膝關節(jié)生物力學

1、編輯ppt1 膝關節(jié)膝關節(jié)生物力學生物力學編輯ppt2u在膝關節(jié)運動過程中，骨骼的位置和朝向（在膝關節(jié)運動過程中，骨骼的位置和朝向（運動學）是各種力量（動力學）獲得平衡的結運動學）是各種力量（動力學）獲得平衡的結果果u關節(jié)形狀（解剖學）決定了大部分接觸應力關節(jié)形狀（解剖學）決定了大部分接觸應力的作用方向的作用方向u因此：解剖學影響動力學因此：解剖學影響動力學 動力學決定運動學動力學決定運動學膝關節(jié)生物力學的原則膝關節(jié)生物力學的原則編輯ppt3p 任何膝關節(jié)置換的目的是通過截任何膝關節(jié)置換的目的是通過截骨、軟組織平衡和良好的假體安放骨、軟組織平衡和良好的假體安放恢復下肢的機械軸?；謴拖轮臋C械軸

2、。p大多數大多數TKA采用髓內或髓外定位采用髓內或髓外定位來判斷解剖軸。截骨導向能對股骨來判斷解剖軸。截骨導向能對股骨和脛骨截骨的旋轉和對線作精確的和脛骨截骨的旋轉和對線作精確的調整，目的是用解剖軸來重建機械調整，目的是用解剖軸來重建機械軸。軸。機械軸與解剖軸機械軸與解剖軸編輯ppt4下肢力線下肢力線解剖軸解剖軸機械軸機械軸機械軸與解剖軸機械軸與解剖軸編輯ppt5p機械軸：股骨頭中心機械軸：股骨頭中心脛脛骨平臺中心骨平臺中心踝關節(jié)中心踝關節(jié)中心p正常的機械軸能使正常的機械軸能使60%的負的負荷通過內側間室、荷通過內側間室、40%的負荷的負荷通過外側間室。通過外側間室。p發(fā)育、關節(jié)炎、創(chuàng)傷等能改

3、發(fā)育、關節(jié)炎、創(chuàng)傷等能改變機械軸，從而改變負荷在兩變機械軸，從而改變負荷在兩側間室的分布比例，引起進行側間室的分布比例，引起進行性退變。性退變。機械軸機械軸編輯ppt6p在正常膝關節(jié)，下肢機械軸通過膝關節(jié)中心或中心在正常膝關節(jié)，下肢機械軸通過膝關節(jié)中心或中心略偏內側略偏內側p在膝內翻畸形時，下肢機械軸通過膝關節(jié)中心的內在膝內翻畸形時，下肢機械軸通過膝關節(jié)中心的內側，使內側間室負荷增加。這一負荷增加會導致一個側，使內側間室負荷增加。這一負荷增加會導致一個畸形進行性惡化的循環(huán)。當畸形變得非常嚴重時，或畸形進行性惡化的循環(huán)。當畸形變得非常嚴重時，或者負重時會覺得膝關節(jié)在向外側凸出。者負重時會覺得膝關

4、節(jié)在向外側凸出。p在外翻畸形時，下肢機械軸通過膝關節(jié)中心的外側在外翻畸形時，下肢機械軸通過膝關節(jié)中心的外側，使外側間室的負荷增加，并使內側結構擴張甚或喪，使外側間室的負荷增加，并使內側結構擴張甚或喪失功能。失功能。膝內膝內/ /外翻外翻編輯ppt7膝內翻與膝外翻膝內翻與膝外翻膝內膝內/ /外翻外翻編輯ppt8u解剖軸：是股骨、脛骨髓腔線與脛股關節(jié)線相交形成的角度。u股骨解剖軸呈5-9度外翻，在個子較小的患者，這一角度將會較大。股骨解剖軸股骨解剖軸編輯ppt9股骨髁與下肢力線的關系股骨髁與下肢力線的關系股骨解剖軸與機械軸股骨解剖軸與機械軸編輯ppt10脛骨解剖軸脛骨解剖軸u脛骨的解剖軸在脛骨干的

