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1、人工膝关节置换术手册(强生公司)全膝关节置换第一节膝关节解剖概要与生物力学特点一、膝关节的构成(一)骨性结构膝关节由股骨远端、胫骨近端和骸骨共同组成,其中骸骨与股骨滑车 组成旗股关节,股骨内、外牌与胫骨内,外牌分别组成内、外侧胫股 关节.在关节分类上,膝关节是滑膜关节(synovial joint).骸骨是人体内最大的籽骨,它与股四头肌、骸腱共同组成伸肌装置 (extensor apparatus)蘸骨厚度约23cm,其中关节软骨最厚处可达 5mm.骼骨后外表的上3/4为关节面,由纵向的中央崎、内侧峭分为 外侧关节面、内侧关节面和奇面或称第 3面(theoddfacet thirdfacet)
2、;内、外侧关节面又被两条横崎划分为上、中、下三局部,故共计有七 个关节面.骸骨后外表的下1/4位于关节外,是骸腱的附着点.股骨远端的前部称为滑车(trochlea),其正中有一前前方向的切迹将之 分为内、外两局部,滑车切迹向后延伸为骨果间切迹(intercondylarnotch. ICN),向前上延伸止于滑车上隐窝.股骨远端的后部为股骨 4果(femoral condylars),由ICN分为股骨内骨果和股骨外骨果,分别与内、 外滑车相延续,构成凸起的股骨关节面.从侧面观,股骨外镖弧度大 于内牌且较内牌更突前,而内牌比外牌更加向后延伸.参与构成膝关节的胫骨平台并非绝对水平,而是在一定程度上呈
3、由前向后逐渐下降的趋势,即所谓胫骨平台后倾角.胫骨平台中央有一前 一后两个镖间棘,其周围为半月板和交叉韧带的附着处.外侧胫骨关 节面的前1/3为一逐渐上升的凹面,而后2/3那么呈逐渐下降的凹面.内 侧胫骨关节面那么呈一种碗形的凹陷. 如此,凸起的股骨关节面和凹陷 的胫骨关节面彼此吻合,使膝关节得以在矢状面上作伸屈活动；然而外侧胫骨关节面的特征性凹陷结构又使得外侧胫股关节面并非完全 吻合,从而允许膝关节在水平面上有一定的旋转活动.并且膝关节的伸屈活动也不是同轴运动而是具有多个瞬时活动中央的运动.因此, 在结构上膝关节是一个不完全的绞链式关节 incongruent or modified hin
4、ge joint:正常的膝关节具有约135的屈曲和5-10的过伸活动范 围,在水平轴面上向内、外有约3的旋转活动范围,此外,尚存在前 后和侧向的小范围活动.二半月板解剖半月板是关节内唯一没有滑膜覆盖的组织,其冠状断面呈三角形结 构,可概括为 三面一缘：与股骨牌相关的上外表,与胫骨平台相关 的下外表,借冠状韧带与关节囊、胫骨平台相连的周围面又称半月板壁或半月板边缘及关节腔内凹形的游离缘.除冠状韧带外,半月 板的前后角借纤维组织连接固定于踝间棘周围.不仅如此,在前部半月板借半月板眼韧带与骸骨相连,故伸肌装置可惜此调节半月板在关 节前部的活动：在后部半月板分别借纤维组织与半膜肌、月国肌相连, 使二者
5、得以调节内、外侧半月板在关节后部的活动.竹韵由三组纤维交织构成：.水平在组织学上半月板是一种纤维软骨组织, 纤维呈前后走行构成半月板的主体,直纤维与斜纤维连接上下外表, 放射状纤维连接半月板壁与游离缘.外侧半月板为一2/3环形.前角后角大小相当.半月板周围面与关节 囊的紧密结合在后部为肌腱所打断,井在后关节囊上形成胭肌裂孔 (popliteal hiatus).外侧半月板后角的稳定和活动由半月板股骨后韧带 和胴肌提供；半月板股骨后韧带即板股后韧带(posterior meniscalfemoral ligament. PMFL),又称第三交叉韧带,从外侧半月板后角发 出,经后交叉韧带前面或后面
