膝關節(jié)置換術及假體的研究進展

李玉安 谷長躍 王佳音 (吉林大學中日聯誼醫(yī)院骨科，吉林 長春 130033)

膝關節(jié)是人體最大、解剖最復雜、對運動功能要求很高的關節(jié)。全膝關節(jié)置換術是在全髖關節(jié)置換術的基礎上逐漸發(fā)展起來的，全世界每年有大量患者接受膝關節(jié)置換手術。根據對歐美17個國家的統計，每年約有110萬人行膝關節(jié)置換術，其中8%是二次翻修，并且膝關節(jié)置換術的人數以每年11%的速度遞增。其中，女性患者占64.4%，小于 65周歲者占29.4%，患者呈現年輕化的趨勢。如何在臨床中選擇高質量的假體以及改進假體設計、提高手術技巧，成為擺在所有關節(jié)外科醫(yī)生面前的一個重大課題。本文將國內外有關膝關節(jié)置換研究的一些最新進展加以綜述，包括假體類型和手術技術等方面，以供國內外同行借鑒。

1 膝關節(jié)假體的歷史

到了20世紀30年代，表面成形技術開始應用，1983年，Harold Bou受到Smith Peterson設計金屬股骨頭的啟發(fā)，用金屬鑄成遠端股骨。Jones等在股骨部件上加一根髓內干，手術結果41%患者恢復良好〔1〕。1951年Walldius開始應用丙烯酸甲脂做鉸鏈型人工膝，此后改用金屬材料獲得成功〔2〕，它不能模擬人工膝關節(jié)的三軸運動，使用久后，松動幾乎不能避免。Guepar作了改進，螺栓向后向頭端移動，屈曲可不受限制，僅需切除18 mm骨質〔3〕，這對于人工膝失敗后改做關節(jié)固定術是有利的。所有鉸鏈型人工膝的基本問題，是股骨、脛骨部件不能旋轉，旋轉扭力傳遞到假體-鉸鏈軸或骨一水泥界面，如要減少因松動和疲勞所致的失敗，人工膝應有一定的旋轉。屬于旋轉鉸鏈型人工膝有 Herbert膝〔4〕、球心膝〔5〕等。

本世紀五十年代末，McKeever和Macintosh分別設計了脛骨平臺并應用于臨床〔6，7〕。由于膝關節(jié)股骨面仍可能引起疼痛，且脛骨平臺常發(fā)生松動，效果并不盡如人意。Walldius回顧896膝脛骨平臺成形術的結果，即使按照最寬容的標準，僅46%的病人獲得成功〔8〕。這個數字難以鼓勵骨科醫(yī)生采用這種方法去代替關節(jié)固定術。1971年，Gunston〔9〕提出應用單個部件代替相對的關節(jié)面，維持關節(jié)穩(wěn)定，模擬膝的運動。他設計的輪軌狀人工膝關節(jié)雖沒有獲得最后的成功，但他第一個應用生物力學原則設計人工膝關節(jié)，在形狀和結構上與傳統的人工膝完全不同，具有劃時代的意義。與此同時，Coventry等〔10〕發(fā)展幾何型全膝假體，這種假體保留前后交叉韌帶和側副韌帶，它能糾正中度內外翻和屈曲畸形，不置換髕股關節(jié)，獲得廣泛應用。

1975年，人們已充分了解增加人工膝的運動范圍，降低骨一水泥界面的應力，對全膝人工關節(jié)置換有很大意義。為了達到上述目的，設計的全膝關節(jié)應保留側韌帶、后交叉韌帶和關節(jié)囊以維持穩(wěn)定。依靠軟組織提供的生物學限制，可吸收傳遞到骨一水泥界面的作用力，并增加屈曲，如需進一步增加屈曲和旋轉運動，股骨部件應分左右側，并像正常股骨髁那樣，從前向后逐漸減少旋轉半徑，解剖型全膝就是按照這種原理設計的一種假體〔11〕。