5、中央，它脛骨的解剖軸在脛骨干的中央，它與脛骨關節(jié)面垂線之間有與脛骨關節(jié)面垂線之間有3度的內翻角度的內翻角。從側面觀，脛骨關節(jié)表面有一。從側面觀，脛骨關節(jié)表面有一5-7度度的后傾。的后傾。編輯ppt11脛骨平臺后傾脛骨平臺后傾編輯ppt12TKATKA中重要的畫線中重要的畫線編輯ppt13TKATKA中重要的畫線中重要的畫線編輯ppt14TKATKA中重要的畫線中重要的畫線編輯ppt15TKATKA中重要的畫線中重要的畫線編輯ppt16TKATKA中重要的畫線中重要的畫線編輯ppt17TKATKA中重要的畫線中重要的畫線編輯ppt18TKATKA中重要的畫線中重要的畫線編輯ppt19u與髖關節(jié)不

6、同，膝關節(jié)兩相對骨面形合度較差。因此，軟組織結構在維持關節(jié)穩(wěn)定中起到了至關重要的作用u術者了解正常的下肢對線、作用于膝關節(jié)上的外力和膝關節(jié)運動的限制價格等都是必須的關節(jié)的形合度關節(jié)的形合度編輯ppt20關節(jié)軟骨的作用關節(jié)軟骨的作用關節(jié)的形合度關節(jié)的形合度編輯ppt21脛骨內外側平臺差異的意義脛骨內外側平臺差異的意義關節(jié)的形合度關節(jié)的形合度編輯ppt22u在生理性膝關節(jié)，半月板增加了股骨髁與脛骨平臺之間的形合。u形合程度的增加也就增加了分擔負荷的關節(jié)面表面積，從而減少了特定某一點的負荷。因此，半月板切除后，關節(jié)軟骨某些部位上承受的負荷會增加高達400%。關節(jié)的形合度關節(jié)的形合度編輯ppt23在正

7、常膝關節(jié)的在正常膝關節(jié)的0-120度屈曲中：度屈曲中：內側半月板的飄移可達內側半月板的飄移可達5 mm，外側半月板的飄移則達外側半月板的飄移則達11 mm。關節(jié)的形合度關節(jié)的形合度編輯ppt24關節(jié)的形合度關節(jié)的形合度編輯ppt25l在在TKA后，股骨髁與脛骨墊的形合度遠高后，股骨髁與脛骨墊的形合度遠高于生理性膝，因此關節(jié)接觸面大，接觸應力于生理性膝，因此關節(jié)接觸面大，接觸應力小、磨損也可能小。小、磨損也可能小。l但這一高形合度降低了關節(jié)的自由活動，但這一高形合度降低了關節(jié)的自由活動，從而可能減小關節(jié)的活動范圍，增加聚乙烯從而可能減小關節(jié)的活動范圍，增加聚乙烯內和假體內和假體-股骨界面上的應力

8、集中。股骨界面上的應力集中。l形合度增加與活動度減小之間的矛盾被稱形合度增加與活動度減小之間的矛盾被稱為是為是“運動學沖突運動學沖突”TKATKA的關節(jié)形合度的關節(jié)形合度編輯ppt26u解決運動學沖突的方法之一是采用活動平臺解決運動學沖突的方法之一是采用活動平臺假體。假體。u此類假體的脛骨墊與股骨髁高度形合，但在此類假體的脛骨墊與股骨髁高度形合，但在脛骨墊與脛骨托之間存在第二個關節(jié)面，允許脛骨墊與脛骨托之間存在第二個關節(jié)面，允許脛骨墊作旋轉或前脛骨墊作旋轉或前/后向移動。后向移動。u雖然這一設計在理論上頗具吸引力，但至今雖然這一設計在理論上頗具吸引力，但至今的臨床結果并未證明優(yōu)于固定平臺假體。

