膝关节设计理念

人体关节的生物力学性能一直都是重要的科研课题之一，早期的研究多着重于正常关节的生物力学研究，然而考虑到关节老化或损伤的发生率日渐增加，严重者可能需要接受关节置换手术来恢复功能。因此，相关的生物力学研究逐渐着重在对关节元件的研究。进一步了解膝关节功能性表现及其力学特性将有助于提升人工关节技术的发展。本文首先叙述膝关节的生物力学表现，进而延伸至人工膝关节的研究以及元件设计的建议。一、膝关节的解剖构造与运动学简介膝关节是人体最大的关节，包括股骨、胫骨及髌骨［1,2］(图1,2)，其中股骨和胫骨属于长骨。两长骨间的轴线(矢状面)并非平行，有7°〜10°的外翻角度(图1c)。髌骨位于关节前方(图2)，其上附有股四头肌和髌韧带，在膝关节运动中起重要作用，它们可增加股四头肌的力臂，帮助关节运动达到有效的力学效应。此外，腓骨亦属于膝关节的一部分，连接于胫骨的外侧后方，腓骨头上附着外侧副韧带以提供关节外侧的稳定性。膝关节主要包含两个关节接触面：胫股关节(tibiofemoraljoint)面及髌股关节(patellofemoraljoint)面。关节表面均覆盖有关节软骨，提供关节润滑及避免关节面间相互摩擦。胫骨平台上方与股骨间接接触的是两片半月状纤维骨块，称之为半月板(图3)，内髁及外髁各一，内侧半月板较外侧半月板的前后径长。半月板具有吸收震动及润滑的功能，此外，半月板可随着关节运动，改变其外形来增加关节接触面积，使受力均匀地分布在胫骨平台上并向远端传递。膝关节基本上属于一种铰链式关节，关节的铰链结构由股骨髁和胫骨高丘上的浅窝形成，胫骨嵴(tibialspine)介于胫骨高丘之间，将胫骨高丘分为两部分。胫骨内髁比外髁大，且受力也较大。膝关节的稳定除肌肉与关节面的考虑外，周围的软组织也在维持关节稳定中起重要作用(图2，3)，其中影响较大者包括前/后十字韧带(anterior/posteriorcruciateligament)、内/外侧副韧带(medial/lateralcollateralligament)。前十字韧带连接于股骨外髁的后方，一直延伸至胫骨平台的内前方，若丧失此韧带，会导致胫骨相对股骨向前异常移动。而后十字韧带则由股骨内髁的前方延伸至胫骨平台的外后方，若丧失此韧带，会导致胫骨相对股骨向后异常移动。内/外侧副韧带则是提供膝关节内外翻的稳定性。膝关节的主要运动为屈曲和伸直，除此之外，仍有部分的内外旋转、内外翻以及前后侧与内外侧的位移。由于后十字韧带以及关节的几何形状，膝关节在屈曲时会伴随滚动和滑动，股骨的旋转轴会随着屈曲角度而改变，但股骨上髁轴线(epicondylaraxis)仍被视为关节伸屈的旋转轴［3］。当膝关节由伸直至20°的屈曲时，股骨开始逐渐向后滚动［4］。当屈曲超过30°时，滚动与滑动同时产生。股骨向后滑动时，内、外侧髁的滑动距离并不相同。内侧髁的接触点几乎在原地，而外侧髁则随屈曲角度增加而向后滚动距离增加。由于此滚动距离的差异，当膝关节屈曲时，胫骨相对于股骨产生部分内旋；相反，当膝关节伸直时，胫骨则相对于股骨产生外旋动作。屈曲为膝关节步态活动时的最大动作，其屈曲角度为57°［5］〜71°［6］。最大内、外旋转角度为8.2°［5］〜19°［7］。最大内、外翻角度为5.2°［8］〜13.4°［9］。股骨相对于胫骨向后滑动7［10］〜15.6mm［8］。在步态运动的动力学方面，关节面的最大轴向作用力为2.3~7.1倍体重［10，11］，前后方面受力为0.35~2.3倍体重［5,12］，内外侧方面受力较少，为0.13~1倍体重［5,12］。膝关节屈曲的扭转力矩接近30Nm［5，7］,内外翻的力矩为24~45Nm［5,7］。步态下的内外旋扭力矩为8.2~17Nm［5,13］。除正常步态情况下，若人体于快步行走，上、下楼梯或举重物时，其膝关节的受力明显增加。