膝关节生物力学

1、膝关节,生物力学,在膝关节运动过程中，骨骼的位置和朝向,运动学）是各种力量（动力学）获得平衡的结,果,关节形状（解剖学）决定了大部分接触应力,的作用方向,因此：解剖学影响动力学,动力学决定运动学,膝关节生物力学的原则,任何膝关节置换的目的是通过截,骨、软组织平衡和良好的假体安放,恢复下肢的机械轴,大多数,TKA,采用髓内或髓外定位,来判断解剖轴。截骨导向能对股骨,和胫骨截骨的旋转和对线作精确的,调整，目的是用解剖轴来重建机械,轴,机械轴与解剖轴,下肢力线,解剖轴,机械轴,机械轴与解剖轴,机械轴：股骨头中心,胫,骨平台中心,踝关节中心,正常的机械轴能使,60,的负,荷通过内侧间室,40,的负荷,

2、通过外侧间室,发育、关节炎、创伤等能改,变机械轴，从而改变负荷在两,侧间室的分布比例，引起进行,性退变,机械轴,在正常膝关节，下肢机械轴通过膝关节中心或中心,略偏内侧,在膝内翻畸形时，下肢机械轴通过膝关节中心的内,侧，使内侧间室负荷增加。这一负荷增加会导致一个,畸形进行性恶化的循环。当畸形变得非常严重时，或,者负重时会觉得膝关节在向外侧凸出,在外翻畸形时，下肢机械轴通过膝关节中心的外侧,使外侧间室的负荷增加，并使内侧结构扩张甚或丧,失功能,膝内,外翻,膝内翻与膝外翻,膝内,外翻,解剖轴：是股骨、胫骨髓腔线与,胫股关节线相交形成的角度,股骨解剖轴呈,5-9,度外翻，在个子,较小的患者，这一角度将

3、会较大,股骨解剖轴,股骨髁与下肢力线的关系,股骨解剖轴与机械轴,胫骨解剖轴,胫骨的解剖轴在胫骨干的中央，它,与胫骨关节面垂线之间有,3,度的内翻角,从侧面观，胫骨关节表面有一,5-7,度,的后倾,胫骨平台后倾,TKA,中重要的画线,TKA,中重要的画线,TKA,中重要的画线,TKA,中重要的画线,TKA,中重要的画线,TKA,中重要的画线,TKA,中重要的画线,与髋关节不同，膝关节两相对骨面,形合度较差。因此，软组织结构在维,持关节稳定中起到了至关重要的作用,术者了解正常的下肢对线、作用于,膝关节上的外力和膝关节运动的限制,价格等都是必须的,关节的形合度,关节软骨的作用,关节的形合度,胫骨内外

4、侧平台差异的意义,关节的形合度,在生理性膝关节，半月板增加了股,骨髁与胫骨平台之间的形合,形合程度的增加也就增加了分担负,荷的关节面表面积，从而减少了特定,某一点的负荷。因此，半月板切除后,关节软骨某些部位上承受的负荷会,增加高达,400,关节的形合度,在正常膝关节的,0-120,度屈曲中,内侧半月板的飘移可达,5 mm,外侧半月板的飘移则达,11 mm,关节的形合度,关节的形合度,在,TKA,后，股骨髁与胫骨垫的形合度远高,于生理性膝，因此关节接触面大，接触应力,小、磨损也可能小,但这一高形合度降低了关节的自由活动,从而可能减小关节的活动范围，增加聚乙烯,内和假体,股骨界面上的应力集中,形合

5、度增加与活动度减小之间的矛盾被称,为是“运动学冲突,TKA,的关节形合度,解决运动学冲突的方法之一是采用活动平台,假体,此类假体的胫骨垫与股骨髁高度形合，但在,胫骨垫与胫骨托之间存在第二个关节面，允许,胫骨垫作旋转或前,后向移动,虽然这一设计在理论上颇具吸引力，但至今,的临床结果并未证明优于固定平台假体,活动平台膝关节系统,膝关节并非是一个单纯的铰链关节。膝,关节的活动极其复杂，包括了屈曲,伸展,内旋,外旋、内收,外展,因无法照顾到这一复杂的活动，是加速,高限制性全膝关节假体失败的主要原因,特别是在高限制性的早期“铰链膝”，后,者仅有伸屈一个方向上的活动,膝关节活动,膝关节的运动,三根轴,六个