9、的臨床結果并未證明優(yōu)于固定平臺假體?；顒悠脚_膝關節(jié)系統(tǒng)活動平臺膝關節(jié)系統(tǒng)編輯ppt27u膝關節(jié)并非是一個單純的鉸鏈關節(jié)。膝關節(jié)的活動極其復雜，包括了屈曲/伸展、內旋/外旋、內收/外展u因無法照顧到這一復雜的活動，是加速高限制性全膝關節(jié)假體失敗的主要原因。特別是在高限制性的早期“鉸鏈膝”，后者僅有伸屈一個方向上的活動膝關節(jié)活動膝關節(jié)活動編輯ppt28膝關節(jié)的運動膝關節(jié)的運動三根軸三根軸六個方向六個方向膝關節(jié)活動膝關節(jié)活動編輯ppt29膝關節(jié)活動膝關節(jié)活動編輯ppt30u膝關節(jié)的活動范圍自過伸0-20度至屈曲125-165度。u功能性膝關節(jié)的活的訪問是0-115度。u正常步態(tài)時需要的膝關節(jié)活動范圍

10、是0-70度。膝關節(jié)活動范圍膝關節(jié)活動范圍編輯ppt31膝關節(jié)活動范圍膝關節(jié)活動范圍活活 動動需要屈曲角度需要屈曲角度步行步行0-67上樓梯上樓梯 0-83下樓梯下樓梯 0-90從站立位坐下從站立位坐下 0-93穿鞋穿鞋0-106提起重物提起重物 0-117編輯ppt32u膝關節(jié)的屈曲和伸展都包含了滾動和膝關節(jié)的屈曲和伸展都包含了滾動和滑動?；瑒印隨著屈曲的增加，股骨髁上的瞬間旋隨著屈曲的增加，股骨髁上的瞬間旋轉中心向后移動所謂的瞬間旋轉中心即轉中心向后移動所謂的瞬間旋轉中心即股骨與脛骨的接觸點。股骨與脛骨的接觸點。 這一瞬間旋轉這一瞬間旋轉中心的后移即為股骨髁后滾，其作用是中心的后移即為股

11、骨髁后滾，其作用是防止股骨與脛骨的撞擊，以增加膝關節(jié)防止股骨與脛骨的撞擊，以增加膝關節(jié)屈曲。同時它也增加了伸膝裝置的力臂屈曲。同時它也增加了伸膝裝置的力臂，從而提高了股四頭肌的作用力，從而提高了股四頭肌的作用力膝關節(jié)伸屈活動膝關節(jié)伸屈活動編輯ppt33p在生理性膝關節(jié)，股骨髁的后滾是由在生理性膝關節(jié)，股骨髁的后滾是由四邊框架系統(tǒng)來調整的。四邊框架系統(tǒng)來調整的。pACL和和PCL是這一系統(tǒng)中的韌帶連接是這一系統(tǒng)中的韌帶連接部分，而其在脛骨與股骨止點之間的骨部分，而其在脛骨與股骨止點之間的骨質是這一系統(tǒng)中的另外兩邊。質是這一系統(tǒng)中的另外兩邊。p整個膝關節(jié)的瞬間旋轉中心位于整個膝關節(jié)的瞬間旋轉中心位

12、于ACL與與PCL的交叉處的交叉處股骨髁的后滾股骨髁的后滾編輯ppt34ACL/PCLACL/PCL四邊框架四邊框架編輯ppt35膝關節(jié)的滾動和滑動膝關節(jié)的滾動和滑動股骨髁的后滾股骨髁的后滾編輯ppt36沒有滑動時的膝關節(jié)運動沒有滑動時的膝關節(jié)運動分離分離股骨髁的后滾股骨髁的后滾編輯ppt37 在在PCL保留的保留的TKA中，中，PCL仍仍能調節(jié)股骨髁的后滾，但因為能調節(jié)股骨髁的后滾，但因為ACL的缺如和整個閉合四邊框架系統(tǒng)的的缺如和整個閉合四邊框架系統(tǒng)的斷裂，這一后滾于生理性的并不相斷裂，這一后滾于生理性的并不相同同CRCR膝中股骨髁的后滾膝中股骨髁的后滾編輯ppt38 在后穩(wěn)定型在后穩(wěn)定型