以上、下楼梯为例，下楼较上楼关节的受力弯矩大。上楼梯时，膝关节屈曲力矩、内外旋转、内外翻的弯矩分别为57.1Nm、7.8Nm和39.4Nm；下楼梯时膝关节的屈曲力矩较大，分别为146.6Nm、15.5Nm和59.5Nm［14］。髌股关节的受力在正常步态下为0.2~1.8倍体重［15-17］，但若是在跑步或跳跃时其可增大至约11倍体重［18］。膝关节的运动机制复杂，即使在正常运动时膝关节也伴随转动与滑动，并且其接触力和弯矩都相当大，这也可说明为何膝关节是人体中最容易受损的关节。由于膝关节活动时经常受到很大的重量负荷，过度使用或老化都会导致关节病变，引起关节变形或疼痛。在治疗方面，初期通常以保守疗法为主，但对于症状严重的患者，目前仍以人工膝关节置换为效果最佳的治疗方法。以下则先针对人工关节的设计发展进行简介。二、人工膝关节设计及其组件分类退行性关节炎是目前人工关节置换最常见的病因。关节炎较严重时，关节软骨会被严重磨损破坏，甚至出现变形，导致疼痛与功能受限而影响生活起居，严重变形时保守治疗多效果不佳，人工膝关节置换是最佳的选择。人工关节置换后，多数患者的疼痛可以减轻甚至完全解除，关节功能也可明显改善。临床上已使用的关节组件种类有数百种，按类型可分为单髁式人工膝关节(unicompartmentalkneearthroplasty)及全膝式人工关节(totalkneearthroplasty)；常见的全膝式人工关节组件主要可分成股骨组件、胫骨组件及髌骨组件三部分;在胫骨组件处，又可分为全聚乙烯衬垫(allpolyethylene)及具金属背衬(metal-backed)两类；若以胫骨组件锁合机构区分，固定方式可分固定式衬垫(fixedbearing)及可活动式衬垫(mobilebearing)两种。在功能上也可分为后十字韧带保留及取代型两种。以下简介各种组件的设计及其相关研究。图1右侧膝关节之示意图-Fdcm神wCwl'lusmeiahs1WCondylus印那咫t^udaijmpostenus前查E酬布Lig.erueiaiumshIwilk内朗申出板Mem皿瞄rrM胡此崎笼5画kFac心ariicuiwpaidbaeMeniscusliteralis麻慎剧阱折ligeQiimWa陪f^ul^re”■悔买略伺带Lig.曲。LislibelaeintefuS"inftACaputfibulaeLgtrans此rwmgenusLig.ccflwtnraletibi^le.御机laeWA51<WTflndom.quadricipiti^lemiKis前此观f示交发扭I带】Anterioraspect.Showrnethecruciateligament冬A敝肌（0M.adductormagnusHftFibulaCondylusmedialis般侧翻韧带Ug.collaterals、tibiale内H旱月板Meniscus后交爻切怖Lig,cruciatum•■postenus般#Tibia/ftlilCondyluslateralis带Ug.collateral。fibulare/L&cruciatumantenus二板般后物带,Ug.meftiscofemorateposA敝肌（0M.adductormagnusHftFibulaCondylusmedialis般侧翻韧带Ug.collaterals、tibiale内H旱月板Meniscus后交爻切怖Lig,cruciatum•■postenus般#Tibia/ftlilCondyluslateralis带Ug.collateral。fibulare关节解剖轴线图2右膝关节侧面图(一)单髁式人工膝关节置换单髁人工膝关节置换的主要目的是取代已受损的单髁关节面。单髁膝关节置换只置换内或外髁关节面，不牺牲十字韧带及髌骨的功能。