立、平卧位相比，坐位是髋关节最容易出现脱位、半脱位的体位，如果病人术中关节稳定性欠佳，应放弃坐位功能练习。坐位时，可有列几项练习内容。 (1)伸髋练习:坐于床边，双手后撑，主动伸直髋、膝关节(图2-144)。 (2)屈髋练习:注意髋关节适当外展，并置于旋转中立位(图2-145)。 (3)屈髋位旋转练习:双足分开，双膝合拢，用于练习髋关节内旋，反之，则为髋关 节外旋练习(图2-146)。 3.立位练习 立位练习适用术后6d以后，开始下地活动的病人。练习内容包括: (1)髋关节伸展练习:后伸术侧下肢，对侧髋、膝关节半屈，抬头挺胸，作骨盆前移动作，拉伸髋关节前关节囊和孪缩的屈髋肌群(图2-147)。 (2)骨盆左右摇摆练习:可用来练习髋关节的内收、外展。伸直下肢，左右摇摆骨盆， 使双侧髋关节交替外 图2-148)。一般情况下除了术中大粗隆展、内收。如病人靠墙固定双肩、双足，那么练习的效果会更佳( 截骨移位外，很少见到髋关节外展位的孪缩现象，更常见的畸形为髋关节的内收位孪缩。因此，做这一练习时，应针对性地多练髋关节的外展动作，内收动作尽量少做或不做。 (3)髋内外翻畸形矫正练习:伸直健侧下肢，适当垫高，而患肢直接踩在地上。这样可以保持患肢处于外展位。多用于术前有髋关节内收畸形的患者。反之，如患侧下肢垫高，则可用于纠正外展畸形(图2-149)。 (4)屈髋练习:抬高患肢，搁在一定高度的凳子上，上身用力前倾，加大髋关节屈 曲。通过调节凳子高度来控制患侧髋关节的屈曲程度(图2-150)。 P230页 (5)旋转练习:固定术侧下肢，通过对侧下肢前后移动，练习术侧髋关节的内、外旋(图2-151)。 4.步行练习 术后何时开始下地行走受手术假体类型、手术操作和病人体力恢复情况等影响。如使用的是骨水泥固定型假体，又是初次髋关节置换术，术中也没有植骨、骨折等情况，病人在术后第3天即可步行练习。如果属多孔表面骨长入型假体，则至少在术后6周才能开始步行练习。有大粗隆截骨、术中股骨骨折的病人，行走练习更应根据X线片情况，推迟到术后至少2月。先用习步架辅助行走，待重心稳定，信心充足后，改用双侧腋杖。步行练习时，术侧下肢至少负重20~30kg。步态发现，开始行走时，许多病人术侧膝关节在站立相始终处于伸直状态，随着步态的熟练，步伐的加快，术侧膝关节活动多能自然过渡到正常.很多病人在练习行走过程中，出现双拐太靠后，这样双下肢负重量不宜得到控制，病人行走不稳。有些病人为避免过度伸展髋关节造成局部不适，采取术侧下肢迈大步，对侧下肢迈小步的行走方法，这样髋关节前方孪缩的关节囊、肌肉组织得不有效牵拉，不利于纠正术后髋关节残存的屈曲畸形。另外，也有部分病例在行走站立相后期，出现术侧下股屈膝、足跟过早离地。纠正的方法是让患者的足跟在站立相后期尽可能贴住地面， P231页 同时在整个站立相，术侧膝关节应始终处于伸直位，并保持挺胸伸腰。在上下楼练习时，要求"好上坏下"， 即上楼时健侧先上，下楼时术侧先下。 P232页 5.踏车练习 踏车练习开始时间多在病人步行练习之后，一般术后2~3周开始。也可根据病人的具体情况进行适当调整。开始时，稍用力，保持车速24. 14km/h，术后6~8周，逐渐加快，以骑车10~15min后出现疲劳感为宜。上车有两种方法:一种是，一手握车把中央，一手支撑座垫，术侧下肢部分负重，健腿跨横档踩住车踏板。上车坐稳后，将另一侧车踏板放置在最低点，方便患肢踩踏。第二种是，先坐于床边，健侧下肢跨车横档，以后步骤同上。后种方法适用于双髋置换术者或对侧髋、膝关节同时活动受限者。双足踩住车踏板后，尽可能升高车座垫，能骑满圈后，逐渐调低座垫以增加髋关节屈曲度。先练后蹬，熟练后改练前蹬。身体前倾，可增加髋关节屈曲，双膝并拢或分开可使髋关节内、外旋。 (三)出院计划 与发达国家的医疗条件不同，目前国内几乎没有一家医院设有专职体疗师来负责人工关节置换病人的术后康复，更没有良好的社区医疗机构来完成出院病人的后续康复指导。为弥补这一缺陷，要求国内手术医生除担负诊治重任外，还需要极大程度上地充当类似于国外康复体疗师的角色。 毫无疑问，住院期间病人一般多能在医生的良好指导下，按针对不同病人制定的康复程序，得到有步骤地康复治疗。然而多数病人住院时间是十分有限的。人工髋膝关节置换术病例，如术后无特殊情况，术后住院时间一般在2~3周。这在患者整个康复过程所需的时间(一般半年)中，只占了很小的比例。我们必须了解这一实际情况，即由于交通工具、经济条件及医疗现状等诸多因素的限制，许多病人出院后很少有机会能继续 P233页 得到医生、体疗师的直接指导。这就要求手术医生还应承担起康复教育的责任，在病人住院期间，将制定的康复措施、进展计划解释给病人及其家属，教育家属具体的康复练习细节，让他们直接参与治疗，协助病人的康复。这是出院计划中十分重要的一步。对初次人工髋关节置换术病人，要求出院时达到:?扶双拐能自己行走，无需他人帮助，能独立坐起。这两动作能否完成直接影响病人出院后的生活自理能力;?没有任何术后早期并发症迹象:?病人、家属已经掌握或了解出院后的康复计划，并能较好地实行。为确保患者出院后能继续得到较好的康复治疗，作者单位还专门编写了一套通俗易懂的有关人工关节术后康复的小册子，发送给患者。 三、随访阶段的康复 (一)初次随访 术后6~8周第一次随访，根据复查的髋关节正侧位片结果及体检情况，提出下一步的康复计划。此阶段功能锻炼侧重点是在提高肌肉的整体力量，指导病人恢复日常活动能力。对髋关节某些活动仍受限者，应加强针对性的功能练习。除返修术或个别有特殊问题病人外，一般病人可进入下列康复内容。 (1)髋关节伸展练习:俯卧位，后伸髋关节。如膝关节保持伸直，则可同时训练臀大肌与腘绳肌肌力。 (2)髋关节外展练习:侧俯卧，身体向腹侧倾斜，与床面成60?，以充分锻炼臀中、小肌外展髋关节。侧俯卧时如身体朝背侧偏斜，这样外展下肢时更多锻炼的是阔筋膜张肌，而不是臀中小肌。 (3)直腿抬高:锻炼屈髓肌群的力量。 (4)残余屈髓孪缩拉伸练习:练习方法类似下肢Thomas征检查。对侧镜、膝关节尽量屈曲贴向胸部，主动伸直术侧髋关节，牵拉屈髓肌和关节囊。 (5)单腿平衡练习:术侧单腿站立，对侧上肢支撑桌面，保持平衡。逐渐减少手指用 力，最终完全离开桌面。每日10~15次，每次练习1~2min，直至术侧下肢能单腿站立，而且Trendelenburg征持续阴性达1min。对是否继续使用支具，f视假体的固定形式、大粗隆截骨和手术复杂性而定。一般来说，使用骨水泥固定型假体者，恢复最快，特别是术中没有施行大粗隆截骨术者，术后持续使用双拐6周，然后改用单拐或单手杖4周。如有粗隆截骨，可适当延长双拐使用时间，一般为8周，具体延长时间要根据X线片复查的粗隆愈合情况来决定。使用非骨水泥固定型假体者，假体依靠生物固定，表面多孔型假体更是需要骨组织的长入才能获得最终固定。如果早期活动，会影响假体的固定效果。因此，对表面多孔型假体术后不易早期负重。双拐使用时间一般为12周，再改用单拐或单手杖4周。对使用紧压配合型假体的患者，处理方法上可类同骨水泥固定者。使用羟基磷灰石喷涂型假体一般术后扶双拐6周，再改为单拐或单手杖4周即可。返修术病人，骨质、软组织条件差，大部分病人存在不同程度的骨缺损，需要自体或异体骨移植，手术难度较大。同时许多医生在返修术中，喜欢使用非骨水泥固定型假体。为保证骨组织的良好愈合，要求病人术后更 P234页 长时间内使用双拐，多为6个月。如果返修术时，仅置换了髋臼的聚乙烯内衬，或者只是对失败的髋关节 表面置换术进行返修，改为常规带髓内柄髋关节假体置换术，对这些返修病人的康复进程可按常规处理。 除特殊功能锻炼外，病人可以参加一些户外活动，如游泳、打球等，但须注意以下几条:?控制活动量，不易过大;?保持术侧髋关节外展位，特别是髋臼假体过于垂直，股骨柄假体外翻位安置者;?屈髋不应超过90? (二)二次随访 时间在术后4个月，仍需复查髋关节X线片，检查患者关节活动度、肌力及Trende-lenburg征。评定的内容包括:?肌力是否恢复正常;?病人能否独立行走而无需支具辅 助，且无破行，能行走较长距离;?关节活动范围是否能够满足日常的生活需要。如无疼痛、破行，可弃拐。这一阶段功能锻炼重点在于提高肌肉的耐力。方法包括抗阻力的直腿抬高练习、侧卧髋关节外展和俯卧伸髋练习等。在逐渐提高病人抗阻力强度同时，延长锻炼时间，提高肌肉耐力。 (三〉随访注意事项 人工髋关节置换术的疗效非常显著，经过医生和患者的共同努力，绝大多数病员随着日渐康复，能够完全恢复日常生活能力，能参加一些轻体力劳动和体育项目，部分病员还能重新走上工作岗位。但同时，医生应该提醒病员不要因此而放松警惕。对各种可能导致假关节损害的动作不注意防范，往往会造成许多不必要的麻烦，严重者可影响假关节的使用寿命。具体注意事项如下: (1)必须使用拐杖至无疼痛及服行时，方可弃拐。作者建议最好终身使用单手杖，减少术侧关节的磨损，尤其是外出旅行或长距离行走时。 (2)注意预防并及时控制感梁。对拔牙、扁桃体摘除、插尿管等有可能造成感染的任何手术或治疗措施，都应及时预防，防止细菌血运传播造成关节感染。 (3)术后6~8周内避免性生活。性生活时要防止术侧下肢极度外展，并避免受压。 (4)避免重体力活动以及参加诸如奔跑、跳迪斯科等需要髋关节大范围剧烈活动的运动项目，以减少发生术后关节脱位、半脱位、骨折、假体松动等问题。 (5)避免将髋关节放置在易脱位的体位。这些体位包括: 1)髋关节内收、内旋、半屈位:此时最易出现假体撞击脱位。日常生活中应避免在髋关节内收内旋位时自坐位站起的动作;避免在双膝并拢双足分开情况下，身体向术侧倾斜去取东西、接电话等。 2)髋关节过度屈曲、内收、内旋位也是假体易于撞击脱位的姿势，这种体位多出现在 翘"二郎腿"或女性的穿鞋动作〔图2-152(1~2)J。因此，要培养病人术后正确的穿鞋姿势。另外，厕所坐桶不宜过低，防止出现身体前倾，双足分开，双膝并拢的不良姿势。 3)容易出现假体撞击脱位的第三种姿势，是术侧髋关节处于伸直、内收外旋位。因 P235页 此患者向健侧翻身时务必小心[图2-152(3)]。 (6)避免在不平整、光滑路面行走。 (7)保持下肢经常处于外展位、或中立位。6---8周内屈髋不要超过90?。 (8)出现术侧髋关节任何异常情况，均应及时与手术医生联系。 (9)第三次复查在术后一年时，以后可每年复查一次，复查内容包括款关节正侧位片、人工髋关节功能评分等。 (吕厚山林剑浩) 参考文献 陈晓欣，林剑浩，昌厚山. 1992.应力遮挡与人工俄关节假体的设计.医用生物力学， 3: 138 P237~256----杜明昌、图文 P237页 第三章人工膝关节置换术 第一节功能解剖及生物力学 膝关节是下肢的主要关节，其结构和功能都是人体关节中最复杂的。全膝关节假体的设计、手术器械的研制以及外科手术操作都必须以对膝关节解剖和生物力学知识的充分理解为基础。 一、膝关节功能解剖 膝关节由股骨髁、胫骨平台、髌骨及其周围滑膜、关节囊、韧带、半月板和肌肉等组织共同构成。 (一)骨结构及其表面形态 (1)股骨:其下端向两侧和后方扩大形成内、外侧股骨镖，中间以保间窝相隔，两憬的关节面向骺逐渐变平，并于骺方连合，形成一矢状位浅凹，即髌面，当小腿伸直时，可容纳髌骨。股骨内外髁关节面在矢状和冠状面上均呈凸形，股腔关节面矢状面曲线半径向后逐渐减小，在后侧它们呈圆形并互相平行。内、外侧解骺后长轴互不平行而向后分开，内侧轴较外侧倾斜更明显，与关节面横轴呈120。交角(图3-1)。内侧髁长度及曲率半径比外侧模大，致使膝关节伸直过程中内侧模有较大的滑动，产生股骨内旋运动。外侧髁髌面大而突起，起阻止髌骨外脱位作用。股骨两舰侧面粗糙不平，高出部分分别为股骨内上、外上髁。外上髁较小，其下有一深沟，称腘肌沟，腘肌腱由此经过。内上棵上方有收肌结节。股骨下端的次级骨化中心在出生骺形成，至19~20岁时始与骨干愈合，该骨骺与下肢的生长有关。 (2)胚骨:胚骨上端变厚，形成内、外侧慎，也称胫骨平台，分别与股骨内、外侧髁相接。内侧平台冠状和矢状面上均呈凹形，外侧平台矢状面上呈凸形或平坦、冠状面上呈凹形(图3-2)。内侧平台较大，以平台正中为起点，沿横轴将内外侧平台各分成五个等份，分别测量这些等分线上平台骺后径。内外侧平台从周缘向内依次三条等分线的前后径之比分别1 : 0.92、1 : 0.87和1 : 0.82。胫骨平台的曲度大于股骨髁，两者外形不全形合，半月板可增加两者匹配程度和接触面积。相对于胫骨干轴线，内外侧平台后倾约3~7。平台中间是髁间隆起，由两个胫骨髁间结节构成，其高低常有变异，可限制膝关节的内外移动，还可使股骨在胫骨上旋转时升高，紧张韧带，从而限制其过度旋转。在胫骨髁间结节之前、后，也称髁间前、后区。在髁间前区，由骺向后依次附着内侧半月板前角、前交叉韧带和 P238页 外侧半月板的前角。在胫骨髁间后区，依次附着内侧半月板后角、外侧半月板后角及后交叉韧带。胫骨上端前侧有一三角形隆起，称为胫骨结节，是髌韧带附着处，可视为胫骨前缘最高点。胫骨外侧髁的后外侧面有一小的圆形排关节面与排骨小头相接。胫骨上端的次级骨化中心约在出生时形成，经过骨化形成两模及胫骨结节，至16""-'18岁与骨干愈合。 (3)髌骨:髌骨是身体中最大的籽骨，居股四头肌肌腱中，髌骨本身没有骨膜，呈三角形，前面粗糙，供股 图3-3)。非关节面部分位于髌骨下极，大约占髌骨总高四头肌和牍韧带附着，后面分关节面和非关节面( 度的1/4，关节面部分有约4-5mm厚的软骨覆盖，十分光滑，与股骨髁髌骨滑槽相关节。关节面被中央略分成内外两部分，通常外侧占整个关节面的2/3，内外侧关节面在纵轴方向又以横嵴分成上、中、下三区。另外，在髌骨内缘还有一个小关节面。髌骨次级骨化中心出现与闭合约在3-6岁间。 P239页 (二)韧带 关节囊广阔松弛，各部厚薄不一，附于膝关节面的周缘。关节囊前壁不完整，由附着于股四头肌腱的髌骨和髌韧带填补。关节囊周围由许多韧带包括腓侧、胫侧副韧带等予以加强，稳定关节。 (1)膝关节伸膝装置:膝关节前面为髌骨固定装置所覆盖，该装置主要由股四头肌的腱性扩张部构成。髌骨的两侧有自股内侧肌和股外侧肌腱下延的棋内、外侧支持带，分别止于胫骨上端的内外侧面，起到加强膝关节囊及维持髌骨固定作用。股四头肌肌腱、髌骨及髌韧带全体，组成了膝关节的伸膝装置。自宾韧带位于关节囊前方，起自髌骨下端及其后方的粗面，止于胫骨结节，长约6~8cm，两侧与髌内、外侧支持带相交织，上端与股四头肌的远端相延续。髌韧带深面与关节滑膜、胫骨之间隔有髌下脂肪垫和滑囊。 (2)膝关节内侧支持结构:可分三层。第一层是包裹缝匠肌的深筋膜。向前下跨越股薄肌、 半腱肌肌腱，止于胫骨上端前内缘，向后扩展到窝中线，覆盖腓肠肌内侧头和窝内其他结构，前部纤维编入第二层及髌骨内侧支持带。第一层与其深面的胫侧副韧带不相连接(图3-4)。胫侧副韧带分成浅、深两层，深层较短，构成关节囊的一部分，即内侧关节囊韧带。浅 P240页 层较长，起于股骨内上髁，构成膝关节内侧支持结构的第二层，其前部纤维纵形向前下止于胫骨上端内面，紧挨鹅足止点后方，距关节面约4~6cm。后部纤维斜向后下，与其下方关节囊(第三层)及半膜肌腱部分纤维交织一道止于胫骨内倒器后缘，同时也附着到内侧半月板后缘，形成所谓的后内侧角(图3-5)。充分伸膝时，该韧带绷紧有助于膝关节的稳定。屈膝过程中，浅层韧带的前部向后推移，盖过侧副韧带深层。胫侧副韧带前部浅、深层之间，相对于膝关节线附近，有一滑囊相隔。胫侧副韧带浅层下部被鹅头肌(缝匠肌、股薄肌和半腱肌)所覆盖。这些肌腱与副韧带之间也有滑囊，所有滑囊可出现炎症改变。膝关节内侧支持结构的第三层为关节囊，前方薄弱，向下覆盖脂肪垫，向上笼罩髌主囊。向后在浅层侧副韧带之下增厚，形成内侧关节囊韧带(图3-6)。该韧带起自股骨内上髁，向下与内侧半月板附着，又称为半月板股骨韧带。再向下行，止于胫骨上端内面，也称半月板胫骨韧带，比韧带很短，在膝关节屈伸时，它可允许半月板在该纤维长度的范围内前后活动。如该段韧带断裂，不仅丧失对半月板的控制，而且可造成关节的旋转不稳。 (3)膝关节外侧支持结构:也可类似分为三层。第一层为筋膜层，在膝部和大腿的外 侧面，该筋膜增厚形成髂胫束，部分纤维向后编入股二头肌筋膜，并在腘窝中线与覆盖膝 P241页 关节内侧的筋膜相联合。向前止于髌骨、髌韧带和胫骨外髁。髂胫束向下经过膝关节的外侧方，止于胫骨外侧髁前外侧面的髂胫束结节(Gerdy结节)。该筋膜还通过外侧肌间隔附着于股骨粗线，维持髂胫束一定的张力。 第二层由腓侧副韧带、小豆腓骨韧带(fabellofibular lig.)和弓状韧带组成。腓侧副韧带从股骨外上髁向后下走行，达腓骨尖端，呈圆索状结构，与外侧半月板不连接。它在膝关节完全伸直时是绷紧的，一旦屈膝便松弛。股二头肌借助于它在韧带周围的环行腱纤维，使外侧副韧带保持持续的张力(图3-7)。屈膝时股二头肌可把该韧带向后拉紧，从而起到稳定关节的作用。小豆腓骨韧带位于侧副韧带和弓状韧带之间，起自腓肠肌外侧头，止于腓骨茎突。第三层是真正的关节囊，较为薄弱，在前面，其纤维下覆盖着脂肪垫，向后走行与内侧纤维相混合。在后侧髁间区该囊增厚，形成脑斜韧带。 (4)腘斜韧带和弓状韧带:腘斜韧带为半膜肌的反折部，自胫骨后上方斜向上外，止 于股骨外上髁后方，与关节囊后部相融合，可加强后关节囊并制止膝过分伸直。腘斜韧带构成腘窝底部一部分，其表面有腘动脉经过。关节囊的后外侧部纤维增厚，形成腘弓状韧带，越过由关节囊内穿出的腘肌腱，向上附着于股骨外上髁的后面，向下附着于腓骨小头和胫骨外侧髁的边缘(图3-8)。 (5)前交叉韧带:上端附着在股骨外髁内侧面的后半部分，呈新月形，凸面朝后(图3- 9)，下端附着在胫骨髁间前区和内侧髁间结节之间，并与内外侧半月板前角相连接(图3- 10)。宽约llmm，长约38mm。其纤维可分为前内侧和后外侧两部分。屈膝时前交叉韧带 前内侧部紧张，而后外侧部分因其股骨、胫骨起止点间距离缩短反而变得松弛，伸膝时相反。屈曲约45?时，前交叉韧带松弛程度最大。膝关节的旋转程度对韧带的张力也有影响，屈膝过程中的胫骨内旋，可使该韧带纤维拉紧。