特種外科醫(yī)院設計的全髁膝〔12〕，需切除交叉韌帶和置換簇股關節(jié)，通過加深脛骨杯和選擇不同厚度的脛骨部件，以維持膝關節(jié)運動時側韌帶和關節(jié)囊的張力，保證人工膝的穩(wěn)定，70年代中期在美國和歐洲國家廣泛使用。由于膝關節(jié)的作用和運動遠比髖關節(jié)來得復雜，迄今為止，已有一百余種不同類型的人工膝問世，以適應各種病人的需要。Hungerford等強調正確的和可重復的手術技術是很重要的〔13〕，無疑手術的效果相當程度上決定于假體正確的安裝。

在全膝人工關節(jié)發(fā)展的漫長道路上，一個可喜的進展是假體固定方法的改變。Freeman設計的脛骨部件有兩根帶翼片的聚乙烯栓，這是利用壓配合固定技術，代替丙烯酸水泥〔14〕。Kenna發(fā)展的多孔表面解剖型人工膝，可使骨細胞長入金屬的多孔內，使骨和假體得到理想的生物學結合〔15〕。迄今為止，它的臨床經驗雖有限，但初步結果是令人鼓舞的。在全膝關節(jié)成形術發(fā)展的百余年歷史中，全膝人工關節(jié)置換已成為除了關節(jié)固定外另一種可被接受的治療方法，它能為病人提供一個穩(wěn)定、無痛、可活動、能使用多年的新關節(jié)。

2 膝關節(jié)假體的分類

目前，人工膝關節(jié)假體種類繁多，按置換范圍可分為單髁型、全髁型;按固定方式可分為骨水泥型、非骨水泥型;按限制程度又分為限制型、非限制型;根據關節(jié)面是固定還是旋轉分為固定型、旋轉平臺型。根據患者自身情況選擇最合適類型的假體，直接關系到手術效果。

相對于全髁關節(jié)置換，單髁關節(jié)置換僅針對病變間室進行表面置換，用于治療單間室骨關節(jié)炎，目前主要是針對內側髁進行置換。Riddle等〔15〕報道1998～2005年，美國單髁關節(jié)置換數量由6 570例增加至44 990例，平均每年增加32.5%。Lyons等評估了1978～2009年分別行全髁和單髁的病人，經過比較骨性關節(jié)炎指數，發(fā)現單髁組均高于全髁組〔16〕。Ackroyd等經10年隨訪結果表明，單髁優(yōu)良率為77.9%，全髁優(yōu)良率為75.1%。綜合目前的文獻報道，單髁與全髁相比具有創(chuàng)傷小、恢復快、保存骨量、并發(fā)癥少、術后功能好、保留本體感覺、髕股關節(jié)咬合良好等優(yōu)點〔17〕。

從固定方式上來看，目前絕大多數選擇的是骨水泥固定型人工關節(jié);實踐證明只要使用得當，其臨床效果十分滿意。非骨水泥固定型假體的設計思想則是通過緊密壓配和骨組織長入假體多孔層達到生物固定的效果。使用這種假體對局部骨骼質量、術者的操作技術要求較高，并且術后恢復時間較長。Park等對比了50個同時行雙側全膝關節(jié)置換的病人(一側行骨水泥型固定，對側行非骨水泥型固定)，長期隨訪后并未發(fā)現其臨床效果有顯著性差異。目前在歐美經濟發(fā)達地區(qū)，骨水泥型假體仍然為其主流。