理论上，单髁置换因为保留较多的软组织会比全膝关节置换有更正常的膝关节功能，且让患者保留较好的本体感觉及膝关节稳定度。然而，早期单髁关节组件因手术技术以及组件设计不佳而致使用率低。但随组件设计的进步、成熟的手术技术(微创手术)搭配适当的患者选择，其临床成功率已明显提升［19］。胫骨组件示意图，包括(a(一)单髁式人工膝关节置换单髁人工膝关节置换的主要目的是取代已受损的单髁关节面。单髁膝关节置换只置换内或外髁关节面，不牺牲十字韧带及髌骨的功能。理论上，单髁置换因为保留较多的软组织会比全膝关节置换有更正常的膝关节功能，且让患者保留较好的本体感觉及膝关节稳定度。然而，早期单髁关节组件因手术技术以及组件设计不佳而致使用率低。但随组件设计的进步、成熟的手术技术(微创手术)搭配适当的患者选择，其临床成功率已明显提升［19］。胫骨组件示意图，包括(a)聚乙烯衬垫以及(b)金属基座外事胫骨平仃外恻*月板，惬骨朝倍内侧r月板丧一Un后交又削茜、关节震目前有关单髁人工膝关节的生物力学研究着重于力学轴对内髁或外髁的受力影响，若关节面受力不均匀则可能加速单髁膝关节置换术的失败。Squire等［20］的研究指出，只要在单髁置换术中不过度矫正变形量，则可以减缓另一侧的关节炎发生，提高手术成功率。一般而言，术前韧带的稳定性及角度变形量均须认真评估。虽然目前临床上对于矫正的角度仍无明确定论，但就内翻矫正而言，长期随访研究指出，当术后下肢的力学轴落于膝关节中心或是稍微偏内会有较佳的临床结果】21,22］；此外，当内翻膝关节过度矫正则术后易产生外翻膝，若术后的轴对位超过解剖轴内翻2°或外翻6°时，其失败率会明显提高［23］。（二）全膝关节置换及相关生物力学考虑全聚乙烯与金属背衬组件的比较全膝关节置换手术早期使用的胫骨组件以全聚乙烯材质为主，后来逐渐被金属背衬的胫骨组件所取代，主要是因为金属背衬设计可辅助关节受力的传递，减少胫骨松质骨的应力［24］。近年来，相关研究重新探讨两种设计的差异，发现全聚乙烯组件的长期使用效果并不劣于金属背衬设计，可能是聚乙烯组件可提供足够的组件厚度以减缓磨损的产生，当然接受置换术患者的活动量也是影响成功率的可能因素［25—27］。此外，也有研究显示，金属背衬设计在长期使用后会有背面磨损（backsidewear）的情况，即聚乙烯与金属背衬间磨损，可能会增加磨屑的总量，使患者骨溶解的危险性增加［28］。模块化的机构设计虽有其生物力学的优点，但仍有须改善的空间。我们先前的临床研究结果显示，良好设计的全聚乙烯胫骨组件仍有很好的长期临床随访结果。对年纪较大且活动量少的患者，建议选择全聚乙烯胫骨组件［25］。固定式与活动式衬垫设计的比较除了组成材料的分类外，胫骨组件依其锁合机构亦可分为固定式及活动式衬垫设计。大致上固定式的设计其关节接触面多为平面或线接触，其接触面积小，相关生物力学研究显示［1,2］，固定式设计在2000N负载下，其接触面积仅约为73〜204mm2。由于较小的接触面积，其平均接触应力约为10〜27MPa，最大应力值超过30MPa，可发现衬垫所受到的接触应力远大于材料的屈服强度11.5MPa［3］。若长期使用后容易造成聚乙烯材料的磨损破裂。若固定式设计的关节表面为高吻合接触则可能有较高的拘束力产生，主要因为膝关节除了弯曲运动外还会伴随着旋转与内、外翻，在关节衬垫与胫骨基座接触面上或是组件与胫骨接触面上常发生剪应力破坏而造成组件松脱。活动式衬垫人工膝关节的发展主要解决上述的生物力学问题［4］。此设计在胫股骨关节面有较高的吻合度，搭配可滑动的关节衬垫（于金属基座上滑动），除了可以避免高拘束力外，还可明显的减少胫股关节面的接触压力［5］。此外，若在植入时发生组件对位不佳，关节衬垫也可以稍微调整位置以减少压力集中［6,7］。虽然活动式衬垫设计有较好的生物力学特性，临床上仍有失败的病例。