当胫骨外旋时，则趋向于松弛(图3-11)。前交叉韧带的功能包括:?限制胫骨过度前移;?限制膝关节过伸;?限制胫骨的旋转;?限制伸膝位的侧向活动。 P242页 (6)后交叉韧带:上端附着在股骨内髁外侧面，也呈新月形，凸面超下(图3-9)。下端 附着在髁间隆起的槽 沟内，并向下延伸到胫骨髁间窝的后缘中部(图3-10)。部分纤维与 P243页 外侧半月板后角相连。宽约13mm，长约38mm。屈膝时，该韧带后部纤维因起止点靠近而松弛，而韧带其余部分保持着紧张状态。屈曲约30?时，大部分纤维均趋紧张。它是膝关节内最强的韧带，是膝关节稳定的重要因素。后交叉韧带可防止胫骨后移。当胫骨内旋时，前、后交叉韧带互相缠绕，韧带趋于紧张。而当胫骨外旋，它们变得松弛，到一定程度时相互间不再缠绕(图3-12)。后交叉韧带的功能包括:?限制胫骨，过度后移;?限制膝过伸;?限制伸膝位的侧方活动;?限制膝关节旋转活动。 (三)肌肉 运动膝关节的肌肉主要分为两类，即伸膝肌和屈膝肌。前者指的是股四头肌，其四部分肌肉不同程度地负责膝关节伸直(图3-13)。屈膝肌包括股二头肌、半腱肌、半膜肌、缝匠肌、腘肌、股薄肌和排肠肌，其中股二头肌还有外旋作用，半膜肌、半腱肌、缝匠肌、股薄肌和腘肌还有内旋作用。 1.伸膝肌 (1)股直肌:位于股前中部，起于髂前下棘，在下端变窄形成一个宽的筋膜，横径约5~8cm，附着于骨上缘，大部分纤维越过髌骨前面，继续向下延伸为股外侧肌髌韧带。 ( 2)股外侧肌:股外侧肌为股四头肌中最强大 者，起于股骨粗线外侧唇，位于股直肌外侧。距髌骨上缘2~3cm处成为腱性，下部纤维在冠状面上呈约12?~15?角附着在髌骨上。小部分纤维继续进入外侧支持带。另有部分纤维向外侧走行加入髂胫束，加强图3-13股四头肌组成及在髌骨的附着伸膝时胫骨的外旋作用。 (3)股内侧肌:起于股骨粗线内侧唇，在功能上分为股内长肌和股内斜肌，股内长肌 较大，位于近侧，纤维方向近乎垂直，与股骨纵轴呈15?~18?角，股内斜肌位于肌肉远侧1/4，与股骨纵轴呈50?~55?。这两部分肌肉由不同的神经支配，它们在距髌骨几毫米时才 变成腱膜，并直接进入髌骨的内上缘。部分纤维参与构成内侧支持带。 (4)股中间肌:股中间肌是股四头肌四部分中最小的一个，起于股骨体的前面，肌纤维向下止于股直肌深面和髌骨上缘。其下部深面有少许肌束形成膝关节肌，止于膝关节囊，起到伸膝和向上牵拉膝关节囊的作用。 股四头肌的主要功能是伸膝，股内斜肌还有防止髌骨向外半脱位的作用。有人认为股内侧肌在膝关节伸直最后10?~15?时起主要作用，此肌肉的早期萎缩可导致膝最后伸直功能受限。也有学者持不同意见，Brewerton(1955)和Lieb(1968)用局部浸润麻醉阻滞支配股内侧肌的神经来降低该肌肉功能，结果并不妨碍膝关节的最后伸直。但同时他们也证明最后15?的伸膝，需要股四头肌更大的动力，超过整个伸直过程力量的60%，因此在整个肌力降低时，该肢体的这部分活动范围最容易丧失。 P244页 2.屈膝肌 (1)股二头肌:长头起自坐骨结节，短头起自股骨粗线，在长头深面与之相合。在膝关节平面共同形成圆而粗的肌腱，向下止于腓骨小头，并分出纤维到髂胫束、外侧副韧带及后关节囊，因而在膝关节屈曲时，能牵拉这些韧带使之保持紧张，维持膝关节外侧的稳定。 (2)半腱肌:位于股后内侧，起自坐骨结节，在股骨中点水平即成为腱性，越过内侧副 韧带，同缝匠肌、股薄肌一道互相重叠交织，形成鹅掌腾，止于胫骨上端内侧。与内侧副韧带之间形成一个大的鹅足囊。 (3)半膜肌:半膜肌腱增强关节囊的后内角，部分纤维反折成为腘斜韧带。除可屈膝及 内旋胫骨外，对膝关节后方的稳定也起着重要的作用。 (4)缝匠肌:是全身最长的肌肉，呈扁带状，起于臀前上棘，经大腿前面，转向内侧，形 成宽阔的腱膜，向前越过股薄肌、半腱肌肌腱，止于胫骨上端的内侧面。一部分纤维移行于小腿筋膜。收缩时可屈膝屈髋，并起稳定膝关节内侧作用。 (5)股薄肌:是大腿内侧最浅层肌，起自闭孔周围的耻骨支、坐骨支和坐骨结节等骨 面，下端细薄，位于缝匠肌和半膜肌之间，止于胫骨内侧骨果，可加强膝内侧韧带稳定性。 (6)腘肌:起自股骨外侧髁的外侧部分，向后下越关节时居关节纤维囊与滑膜之间，在外侧半月板外缘沟中下降，穿弓状韧带之下，止于胫骨的比目鱼肌线以上的骨面。腘肌构成腘窝底之一部分，收缩时可使膝关节后屈和内旋(图3-14)。 (7)腓肠肌:腓肠肌内、外侧二头起自股骨内、外侧髁的后面，而头相合，约在小腿中点移行于肌腱，并与其深面的比目鱼肌相合，止于跟骨结节。两头起点下方与股骨髁间有滑囊相隔，内侧滑囊较大，且常与关节囊相通，易因损伤或渗液较多而形成突向腘窝的囊肿(Baker囊肿)。 (四)半月板 在股骨与胫骨关节面之间，垫有两块纤维软骨板，分别称为内、外侧半月板。半月板周缘厚、内缘薄，下面平坦与胫骨平台相接，上面凹陷，与股骨模相接，切面为三角形。内侧半月板较大，呈"C"形，前窄后宽，前后端分别附着于胫骨髁间前、后区，其边缘与关节囊及胫侧副韧带紧贴，部分半膜肌纤维通过关节囊止于内侧半月板的后内侧缘。外侧半月板较小，呈环形，前后端也分别附着于胫骨髁间前、后区，其后外侧有一沟，肌腱将外侧半月板与腓侧副韧带隔开，故外侧半月板较内侧半月板有更大的灵活性(图3-14)。从它的后端，发出一坚强的斜行纤维束附着于股骨内侧髁，与后交叉韧带相贴，根据其与后交叉韧带的位置关系，分别称之为半月板股骨前、后韧带，其中以后者多见。两半月板均覆盖了内、外侧平台外缘近2/3面积。在两板的前部连有膝横韧带。半月板的功能包括:?传导载荷。膝关节属轻度不吻合的关节面对合， 半月板在此起重要作用。不吻合曲面易形成压力过高而不利于载荷传导。而半月板、关节软骨及其下骨质的可塑性，在载荷增加时能发生变形，使接触面积增大，从而整个关节面压力分别均匀，有利于载荷传导。有作者研究发现，膝伸直时，压应力的50经半月板传导，屈膝90?时则85压力负荷由半月板传导。半月板切除后的膝关节接触面积约降低50而导致压应力增高。有人测定膝关节生理负重面为 P245页 23平方厘米，大于股骨髁与胫骨髁的接触面。?维持稳定。加深了胫骨髁关节面，对膝关节有稳 定作用。韧带和半月板构成"8"字型结构，半月板在膝关节伸屈活动时可以向前、后移动， 从而使股骨髁在任何伸屈位置上都有楔形填充以得到稳定。半月板切除后的膝关节易产生前后十字韧带松弛而造成膝关节不稳定。?协助润滑作用。半月板的活动可使滑液均匀分布，有益于润滑关节。切除半月板后，膝关节的摩擦系数增加20%。另外，半月板髁形充填，扩大了股骨髁与胫骨髁的间接接触面积，可以防止关节囊或滑膜的嵌入。?减轻震荡作用:半月板能在正常步态中减轻载荷震荡。切除半月板后的膝关节吸收负荷震荡的能力要减少20%而易产生骨关节炎。 (五)关节囊和滑膜 膝关节的纤维囊由薄而坚强的纤维膜构成，上起自股骨髁间线，两侧仅高于关节边缘1. 25cm，所以股骨内外上髁均在关节囊外，下止于胫骨关节面的远侧边缘O. 3~0. 6cm。关节囊薄而松弛，周围有韧带加强。前面连接股四头肌肌腱及髌韧带，外侧有弓状韧带加强，内侧纤维囊与内侧副韧带后部纤维相交织，并和内侧半月板边缘相连，成为内侧副韧带的一部分。腘斜韧带和弓状韧带起到加固后方关节囊的作用。关节囊本身对关节的稳定并无多大作用，伸膝时，膝关节之所以稳定，系由其周围韧带、肌肉来维持。膝关节滑膜是全身最大的滑膜，内衬在关节囊内面。起自关节软骨边缘，然后反折于关节囊内。向上延伸至股中间肌下形成大的囊袋，多与肤上囊相通。两侧覆盖在股骨髁表面，形成外侧和内侧沟部。向下延伸与半月板附着，并覆盖胫骨平台缘约0.7cm。前、后交叉韧带也被滑膜所包绕。另外，外侧半月板背侧肌腱通过的管道也有滑膜覆盖。部分滑膜隆起形成皱襞(图3-15)，按其位置分为:?棋上皱襞:位于髌上囊与股胫关节之间，通常中央有孔，从而又分为髌上内侧和外侧皱襞。?棋内皱襞:起于内侧棋上皱襞，沿关节内侧壁 持续向下走行，远侧至覆盖脂肪垫的滑膜上。?棋下皱襞:髌下滑膜包绕脂肪垫并连于髁间窝，又称滑膜韧带。这些皱襞为胚胎的膜性残留，约在20%~40%正常人中出现。 P246页 (六)膝关节内脂肪垫 充填在髌骨、股骨髁下方、胫骨髁上方和怯韧带之间，并向两侧延伸，约超出髌骨内外缘1cm左右(图3-16)。它将关节囊的纤维层与滑膜分开，具有衬垫和润滑的作用。股四头肌收缩时，脂肪垫内压升高，成为坚硬 的实体，以限制膝关节的过度活动。屈膝时，脂肪垫能充填到空虚膝前关节腔。除酷下脂肪垫外，大多数膝关节，尚可有以下脂肪垫:前髌上脂肪垫、后髌上脂肪垫及腼脂肪垫。 (七)滑液囊 膝关节周围有许多肌腱，活动范围又大，因此滑液囊也相对较多。 (1)膝关节前面的滑液囊:位于髌骨和髌韧带周围，有4个，它们是髌上囊、髌前皮下囊、髌下皮下囊和髌韧带下囊(图3-17)。其中髌上囊最大，通常与股胫关节相通。髌前皮下囊位于膝关节前面，容易受到损伤而出现症状。 (2)膝关节外侧滑液囊:膝关节外侧，股二头肌、外侧副韧带、腘肌腱、腓肠肌外侧头 均越过关节线及股骨外侧髁，此处滑液囊主要有:?