6、,止于股骨内牌外侧面.位于前面者又 称Humphrey韧带,位于后面者又称为 Wrisberg韧带.板股韧带的出 现率在不同文献中报告不一,其解剖变异可导致半月板的过度活动.月国肌那么起干胫骨后面,具向前、外、上方走行,穿月国肌裂孔变成月国肌 腱,止于股骨外上牌的下前方.内侧半月板呈半月形,其前角小而薄,后角那么厚而重.内侧半月板与 关节囊的结合紧密无中断.其后角借纤维组织与半膜肌直头相连,故有一定的活动度.(三)交叉韧带解剖在膝关节中央,股骨内外踝与胫骨之间的前、后交叉韧带是维持膝关节稳定的最重要和最坚强的韧带结构.前交叉韧带 (ACL)在膝关节完全伸直时紧张而于关节屈曲时松驰,其作用在于预
7、防股骨向后脱位、胫骨向前脱位及膝关节的过度伸直和过度旋转.后交叉韧带 (PCL)那么 随着膝关节的屈曲而逐渐紧张,它有利于预防股骨向前脱位、胫骨向前交叉韧带起于胫骨平台内侧牌间崎后脱位以及膝关节的过度屈曲 前方、近内侧半月板前角附近关节面,向外、上、后走行,止于股骨 外牌的内侧面.前交叉韧带由多组纤维束组成,走行过程中有一定程 度的扭转,胫骨附着点处位于前方的纤维在股骨附着点处转为内侧纤 维.成人前交叉韧带的长度约38mm,宽度约11mm,后交叉韧带的长 度与前交叉韧带相似,宽度约13mm,是膝关节内最强大的韧带结构. 后交叉韧带起于胫骨平台镖间区后部近胫骨髓线处,具向内、上、前 方延伸,止于
8、股骨内踝外侧骨面前部.与前交叉韧带相似,具走行过 程中亦有一定程度的扭转：位于胫骨附着点后部的纤维在股骨附着点 处转为外侧纤维.四侧副韧带解剖膝关节的内侧、外侧分别有内侧副韧带和外侧副韧带, 又称胫侧副韧 带和腓侧副韧带,内侧副韧带分为浅深两层,浅层由前部的平行纤维 和后部的斜行纤维组成,它上起股骨内上牌,向下向前止于胫骨内侧, 平行纤维宽约1. 5cm,向后与半膜肌直头交织延伸为内侧副韧带浅 层的斜行纤维.内侧膝关节囊走行于内侧副韧带浅层深面时增厚成为 深层内侧副韧带,并与浅层之间形成滑囊以利于活动.充分伸膝时, 内侧副韧带浅层的平行纤维、斜行纤维紧张而利于关节的稳定：屈膝 时,浅层的斜行韧
9、带形成一松驰囊带而平行纤维紧张并在深层韧带表面向后推移盖过深层韧带从而保持关节的稳定.内侧副韧带的作用还 在于能限制胫骨在股骨上的外旋.外侧副韧带位于膝关节外侧的后1/3,可分为长、短二头,长头起自股骨外上镖,短头起自豌豆骨fabella,同上于腓骨茎突.充分伸膝时外侧副韧带绷紧,屈曲时那么有松驰的趋势.在膝关节伸屈活动中,伴随着胫骨旋转而引起的外侧副韧带的松驰主要通过股二头肌环绕于其周围的腱纤维保持连续性张力, 从而维持关节的稳定性.外侧结 构的稳定由外侧副韧带、股二头肌、骼胫束共同维持.五脂肪垫脂肪垫,即眼下脂肪垫是一团局限于骸骨下方、眼韧带前方、胫骨平 台前部之间的脂肪组织,具外表被滑膜
10、覆盖而与关节腔隔离.脂肪垫在骸骨下半边缘处始向两侧延伸形成翼状皱谖或翼状韧带alar fold ,alar ligamento脂肪垫还由正中部向后延伸至骨果间切迹,形成条索状 的眼下皱谖infrapatellar fold,有时可达前交叉韧带的股骨止点附近, 矢状面观呈斜向后上走行六滑膜、滑膜皱谖与滑膜囊膝关节滑膜腔是人体最大的滑膜腔,关节内多数的无血管组织依赖关 节滑膜分泌的滑液获得营养.滑膜腔的上方延伸至骸骨上约5cm,形成眼上囊,向下延伸至股四头肌腱膜后,周围覆盖在股骨牌外表,向 两侧形成内、外侧沟或内、外侧隐窝,向远侧延伸与半月板连接,再竹韵向下覆盖胫骨平白缘,直到关节软骨,在前下方滑
11、膜覆盖眼下脂肪垫 并于两侧向中央延伸至牌间窝,形成翼状皱谖即所谓粘膜韧带.前、 后交叉韧带均被滑膜包裹,而且外侧半月板外前方的月国肌腱和月国肌裂 孔也被滑膜所覆盖.在正常的膝关节内,可以存在假设干发育残留的滑 膜皱谖(Plica),常见的有眼上内侧或外侧滑膜皱谖,另一个有重要临 床意义的滑膜皱谖是由骼内上滑膜皱谖向下延伸至眼下脂肪垫滑膜 上方的滑膜皱谖,即所谓眼内侧皱谖或棚架(Shelf),此皱谖可占正常 膝关节的20%或更多.膝关节周围还有着大大小小许多滑膜!1,其中 主要包括位于骸骨上方、股四头肌与股骨滑车陷窝之间的眼上囊,位于皮肤与骸骨前面之间的眼前滑囊及皮肤与胫骨结节之间的骼下滑 囊.