在我们先前的研究发现8］，因为衬垫可自由转动，在长时间使用后衬垫磨损变薄而减弱关节稳定性而产生衬垫半脱位，也可能因为衬垫与金属背衬间的相对运动较多，导致产生更多的微小磨屑，增加骨溶解的危险［9,10］。根据目前的临床研究，超高分子量聚乙烯组件的磨损、组件松脱和骨溶解仍是人工膝关节破坏的主要原因。固定式或活动式衬垫设计能获得较高成功率仍须进一步研究。韧带保留与取代的关节组件就膝关节功能性方面考虑，常使用的组件大致可分为两类：后十字韧带保留（CRtype）及后十字韧带取代（PStype）。对于后十字韧带是否应予以保留，对临床医生而言至今仍颇具争议。植入人工膝关节后运动形态和正常人相比有很大的改变［11］，当膝关节伸直时，后十字韧带保留型与后方稳定型两种设计，其胫股骨接触位置分别位在正常关节后方11.6mm和6.2mm。在较大的弯曲角度（90°），此两种设计在向后移动都较正常膝关节小（正常膝约为14.2mm）。韧带保留设计向后移动约有3.8mm，取代型设计则约有7.7mm的向后移动。而在步行状态，有些关节组件几乎没有轴向旋转，这种情况与正常膝关节有相当大的差异［12］。在Churchill等［13］的研究中指出，膝关节屈曲在30°〜90°时，各膝关节设计开始有明显的变化。后十字韧带去除人工膝关节呈现最小的股骨后旋，后十字韧带保留型股骨后旋位移比去除者平均多1.5mm，而后十字韧带取代型的股骨后旋位移又比保留者多2.4mm，取代型的设计可有接近于正常关节的功能。整体来说，后十字韧带的保留与否对术后的膝关节运动状态有很重要的影响。若医生选用韧带保留的关节组件，手术时必须客观评估韧带的功能是否良好，否则除了无法获得正常功能外，若韧带过于松弛会造成关节不稳定，太紧则可能增加聚乙烯衬垫后方的磨损。如医生选择置换后十字韧带取代型设计，可方便切除关节面，确保恢复患者术后的膝关节功能。髌骨组件的置换当人体运动时，髌股关节必须承受庞大的压力，使髌骨聚乙烯组件因高应力作用产生磨屑，增加骨溶解或组件破坏、松脱等，在所有翻修病例中，因为髌骨组件并发症而需要进行再次翻修手术者相当多，这是不容忽视的问题［14］。在人工全膝关节置换术中，对于髌骨组件的置换与否仍有许多争议。Cadambi等［15］研究认为不置换髌骨组件对于退行性关节炎患者成功率较高，缺点是膝前疼痛的发生率较高。Rand［16］则认为置换髌骨组件的优点在于其改善患者的疼痛状况与爬楼梯的能力，但缺点是组件破裂、磨耗、松脱等情况的发生而需要行翻修手术。比较金属背衬与全聚乙烯髌骨组件，虽然早期少数研究指出使用金属背衬的髌骨组件可获得良好的术后疗效［17,18］，但近年来一些研究认为具金属背衬的髌骨组件容易发生组件剥落及断裂［19,20］。建议避免使用具金属背衬的髌骨组件。另外对于髌骨组件采用嵌入式或覆盖式，2001年Ezzet等［21］发现两种设计在髌骨滑动轨迹上并无统计学意义，但基于嵌入式可增加骨与髌骨植入物间的接触面积而防止髌骨组件松脱，认为其设计优于覆盖式。人工膝关节组件的种类繁多，单髁式人工关节组件可运用微创手术的概念进行关节面置换，保有较多骨量以及加速恢复，但医生术前必须小心选择病例，患者必须仅有单髁关节磨损且不可有髌股关节退变以及需保有良好的软组织或韧带功能。此外，微创手术的技术要相当熟练，可在小创口下做好正确的关节面切除，以确保恢复膝关节术后的功能。人工全膝关节系统因其切口较大增加关节的显露程度，方便骨科医生进行正确的关节表面切除，人工全膝关节仍是未来不可或缺的关节设计。