位于外侧副韧带和股二头肌附着点之间的股二头肌囊?位于外侧副韧带与腘肌腱之间的滑液囊;?位于股二头肌深面与腓骨头之间的滑液囊;?位于腓肠肌外侧头起始部深面的腓肠肌外侧囊;?腘肌滑液囊，与膝关节胫后外侧通(图3-18)。 P247页 (3)膝关节内侧滑液囊:膝关节内侧滑液 囊一般有6个:?鹅足囊，位于鹅头肌附着点下面和内侧副韧带下部浅层之间;?半膜肌固有囊，位于半膜肌肌腰与腔骨瞟间;?半膜肌囊，位于腓肠肌内侧头浅部与半膜 肌腱之间，可与关节胫相通;?腓肠肌内侧 囊，位于腓肠肌内侧头起始部深面与关节囊之间;?内侧副韧带与半膜肌腱之间的滑液囊;?半膜肌腱与半腱肌腱之间的滑液囊。在内侧副韧带浅、深层之间有一小滑囊，有时炎症易误诊为半月板撕裂。 (4)八)血管神经 (5)膝关节的血运十分丰富，由股动脉、腘动脉、胫前动脉和股深动脉发出的分支构成动脉网(图3-19)。膝关节近远侧动脉网和动脉分支所构成的吻合支不但是关节结构的营养来源，在腘动脉主干发生血供障碍时，也是侧副循环的主要途径。旋 股外侧动脉降支，膝最上动脉均发自股动脉，分别行于膝外、内侧，向下参加膝血管网。膝上内、外侧动脉由腘动脉发出，绕股骨髁与其他动脉吻合。膝中动脉从腘动脉发出，供应腓肠肌和关节囊，不参加膝血管网。膝下内、外侧动脉均发自腘动脉，环绕于膝前，与其他动脉吻合。胫前动脉返支为胫前动脉发出，并与膝下动脉吻合。股深动脉第三穿支也发出分支参与膝关节血管网的血供。图3-20示意图也反映了髌骨的血液供应。膝关节前部由股神经的肌皮支、闭孔神经前支及隐神经支配。 P248 二、膝关节的生物力学 (一)膝关节的运动 1.膝关节的屈伸活动 解剖学上膝关节被列属屈戍关节。但生物力学研究表明，在正常步态周期中，膝关节的运动绝不是一个单纯的铰链运动，而是由一系列复杂的多轴心三维运动组成。膝关节屈伸运动的横轴贯穿股骨内、外髁，在膝关节线之上方偏后，但具体位置并不恒定，横轴本身可有一定的移动距离。膝关节屈伸时，在股骨髁上许多曲率半径的中心点，实际上是不同屈曲角度下的横轴位置。曲率中心移动的轨迹，是横轴移动的距离和方向，在不同的屈伸角度描出的瞬时旋转中心可连成一个"广型曲线(图3-21)。 P249 膝关节在矢状面上作屈伸运动的同时，股骨髁和胫骨平台之间还伴有滑动和滚动。股骨髁在矢状面上的弧线长度是胫骨平台的两倍，屈膝中股骨髁在胫骨平台上始以滚动为主，后转为以滑动为主。一般认为，膝关节从伸直位到屈膝20?的运动方式主要是滚动，而从屈膝20?到完全屈曲则主要是滑动，当然在滑动中还可兼有少量的滚动。 2.膝关节的旋转活动 正常膝关节屈曲时胫骨自动内旋20?，伸膝时外旋20?。这种旋转运动伴随于膝关节的屈伸过程，为不随意运动，是骨外形结构和关节韧带附着的结果。伸膝时，胫骨绕自身纵轴向外旋转，距完全伸直还差30?时，前交叉完全拉紧，牵拉胫骨向外旋转，在距伸膝差最后10?时，胫骨外旋最快，此后旋转度下降。膝关节完全伸直时，前、后交叉韧带互相缠绕、拉紧，侧副韧带也绷紧，这时膝关节获得牢固稳定，不再发生旋转及侧方活动，股骨髁和胫 骨平台之间也达到最大的负重面积。这一过程有如旋紧螺丝钉之最后动作，故又称之为扣锁现象。与此相反，屈膝时则表现为一松锁过程。膝关节旋转活动的纵轴位于胫骨髁间隆起的内侧(图3-22)，随屈伸活动有轻微的移动，如伸膝时，纵轴前移。 上述旋转运动中，股骨内外髁分别移动了5~6mm和10~12mm。造成内外髁移动距离差别和产生旋转的机制包括:?股骨内外媒弧线长度不等，内侧股骨髁较大，弧度较长。在距完全伸膝差最后20?时，股骨与胫骨髁的相对运动由滑动变为滚动，但股骨内外髁各自的滚动幅度不一，外髁在最后20?时开始，而内髁则在最后10?开始，因此发生胫骨外旋;?胫骨平台内外侧形状不同;?韧带的制约作用。在膝关节屈曲的全过程，前后交叉韧带和内侧副韧带始终有一部分纤维保持紧张，旋转活动的纵轴在伸膝位时又偏向内侧，而外侧副韧带在屈曲位时松弛，形成了以内侧为中心的三点支持。另外，内外侧副韧带的方向不同，外侧副韧带斜度大，在股骨髁移动较晚时才会出现韧带紧张。这些功能上的特点，适应于股骨髁在伸直运动过程中发生内旋。?力的不平衡。内旋屈肌力大于外旋屈肌力，前交叉韧带位于旋转轴外侧，其紧张可造成股骨髁外旋。 3.侧方活动 除屈伸、旋转运动外，膝关节还有轻度的侧方活动。随着膝关节屈曲，其外展、内收活动也有所增加。伸膝位，关节内外翻活动范围约2?，屈膝时则可增至8?左右。整个膝关节的前后活动幅度较小，屈膝45?时大约只有3mm，屈膝90?位时有所减少。 可见，膝关节不但有矢状面上的屈伸活动，还有冠状面上的内收外展，横截面上的内外旋活动(图3-23)。这些运动受半月板、韧带的控制和导引，解剖上前交叉韧带有纤维与内、外侧半月板前角相连，在后方外 侧半月板后角分出半月板股骨韧带与后交叉韧带并行附于股骨内髁，因此半月板与交叉韧带在膝关节内形成一句"字形的连续整体结构。这种"8"字形连续，对膝关节屈伸过程中发生的旋转活动有限制和引导的、作用(图3-24)。 P250页 4.髌骨的活动 髌骨运动和其与胫骨结节的对应位置、Q角、股四头肌肌力、下肢力线以及膝关节的骨性解剖等因素有关。髌骨运动方式与胫股关节矢状面的弧线运动和轴向旋转紧密相连，最终达到髌股关节压力与接触面垂直。在整个屈曲过程中，髌骨滑动的范围约7~8cm。 5.步态分析 行走时，当一侧足跟着地至该足跟再次着地时称为一个步态周期。对某一特定的下肢来说，在一个步态周期中，要经历踩地负重和离地摆动两个步相，即负重相和摆动相，站立相约占整个步态周期的60%~65%(图3-25)。在足跟着地前，膝处于伸展位以增加步长，足跟着地后，膝短暂轻度屈曲，平均17约占步态周期的15%。随着上身及对侧股体向前摆动，膝复伸展，并于步态周期40%时达峰值，此时同侧足仍未离地。随后膝开始屈曲以缩短肢体配合摆动。膝屈曲先于髋屈曲，其第二峰值出现在摆动相早期，约为周期的75%时，最大屈曲度约73度，此后迅速伸展，于对侧足跟触地前达到最大伸展位。其间有双足承重相，其长短与行走速度密切相关，速度越快，此相越短。在平地常速行走时，膝关节始终没有完全伸直，这有利于震荡的吸收。只有在站立时，主要是一足负重时才完全伸直，呈现"扣锁"现象。 行走时膝关节运动范围和步速、步距有关。按一般人正常步速行走(约95步/min)计 P251页 算，每一个步态周期中膝关节的运动范围在70?左右，伴约20度的内收外展和10?~15?的内外旋(图3-26)，整个机体的活动状态也影响这些角度值。单腿负重期身体重心线定会移向负重足，两足间距窄则重心移动小，越省能量。膝周围肌肉周期性收缩多数在负重和摆动相的开始和结束时，说明肌肉的主要作用是加速或减速肢体运动。膝部畸形或强直病例，即使施行了人工膝关节置换内收术，由于术后其关节周围肌群不能正常周期性收缩，使膝丧失动力稳定机制，病人主观感觉关节不稳，这就需要步态训练和肌力康复。 6.各种日常活动所需的关节活动范围 根据KettelkampCl973)报道，在日常活动中膝关节所需的屈伸范围是，步行约需67?，上台阶需83?，下台阶需90?，从椅中站起则需约93?上下台阶时膝关节所需活动范围还与身高和台阶高度有关。 膝关节面表浅，匹配度小，其稳定机制十分复杂。膝关节稳定结构包括由韧带、半月板、关节面形态、关节囊产生的被动稳定和由重力地面反应力和肌力产生的主动稳定两种机制。增加关节负荷，关节稳定性增加，这被称作加压稳定机制。韧带和周围软组织是膝关节稳定的最主要因素。内侧稳定性由关节囊、内侧副韧带、内侧半月板和交叉韧带构成的被动稳定结构以及半膜肌腱、股内侧肌扩展部和鹅足构成的主动稳定结构来维持;外侧稳定性则由关节囊、外侧副韧带及交叉韧带构成的被动稳定结构和由股二头肌腱、腘肌腱、髂胫束、股外侧肌扩张部构成的主动稳定结构来维持。Burstein认为，内外翻稳定机制发挥作用的先后顺序是:?负荷向内或向外髁移动;?肌肉紧张;?侧副韧带受牵拉产生限制力矩。以胫骨受到内翻应力为例，最初膝关节是通过增加股胫关节内侧室的压力(减少股胫关节外侧室压力)来对抗膝关节的内翻力矩。当内翻力矩超过一定限度时，除关节负荷完全集中在内侧胫股关节面外，还会出现股四头肌和腘绳肌主动收缩现象，来增加内侧关节面负荷，防止关节内翻。内翻应力的继续增加，最后引起膝外侧副韧带、交叉韧带的紧张，进一步限制内翻。对抗胫骨前移的被动稳定结构为股四头肌、前交叉韧带、内侧副韧带和后关节囊，主动稳定结构为半膜肌腱和腘肌腱。膝关节后方稳定性主要由后交叉韧带和关节囊维持。旋转稳定性由上述结构共同维持，膝于伸直位时最稳定，其机制是侧副韧带和交叉韧带均紧张，使骨端压紧，同时股胫骨关节面和半月板间形合最好。膝关节主动运动是在被动稳定机制允许的范围内进行的。膝关节的松弛性给关节运动以额外的自由度，可以将力传递给韧带和肌肉，这对减少关节面受力有重要意义。松弛 P252页 与稳定是矛盾的两个方面，但两者都是膝关节正常功能所必须的。 (三)膝关节受力 膝结构和功能的复杂性决定了其受力的复杂性，膝受力来自所支持的体重、膝关节的肌力和加速身体运动所需的力。