4膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)

1、膝關(guān)節(jié)生物力學(xué),在膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中，骨骼的位置和朝向（運(yùn)動(dòng)學(xué)）是各種力量（動(dòng)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(dòng)力學(xué) 動(dòng)力學(xué)決定運(yùn)動(dòng)學(xué),膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的原則,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(jī)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(duì)股骨和脛骨截骨的旋轉(zhuǎn)和對(duì)線作精確的調(diào)整，目的是用解剖軸

2、來重建機(jī)械軸。,機(jī)械軸與解剖軸,下肢力線,解剖軸機(jī)械軸,機(jī)械軸與解剖軸,機(jī)械軸：股骨頭中心——脛骨平臺(tái)中心——踝關(guān)節(jié)中心正常的機(jī)械軸能使60%的負(fù)荷通過內(nèi)側(cè)間室、40%的負(fù)荷通過外側(cè)間室。發(fā)育、關(guān)節(jié)炎、創(chuàng)傷等能改變機(jī)械軸，從而改變負(fù)荷在兩側(cè)間室的分布比例，引起進(jìn)行性退變。,機(jī)械軸,在正常膝關(guān)節(jié)，下肢機(jī)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(shí)，下肢機(jī)械軸通過膝關(guān)節(jié)中心的內(nèi)側(cè)，使內(nèi)側(cè)間室負(fù)荷增加。這一負(fù)荷增加會(huì)導(dǎo)致一個(gè)

3、畸形進(jìn)行性惡化的循環(huán)。當(dāng)畸形變得非常嚴(yán)重時(shí)，或者負(fù)重時(shí)會(huì)覺得膝關(guān)節(jié)在向外側(cè)凸出。在外翻畸形時(shí)，下肢機(jī)械軸通過膝關(guān)節(jié)中心的外側(cè)，使外側(cè)間室的負(fù)荷增加，并使內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)擴(kuò)張甚或喪失功能。,膝內(nèi)/外翻,膝內(nèi)翻與膝外翻,膝內(nèi)/外翻,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(gè)子較小的患者，這一角度將會(huì)較大。,股骨解剖軸,股骨髁與下肢力線的關(guān)系,股骨解剖軸與機(jī)械軸,脛骨解剖軸,脛骨的解剖軸在脛骨干的中央

4、，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。,脛骨平臺(tái)后傾,TKA中重要的畫線,TKA中重要的畫線,與髖關(guān)節(jié)不同，膝關(guān)節(jié)兩相對(duì)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(duì)線、作用于膝關(guān)節(jié)上的外力和膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的限制結(jié)構(gòu)等都是必須的,關(guān)節(jié)的形合度,關(guān)節(jié)軟骨的作用,關(guān)節(jié)的形合度,脛骨內(nèi)外側(cè)平臺(tái)差異的意義,關(guān)節(jié)的形合度,在生理性膝關(guān)節(jié)，半月板增加了股骨髁與脛骨

5、平臺(tái)之間的形合。形合程度的增加也就增加了分擔(dān)負(fù)荷的關(guān)節(jié)面表面積，從而減少了特定某一點(diǎn)的負(fù)荷。因此，半月板切除后，關(guān)節(jié)軟骨某些部位上承受的負(fù)荷會(huì)增加高達(dá)400%。,關(guān)節(jié)的形合度,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(dá)5 mm，外側(cè)半月板的飄移則達(dá)11 mm。,關(guān)節(jié)的形合度,關(guān)節(jié)的形合度,在TKA后，股骨髁與脛骨墊的形合度遠(yuǎn)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

6、由活動(dòng)，從而可能減小關(guān)節(jié)的活動(dòng)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(dòng)度減小之間的矛盾被稱為是“運(yùn)動(dòng)學(xué)沖突”,TKA的關(guān)節(jié)形合度,解決運(yùn)動(dòng)學(xué)沖突的方法之一是采用活動(dòng)平臺(tái)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(gè)關(guān)節(jié)面，允許脛骨墊作旋轉(zhuǎn)或前/后向移動(dòng)。雖然這一設(shè)計(jì)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(tái)假體。,活動(dòng)平臺(tái)膝關(guān)節(jié)系統(tǒng),膝關(guān)節(jié)并非是一個(gè)單純的鉸鏈關(guān)

7、節(jié)。膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)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(dòng)，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(gè)方向上的活動(dòng),膝關(guān)節(jié)活動(dòng),膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng),三根軸六個(gè)方向,膝關(guān)節(jié)活動(dòng),膝關(guān)節(jié)活動(dòng),膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)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(dòng)范圍約是0-115度。正常步態(tài)時(shí)需要的膝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍是0-70度。,膝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍,

8、膝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍,膝關(guān)節(jié)的屈曲和伸展都包含了滾動(dòng)和滑動(dòng)。隨著屈曲的增加，股骨髁上的瞬間旋轉(zhuǎn)中心向后移動(dòng)。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(shí)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,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(diǎn)之間的骨質(zhì)是這一系統(tǒng)中的另外兩邊。整個(gè)膝關(guān)節(jié)的瞬間旋

9、轉(zhuǎn)中心位于ACL與PCL的交叉處,股骨髁的后滾,ACL/PCL,四邊框架,膝關(guān)節(jié)的滾動(dòng)和滑動(dòng),股骨髁的后滾,沒有滑動(dòng)時(shí)的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)——分離,股骨髁的后滾,在PCL保留的TKA中，PCL仍能調(diào)節(jié)股骨髁的后滾，但因?yàn)锳CL的缺如和整個(gè)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,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(cè)，雖然與生理性的仍有差異。當(dāng)然post