12、二、与膝关节置换术相关的解剖特点(一)下肢对线准确地理解和建立精确的下肢对线是人工膝关节置换术的最根本也 是最重要的概念.胫股角是股骨解剖轴线与胫骨解剖轴线在膝关节中 心相交形成的向外侧的夹角,此夹角平均为 174 o在正常的生理情况下,当人体站立位时,股骨头的中央、膝关节的中 心及踝关节的中央应处干同一条直线,此直线即为下肢的力学轴线或 称机械轴(mechanical axis)：且此时经膝关节平面的水平轴(transverse axis)那么应与地面相平行.经股骨干的股骨解剖轴与上述下肢机械轴在 膝关节中央相交形成平均约为6的外翻角,根据股骨颈干角和股骨颈 及股骨干长度的不同,此角度可能会
13、有变化.正确地熟悉和理解股骨解剖轴与下肢机械轴及其角度的意义对于在膝关节置换术中重建正 常的对线是至关重要的.图示在病理情况下,由于膝关节的内/外翻,正常的胫股角将发生变化,而下肢的机械轴将不可能通过膝关节的中央, 这正是我们在膝关节置换术的术前方案和手术中需要通过测量和截骨解决的问题.通过计算和测量准确的截骨才能使下肢力线获得正确的重建.下肢力线的重建是保证手术成功的关键,也是预防术后因应力不均而造成松动的重要 环节.关节线joint line是膝关节对线的另一重要内容.在冠状面的关节线 升高和降低将影响到骸骨和滑车的相对位置,导致高位或低位骸骨.因此,TKA手术中重建关节线的正常高度也是
14、TKA手术中的重要环节图示.一般来说,关节线的降低比关节线的升高更有害.另一方面,解剖上的胫骨关节线在矢状面上虽有一定的后倾角度,但如果考虑到半月板的因素,事实上胫骨关节面的后倾几乎为零. 尽管许多膝 关节假体强调胫骨的后倾,但已有足够的证据外表,胫骨后倾并无十 分必要.图示下肢对线二膝关节的稳定结构膝关节的稳定结构除了依赖于膝关节骨,哇结构本身的特殊构造以外,还有赖于前/后交叉韧带的制约、内/外侧副韧带的平衡、以及伸 膝装置与股四头肌及月国绳肌的力量均衡. 除了高限制型和钱链假体在 设计上较少地依赖于膝关节本身的稳定结构以外,其他的非限制性假 体和局部限制性假体均对膝关节本身的稳定性有一定的
15、要求.尤其是内/外侧副韧带的平衡和稳定作用对膝关节置换术后维持人工关节的 正常功能非常重要.因此,术前对膝关节稳定结构的检查和关节稳定 性的评估对选择假体和确定手术方案具有重要的意义.图示三旗股关节的解剖特点骸骨是伸膝装置中的重要结构,对增加股四头肌的力臂和作功具有重 要意义.由于股四头肌的力线与骸腱纵轴线之间存在一个外翻角度即 股四头肌角Q角,因而,骸骨存在着向外侧移位的倾向.事实上, 在许多伴有旗股关节退变的膝关节骨关节炎的病例中,都有不同程度 的外侧支持带紧张和骸骨外侧倾斜和/或外侧位移.在人工膝关节置 换的手术中,应该考虑到骸骨脱位的可能,因而全膝置换时重建正确 的骸骨-滑车轨迹是非常
16、重要的,必要时采用外侧松解等方法.另一 方面,在解剖上的骸骨关节面的最高点并非位于骸骨的中央而是偏内 侧,因此,骸骨置换时应考虑到这一解剖特点.图示由于TKA手 术后的失败有相当局部是骸骨问题,而且骸骨置换与否在全膝关节置 换术中仍然是有争论的课题,但演股关节作为膝关节的一个重要组成 局部,在膝关节置换术中与胫股关节同样具有重要的意义.图示骸骨关节面的位置己,换骸骨正就假骨此外,与魏关节不同,由于膝关节周围尤其是前方缺乏肌肉保护,切 口裂开后将可能造成假体外露,加之膝后有重要的血管神经组织等解 剖特点,使膝关节置换与魏关节置换术有较大的不同.三、膝关节的生物力学特点了解膝关节的生物力学特点对理