这些力作用于关节面、韧带和关节囊，后两者产生拉张力，对关节面形成压力。膝受力主要指股骨两髁与胫骨平台之间的压应力，它随重心变化和小腿活动状态而变化。两腿同时站立时膝无弯曲力矩，无肌力产生，分别承受膝以上体重的一半，约为43体重。单腿站立时，身体重力P位于膝内侧(图3-27)'，为维持膝关节以上部分的平衡，负重腿向外侧倾斜，使重力线通过负重足N，并由外侧肌群提供拉力L。在正常情况下，P和L的合力R通过膝关节的中心G，方向沿胫骨长轴。可见此时膝关节受力包括负重膝以上的体重和平衡肌力(图3-28)，它的大小可通过简单计算得到，设α=10?47'(重力P与肌肉拉力L的夹角)，β=4 ?37'(合力R与肌肉拉力L的夹角)，于是得到膝关节压力R= ?2P，即约为体重的2倍。非负重侧扶拐既可分担体重，又能减少膝关节内翻力矩，因而可明显减少负重膝承载压力。平地行走时，作用在膝关节的力主要有三个，地面反作用力W(它是体重和质量惯性力的合力)、骸韧带拉力P和股腔关节压力J(图3-29)。根据力的合成定理，重力、惯性力和肌肉的合力构成了平地行走 时膝关节的承载负荷，它通过膝关节中心，可达到体重的2~3倍，在平地快速行走时，可增加到体重的4. 3倍，上下楼时则分别为4. 4和4. 9倍。Morrison (1970)测量了12个人的步态得到了如图3-30的结果，从中可知股腔关节压力的峰值发生在该下肢负重相足趾离地前，并对应地出现肌力峰值(图3-30)。 P253页 压力是平地行走时膝关节承受的主要应力，但张应力和剪切力同时存在，后两种应力在上下楼等其他日常活动中明显增加。 (四)股胫关节的接触面积 不同作者用各自方法所得的股胫关节接触面积实际数值差异很大。但共同结论是:膝关节内侧室较外侧室接触面积大F高负荷下半月板承担股胫关节总压力的一半，而低负荷下(小于体重或一半体重)股胫关节压力分布较不确定，可很少甚至没有股胫骨间的载荷直接接触传递。有人认为，在正常对线或膝内翻畸形时， 病例表现为内侧髁负重大。股胫骨直接接触面内侧镖均较外侧髁负重大。即使在膝外翻畸形，仍有约70% 积随屈膝而明显减小。内侧髁负重大，其接触面积也大，所以内外髁单位面积承受的压力可能大致相等。半月板增加关节面接触面积，起分担载荷的作用。通过形变，提高对应关节面的顺应性，它能承受较高的应力，避免了关节软骨和软骨下骨的应力集中。不负重时，大约半月板的一半和裸露软骨的10是接触区。在两倍体重的负荷下，大约2/3的半月板和2/5的裸露软骨有接触。内外侧半月板负重情况不同，屈膝30度，两倍体重负荷的条件下，内侧半月板担负内侧压力的50%，外侧半月板担负外侧压力的80%。切除半月板后股胫骨接触面积可减少1/3至1/20 五)股骨、胫骨关节面下松质骨的强度 ( 膝关节周围松质骨强度随部位和深度的不同而有所改变。一般来说，紧靠关节面的松质骨强度最大，越远离关节面其强度越小。不同个体间的松质骨强度差异也很大，但它们 P254页 的共同点是:?胫内侧平台的松质骨强度大于外侧平台，约为1.7倍。内侧平台以中、后区域强度最大，外侧平台松质骨高强度区域相对集中，局限在平台后方，这种分布也并非绝对。?关节面下5~10mm处松质骨强度衰减程度最大，距关节面相同距离处的股骨侧松质骨强度为胫侧的2倍。随着远离关节面，胫内外侧松质骨的高强度区逐渐移向两边。?髁间隆起处松质骨强度明显较内外侧平台小。与此类似，股骨髁间窝区松质骨强度也小于股骨内外髁。?屈膝45度时股骨髁接触区的骨质强度大于伸直或屈膝90?时的接触区。 病理状态下松质骨强度所发生的改变，与膝关节对线密切相关。内外翻畸形时，过高负重一侧的骨质强度可比正常高出3倍，而疏松一侧可较正常弱10倍。类风湿关节炎和骨性关节炎时，胫平台下的松质骨强度通常较正常弱(即使在内、外翻畸形，内髁或外髁承受异常高应力情况下)，其中类风湿关节炎较骨性关节炎降低更明显。松质骨强度研究对假体固定有着重要意义。正确调整下肢对线、保证负重均衡分布、尽量保留近关节面骨质、假体完全覆盖松质骨断面等措施，可提高人工关节的固定效果。 (六)髌股关节力学特点 髌骨的机械功能之一是改变股四头肌方向，使伸膝装置能在股骨髁滑槽内沿着一定的轨迹稳定地运动。髌骨另一功能是增加股四头肌作用力矩，加强其机械效益，并减少股四头肌腱在股骨髁的摩擦。切除髌骨后完成同样运动，股四头肌需增加30的收缩力。骸股接触面积、接触部位随膝屈伸程度和受力状态而变化(图3-31)。伸膝位，髌骨位于股骨棵关节面上方，骸股压力为0。屈膝30?，髌骨下区与股骨接触，屈膝60?时接触部位变为髌骨中区，至屈膝90?时接触面移至髌骨上区。屈膝120?时髌股关节接触面积达到最大值，约占整个髌骨关节面的32%(5cm)。如继续屈曲膝关节，则髌骨内外侧关节面与股骨内外髁，股四头肌腱与股骨关节面开始接触。髌骨内缘的小关节面，仅在屈曲达到140?时，才与股骨髁相接触。髌骨受力包括股四头肌力、髌韧带拉力和髌股关节压力，它们形成一平衡系统(图3- P255页 32)。髌股关节压力随膝屈伸程度和受力状态而变化。压力值可用力的三角形法则求得。 当关节屈曲发生在步态周期摆动相时，髌股关节压力只为体重的一半。而在站立位屈膝30度时，髌股关节压力和体重相等，屈膝60度时，髌股间压力升至体重的4倍，屈膝90度时为 体重的6倍。继续屈膝，股四头肌腱与股骨髁髌骨滑槽发生接触而分担部分应力，髌股关节压力得以减少。上下台阶时膝关节受力情况与步行时不同。上台阶时膝屈曲位负重，髌段关节受力可高达3.3倍体重。下台阶时身体重力使股骨有向前移动的倾向，这要靠髌股关节的反应力和后交叉韧带的张力来对抗。有的病人主诉下台阶困难，简单的解决办法是倒身或反身下台阶，这样能减小髌股关节作用力。增加负重不会改变髌股关节接触部位，只是接触面积会有所增加。股四头肌力线与髌韧带角称"Q"角， "Q"角的改变会使髌骨关节面受力分布不均，产生局部高压力状态。 (七)功能解剖和生物力学原则在人工膝关节置换术中的一些应用 要恢复关节复杂的运动，对人工膝关节假体关节面几何形状就有很高的要求。正常膝关节在负荷下提供:屈伸、轴向旋转、前后移动、内收外展和对抗内外向剪力。膝关节属多半径关节，关节面自身限制小，承受应力较小。早期人工膝关节假体采用钱链式、单半径形关节面，远不能满足上述要求，这些假体松动失败的教训成为随后设计的经验借鉴。关节面形状与关节稳定机制和假体骨界面受力有关。关节面形状的限制可以增加假体松动的危险(如几何型膝假体，其关节面限制很大).单纯重视了关节面形状的稳定作用，忽视了一定程度的旋转、侧方运动也是正常膝运动的有机组成部分，因此其临床假体松动率很高。现仍在使用的膝假体中多数模仿了股骨髁的多半径形状，差别主要是胫骨平台不同的限制程度和是否保留交叉韧带。旋转限制也是评定关节面限制程度的重要指标。 ?假体稳定=> ?假体限制=>?运动=>?千界面应力斗=>?松动危险性 ?假体限制=>?运动=>?界面应力斗=>?松动危险性 ?假体稳定=> 除了关节面形状，关节周围软组织在关节稳定中起重要作用。减小假体关节面限制就要充分利用韧带等的稳定机制，发挥其负荷分担作用。交叉韧带有其作用，保留后交叉韧带可使股骨髁后移，这增加了屈曲范围和股四头肌力矩。限制程度小、保留交叉韧带的假体较半限制、切除交叉韧带的假体在上下台阶时步态更接近正常。保留交叉韧带时要注意考虑韧带和假体的配合，避免因两者不配合而产生应力失衡。几何型假体保留交叉韧带，却采用单半径关节面，由于后交叉韧带的张力而限制了屈膝植围，同时易产生假体松动。运动型假体也保留后交叉韧带，但采用了多半径关节面，胫骨平台较为平坦，关节面限制小，允许前后向移动，使膝关节不仅可完全屈曲，韧带应力也接近正常。减少对膝关节的运动限制，要求假体关节面形合度要小，这会产生点或线性接触，引起应力集中，加速假体磨损。如要平均应力分布，势必要增加关节面形合度，这又会影响韧带正常的力学功能，并可能产生额外的界面应力。对此，带有半月板的膝假体，即平均股胫 骨关节面间的应力分布又可满足运动需要，起到很好的协调作用。这种带有半月板功能的膝假体，更好地模拟了人类膝关节运动，可认为是继饺链型、髁型膝假体之后的第三代膝假体。 P256页 正常下肢力线从股骨头中心到踝关节中心，此线经过膝关节中心或稍偏内侧，与身体重心线成3度外翻。股骨解剖轴线与下肢力线呈6度外翻，换言之与身体重心线成9?外翻。胫骨平台与距骨的两者中心的连线构成小腿力线，与身体重心线也有了的外翻角(国3-33)。不同个体这些角度略有变化。人工关节置换术的长期疗效有赖于下肢正常力线的恢 复。假体安置最理想的角度是使术后双下肢站立时，膝关节横轴平行于踝关节和地面，恢复关节面的正常力学分布。 第二节 历史与现状 由于新材料的出现、假体设计的改进、外科技术和麻醉方法的发展，人工膝关节在更多疾病及更大年龄范围中得到推广应用，而并发症相对减少。术后主要并发症如感染和假体松动的发生率约在1%~3%，故接受此项手术者日益增多。