膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)

2021/6/271在膝關(guān)節(jié)運動過程中，骨骼的位置和朝向（運動學(xué)）是各種力量（動力學(xué)）獲得平衡的結(jié)果關(guān)節(jié)形狀（解剖學(xué)）決定了大部分接觸應(yīng)力的作用方向因此：解剖學(xué)影響動力學(xué)

動力學(xué)決定運動學(xué)膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的原則2021/6/272任何膝關(guān)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恢復(fù)下肢的機械軸。大多數(shù)TKA采用髓內(nèi)或髓外定位來判斷解剖軸。截骨導(dǎo)向能對股骨和脛骨截骨的旋轉(zhuǎn)和對線作精確的調(diào)整，目的是用解剖軸來重建機械軸。機械軸與解剖軸2021/6/273下肢力線解剖軸機械軸機械軸與解剖軸2021/6/274機械軸：股骨頭中心——脛骨平臺中心——踝關(guān)節(jié)中心正常的機械軸能使60%的負荷通過內(nèi)側(cè)間室、40%的負荷通過外側(cè)間室。發(fā)育、關(guān)節(jié)炎、創(chuàng)傷等能改變機械軸，從而改變負荷在兩側(cè)間室的分布比例，引起進行性退變。機械軸2021/6/275在正常膝關(guān)節(jié)，下肢機械軸通過膝關(guān)節(jié)中心或中心略偏內(nèi)側(cè)在膝內(nèi)翻畸形時，下肢機械軸通過膝關(guān)節(jié)中心的內(nèi)側(cè)，使內(nèi)側(cè)間室負荷增加。這一負荷增加會導(dǎo)致一個畸形進行性惡化的循環(huán)。當畸形變得非常嚴重時，或者負重時會覺得膝關(guān)節(jié)在向外側(cè)凸出。在外翻畸形時，下肢機械軸通過膝關(guān)節(jié)中心的外側(cè)，使外側(cè)間室的負荷增加，并使內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)擴張甚或喪失功能。膝內(nèi)/外翻2021/6/276膝內(nèi)翻與膝外翻膝內(nèi)/外翻2021/6/277解剖軸：是股骨、脛骨髓腔線與脛股關(guān)節(jié)線相交形成的角度。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2021/6/278股骨髁與下肢力線的關(guān)系股骨解剖軸與機械軸2021/6/279脛骨解剖軸脛骨的解剖軸在脛骨干的中央，它與脛骨關(guān)節(jié)面垂線之間有3度的內(nèi)翻角。從側(cè)面觀，脛骨關(guān)節(jié)表面有一5-7度的后傾。2021/6/2710脛骨平臺后傾2021/6/2711TKA中重要的畫線2021/6/2712TKA中重要的畫線2021/6/2713與髖關(guān)節(jié)不同，膝關(guān)節(jié)兩相對骨面形合度較差。因此，軟組織結(jié)構(gòu)在維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定中起到了至關(guān)重要的作用術(shù)者了解正常的下肢對線、作用于膝關(guān)節(jié)上的外力和膝關(guān)節(jié)運動的限制結(jié)構(gòu)等都是必須的關(guān)節(jié)的形合度2021/6/2714關(guān)節(jié)軟骨的作用關(guān)節(jié)的形合度2021/6/2715脛骨內(nèi)外側(cè)平臺差異的意義關(guān)節(jié)的形合度2021/6/2716在生理性膝關(guān)節(jié)，半月板增加了股骨髁與脛骨平臺之間的形合。形合程度的增加也就增加了分擔負荷的關(guān)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(guān)節(jié)軟骨某些部位上承受的負荷會增加高達400%。關(guān)節(jié)的形合度2021/6/2717在正常膝關(guān)節(jié)的0-120度屈曲中：內(nèi)側(cè)半月板的飄移可達5mm，外側(cè)半月板的飄移則達11mm。關(guān)節(jié)的形合度2021/6/2718關(guān)節(jié)的形合度2021/6/2719在TKA后，股骨髁與脛骨墊的形合度遠高于生理性膝，因此關(guān)節(jié)接觸面大，接觸應(yīng)力小、磨損也可能小。但這一高形合度降低了關(guān)節(jié)的自由活動，從而可能減小關(guān)節(jié)的活動范圍，增加聚乙烯內(nèi)和假體-股骨界面上的應(yīng)力集中。形合度增加與活動度減小之間的矛盾被稱為是“運動學(xué)沖突”TKA的關(guān)節(jié)形合度2021/6/2720解決運動學(xué)沖突的方法之一是采用活動平臺假體。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(guān)節(jié)面，允許脛骨墊作旋轉(zhuǎn)或前/后向移動。雖然這一設(shè)計在理論上頗具吸引力，但至今的臨床結(jié)果并未證明優(yōu)于固定平臺假體。活動平臺膝關(guān)節(jié)系統(tǒng)2021/6/2721膝關(guān)節(jié)并非是一個單純的鉸鏈關(guān)節(jié)。膝關(guān)節(jié)的活動極其復(fù)雜，包括了屈曲/伸展、內(nèi)旋/外旋、內(nèi)收/外展因無法照顧到這一復(fù)雜的活動，是加速高限制性全膝關(guān)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(guān)節(jié)活動2021/6/2722膝關(guān)節(jié)的運動三根軸六個方向膝關(guān)節(jié)活動2021/6/2723膝關(guān)節(jié)活動2021/6/27242021/6/2725膝關(guān)節(jié)的活動范圍自過伸0-20度至屈曲125-165度。功能性膝關(guān)節(jié)的活動范圍約是0-115度。正常步態(tài)時需要的膝關(guān)節(jié)活動范圍是0-70度。膝關(guān)節(jié)活動范圍2021/6/2726膝關(guān)節(jié)活動范圍活動大約需要的屈曲角度步行0-67上樓梯