限制性假體主要指鉸鏈式的Guepar型、Herbert型等，術后膝關節(jié)僅限于單一平面活動，造成假體與骨水泥及骨組織之間應力異常集中，假體松動與感染等并發(fā)癥發(fā)生率相當高，現已極少用于初次膝關節(jié)置換術病人，僅適用于膝關節(jié)翻修術、骨腫瘤切除后關節(jié)重建、嚴重骨質缺損或者膝關節(jié)周圍軟組織破壞關節(jié)不穩(wěn)等病例。非限制型假體臨床上常用的有3類:不保留后交叉韌帶的后方穩(wěn)定型、側副韌帶穩(wěn)定型(全髁型為代表)、保留后交叉韌帶型。對于人工膝關節(jié)置換術中是否保留后交叉韌帶，目前仍有很大爭議。目前認為膝關節(jié)置換中保留和不保留后交叉假體全膝關節(jié)置換的臨床療效無顯著差異，但非保留組的關節(jié)活動度有大于保留組的傾向〔18〕。因此，保存結構正常的交叉韌帶，可最大限度地維持膝關節(jié)自然穩(wěn)定性，減少假體-骨水泥-骨組織界面剪切力;而不保留后叉韌帶的后方穩(wěn)定型設計目的是增加穩(wěn)定性、減少假體間接觸應力，特點是高吻合性，一般都有凸輪設計。通常對于高度屈曲膝攣縮畸形及后叉韌帶有缺損者，選用不保留后叉韌帶的后方穩(wěn)定型。

3 膝關節(jié)術式的發(fā)展

早在1861年，Fergisson報告因骨關節(jié)病而實施了膝關節(jié)成型術。1863年，首次出現膝截骨面之間插入了關節(jié)囊一部分的記載，目的是防止截骨處的愈合。在以后的實踐中，還應用了皮膚、脂肪甚至豬的膀胱。但結果基本不成功。1920～1930年，Campbell利用游離筋膜做關節(jié)成型術〔19〕。上述的方法是為了解決關節(jié)的強直，而不是治療骨性關節(jié)炎。這種方法是膝關節(jié)置換術的前身。

現在，通常考慮當保守治療以及其他外科治療方法治療終末期膝關節(jié)疾病失敗時，則需要膝關節(jié)置換術，它可持久緩解疼痛并且提高患肢功能。患者年齡高于70歲是行膝關節(jié)置換術的最佳年齡，但若患者年齡小于50歲時行膝關節(jié)置換術則需要權衡利弊。膝關節(jié)置換術通常分為全髁關節(jié)置換術和單髁關節(jié)置換術兩大類。近年來，先進的假體設計、微創(chuàng)技術等因素明顯提高了單髁關節(jié)置換術的成功率，單髁關節(jié)置換術適用于包括年輕以及活動量大在內的膝關節(jié)內側髁病變者，已有報道表明單髁關節(jié)置換術假體10年生存率在94%～97%。盡管單髁關節(jié)置換術取得了不錯的中期生存率，但其翻修量卻在增長〔20〕，主要翻修原因為假體無菌性松動以及未置換間室出現疾病的進展，這導致大部分病例最終需要行全髁關節(jié)置換術。單髁關節(jié)置換術適用于年齡小于65歲的膝關節(jié)炎內側髁或外側髁病變者，但不適用于以下膝關節(jié)炎患者:髕股關節(jié)病變，交叉韌帶或者側副韌帶不穩(wěn)定，肥胖超重，關節(jié)活動度受限(如屈曲＜90°，伸展＞10°，內外翻畸形＞ 10°等)。曾接受過脛骨高位截骨術的膝關節(jié)炎者不宜行單髁關節(jié)置換術。