13、TKA中，中，PCL已予切已予切除，股骨髁的后滾依靠除，股骨髁的后滾依靠POST-CAM結結構調整。因此，其后滾更可預測，雖構調整。因此，其后滾更可預測，雖然與生理性的仍有差異。當然然與生理性的仍有差異。當然post-cam結構是增加了磨損的來源，也增結構是增加了磨損的來源，也增加了系統(tǒng)的限制性。加了系統(tǒng)的限制性。PSPS膝中股骨髁的后滾膝中股骨髁的后滾編輯ppt39編輯ppt40u在膝關節(jié)接近完全伸直時，脛骨相對于股在膝關節(jié)接近完全伸直時，脛骨相對于股骨發(fā)生外旋，內側脛骨平臺在隆凸的內側股骨發(fā)生外旋，內側脛骨平臺在隆凸的內側股骨髁上作滑行，直到膝關節(jié)完全伸直時獲得骨髁上作滑行，直到膝關節(jié)完全

14、伸直時獲得鎖定。鎖定。u這一機制是由股骨內側髁的形狀和大小、這一機制是由股骨內側髁的形狀和大小、膝關節(jié)周圍肌肉和軟組織結構共同調節(jié)的。膝關節(jié)周圍肌肉和軟組織結構共同調節(jié)的。伸膝旋轉鎖定機制伸膝旋轉鎖定機制編輯ppt41膝關節(jié)的橫軸膝關節(jié)的橫軸伸膝旋轉鎖定機制伸膝旋轉鎖定機制編輯ppt42膝關節(jié)的伸屈和旋轉膝關節(jié)的伸屈和旋轉屈曲屈曲+外旋外旋伸展伸展+內旋內旋伸膝旋轉鎖定機制伸膝旋轉鎖定機制編輯ppt43膝關節(jié)活動總結膝關節(jié)活動總結股骨運動股骨運動脛骨運動脛骨運動滾動滾動旋轉旋轉滾動滾動旋轉旋轉膝屈曲膝屈曲后滾后滾外旋外旋前滾前滾內旋內旋膝伸展膝伸展前滾前滾內旋內旋后滾后滾外旋外旋伸膝旋轉鎖定機

15、制伸膝旋轉鎖定機制編輯ppt44內側股骨髁位移內側股骨髁位移編輯ppt45外側股骨髁位移外側股骨髁位移編輯ppt46內側平臺內側平臺l 凹陷凹陷l 前端有隆起前端有隆起l 向后變平坦向后變平坦外側平臺外側平臺l 凸起凸起l 對股骨髁前后向活動無限制對股骨髁前后向活動無限制脛骨平臺的解剖脛骨平臺的解剖編輯ppt47在膝關節(jié)完全伸直位在膝關節(jié)完全伸直位u股骨髁內旋股骨髁內旋5度度u機械軸正對膝關節(jié)中心機械軸正對膝關節(jié)中心u膝關節(jié)穩(wěn)定無需股四頭肌參與膝關節(jié)穩(wěn)定無需股四頭肌參與u完全伸膝位有效的站立完全伸膝位有效的站立u股骨前髁外側防止髕骨脫位股骨前髁外側防止髕骨脫位伸膝旋轉鎖定機制伸膝旋轉鎖定機制編

16、輯ppt48外旋鎖定機制的機理uACL止于股骨髁外側u伸膝時ACL將外側股骨髁拉向前方uACL缺損的膝沒有外旋鎖定伸膝旋轉鎖定機制伸膝旋轉鎖定機制編輯ppt49u在正常步行時，脛股關節(jié)的受力在正常步行時，脛股關節(jié)的受力大約是大約是3倍體重倍體重u上樓梯時約為上樓梯時約為4倍體重。倍體重。u正常情況下正常情況下60%的負荷通過內側的負荷通過內側間室，間室，40%通過外側間室。通過外側間室。膝關節(jié)活動時的受力膝關節(jié)活動時的受力編輯ppt50髕股關節(jié)受力髕股關節(jié)受力膝關節(jié)活動時的受力膝關節(jié)活動時的受力編輯ppt51膝關節(jié)的受力膝關節(jié)的受力膝關節(jié)活動時的受力膝關節(jié)活動時的受力編輯ppt52膝關節(jié)活動時