17、解人工膝关节假体的设计原理和手 术操作原那么是至关重要的.由于上述的解剖特点,决定了膝关节在负 荷、运动及稳定等生物力学特性上的复杂性.一膝关节的负荷膝关节的负荷随人体的运动和步态方式有很大的变化, 膝关节站立位 的静态受力双足着地为体重的0. 43倍,而行走时可达体重的3. 02 倍,上楼时那么可到达4. 25倍.正常膝关节作用力的传递借助于半月 板和关节软骨的蠕变使胫股之间的接触面增大, 从而减少了单位面积 的力负荷.在冠状面上,当一足站立时,人体的重力沿垂直重心线传 递并经过膝关节的内侧图示.这一重力作用使股骨倾向胫骨内侧 镖.此时,阔筋膜张肌和愕大肌通过骼胫束靠外侧力来保持平衡,这 些
18、力的和代表膝关节在此面上的总的支持力,其合力那么是经过膝关节 中央.早期PCA膝关节系统强调重建生理解剖,即考虑胫骨截骨面的2-3 内翻.但对人工关节而言,绝大多数医生和工程师赞成将胫骨截骨平面与胫骨长轴垂直,以获得均衡的负荷.力的不平衡和合力方 向的改变将造成胫骨内外侧牌的受力不均,从而产生膝关节内 /外翻 而人工关节置换术后的力学失衡将导致胫骨假体的松动.二膝关节的运动模式膝关节的运动模式并非一个简单的屈伸运动,而是一个兼有屈伸、滚动、滑动、侧移和轴位旋转的复杂的多自由度的运动模式.因此,模仿膝关节的生物学运动的假体设计是极其复杂的, 单纯的钱链式设计是无法到达或接近正常的膝关节运动的.图
19、示在矢状面,膝关节的伸屈运动并非围绕着同一个旋转中央, 而是根据 运动的过程产生多个瞬时旋转中央.当接触面的质点速度方向切于关 节面时,运动的阻力最小,并可在根据接触面的垂线上求出瞬时旋转 中央,如瞬时中央不在此线上,膝关节将出现滑动运动.在正常的膝关节上,任何瞬时中央的速度方向将切于关节接触面, 在膝关节由伸 而屈的过程中,连续标出每个运动的瞬时旋转中央, 那么会在股骨牌上形成一个能轨迹.图示三胫股及旗股关节力学特点正常胫股关节间力的传递和应力分布与正常的半月板和关节软骨的 功能密切相关.在膝关节的运动和受力相中,由于半月板随着关节活 动的相对位移,以及具有粘弹特性的正常半月板和关节软骨组织
20、的应 变,使关节间的压强变化趋于缓和.而这一点正是目前人工膝关节假 体所难以模仿的特性.尽管有以 Oxford半月板型膝关节假体以及以LCS可活动衬垫假体为代表的摹拟可活动的半月板的膝关节假体, 但 距离人体的半月板和软骨结构与功能尚有很大的区别.止匕外,膝关节在水平面的旋转运动是以内侧牌为中央, 这种旋转方式使得膝关节内 侧间隙易于发生退变,这也是膝关节骨关节炎病变往往以内侧间隙为 重,甚至出现典型的内侧单腔室骨关节炎和膝内翻畸形.现代的假体设计通常将胫骨的截骨面垂直于胫骨并与地面平行,而忽略解剖上存 在的3.内翻,其目的正是期望获得中央旋转轴.演股关节是参与膝关节伸屈运动的重要结构, 在膝
