全膝關節置換術研究進展

[摘要] 全膝關節置換術（TKA）在全世界每年都在快速增長，經過幾十年的發展取得了很大進展。但是術后出現假體松動、伸屈和負重后出現畸形、疼痛等并發癥，已經引起了廣大骨科醫生足夠的重視。選擇高質量的假體、設計個體化的假體和制定精確化的手術，成為骨科醫生必須解決的問題。本文對近年來人工膝關節手術指征、假體、生物力學模型以及手術方式的演變進行闡述，并結合目前最新發展的技術對TKA未來發展的方向進行展望和預測。

[關鍵詞] 全膝關節置換術；假體；生物力學；動力學模型

[中圖分類號] R687.4 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-9701（2013）17-0015-02

全膝關節置換術在全世界每年都在快速地增長，經過幾十年的蓬勃發展，取得了很大進展。如今全膝關節置換術成為治療晚期骨性關節炎、類風濕性關節炎等疾病的最有效的方法，被大多數骨科醫生認知，對減輕患者膝關節疼痛和改善膝關節功能有顯著的療效，然而術后出現假體松動、伸屈和負重后出現畸形、疼痛等并發癥，已經引起了廣大骨科醫生足夠的重視。選擇高質量的假體、設計個體化的假體和制定精確化的手術，成為骨科醫生必須解決的問題。本文對近年來人工膝關節手術指征、假體、生物力學模型以及手術方式的演變進行闡述；并結合目前最新發展的技術，對TKA未來發展的方向進行了展望和預測。

1 手術指征

迄今為止，TKA的手術適應證仍然沒有得到統一。不論是何種類型的關節炎，只要有關節不能耐受的疼痛或者有明顯破壞，都可以進行人工關節置換。但必須注意以下幾點：①患者年齡>60歲，②體重>80 kg，這也不是絕對的，可以根據實際情況作出判斷。除此之外，患者生活的質量也是影響手術成敗的一個關鍵因素，如血友病、骨骼發育不全、幼年型類風濕性關節炎常有多關節病變，TKA能很好地解決患者的關節功能受限。

2 假體的演變及分類

1969年，最原始的膝關節假體[1]——多中心假體，其最難解決的問題就是術后假體松動。1971年出現的幾何學型假體[2]，最大的亮點就是符合生物力學的要求去匹配關節，然而遺憾的是沒能夠解決假體松動的難題。1973年，Insall開創了人工膝關節發展的巔峰時刻，研制了全髁型假體，后來還改進并開發了旋轉平臺假體。接著Insall又發明了后方穩定型的假體，這是人類史上最能滿足患者需要的膝關節假體之一。但是依然不能很好地避免術后假體的磨損、松動情況發生。

按固定方式可分為骨水泥型、非骨水泥型；按置換范圍可分為單髁型、全髁型；按活動范圍分為固定型、旋轉平臺型；按限制程度又分為限制型、非限制型。盡管有龐大的假體系統供我們選擇，根據患者自身條件選擇最合適類型的假體，直接關系到手術效果。相對于膝關節表面置換術，單髁關節置換術對病變間室進行表面置換，適用于單間室骨關節炎，內側髁進行置換已經發展成熟，但外側髁置換罕見報道。UKA的早期因假體設計、病例選擇、手術技術等問題，失敗率較高。Riddle等[3]報道美國UKA置換數量逐年明顯增加。目前以骨水泥固定型人工關節居多；只要很好地把握手術指征、熟練掌握關節置換的技能，也會得到顯著的療效[4，5]。而生物型固定型假體的制造原理是通過骨與假體之間的緊密貼附達到穩固的作用。但是這種假體對骨骼質量、術者操作能力的要求高，而且術后恢復功能的時間長。限制性假體主要指鉸鏈式假體，術后膝關節只能在某一平面運動內活動，容易發生假體與骨水泥和骨組織之間應力分布高，從而出現假體松動[6]，現在很少用在初次TKA的患者上，但是對于二次翻修術、骨腫瘤術后的關節的重建、嚴重的關節不穩等患者[7，8]有顯著療效。臨床上常用的非限制型假體有三大類：后方穩定型假體、側副韌帶穩定型假體、保留后交叉韌帶型假體。針對人TKA中是否需要保存后十字韌帶，目前還有很多的工作需要進行。Wang等[9]進行了一系列研究發現臨床效果并沒有顯著的提高。認為后交叉保留型假體沒有破壞后交叉韌帶，膝關節在屈曲的時候，股骨會向后方移動，從而增加了膝關節的活動度，而周圍的韌帶能把運動產生的應力抵消，使接觸力明顯下降[10]。因此，要最大程度地維持膝關節的穩定，降低假體-骨水泥-骨組織界面應力，后十字韌帶必須保留；而不保留后十字韌帶的后方穩定型假體的研制是為了增加穩定性、減少假體間應力。通常不保留后叉韌帶的后方穩定型假體[11]首選嚴重畸形及后叉韌帶有缺損的患者。