根据美国《骨与关节杂志》1994年的材料，美国年人工膝关节置换例数已达20万例，其中1991年较1990年增 加了27%。最新资料估计，目前年人工膝关节置换总例数已等同或超过人工髋关节置换术。可见，人工膝关节置换术作为一项成熟的治疗方法，己被许许多多的医生所接受。同髋关节一样，人工膝关节也经历了一个较长时期的发展过程。事实上，70年代起人工膝关节外科技术之所以得到迅猛的发展，也正是在60年代以Charnley为代表的许多医学工作者在人工髋关节假体研究的基础上发展起来的。为便于分析，我们人为地将膝关发展历史分成以下三个阶段。 一、早期探索阶段C1860r--.-1950) 通过修整病变膝关节面，达到改善关节功能的设想最早是在19世纪中叶提出的。当 P256~270----杨政博、文字 P256页 正常下肢力线从股骨头中心到踝关节中心，此线经过膝关节中心或稍偏内侧，与身体重心线成3度外翻。股骨解剖轴线与下肢力线呈6度外翻，换言之与身体重心线成9?外翻。胫骨平台与距骨的两者中心的连线构成小腿力线，与身体重心线也有了的外翻角(国3-33)。不同个体这些角度略有变化。人工关节置换术的长期疗效有赖于下肢正常力线的恢 复。假体安置最理想的角度是使术后双下肢站立时，膝关节横轴平行于踝关节和地面，恢复关节面的正常力学分布。 第二节 历史与现状 由于新材料的出现、假体设计的改进、外科技术和麻醉方法的发展，人工膝关节在更多疾病及更大年龄范围中得到推广应用，而并发症相对减少。术后主要并发症如感染和假体松动的发生率约在1%~3%，故接受此项手术者日益增多。根据美国《骨与关节杂志》1994年的报告材料，美国年人工膝关节置换例数已达20万例，其中1991年较1990年增 加了27%。最新资料估计，目前年人工膝关节置换总例数已等同或超过人工髋关节置换术。可见，人工膝关节置换术作为一项成熟的治疗方法，己被许许多多的医生所接受。同髋关节一样，人工膝关节也经历了一个较长时期的发展过程。事实上，70年代起人工膝关节外科技术之所以得到迅猛的发展，也正是在60年代以Charnley为代表的许多医学工作者在人工髋关节假体研究的基础上发展起来的。为便于分析，我们人为地将膝关发展历史分成以下三个阶段。 一、早期探索阶段C1860r--.-1950) 通过修整病变膝关节面，达到改善关节功能的设想最早是在19世纪中叶提出的。当 P257页 时治疗方法是，切除病损关节面，用生物或人造材料置入关节间隙，进行所谓"隔膜型"的膝关节切除成形术。继1860年法国Verneuil首次利用自体筋膜组织施行"隔膜型"膝关节成形术以后，人们还相继尝试了许多其他内置材料，诸如猪膀胱、自体皮肤、肌肉、髌前囊等生物材料以及尼龙、玻璃等合成材料。这些早期探索主要针对由于结核、感染等疾病引起的膝关节强直、畸形的患者，术后初期效果还可以，但后期常因排斥反应、继发感染或关节再强直而失败。 二次世界大战后，内置隔膜型膝关节成形术得到重新开展。部分患者也获得了较好的疗效。但该术式只是替换了被破坏的关节软骨面，并没有纠正关节的畸形和重建关节稳定性，因而不能获得满意的结果。1938~1940年，受Smith-Petersen金属杯髋关节成形术的启发，金属股骨髁假体开 展应用在膝关节成形术。由于疗效较差，这种手术未能推广。 二、形成阶段(1950-1970) 这段时期膝关节假体的发展主要表现在两方面，一是完全限制型(铰链式)膝假体(最为重要)，另一是非限制型或半限制型(非铰链式)假体。限于当时材料、膝关节生物力学知识等各方面的条件不很成熟，非限制型假体研制工作受到了极大的限制，其发展速度明显滞后于限制型假体。 1.完全限制型(铰链式)假体 完全限制型(铰链式)假体本身具有良好的内在稳定性，对关节周围韧带等软组织的功能完整性要求较低。较长的髓内固定柄也使得铰链关节对线十分方便，手术操作简单易行。 P258页 最早用于临床的限制型膝假体是由Walldius于1951年设计(图3-34)。假体材料为丙烯酸酯，只能作单轴运动，设计活动度为超伸5?，屈曲115?。除外上下髓内固定柄，假体高度达3cm。随后Shiers也设计了类似假体，但机械结构更为简单，并将材料改为不锈钢，1960年进一步发展为钴铬钼合金(图3-3日。为更好地固定铰链式假体，有些假体柄表面 呈孔隙状，假体边缘设计为齿状结构，期望骨长入，以辅助圈定。1958年，美国Mayo医院设计的Young铰链式假体，股骨假体柄有5?外翻，柄体本身还具有与股骨髓腔生理弧度近似的曲线，可起到较好的紧密嵌插固定效果。60年代起，几乎所有的完全限制型假体均改用骨水泥固定。 完全限制型假体松动率高，临床效果差，术后感染率高，假体易松动下沉。综合文献报道，按链式假体失败率约在20%~30%以上。临床使用经验，Young(1971)等认为Walldius饺链式膝假体的使用寿命最长不超过10年。尽管那时人们就已意识到这些问 题，但在当时条件下，铰链假体仍然是人工膝关节置换术的主要选择。 P259页 2.非限制型或半限制型(非铰链式)假体 1958年，Maclntosh提出了另一种形式的半膝关节置换术，即只置换病变胫骨平台， 却获得了相当的成功(图3-3的。起初假体材料选用丙烯酸，后改为金属，采用紧压配合方式固定。这种假体尽管在矫正畸形，恢复关节功能方面效果欠佳，但能缓解疼痛，同时最大限度地减少了术中的骨质切除。该假体至今仍有应用，特别是类风湿关节炎的治疗，获得了较为满意的早期效果。与此类似的假体还有Mckeever假体(图3-37)。 三、现代发展阶段(1970以后) 进入70年代，随着许多相关学科的飞速发展，人工膝关节置换术迎来了发展的黄金时期。在这一阶段，无论假体设计、手术器械更新与技术提高，还是手术适应证、治疗效果等方面都有了明显的进步。假体研究重心从单纯伎链式更多地转移到了半限制型和非限制型假体。 1.半限制型膝假体 50~60年代设计的铰链式假体绝大部分为单轴铰链型，术后失败率高，易出现感染、 假体松动断裂、骨折等并发症。导致失败的主要原因是由于这些假体只允许膝关节单一平面上的活动，因而不符合正常膝关节的生物力学，会导致假体-骨水泥-骨组织界面应力异常集中，产生大量磨损碎屑和假体松动。而且一旦手术失败，无法施行补救性的再置换术。虽然这些假体目前己不再使用，但是70年代在大力研制非铰链式假体同时，对铰链式假体也作了一些设计上的改进，在维持铰链式假体良好的内在稳定性基础上，抛弃了单轴饺链结构，改用连结式结构，使得假体具有一定范围内的多平面活动能力，这样临床效果有所改善，尽管总体效果仍远不及非限制型假体。这段时期，代表性的限制型和半限制型假体有如下几种。 Guepar型膝假体:由法国Guepar小组1970年设 计，属铰链式结构，它是在总结50年代Walldius、Young和Sl时rs三种铰链式限制型假体优缺点的基 础上产生的(图3-38)。其特点是:?术中骨组织切除少，便于返修术;?模拟正常膝关节，其铰链旋转轴线偏关节线后上方;?关节屈曲不受限;?股骨髁假体前方设有与髌骨相关节的浅槽;?假体有左右侧之分，股骨假体柄带有外翻角。 球心型膝关节假体:由美国密执安大学Matthews和Kaufer等设计，1973年首次用于临床(图3-39)。属半限制型关节，设计主要特点是在平台正中突起一柱，其顶端为球状，与股骨髁假体髁间臼(内衬有聚乙烯)相关节，这种结构除在伸膝位严格控制内外翻活 P260 动之外，允许关节在各个方向的活动。球心位于股骨轴后方，相当于正常膝关节的平均屈伸轴心处。矢状面上股骨髁关节弧线由两部分组成，前方曲率半径较大，其圆心不与球心重叠，髁后方曲率半径较小，圆心与球心重叠。股骨髁这种"凸轮"结构使得伸膝过程中，股骨髁与胫骨平台接触面积逐渐增大，完全伸膝时，较为平坦的髁前方与平台紧密接触，从而获得最大稳定性。由于球心型假体限制膝关节超伸是逐渐完成的，避免了单轴铰链假体因依靠瞬时撞击来限制过伸而产生的应力集中，进而减少假体松动的发生率。相反，随着屈膝角度的加大，股骨内外棵与平台触逐渐减少，最后完全脱离，关节负荷通过股骨髁间日，经平台中央柱，直接传递给平台，此时膝关节假体术后除屈伸外，在屈膝位时还可有轻度的内外翻和单轴旋转活动。 Sheehan型膝假体:属铰链结构。由爱尔兰Sheehan设计，1971年进入临床。股骨髁 假体外形模拟正常膝关节，有左右侧之分。内外髁分叉由前向后逐渐增大，屈膝90?时，可有约20?旋转。伸膝位有2?~3。侧方活动，屈膝45?，侧方运动达到6?~7?(图3-40)。同期的其他半限制型膝假体还有Herbert型(1973)、Noile型(1978)、运动旋转型(978)以及Trillar型、GSB型、Attenborough等。 2.非限制型假体 70年代以后，非限制型假体的研制有了许多重大突破。 (1)首先是1969年英国Gunston成功地研制了多中心型膝假体。第一次将膝关节功能解剖和生物力学原理应用于假体设计，这也是第一个采用金属-高分子聚乙烯材料组合的膝关节，用骨水泥固定，具有划时代的意义。Gunston本人被公认为现代人工膝假体之创始人。 