6、方向,膝关节活动,膝关节活动,膝关节的活动范围自过伸,0-20,度至屈,曲,125-165,度,功能性膝关节的活的访问是,0-115,度,正常步态时需要的膝关节活动范围是,0-70,度,膝关节活动范围,膝关节活动范围,活,动,需要屈曲角度,步行,0-67,上楼梯,0-83,下楼梯,0-90,从站立位坐下,0-93,穿鞋,0-106,提起重物,0-117,膝关节的屈曲和伸展都包含了滚动和,滑动,随着屈曲的增加，股骨髁上的瞬间旋,转中心向后移动所谓的瞬间旋转中心即,股骨与胫骨的接触点,这一瞬间旋转,中心的后移即为股骨髁后滚，其作用是,防止股骨与胫骨的撞击，以增加膝关节,屈曲。同时它也增加了伸膝装置

7、的力臂,从而提高了股四头肌的作用力,膝关节伸屈活动,在生理性膝关节，股骨髁的后滚是由,四边框架系统来调整的,ACL,和,PCL,是这一系统中的韧带连接,部分，而其在胫骨与股骨止点之间的骨,质是这一系统中的另外两边,整个膝关节的瞬间旋转中心位于,ACL,与,PCL,的交叉处,股骨髁的后滚,ACL/PCL,四边框架,膝关节的滚动和滑动,股骨髁的后滚,没有滑动时的膝关节运动,分离,股骨髁的后滚,在,PCL,保留的,TKA,中,PCL,仍,能调节股骨髁的后滚，但因为,ACL,的缺如和整个闭合四边框架系统的,断裂，这一后滚于生理性的并不相,同,CR,膝中股骨髁的后滚,在后稳定型,TKA,中,PCL,已予

8、切,除，股骨髁的后滚依靠,POST-CAM,结构调整。因此，其后滚更可预测,虽然与生理性的仍有差异。当然,post-cam,结构是增加了磨损的来源,也增加了系统的限制性,PS,膝中股骨髁的后滚,在膝关节接近完全伸直时，胫骨相对于股,骨发生外旋，内侧胫骨平台在隆凸的内侧股,骨髁上作滑行，直到膝关节完全伸直时获得,锁定,这一机制是由股骨内侧髁的形状和大小,膝关节周围肌肉和软组织结构共同调节的,伸膝旋转锁定机制,膝关节的横轴,伸膝旋转锁定机制,膝关节的伸屈和旋转,屈曲,外旋,伸展,内旋,伸膝旋转锁定机制,膝关节活动总结,股骨运动,胫骨运动,滚动,旋转,滚动,旋转,膝屈曲,后滚,外旋,前滚,内旋,膝伸

9、展,前滚,内旋,后滚,外旋,伸膝旋转锁定机制,内侧股骨髁位移,外侧股骨髁位移,内侧平台,凹陷,前端有隆起,向后变平坦,外侧平台,凸起,对股骨髁前后向活动无限制,胫骨平台的解剖,在膝关节完全伸直位,股骨髁内旋,5,度,机械轴正对膝关节中心,膝关节稳定无需股四头肌参与,完全伸膝位有效的站立,股骨前髁外侧防止髌骨脱位,伸膝旋转锁定机制,外旋锁定机制的机理,ACL,止于股骨髁外侧,伸膝时,ACL,将外侧股骨髁拉向前方,ACL,缺损的膝没有外旋锁定,伸膝旋转锁定机制,在正常步行时，胫股关节的受力,大约是,3,倍体重,上楼梯时约为,4,倍体重,正常情况下,60,的负荷通过内侧,间室,40,通过外侧间室,膝

10、关节活动时的受力,髌股关节受力,膝关节活动时的受力,膝关节的受力,膝关节活动时的受力,膝关节活动时的受力,胫股关节受力,平地行走,4,倍体重,下楼梯,8,倍体重,髌股关节受力,平地行走,0.5,倍体重,下楼梯,5,倍体重,膝关节活动时的受力,为何膝关节受力会如此之大,上半身的重量作用在一较长的力臂上,而股四头肌通过髌韧带的作用力臂要端许多,膝关节活动时的受力,Q,角是股四头肌腱纵轴与髌韧带纵轴之间,形成的夹角,Q,角大于,20,度被认为异常,在,TKA,中，需经调整假体旋转定位、内置,髌骨假体和必要时的软组织平衡（侧放松解,来恢复,Q,角,髌骨轨迹异常是,TKA,术后膝前疼痛的常见,原因，可采