全髁關節(jié)置換術是治療包括膝關節(jié)炎在內的膝關節(jié)終末期疾病的金標準。發(fā)展十分迅速，隨著手術技術的日臻成熟和膝關節(jié)假體設計材料和相關器械的不斷完善、改進，臨床效果也不斷提高。目前，全髁關節(jié)置換術后10～15年假體生存率在95%以上，平均生存期在20年左右。隨著技術的不斷成熟，現在公認全髁關節(jié)置換術的手術適應證為:老年全膝骨關節(jié)炎患者，疼痛嚴重經正規(guī)保守治療無效，且功能明顯受限時可考慮全髁關節(jié)置換術。手術禁忌證包括:(1)全身或局部的任何活動性感染;(2)關節(jié)主要運動肌癱瘓或肌肉、肌腱等組織破壞。在全髁關節(jié)置換術中，對于是否保留后交叉韌帶，人們爭議較多。贊同保留后交叉韌帶的認為，它符合生理及運動的需要;不保留交叉韌帶，會導致關節(jié)的前后松動。保留韌帶，使截骨的量減少，對髕骨的位置影響小，因此產生的疼痛可以避免。在步態(tài)方面，保留韌帶要對稱和協調。有些報告指出，在關節(jié)的前后松動和運動方面，經10年隨訪，保留韌帶與否并沒有太大的差異。贊成切除后交叉韌帶的人認為，到關節(jié)置換的程度，交叉韌帶已失去了應有的功能，即使保留了韌帶，也會對脛骨后方的塑料墊有較大的應力，加速它的磨損。由于后交叉韌帶的精確性，有人認為，如果1年內做不到20例關節(jié)置換，不要在保留交叉韌帶的問題上再計較了。交叉韌帶的切除，使手術野的范圍擴大，暴露廣泛，平衡韌帶容易，截骨易于操作。保留后交叉韌帶易導致關節(jié)的屈曲攣縮畸形，最重要的是，保留了后交叉韌帶使塑料墊的應力加大，容易過早地磨損。

通過對全髁關節(jié)置換術以及微創(chuàng)骨科的不斷研究，在其領域內涌現出兩種新的技術。微創(chuàng)全膝關節(jié)置換術與計算機導航全膝關節(jié)置換術。Khanna等〔21〕對2003年1月至2008年6月之間發(fā)表的28篇關于微創(chuàng)全膝關節(jié)置換術的文獻進行了系統性回顧后認為，與標準全膝關節(jié)置換術相比，微創(chuàng)全膝關節(jié)置換術后疼痛減輕、股四頭肌功能恢復更快、術中失血量減少、膝關節(jié)活動度增加(大部分文獻認為關節(jié)活動度只是短期增加)以及住院時間縮短，但是這些優(yōu)點尚缺乏從微創(chuàng)全膝關節(jié)置換術中止血帶使用時間可能更長和假體位置可能不佳等角度加以校正，故仍需通過多中心、長期隨訪來論證微創(chuàng)全膝關節(jié)置換術的優(yōu)點。計算機導航全膝關節(jié)置換術能提高膝關節(jié)假體安置位置的準確性，更好地恢復下肢力線，增加假體的使用壽命，但有證據表明使用計算機導航技術反而增加了手術時間，且能否為患者帶來長遠的益處仍需拭目以待。

全膝關節(jié)置換術已經成功地應用了近30年，但是有關髕股關節(jié)是否置換的問題，仍存在較多爭議。在開展膝關節(jié)置換的早期，不置換髕骨，術后發(fā)生很高比例的膝前疼痛，從而引進了髕骨假體置換。但置換髕骨又導致了其他并發(fā)癥的出現，例如髕股關節(jié)不穩(wěn)定、髕骨骨折，以及髕骨假體失敗、磨損和松動等。單純因為髕骨問題需要再手術者達3%。髕股關節(jié)并發(fā)癥與設計和手術技術有關，例如髕骨截骨過量、過多，骨床厚度小于13～15 mm，易發(fā)生髕骨骨折;截骨不對稱將導致髕骨傾斜和不穩(wěn)。脛股外翻、股骨和脛骨假體內旋和髕骨假體外置，均是造成髕骨不穩(wěn)定的原因。髕股關節(jié)對于關節(jié)線高度的恢復與否也十分敏感。手術技術的困難使一些醫(yī)生反對在常規(guī)膝關節(jié)置換過程中置換髕骨。我們建議在大多數情況下應該進行髕骨置換，除非患者較年輕，或者過度肥胖而且髕骨軟骨面完整。

4 展望

人工膝關節(jié)經過近30年的發(fā)展，在基礎研究、假體設計、手術技術等方面均取得了很大的進展。隨著人們對生活質量的要求不斷提高以及科學技術的不斷發(fā)展，如何設計出更符合人體生理學的個性化假體、提高假體的使用壽命和改善術后的功能、減輕手術創(chuàng)傷和提高手術精確度，將是今后努力的方向。

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