P261页 (2) 1973年英国Freeman在总结前人工作的基础上，提出了人工膝关节假体的几个设计原则。主要包括:?便于今后返修。?为减少松动，假体应设计成非限制型或半限制型，以减少扭转、侧方应力集中传递到假体骨组织交界面。最大限度地增加承力部分的假体与骨组织接触面积;?采用金属-聚乙烯低摩擦界面，降低假体磨损。增加接触面积，减少单位面积上的负荷;?减少髓内长柄和骨水泥的使用，避免死胫，预防和降低感染;?标准的假体置入技术;?假体设计要求有5?超伸和至少90?的屈曲活动范围;?能提供一定范围的旋转;?限制膝关节 各个方向的过度活动应依靠关节周围软组织，特别是内外侧副韧带。这些观点成为目前膝假体设计的理论依据。 (3)全髁型、ICLH型及Townley等解剖型膝假体的成功临床应用。非限制型假体的 基本结构逐步趋于一致:?出现股骨髁假体前翼，其表面设有浅槽，与髌骨共为关节，防止髌骨脱位，减轻髌股关节疼痛;?平台中央隆起，类似髁间棘结构，增加关节侧方稳定性;?增加胫骨平台与骨组织接触，减少平台下沉;?胫骨平台适当后{顷，增加关节活动范围;?聚乙烯平台下方附加金属底托，使应力均匀分布，并减少聚乙烯蠕变、磨损;?平台设有髓内固定柄，减少松动发生;?置换病股关节。 (4)手术器械得到改进，开始出现各型膝假体的专用配套器械，以保证假体的正确安 置。 (5)各型膝假体的使用范围大致明确。限制型假体仅用于再次膝关节置换术或有严重骨缺损、软组织不稳的病人。非限制型假体用于除此之外的大部分病例。 以下介绍几种代表性作限制性假体。 (1)多心型膝假体: Gunston认为膝关节运动不仅仅是单一的屈伸活动，而是一种动态的多轴心和多维的运动过程，因此1969年Gunston依据Charnely关于金属-聚乙烯低摩擦关节假体模式，设计了多中心型膝关节假体。该假体由四部分组成(图3-41).包括两个EN58]不锈钢股骨髁假体和两个RCHIOOO超高分子聚乙烯内外侧胫骨平台假体，假体骨组织界面用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)固定。矢状面上，平台关节面的曲率半径较股骨髁假体曲率半径稍大，允许膝关节有约20?的轴向旋转。保留前后交叉韧带。 (2)多心型假体独立部件较多，术中不易获得理想的关节对线。假体设计本身也不‘ 能纠正中、重度膝内外翻畸形，其远期失败率高达34%.因此现己基本摈弃。继Gunston之后，对人工膝关作出重大贡献的还有英国伦敦医院Freeman、美国纽约特种外科医院Insall和美国Mayo医院Coventry等。膝假体的演变过程，反映了人们对膝关节解剖、生 物力学以及置换术理论和实践的深入认识。 P262页 (3) Freeman系列膝假体:Freeman等1970年研制的第一 代假体，属非限制型，采用凹槽滚轮式结构，不保 留交叉韧带，关节前后相稳定性良好。股骨髁、胫骨平台整体化设计克服了Gunston多中心型假体多部件 的 缺点。但假体松动、下沉现象仍然多见，术后5年髌股关节疼痛率高达42% 。Freeman发现，同期其他设计相近的膝关节假体，如双髁型、几何型、Modular型等也出现了类似的临床问题，并认为这些并发症与不置换髌骨、股骨髁假体无髌骨滑槽、平台接触面积过小以及固定栓的形状位置等因素有关。70年代中后期，ICLH型、Freeman-Samuelson型膝假体正是在这种背景下产生的(图3-42)。 (4)几何型和解剖型膝假体: 由美国明尼苏达州Mayo医院Coventry等设计，股骨髁、腔骨平 台假体结构上整体化(图3-43)。与Gunston型膝假体一样，这类假体 都保留前后交叉韧带。 几何型膝假体于1971年设计，首次临床报道见于1972年美国《骨科临床及相关研究?，应用不久即发现几何型Mark I平台前部与骨组织连接不牢，随着膝关节屈曲、负荷后移，会出现平台前方翘起。为解决这一问题，几何型Mark H假体在 P263页 胫骨平台假体前下方附加了鸠尾榫结构。几何型Mark][的平台设计又有所改进，平台两侧增设垂直翼，以扩大假体平台与骨组织的接触面积，前方突起也改为低平，防止与股骨髁在伸膝位时相撞击。 (4)解剖型膝假体由几何型MarkIII发展而来，故有时也称几何型Mark IV假体(图3-44)。与几何型假体相比，设计上有三大特点:?更接近人体正常膝关节解剖，平台较平坦，股骨髁假体分左右侧，对关节活动限制程度较小。?平台底部中央有较长的髓内固定柄，更好地解决了平台前后位松动现象，金属底托得到应用。?股骨内外髁于前方合而为一，形成浅槽，与髌骨相关节。 (5)全髁型和后方稳定型膝假体:由美国纽约特种外科医院的Insall、Ranawat等人 设计。该医院对70年代人工膝关节的发展也做出了重大贡献。他们先后研制了多种膝假体，由起初的单髁型、双髁型逐渐转变到双髌型、全髁型、后稳定型等。他们认为单髁型假体操作技术要求高，临床效果也不如全关节置换。双髁型假体虽可保留前、后交叉韧带，但失败率高;术后同样面临与早期Freeman假体类似的假体松动、膝前疼痛等问题(图3-45)。在双髁型假体基础上，双模型(Duopatella)膝假体有了较大的改进(图3-46)。 (6)全髁型膝关节假体CTCP):由1973年Insall等人设计(图3-47)。该假体采纳上述多种假体的优点，临床疗效十分显著，10年以上随访优良率在90%左右。它的原型设计至今仍在应用，并成为衡量其他类型膝关节假体的"金标准"。它的设计特点:?股骨髁部件采用钻铬钼合金，吸收了双髁膝假体的优点，矢状面上假体关节面曲率半径由前向后逐渐减小，较为接近正常股骨髁的解剖外形，关节活动范围增加。内外髁前方连结构成滑槽，与髌骨相关节。?胫骨平台为聚乙烯材料，设计上充分吸收几何型假体的特点，平台面呈杯形，在伸膝位与股骨髁外形充分匹配，因而稳定性良好。屈膝位，因匹配程度有所减小，从而允许髁在平台表面滑动、攘动。中央棘突将平台分成两侧，维持关节侧方稳定作用。平 P264页 台下方正中有一髓内固定柄，前缘垂直，后缘倾斜而与胫骨近端后方骨皮质解剖外形一致，防止活动时平 台倾斜;?髌骨假体为圆弧形，避免了解剖型髌骨假体复杂的旋转对线过程。全髁型假体还采纳了 Freeman-Swanson型假体的优点，即不保留交叉韧带，这样有利于准确安营假体，固定更为牢靠。TCP I型假体前后稳定性除靠周围韧带维持外，部分来自假体关节面的匹配程度。 因而效果欠佳，屈膝时有时会出现胫骨平台后脱位。1976年出现的TCP II型在结构上增加了交叉韧带替代功能(图3-47) II型平台假体有一朝向后上方的斜柱，通过插入股骨假体髁间窝，在伸膝或屈膝90?时，髁间窝分别与斜柱前后缘相抵触，从而获得关节前后稳定。股骨假体髁间窝的宽度要大于斜柱横径，假体允许有一定范围的侧方和旋转活动。1977年设计的TCP III型主要用于返修术，特征是股骨髁和胫骨平台假体均附加了髓内 固定长柄(图3-47)，股骨髁有5?外翻角。 P265页 目前国内应用较多的后方稳定型髁假体(如Insall-Burstein型，IE)，是在TCP II的基础上发展而来，1978年面世。我们已经知道，TCP II膝假体防止关节过度屈伸是通过股骨髁间窝前后壁与平台柱突然撞击来实现的，因此容易造成假体松动[图3-48(1)]。后方稳定型假体对此进行了改进，重新设计了平台柱的形状、位置和方向，依靠凸轮机制，模拟后交叉韧带，在获得更大的膝关节设计活动范围外，也避免了TCP II假体的上 3)]。标准后方稳定型膝假体设计屈伸范围为120?，为亚洲人特殊设计的膝假体可达述弊病[图3-48(2， 140?。 1980年在聚乙烯平台下方，增加了金属底 托。 除了上面提到的膝假体外，70年代还出现许多其他类型膝关节假体，包括美国哈佛大学运动型膝假体，加利福尼亚大学UCI膝假体，加拿大Cloutier假体，美国Townley型假体等等，他们的设计原则与上述膝假体大同小异。在此不再一一赘述。 70年代各种膝假体的研制和应用，为膝关节疾病的治疗提供了十分有效而可靠的 方法，但临床资料表明，这些假体面临的最大问题是术后假体松动，并且人们也逐渐认识到聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥的缺点。同时，年轻患者也迫切需要长期耐用的新假体，因此，从70年代末起，如何预防松动，成为设计假体的研究焦点。由此相继出现了多种不需要骨水泥固定的骨长入生物固定型假体以及带人工半月板的假体。 事实上，早在50年代，Shier、Wallidus及Macintosh型膝假体固定就已经采用了非骨水泥方式，通过金属平台周缘突起与骨组织互相嵌插达到固定的目的。1977年，Free P266页 man设计的Freeman-Samuelson型膝假体，其聚乙烯平台固定栓表面带有许多小突起，尤如带倒剌的鱼钩，插入松质骨后可起到良好的生物固定效果(图3-49)。 