11、用不同的手术入路以减少这一并,发症的发生,Q,角,胫骨结节在中线外侧约,10-12mm,股骨解剖轴与髌韧带纵轴之间形成,的夹角即,Q,角,男性,14,度,女性,17,度,Q,角,Q,角,Q,角,Q,角,Patella alta,高位髌骨,Patella baja,低位髌骨,TKA,后低位髌骨较为常见，特别是之前,有高位胫骨截骨者,低位髌骨与高位髌骨,Insall-Salvati,指数,髌韧带长度,髌骨高度,正常,1.0,高位髌骨,1.2,低位髌骨,0.8,Blumensaats,线,屈膝,30,度时，髌骨下极应,该在髁间窝线上,Blackburne-Peel,指数,胫骨平台至髌骨下极,关节面距

12、离,髌骨关节面高度,正常,0.8,高位髌骨,1.0,髌骨高度的测量,髌骨高度的测量,当膝关节屈曲、髌骨滑向远侧时,髌骨位于滑车沟的中央。而髌骨与股,骨的接触部位也逐渐由下极移至上极,髌股关节是滑行关节，在整个行程,中髌股滑行的距离大约在,7 cm,髌骨的运动,髌股关节的变化,髌骨位置,髌关节面,髌骨的运动,髌骨的功能是增强伸肌力量，这一目,的是通过延长伸膝装置的力臂而实行的,同时髌骨也能帮助分布伸膝装置与股,骨髁远端之间的接触应力,并作为籽骨为股四头肌腱和髌韧带提,供附着,髌骨的功能,因创伤或,TKA,并发症而切除髌骨将,会缩短伸膝装置的力臂，并使完全伸,膝时股四头肌所需要的力量增加,15,3

13、0,对髌骨切除后的患者行,TKA,通常,选择后稳定假体，因其能更好地模拟,股骨后滚，从而增加伸膝装置的力臂,髌骨的功能,髌骨关节面覆盖有人体中最厚的关节,软骨，因为需承担甚大的负荷,通过髌骨的外力在正常行走时约为体,重的一半，而在深蹲时或跑动时则达到,体重的,7,倍,髌骨的受力,髌骨的平均厚度是,25mm,置换髌骨时重要的是至少使截骨后的骨床,保留,10mm,以免发生髌骨骨折,带金属底托的髌骨假体临床效果差，原因,是较薄的聚乙烯假体上有较高的接触应力,髌骨的置换,TKA,后的髌骨轨迹，可经多个途径优化,股骨髁外旋,股骨髁外置,髌骨假体内置,胫骨假体外旋,伸膝装置侧方支持带松解,TKA,中髌骨轨

14、迹的优化,髌外侧支持带,髌骨支持带,髌骨受力,髌骨受力,髌骨的作用,ma,1,ma,2,髌骨切除的结果,髌骨切除的结果,为了保持正常的髌股关系，重要的是,在,TKA,中关节线的上升或下降不能超过,8,mm,特别是在翻修手术中更需注意，由,于严重的骨缺损，正确地恢复关节线有时,甚为困难。过度升高关节线会致低位髌骨,这将致屈膝时髌骨与胫骨垫发生撞击,关节线与髌骨位置的关系,植入物对线和位置,胫骨、股骨、髌骨相对于膝关节受力环境,肌肉和韧带附着）的旋转定位,假体设计,股骨,胫骨在前后向上的中立,股骨滑车沟的设计,股骨髁矢状位的形状,髌骨关节面的形状,胫骨垫关节面的设计,PS,CR,或活动平台设计,影响,TKA,术后生物力学的因素,TKA,的轴向旋转,矢状面的形合影响了人工关节的活动范围,高形合度,限制了轴向旋转,更好的前后向稳定性,低形合度,更多的前后向活动度，也可能有更多的,轴向旋转,更可能发生“矛盾运动,影响,TKA,术后生物力学的因素,在膝关节完全伸直位,股骨滑车沟外置,不会发生外旋锁定,髌骨位于胫骨结节之上,Q,角减小,股骨前髁外侧较高并不需要,外侧松弛减少,