21、关节活动中有着特 殊的章义.骼骨除了传递股四头肌的拉力和承受眼韧带的张力以外, 其关节面本身在膝关节屈曲运动时承受的应力和关节面上的应力分 布是旗股关节生物力学研究的重点.骸骨的外侧倾斜和外侧移位是眼 股对合异常的主要存在形式,其原因可能包括股骨牌的发育异常、 眼 骨发育异常及高位骸骨、膝外翻和 Q角异常增大、内侧支持带松弛、外侧支持带挛缩等多种因素.骸骨外位实际上是程度不同的骸骨半脱位, 在伸直位时,骸骨很容易 向外侧推动,在屈膝20.时,可发现骸骨中央崎与滑车凹的最低点不呈对应关系而向外侧移位,其移位的程度对评价骸骨半脱位很有意义.因此,在屈膝20.-30 0度时对旗股对台关系的评价是关节
22、检查中对 演股异常对合诊断的关键.研究说明,旗股异常对台的直接结果是导 致关节面应力或称旗股接触压(patellofemoral contact force, PFCF)的 分布异常.一方面,关节面局部的应力集中可致关节软骨的病损,另 一方面,关节面的接触压降低和失去接触也会导致软骨的退变.由于软骨面的退变导致的软骨厚度的丧失还可导致正常软骨面的应力重 新分布,导致整个软骨病损的扩展.据此,可以认为旗股对合异常所 致PFCF的分布不均是导致软骨病变的潜在病因.同样,眼股对合异 常也是导致TKA术后骸骨并发症的主要原因.骼骨关节面上的应力分布不均是产生演股关节面软骨退变的直接原因.在正常的生理情
23、况下,膝关节由伸而屈至 90的运动过程中,眼 股接触压逐渐加大,而超过900后又逐渐减小.由于正常旗股关节的接触面随 PFCF的增加而增大,因而,作用于眼 股关节面的应力得以分散,其压强的变化不大.在膝关节置换时,骼 骨与股骨滑车的在不同位相上的匹配度是假体设计上的重要指标,通过合理的假体设计、骸骨内置和股骨假体的外旋位安装可使骸骨假体 更容易与滑车相匹配.(图示)般骨阀体与股骨滑车的匹配四膝关节的力学稳定由于前述膝关节的骨性结构、半月板,关节囊及附属韧带结构的共同 作用,膝关节可以保持静态与动态的稳定性.膝关节在完全伸直位, 关节将发生扣锁,而获得最大的关节稳定性,这是由于膝处于完全伸 直位
24、时,股骨在胫骨上向内旋转；而于过度屈曲位时,股骨那么向外旋 转,此时将通过关节面的咬合和交叉韧带的制导作用增加关节的稳 定.在人工膝关节假体设计中,人工关节的机械稳定性与关节的自由 活动度是一对矛盾.为了获得更大的自由活动度,往往需要牺牲人工 关节本身的稳定性设计.因而,人工关节植入后的稳定更多地依赖于 关节的周围结构的正常尤其是侧副韧带的平衡. 应该指出的是,全膝 关节置换术后的膝关节无论是否保存了 PCI,都是ACL缺如的膝关 节,其前方稳定性有赖于伸膝装置的稳定尤其是股四头肌的力量.同时,由于失去了交叉韧带的 扣锁机制,其本体稳定感觉将较正常膝 关节差.第二节膝关节置换术的适应证与禁忌证
25、膝关节置换术根据以人工假体置换不同的病变关节部位可分为单牌置换、全膝关节置换可包括或不包括骸骨置换、股骨牌或胫骨牌大 块切除后的带干的特制假体置换.单牌置换术多用于重度的单腔室关 节病变而另一侧关节间隙及旗股关节根本正常的病例.其目的是尽可能地保存正常的关节结构,减少手术创伤,以期获得更好的功能恢复, 并为今后的全关节置换留有余地.但单牌置换的技术要求较全关节置 换术更高,且文献报告的远期疗效的优劣差距较大. 带干的膝关节假 体主要应用于肿瘤的瘤段切除后的关节功能重建和严重骨缺损的膝 关节翻修,由于个体差异的因素,此类假体往往需要特殊定制.在膝 关节置换外科中,全膝关节置换术是最典型和最根本的