17、的受力膝關節(jié)活動時的受力編輯ppt53u脛股關節(jié)受力平地行走：4倍體重下樓梯： 8倍體重u髕股關節(jié)受力平地行走：0.5倍體重下樓梯：5倍體重膝關節(jié)活動時的受力膝關節(jié)活動時的受力編輯ppt54為何膝關節(jié)受力會如此之大？u上半身的重量作用在一較長的力臂上u而股四頭肌通過髕韌帶的作用力臂要端許多膝關節(jié)活動時的受力膝關節(jié)活動時的受力編輯ppt55uQ角是股四頭肌腱縱軸與髕韌帶縱軸之間角是股四頭肌腱縱軸與髕韌帶縱軸之間形成的夾角。形成的夾角。Q角大于角大于20度被認為異常。度被認為異常。u在在TKA中，需經調整假體旋轉定位、內置中，需經調整假體旋轉定位、內置髕骨假體和必要時的軟組織平衡（側放松解髕骨假體

18、和必要時的軟組織平衡（側放松解）來恢復）來恢復Q角。角。u髕骨軌跡異常是髕骨軌跡異常是TKA術后膝前疼痛的常見術后膝前疼痛的常見原因，可采用不同的手術入路以減少這一并原因，可采用不同的手術入路以減少這一并發(fā)癥的發(fā)生。發(fā)癥的發(fā)生。QQ角角編輯ppt56u脛骨結節(jié)在中線外側約脛骨結節(jié)在中線外側約10-12mmu股骨解剖軸與髕韌帶縱軸之間形成股骨解剖軸與髕韌帶縱軸之間形成 的夾角即的夾角即Q角角u男性男性14度度 女性女性17度度QQ角角編輯ppt57QQ角角編輯ppt58QQ角角編輯ppt59QQ角角編輯ppt60p Patella alta：高位髕骨：高位髕骨p Patella baja：低位髕

19、骨：低位髕骨p TKA后低位髕骨較為常見，特別是之前后低位髕骨較為常見，特別是之前有高位脛骨截骨者。有高位脛骨截骨者。低位髕骨與高位髕骨低位髕骨與高位髕骨編輯ppt61pInsall-Salvati指數：髕韌帶長度/髕骨高度 正常=1.0 高位髕骨1.2 低位髕骨1.0髕骨高度的測量髕骨高度的測量編輯ppt62髕骨高度的測量髕骨高度的測量編輯ppt63n當膝關節(jié)屈曲、髕骨滑向遠側時，髕骨位于滑車溝的中央。而髕骨與股骨的接觸部位也逐漸由下極移至上極n髕股關節(jié)是滑行關節(jié)，在整個行程中髕股滑行的距離大約在7 cm髕骨的運動髕骨的運動編輯ppt64髕股關節(jié)的變化髕股關節(jié)的變化髕骨位置髕骨位置髕關節(jié)面髕

20、關節(jié)面髕骨的運動髕骨的運動編輯ppt65p髕骨的功能是增強伸肌力量，這一目髕骨的功能是增強伸肌力量，這一目的是通過延長伸膝裝置的力臂而實行的的是通過延長伸膝裝置的力臂而實行的。p同時髕骨也能幫助分布伸膝裝置與股同時髕骨也能幫助分布伸膝裝置與股骨髁遠端之間的接觸應力骨髁遠端之間的接觸應力p并作為籽骨為股四頭肌腱和髕韌帶提并作為籽骨為股四頭肌腱和髕韌帶提供附著。供附著。髕骨的功能髕骨的功能編輯ppt66p因創(chuàng)傷或因創(chuàng)傷或TKA并發(fā)癥而切除髕骨將并發(fā)癥而切除髕骨將會縮短伸膝裝置的力臂，并使完全伸會縮短伸膝裝置的力臂，并使完全伸膝時股四頭肌所需要的力量增加膝時股四頭肌所需要的力量增加15%-30%。p