10、-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,在膝關(guān)節(jié)接近完全伸直時(shí)，脛骨相對(duì)于股骨發(fā)生外旋（也即股骨相對(duì)于脛骨發(fā)生內(nèi)旋），內(nèi)側(cè)脛骨平臺(tái)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(shí)獲得鎖定。這一機(jī)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(jī)制,膝關(guān)節(jié)的橫軸,伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)制,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(jī)制,膝關(guān)節(jié)活動(dòng)總結(jié),伸屈

11、與旋轉(zhuǎn),內(nèi)側(cè)股骨髁位移,外側(cè)股骨髁位移,內(nèi)側(cè)平臺(tái) 凹陷 前端有隆起 向后變平坦外側(cè)平臺(tái) 凸起 對(duì)股骨髁前后向活動(dòng)無限制,脛骨平臺(tái)的解剖,在膝關(guān)節(jié)完全伸直位股骨髁內(nèi)旋5度機(jī)械軸正對(duì)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(jī)制,外旋鎖定機(jī)制的機(jī)理ACL止于股骨髁外側(cè)伸膝時(shí)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(jī)制,在正常步行時(shí)

12、，脛股關(guān)節(jié)的受力大約是3倍體重上樓梯時(shí)約為4倍體重。正常情況下60%的負(fù)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(dòng)時(shí)的受力,髕股關(guān)節(jié)受力,膝關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的受力,膝關(guān)節(jié)的受力,膝關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的受力,膝關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的受力,為何膝關(guān)節(jié)受力會(huì)如此之大？上半身的重量作用在一較長(zhǎng)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(dòng)時(shí)的受力,Q角

13、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(rèn)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(shí)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,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,髕骨周圍作用組織,Q角的存在使髕骨總

14、有向外脫位的趨勢(shì),Q角的變化可改變髕骨軌跡,Patella alta：高位髕骨 Patella baja：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,Insall-Salvati指數(shù)：髕韌帶長(zhǎng)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(cè)量,髕骨高度的測(cè)量,當(dāng)膝關(guān)節(jié)屈曲、髕骨滑向遠(yuǎn)側(cè)時(shí)，髕骨位于滑車溝的中央。而髕骨與股骨的接觸部位也逐漸

15、由下極移至上極髕股關(guān)節(jié)是滑行關(guān)節(jié)，在整個(gè)行程中髕股滑行的距離大約在7 cm,髕骨的運(yùn)動(dòng),髕股關(guān)節(jié)的變化,髕骨位置髕關(guān)節(jié)面,髕骨的運(yùn)動(dòng),髕骨的功能是增強(qiáng)伸膝肌力量，這一目的是通過延長(zhǎng)伸膝裝置的力臂而實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)髕骨也能幫助分布伸膝裝置與股骨髁遠(yuǎn)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,因創(chuàng)傷或TKA并發(fā)癥而切除髕骨將會(huì)縮短伸膝裝置的力臂，并使完全伸膝時(shí)股四頭肌所需要的力量增加15%-30%。

16、對(duì)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,髕骨關(guān)節(jié)面覆蓋有人體中最厚的關(guān)節(jié)軟骨，因?yàn)樾璩袚?dān)甚大的負(fù)荷。通過髕骨的外力在正常行走時(shí)約為體重的一半，而在深蹲時(shí)或跑動(dòng)時(shí)則達(dá)到體重的7倍。,髕骨的受力,髕骨的平均厚度是25mm。置換髕骨時(shí)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

17、,髕骨的置換,TKA后的髕骨軌跡，可經(jīng)多個(gè)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,髕外側(cè)支持帶,髕骨支持帶,髕骨受力,髕骨受力的方向,髕骨的作用,ma1 > ma2,髕骨切除的結(jié)果,髕骨切除的結(jié)果,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8 mm。特別是在翻修手術(shù)中更需注意，由于嚴(yán)重的骨缺損，正確地恢復(fù)關(guān)節(jié)線有時(shí)甚為困難。

18、過度升高關(guān)節(jié)線會(huì)致低位髕骨，這將致屈膝時(shí)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,植入物對(duì)線和位置 脛骨、股骨、髕骨相對(duì)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(jì) 股骨/脛骨在前后向上的中立 股骨滑車溝的設(shè)計(jì) 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(jì) PS、CR或活動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì),影響TKA術(shù)后生物力學(xué)的因素,TKA的軸向旋轉(zhuǎn)矢狀面的形合影響了人

19、工關(guān)節(jié)的活動(dòng)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(dòng)度，也可能有更多的軸向旋轉(zhuǎn) 更可能發(fā)生“矛盾運(yùn)動(dòng)”,影響TKA術(shù)后生物力學(xué)的因素,在膝關(guān)節(jié)完全伸直位股骨滑車溝外置不會(huì)發(fā)生外旋鎖定髕骨位于脛骨結(jié)節(jié)之上Q角減小股骨前髁外側(cè)較高并不需要外側(cè)松弛減少軸向旋轉(zhuǎn)減少,TKA術(shù)后生物力學(xué)的要點(diǎn),膝關(guān)節(jié)的“反生理運(yùn)動(dòng)”膝關(guān)節(jié)屈曲時(shí)股骨髁前移,TKA術(shù)后生