26、手术,其原理 同样适用于其他类型的假体置换手术. 因此,该手册将以全膝关节置 换TKA/TKR为主要描述对象.膝关节置换术的目标是解除关节疼痛、改善关节功能、纠正关节畸形 和获得长期稳定.主要适应证包括：1 .退变性膝关节骨关节炎OA:老年性膝关节OA占全膝置换术的 最大比例.对于站立位x片膝关节间隙已明显狭窄和/或伴有膝关节 内/外翻/屈曲挛缩畸形,其病症已明显影响关节活动和生活水平的病 例,经保守治疗不能改善病症者,可考虑施行全膝关节置换术.对单 腔室OA可考虑进行单牌置换术.经胫骨高位截骨术后仍不能改善症 状的单腔室OA也可施行全膝关节置换术.2 .类风湿性关节炎RA和强直性脊柱炎AS的
27、膝关节晚期病变：RA 或AS常可累及双侧膝,关节.对出现关节畸形的晚期病例,在关节 融合之前,可有明显的关节疼痛病症.由于患者的平均年龄较 OA病人轻,选择全膝关节置换可以预防关节的强直性融合, 明显地改善关 节功能,提升患者的生存质量.但由于 RA/AS患者的关节周围结构 的挛缩以及多关节的病变,对此类患者的疗效期望值不应过高.3 .其他非感染性关节炎引起的膝关节病损并伴有疼痛和功能障碍. 如大骨节病、血友病性关节炎等.4 .创伤性骨关节炎：严重涉及关节面的创伤后的骨关节炎,如粉碎 性平台骨折后关节面未能修复而严重影响功能的病例以及因半月板 损伤或切除后导致的继发性骨关节炎等.5 .大面积的
28、膝关节骨软骨坏死或其它病变不能通过常规手术方法修 复的病例.6 .感染性关节炎后遗的关节破坏,在确认无活动性感染的情况下, 可作为TKA的相对适应证.7 .涉及膝关节面的肿瘤切除后无法获得良好的关节功能重建的病例.此类病例可能需要特殊定制的假体.总之,全膝关节置换术的适应证是广泛的, 但并不意味着可以滥用这 一术式.尽管全膝关节置换术可以获得较为理想的功能恢复效果,但由于全膝关节假体在机械磨损及屡次翻修等方面的问题并未彻底解 决,因此,严格地掌握手术适应证和考虑接受 TKA患者的年龄依然 是十分重要的.但由于翻修手术在假体设计和技术上的可行性, 年龄 不再是选择全膝关节置换术的绝对指征,但对年
29、轻患者的全膝手术仍 应考虑到二次手术的条件.手术禁忌症竹韵1 .膝关节周围或全身存在活动性感染病灶应为手术的绝对禁忌症.2 .膝关节肌肉瘫痪或神经性关节病变包括肌性膝反张等.3 .全身情况差或伴有未纠正的糖尿病应在正规的内科治疗使疾病得 到限制前方可考虑手术.4 .其他可预见的导致手术危险和术后功能不良的病理情况.应在纠 正这些因素以后才能考虑手术.5 .对无痛且长期功能位融合的病例不应作为人工关节的适应证.第三节膝关节假体设计、分类和假体选择一、膝关节假体设计原那么现代的膝关节假体设计虽然种类繁多, 但大多基于同一个原那么：即以 植入的关节假体提供类似于正常膝关节的伸屈和旋转模式,并籍假体 本身及膝关节的韧带及软组织平衡获得静态及动态的稳定性.尽管今天的假体设计尚不可能到达如正常膝关节相同的功能, 但上述原那么仍 是假体设计者和临床医生所共同追求的目标. 虽然各种设计类型的全 膝关节假体的形态不一,但设计原理却大致相似,借鉴了人工全貌的 成功经验,目前膝关节假体的材料选择以金属的股骨牌假