3 膝關節生物力學模型

3.1 物理模型

膝關節物理模型是將膝關節運動機制概括為四連桿的模型[12]。有學者認為膝關節是由十字韌帶和股、脛骨在矢狀面上構成的四連桿結構。脛骨平臺與股骨髁接觸的狀態下，十字韌帶的拉伸不明顯[13]。十字韌帶的長度及其在股骨、脛骨上的附著位置計算可以得到其形態。因此膝關節物理模型可以簡化成以十字韌帶為核心的股脛關節二維模型[14]。還有些學者建立了三維的四連桿股脛關節模型[15]，并對股骨、脛骨的位置進行了基本的描述。

3.2 解剖模型

膝關節解剖學模型的建立必須先完成其幾何解剖模型。Perie等利用MRI、袁平等利用計算機分別以標本和人體膝關節為核心建立了幾何模型[16，17]。張文等[18]以實體膝關節為研究對象，把原始數據都導入ANSYS軟件計算三維有限元模型，并對模型以及膝關節的受力情況進行了分析。Silvia根據MRI掃描得到的dicom數據利用計算機處理得到了下肢的骨肌三維模型[19]。最典型的是潘哲爾等[20]模擬的三維有限元模型能夠真實地模擬膝關節的力學特性。目前，對于膝關節軟骨和半月板幾何模型的建立也有零星報道。但是沒有一個確實依據證實其準確性。

3.3 運動學模型

Hefzy等[21]將解剖模型分為運動學模型和動力學模型，描述了運動學模型并建立膝關節的各個運動學參數之間的內在聯系，但并未將這些運動學參數與負荷的大小相聯系。Hartfel等[22]將螺旋軸的問題擴展到三維立體空間上。證實了兩個物體運動時，兩個直紋曲面是由于螺旋軸位置的連續性改變形成的。然而不足的是，Hartfel等應用的數據不能構建出精確的螺旋軸曲面模型。構建膝關節精確的螺旋軸曲面模型還有很多工作需要進行。

4 膝關節置換手術方式的發展

TKA的遠期療效關鍵因素是恢復精確的下肢力線，這就涉及到術中精確截骨和軟組織的平衡。通過文獻分析得出以下結論：術后恢復的下肢力線應控制在冠狀面上膝內外翻3°以內；假體的安置應控制股骨髁假體應相對于后髁軸線外旋3°～6°，并平行于STEA。傳統的TKA通常是用手工定位截骨，術者僅憑肉眼和手感輔以術中X線片來判斷假體安置時下肢力線和軟組織平衡等情況，必然會影響截骨的精確度，即使是經驗豐富的關節外科醫生，也會出現>3°的下肢力線不良等結果，以及旋轉定位與關節穩定等問題，術中必然會出現難以估量的因素。因此，傳統TKA的精確度一直是手術醫生最棘手的問題。迄今為止，誕生了一些手術裝置，但由于膝關節的特殊性，尤其是患者伴有膝關節嚴重畸形，給精確的定位和截骨、假體的選擇和安置帶來了重重困難。為了獲得良好的膝關節置換效果，計算機輔助人工膝關節置換手術系統應運而生，從1993年格勒諾布爾著手計算機輔助人工膝關節置換手術系統的研制，于1997年計算機導航TKA系統開始在臨床使用，目的是解決手術醫生困惑已久的難題，達到理想的手術療效[23]。計算機輔助膝關節置換手術系統對置換的膝關節在屈伸過程中的等距間隙和韌帶平衡穩定有獨特的控制能力。計算機導航手術系統在術中可以密切觀察，能夠精確地控制軟組織平衡，而且能獲得膝內外翻3°范圍內的精確的下肢力線和屈伸膝關節的間隙平衡。

5 展望

人工膝關節經過幾十年的發展，在基礎研究、假體設計、生物力學以及手術技術等方面均取得了卓越的成就。但是隨著科學技術的不斷發展，設計出個性化假體、提高假體的使用壽命和提高術后的功能、減輕手術創傷和提高手術精確度，數字化醫學將是今后努力的方向，也必將會對骨科學帶來革命性的變化。

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（收稿日期：2013-04-15）