0-83下樓梯

0-90從站立位坐下

0-93穿鞋0-106提起重物

0-1172021/6/2727膝關(guān)節(jié)的屈曲和伸展都包含了滾動和滑動。隨著屈曲的增加，股骨髁上的瞬間旋轉(zhuǎn)中心向后移動。這一瞬間旋轉(zhuǎn)中心的后移即為股骨髁后滾，其作用是防止股骨與脛骨的撞擊，以增加膝關(guān)節(jié)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。膝關(guān)節(jié)屈曲2021/6/2728在生理性膝關(guān)節(jié)，股骨髁的后滾是由四邊框架系統(tǒng)來調(diào)整的。ACL和PCL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質(zhì)是這一系統(tǒng)中的另外兩邊。整個膝關(guān)節(jié)的瞬間旋轉(zhuǎn)中心位于ACL與PCL的交叉處股骨髁的后滾2021/6/2729ACL/PCL四邊框架2021/6/2730膝關(guān)節(jié)的滾動和滑動股骨髁的后滾2021/6/2731沒有滑動時的膝關(guān)節(jié)運動——分離股骨髁的后滾2021/6/2732在PCL保留的TKA中，PCL仍能調(diào)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)的斷裂，這一后滾于生理性的并不相同CR膝中股骨髁的后滾2021/6/2733在后穩(wěn)定型TKA中，PCL已予切除，股骨髁的后滾依靠POST-CAM結(jié)構(gòu)調(diào)整。因此，其后滾更可預(yù)測，雖然與生理性的仍有差異。當然post-cam結(jié)構(gòu)是增加了磨損的來源，也增加了系統(tǒng)的限制性。PS膝中股骨髁的后滾2021/6/2734在膝關(guān)節(jié)接近完全伸直時，脛骨相對于股骨發(fā)生外旋（也即股骨相對于脛骨發(fā)生內(nèi)旋），內(nèi)側(cè)脛骨平臺在隆凸的內(nèi)側(cè)股骨髁上作滑行，直到膝關(guān)節(jié)完全伸直時獲得鎖定。這一機制是由股骨內(nèi)側(cè)髁的形狀和大小、膝關(guān)節(jié)周圍肌肉和軟組織結(jié)構(gòu)共同調(diào)節(jié)的。伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機制2021/6/2735膝關(guān)節(jié)的橫軸伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機制2021/6/2736膝關(guān)節(jié)的伸屈和旋轉(zhuǎn)屈曲+外旋伸展+內(nèi)旋伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機制2021/6/2737膝關(guān)節(jié)活動總結(jié)股骨運動脛骨運動滾動旋轉(zhuǎn)滾動旋轉(zhuǎn)膝屈曲后滾外旋前滾內(nèi)旋膝伸展前滾內(nèi)旋后滾外旋伸屈與旋轉(zhuǎn)2021/6/2738內(nèi)側(cè)股骨髁位移2021/6/2739外側(cè)股骨髁位移2021/6/2740內(nèi)側(cè)平臺凹陷前端有隆起向后變平坦外側(cè)平臺凸起對股骨髁前后向活動無限制脛骨平臺的解剖2021/6/2741在膝關(guān)節(jié)完全伸直位股骨髁內(nèi)旋5度機械軸正對膝關(guān)節(jié)中心膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定無需股四頭肌參與完全伸膝位有效的站立股骨前髁內(nèi)側(cè)防止髕骨脫位伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機制2021/6/2742外旋鎖定機制的機理ACL止于股骨髁外側(cè)伸膝時ACL將外側(cè)股骨髁拉向前方ACL缺損的膝沒有外旋鎖定伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機制2021/6/2743在正常步行時，脛股關(guān)節(jié)的受力大約是3倍體重上樓梯時約為4倍體重。正常情況下60%的負荷通過內(nèi)側(cè)間室，40%通過外側(cè)間室。髕股關(guān)節(jié)受力平地行走：0.5倍體重下樓梯：5倍體重膝關(guān)節(jié)活動時的受力2021/6/2744髕股關(guān)節(jié)受力膝關(guān)節(jié)活動時的受力2021/6/2745膝關(guān)節(jié)的受力膝關(guān)節(jié)活動時的受力2021/6/2746膝關(guān)節(jié)活動時的受力2021/6/2747為何膝關(guān)節(jié)受力會如此之大？上半身的重量作用在一較長的力臂上而股四頭肌通過髕韌帶的作用力臂要短許多膝關(guān)節(jié)活動時的受力2021/6/2748Q角是股四頭肌腱縱軸與髕韌帶縱軸之間形成的夾角。Q角大于20度被認為異常。在TKA中，需經(jīng)調(diào)整假體旋轉(zhuǎn)定位、內(nèi)置髕骨假體和必要時的軟組織平衡（側(cè)放松解）來恢復(fù)Q角。髕骨軌跡異常是TKA術(shù)后膝前疼痛的常見原因，可采用不同的手術(shù)入路以減少這一并發(fā)癥的發(fā)生。Q角2021/6/2749脛骨結(jié)節(jié)在中線外側(cè)約10-12mm股骨解剖軸與髕韌帶縱軸之間形成的夾角即Q角男性——14度女性——17度Q角2021/6/2750髕骨周圍作用組織2021/6/2751Q角的存在使髕骨總有向外脫位的趨勢2021/6/2752Q角的變化可改變髕骨軌跡2021/6/2753