80年代初期，Hungeford等设计了多孔 表面解剖型膝假体(PCA)，最大特点是该假体骨接触面覆盖多层金属微球或金属丝，其孔隙在50~400µm之间，松质骨能长入到孔隙内起到长久的生物固定效果。类似设计的假体还有Miller-Galante型、Ortholoc型等(图3-50)。这种假体的近、中期疗效与经典的TCP假体差不多。主要问题是平台假体固定 欠佳、松质骨很少长入平台假体多孔层中。对此，目前许多医生采用"杂交" (hybrid)式固定方法，即股骨髁采用多孔面骨长入生物固定，胫骨平台用骨水泥、螺丝钉固定。 3.为降低聚乙烯磨损的模拟半月板功能的膝关节假体 假体设计必须尽可能地符合膝关节的生物力学要求，才能避免术后多见的假体松动、磨损、断裂等并发症。因此在考虑、人工膝假体设计时，既要做到最小限度地切除骨质，保持膝关节固有的滑动、滚动运动方式及一定的稳定性，最好又能维持半月板样的功能，这样进一步稳定了膝关节，更重要的是能有效地扩大胫股接触面积，减少压力负荷，从而也使假体的磨损机会大大降低，假体松动、断裂机率也随之减少。带半月板型人工全膝假体就是基于这一设计思想的结果。1977年，英国牛津的Goodfellow和O'Connor设 计了仿半月板功能的Oxford膝关 节假体，并于1986年进一步改良、完善，推出旋转滑动型膝假体(RTK，英国科灵公司生产)。同年，在美国DePuy公司生产的低接触应力膝假体(LCS假体)也采用了类似的设计 P267页 原理。这些假体更符合膝关节运动时的生物力学，从理论上说，应获得很好的术后疗效，近、中其临床效果也证实这一点。Buechel对208例应用LCS膝关节假体病例术后2~7年随访，优良率为91. 8 % Polyzoides 对345例(443个膝)术后平均6.6年随访，临床满意率也在95%以上。 (1)旋转滑动型膝假体:由三部分装置组成(图3-51)，?股骨髁假体由钻铝合金制成，髁弧度半径有4种规格，通过半月板结构可与任何规格的胫骨假体相匹配。?胫骨平台金属托也由钻铬合金制成，金属托正中前、后方各有一向上的柱状突起，可限制半月板载体的前、后向移位。胫骨假体后缘正中有一凹陷，可保留后交叉韧带。髓腔柄与胫骨平台呈向后10?的倾斜。?聚乙烯垫结构:是该假体最大的与众不同之处，其设计模拟半月板功能，也是其更符合生物力学要求的特点。该聚乙烯垫，底面平整光滑，与胫骨假体金属托接触。上方关节面形态与股骨髁一致。受金属托表面前后两个突起的限制，载体可前后移动9mm，屈膝90?时，聚乙烯垫还可有37?的旋转活动。 P268页 (2)低接触应力膝假体(LCS):其聚乙烯衬垫是可以前后活动的，模拟部分半月板功能(圈3-52)。结构设计上与旋转膝假体有部分相似之处，可有多种组合方式。聚乙烯半月板与金属底托靠鸠尾榫结构相连，交叉韧带平台附着部可限制聚乙烯半月板的后脱位，膝侧方支持带、髌韧带防止其前脱位。无论是初次膝关节置换，还是膝关节返修术，医生都会面临这样一个问题，即如何选 择合适的假体。使用标准型藤关节假体有时很难完全满足临床需要。80年代末出现的组合式膝假体，使得手术医生能像机械师一样，根据术中病人实际情况，按需组装膝关节假体，假体选择的余地大为增加，如IB-II就属组合式膝假体(图3-53)，基本结构与1978年设计的后稳定型假体无明显区别，只是增加了许多附加部件，如可自行组装的不同长度的股骨、胫骨部分的髓内固定柄，不同厚度的聚乙烯垫以及模形金属平台垫等。 四、人工膝关节置换术现状 今天人工全膝关节置换术已成为临床常用的手术，10年以上的临床优良率已在90%以上。每年有大量的病人接受人工全膝关节置换术，据估计仅美国和欧洲目前全年膝关节置换例数就有约20-30万例。降低假体返修率、处理再次手术问题已经十分突出。另外，如何防止假体远期松动、磨损及提高膝关节置换术后的生存率是目前亟待解决的主要问题。 目前临床常用的非限制型全髋关节假体，设计原则基本上类似70年代中期的TCP型、ICLH型膝假体，只是在是否保留后交叉韧带、假体的固定方式(用骨水泥、骨长入、紧密嵌插)等问题上有所不同。 假体材料也与60-70年代一样，基本与全髋关节假体相似，所不同是，假体材料的细微组成和加工工艺上有所改进。假体所用的金属材料主要有钻合金(Co-Cr-Mo)和钛合金(Ti6A14V)。钴合金和超高分子聚乙烯组成的假体仍然是膝关节材料的"金标准"。有关超 高分子聚乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯的改进仍有待于进一步研究，其他一些等弹性或低弹性材料(如生物陶瓷)也远未成熟。由于证实一种新的材料优于以往材料需要较长时间的观察，因此这些研究结果尚待进一步验证。 除了假体的设计和制造，人们越来越深刻地认识到手术技术和假体安装的精确程度是涉及关节置换效果优劣的更为重要的因素。大部分学者认为目前情况下，除手术适应证之外，临床疗效的优劣与术者的手术技术(如力线、定位等)有更为直接的关系。为了在术中正确地安装假体以保证膝关节生物力线的正常，在研究假体的同时，70年代末人们开始研究假体手术定位器械。绝大多数情况下目前的定位器械能够保证术中假体的正确安置，但是手术医生也绝不能完全依赖定位器械，因为器械的正确应用本身也是一门技术。 对手术定位器械的研制仍在进行中(图3-54)。随着计算机技术的迅猛发展，计算机辅助设计和计算机辅助制造假体(CAD/CAM)也已进入临床，这种根据每个患者特殊情况，量体裁衣制作的假体，更符合人体解剖结构，特别适用于膝关节解剖结构有严重变形的患者，如幼年性类风湿性关节炎、先天性髁发育不良等(图3-55).旦制作周期长，价格贵，有时甚至需要与此配套的特殊器械，因此妨碍了它的推广。 P269页 目前，对膝关节置换术是否保留后交叉韧带仍有争议。保留韧带更加符合膝关节的解剖生理特性，可以使股骨髁假体在胫骨平台上向后滚动，增加关节屈曲活动和股四头肌的力矩。但也有学者认为，术后难以准确维持后交叉韧带的张力，反而对膝关节产生不利的影响。还有学者认为保留或切除后交叉韧带的效果相似，只是前者的步态和上下楼梯时更接近正常。随着置换病例数的增多，与髌骨相关的并发症日益突出，几乎占全膝关节置换术后并发症的50左右。因此，这方面的研究也在进行中。 我国人工膝关节置换术起步较晚，80年代开始仿制TCP型假体(图3-56)，并有少量的临床报告。1990年，北京医科大学人民医院对国人膝关节的几何形态进行了研究。在此基础上，又与北京京航生物医学工程研究所合作，根据国人膝的正常解剖数据，设计、开发出骨水泥固定的解剖型膝假体(图3-57)。自1992年6月首次临床应用以来，已取得了较好的近、中期疗效。最近，国产假体配套器械开发工作也有了较大程度的改进和完善。 国产解剖型假体的主要设计思想来源于80年代初期美国Hungerford教授等设计的非骨水泥生物固定型PCA 。该假体有左右之分，更接近正常人体膝关节解剖。与PCA膝假体相比，假体(由美国Howmedica公司生产) 国产解剖型假体与其在外形结构、设计思路上有许多共同之处，所不同的是:?国产假体的内外髁设计宽度相对偏小，因此能更好地适应一般中国人的膝关节几何学解剖特点;?髌骨假体从一开始即采用全聚乙烯圆弧形 P270页 设计，避免了PCA髌骨假体因带有金属托而容易出现髌骸骨假体磨损、断裂现象;?全部假体采用骨水泥固定。 第三节人工膝假体选择的原则 目前市售的人工膝关节假体种类繁多。按置换范围，假体可分单髁、全髁型;按固定方式，分骨水泥型、非骨水泥型;按限制程度，又分限制型、非限制型和半限制性;按是否模拟半月板功能，又分为胫骨平台垫可旋转滑动型及固定型。在此基础上，不同厂商和研究单位又根据各自的设计特点，再进一步衍生出多种系列膝假体，如非限制型膝假体中的有:ICLH型、几何型、解剖型、全科型、Townley型、后方稳定型及PCA 型等等。具体何种假体优劣，非本文涉及范围，这里仅就人工膝关节假体选择的原则性问题进行讨论。 1.固定方式 固定方式主要分骨水泥固定型和非骨水泥固定型两类假体。50年代末Charnley首先将骨水泥引入人工髋关节置换术，随着骨水泥使用技术的不断改进，至今骨水泥在人工关节置换术中仍广泛采用。实践也证明，只要使用方法得当，绝大多数骨水泥固定型假体的临床效果是令人满意的。可见，骨水泥本身并不是人工关节置换术失败的根本原因，而使用方法不当才是问题的关键所在。当然，骨水泥本身确实也存在一些缺陷，虽然骨水泥碎屑可引起远期假体松动这一事实己得到临床证实。非骨水泥固定型假体的设计思想是通过紧密压配合和骨组织长入假体多孔层来达到生物固定的效果。使用这种假体对局部骨骼质量和术者手术技术要求较使用骨水泥型假体者高，特别是胫骨平台部分，假体安置必须与骨截面严丝合缝，紧密贴合。即使如此，长期临床证明，胫骨平台假体的骨长入情况远不如骨水泥更为可靠。此外，术后需推迟负重4~6周以便骨组织长入假体孔隙。尽管现阶段仍存在两种不同的假体固定方式，但长期随访资料并未显示两者的临床效果有显著差异。作者认为:?绝大多数病人应选用骨水泥固定型假体;?年纪轻，骨质好的病人