21、對髕骨切除后的患者行對髕骨切除后的患者行TKA，通常，通常選擇后穩(wěn)定假體，因其能更好地模擬選擇后穩(wěn)定假體，因其能更好地模擬股骨后滾，從而增加伸膝裝置的力臂股骨后滾，從而增加伸膝裝置的力臂髕骨的功能髕骨的功能編輯ppt67p髕骨關節(jié)面覆蓋有人體中最厚的關節(jié)髕骨關節(jié)面覆蓋有人體中最厚的關節(jié)軟骨，因為需承擔甚大的負荷。軟骨，因為需承擔甚大的負荷。p通過髕骨的外力在正常行走時約為體通過髕骨的外力在正常行走時約為體重的一半，而在深蹲時或跑動時則達到重的一半，而在深蹲時或跑動時則達到體重的體重的7倍。倍。髕骨的受力髕骨的受力編輯ppt68p髕骨的平均厚度是髕骨的平均厚度是25mm。p置換髕骨時重要的是至少

22、使截骨后的骨床置換髕骨時重要的是至少使截骨后的骨床保留保留10mm，以免發(fā)生髕骨骨折。，以免發(fā)生髕骨骨折。p帶金屬底托的髕骨假體臨床效果差，原因帶金屬底托的髕骨假體臨床效果差，原因是較薄的聚乙烯假體上有較高的接觸應力是較薄的聚乙烯假體上有較高的接觸應力髕骨的置換髕骨的置換編輯ppt69TKA后的髕骨軌跡，可經多個途徑優(yōu)化p 股骨髁外旋p 股骨髁外置p 髕骨假體內置p 脛骨假體外旋p 伸膝裝置側方支持帶松解TKATKA中髕骨軌跡的優(yōu)化中髕骨軌跡的優(yōu)化編輯ppt70髕外側支持帶髕外側支持帶髕骨支持帶髕骨支持帶編輯ppt71髕骨受力髕骨受力編輯ppt72髕骨受力髕骨受力編輯ppt73髕骨的作用髕骨的

23、作用ma1 ma2髕骨切除的結果髕骨切除的結果編輯ppt74髕骨切除的結果髕骨切除的結果編輯ppt75 為了保持正常的髕股關系，重要的是在為了保持正常的髕股關系，重要的是在TKA中關節(jié)線的上升或下降不能超過中關節(jié)線的上升或下降不能超過8 mm。特別是在翻修手術中更需注意，由于嚴。特別是在翻修手術中更需注意，由于嚴重的骨缺損，正確地恢復關節(jié)線有時甚為重的骨缺損，正確地恢復關節(jié)線有時甚為困難。過度升高關節(jié)線會致低位髕骨，這困難。過度升高關節(jié)線會致低位髕骨，這將致屈膝時髕骨與脛骨墊發(fā)生撞擊將致屈膝時髕骨與脛骨墊發(fā)生撞擊關節(jié)線與髕骨位置的關系關節(jié)線與髕骨位置的關系編輯ppt76u植入物對線和位置植入物對線和位置 脛骨、股骨、髕骨相對于膝關節(jié)受力環(huán)境脛骨、股骨、髕骨相對于膝關節(jié)受力環(huán)境（肌肉和韌帶附著）的旋轉定位（肌肉和韌帶附著）的旋轉定位u假體設計假體設計p 股骨股骨/脛骨在前后向上的中立脛骨在前后向上的中立p 股骨滑車溝的設計股骨滑車溝的設計p 股骨髁矢狀位的形狀股骨髁矢狀位的形狀p 髕骨關節(jié)面的形狀髕骨關