Patellaalta：高位髕骨

Patellabaja：低位髕骨

TKA后低位髕骨較為常見，特別是之前有高位脛骨截骨者。低位髕骨與高位髕骨2021/6/2754Insall-Salvati指數(shù)：髕韌帶長度/髕骨高度

正常=1.0高位髕骨>1.2低位髕骨<0.8Blumensaat’s線：屈膝30度時，髕骨下極應(yīng)該在髁間窩線上。Blackburne-Peel指數(shù)：脛骨平臺至髕骨下極關(guān)節(jié)面距離/髕骨關(guān)節(jié)面高度

正常=0.8高位髕骨>1.0髕骨高度的測量2021/6/2755髕骨高度的測量2021/6/2756當膝關(guān)節(jié)屈曲、髕骨滑向遠側(cè)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髕股關(guān)節(jié)是滑行關(guān)節(jié)，在整個行程中髕股滑行的距離大約在7cm髕骨的運動2021/6/2757髕股關(guān)節(jié)的變化髕骨位置髕關(guān)節(jié)面髕骨的運動2021/6/2758髕骨的功能是增強伸膝肌力量，這一目的是通過延長伸膝裝置的力臂而實現(xiàn)的。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(yīng)力并作為籽骨為股四頭肌腱和髕韌帶提供附著。髕骨的功能2021/6/2759因創(chuàng)傷或TKA并發(fā)癥而切除髕骨將會縮短伸膝裝置的力臂，并使完全伸膝時股四頭肌所需要的力量增加15%-30%。對髕骨切除后的患者行TKA，通常選擇后穩(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髕骨的功能2021/6/2760髕骨關(guān)節(jié)面覆蓋有人體中最厚的關(guān)節(jié)軟骨，因為需承擔甚大的負荷。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體重的7倍。髕骨的受力2021/6/2761髕骨的平均厚度是25mm。置換髕骨時重要的是至少使截骨后的骨床保留10mm，以免發(fā)生髕骨骨折。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(yīng)力髕骨的置換2021/6/2762TKA后的髕骨軌跡，可經(jīng)多個途徑優(yōu)化股骨髁外旋股骨髁外置髕骨假體內(nèi)置脛骨假體外旋伸膝裝置側(cè)方支持帶松解TKA中髕骨軌跡的優(yōu)化2021/6/2763髕外側(cè)支持帶髕骨支持帶2021/6/2764髕骨受力2021/6/2765髕骨受力的方向2021/6/2766髕骨的作用ma1>ma2髕骨切除的結(jié)果2021/6/2767髕骨切除的結(jié)果2021/6/2768為了保持正常的髕股關(guān)系，重要的是在TKA中關(guān)節(jié)線的上升或下降不能超過8mm。特別是在翻修手術(shù)中更需注意，由于嚴重的骨缺損，正確地恢復(fù)關(guān)節(jié)線有時甚為困難。過度升高關(guān)節(jié)線會致低位髕骨，這將致屈膝時髕骨與脛骨墊發(fā)生撞擊關(guān)節(jié)線與髕骨位置的關(guān)系2021/6/2769植入物對線和位置脛骨、股骨、髕骨相對于膝關(guān)節(jié)受力環(huán)境（肌肉和韌帶附著）的旋轉(zhuǎn)定位假體設(shè)計股骨/脛骨在前后向上的中立股骨滑車溝的設(shè)計股骨髁矢狀位的形狀髕骨關(guān)節(jié)面的形狀脛骨墊關(guān)節(jié)面的設(shè)計

PS、CR或活動平臺設(shè)計影響TKA術(shù)后生物力學(xué)的因素2021/6/2770TKA的軸向旋轉(zhuǎn)矢狀面的形合影響了人工關(guān)節(jié)的活動范圍高形合度限制了軸向旋轉(zhuǎn)更好的前后向穩(wěn)定性低形合度更多的前后向活動度，也可能有更多的軸向旋轉(zhuǎn)更可能發(fā)生“矛盾運動”影響TKA術(shù)后生物力學(xué)的因素2021/6/2771在膝關(guān)