（三）人工全膝关节组件设计建议人工膝关节组件就设计上大致可分为股骨组件、胫骨组件及髌骨组件等部分（图1）,以下针对各组件的设计提出简要说明与建议：图1人工膝关节的组成组件股骨组件股骨组件上可包括两个关节面即胫股关节和髌股关节，因此设计股骨组件时宜多加考虑。其几何外形可考虑人体关节的构造、形状和功能。为了避免组件植入位置不当或是内外翻时常会引起单髁受力而加快组件的磨损，其股骨组件的几何外型以及接触面设计相当重要。组件在冠状面上的接触形态以曲面接触为主。于矢状面上可为多曲率设计（图2），可帮助患者于关节置换术后获得平滑的关节活动。此外，组件间的曲面设计则应考虑尺寸的互换性，方便搭配。为了减少髌骨组件发生半脱位的概率，髌骨滑槽外侧髁需略高于内侧髁，沟槽应保持宽而深。髌骨滑槽则不宜太陡峭，可帮助髌骨在股骨组件前侧与远程之间的平滑移动，并且达到稳定和较高的接触面积。滑槽在冠状面上宜保有5°〜7°的外倾角度。另外，针对高屈膝的需求，宜延伸髌骨滑槽至最深处，顺应髌骨在高弯曲角度能保持髌骨与股骨组件的高接触面积。图2股骨组件示意图：（左）前视图（冠状面）；（右）侧视图（矢状面）胫骨组件在几何外形上的设计（图3）,其与股骨组件的接触宜有良好的搭配。且在不增加关节拘束下可以提供满意的高接触面积为佳。在我们先前的研究［22］中曾指出，股骨组件与胫骨衬垫接触面为曲面对曲面（curve-on-curve）相较于曲面对平面（curve-on-flat）能有更好地接触特性，可降低因为组件植入不当而产生的应力集中的危险。此外，聚乙烯组件的厚度建议至少需有8mm［23］，避免聚乙烯组件过度磨损。另外，聚乙烯组件的背侧磨损是一个新发现的临床问题】24-28］，背侧磨损的发生原因是衬垫与金属背衬接触面间在关节运动时产生微小位移，在长时间使用下会增加磨屑产生或造成衬垫脱离。因此，对于衬垫以及金属背衬间的锁合机构必须额外考虑其固定的强度，减少微运动的发生，以避免长时间使用后产生背侧磨损。2图3胫骨组件示意图，包括（上）聚乙烯衬垫以及（下）金属基座髌骨组件：髌骨于膝关节运动时会有长距离的滑动，且可能伴随翻转动作（tilting），所以髌骨组件外型设计以及与髌骨间的固定是主要考虑之处。在几何设计中，则可分类为圆顶式及解剖构造式两类。解剖式设计虽与滑槽的接触面积大，但植入组件若有错位情况，容易产生应力集中。人工关节置换术后，因为股骨组件与髌骨组件的接触表面已改变，设计可不考虑人体解剖构造的设计形式（若不置换髌骨组件者，其股骨组件的滑槽宜考虑为解剖形态）。对于圆顶式设计，在手术时髌骨组件不需要旋转对位，可增加手术时的便利性。几何外型采用圆顶式设计（domeshape）（图4），搭配所设计匹配的股骨滑槽将可预期良好的临床结果。上述为人工全膝关节组件设计需考虑的要点说明以及建议。然而，正确的组件植入位置以及关节软组织的平衡更是成功行人工膝关节置换术的必备条件。因此，除了关节组件的外型设计与功能性外，完善且方便使用的手术器械将更可以帮助骨科医生容易进行置换并且正确的植入关节组件，进而提高置换成功率以及延长组件的使用寿命。图4圆顶式髌骨组件示意图膝关节假体设计、分类和假体选择一、膝关节假体设计原则现代的膝关节假体设计虽然种类繁多，但大多基于同一个原则：即以植入的关节假体提供类似于正常膝关节的伸屈和旋转模式，并籍假体本身及膝关节的韧带及软组织平衡获得静态及动态的稳定性。尽管今天的假体设计尚不可能达到如正常膝关节相同的功能，但上述原则仍是假体设计者和临床医生所共同追求的目标。虽然各种设计类型的全膝关节假体的形态不一，但设计原理却大致相似，借鉴了人工全髋的成功经验，目前膝关节假体的材料选择以金属的股骨髁假体对超高分子聚乙烯的胫骨及骼骨假体为主。各种不同膝关节假体所使用的材料可能会有区别，但仍然以高强度的钻铭合金(Co-Cr)和超高分子量的聚乙烯(PE)为主。而在胫骨托的材质使用上也有采用弹性模量更接近骨质的钛合金。在胫骨假体的设计上，有全聚乙烯假体和由金属托和聚乙烯组合的两种设计，带有金属托的假体使载荷通过金属托均匀地传导到胫骨，减少了聚乙烯蠕变导致的应力不均，并更多地考虑了翻修手术时的方便且可设计成非骨水泥固定假体，因而更多的医生愿意接受这一设计而成为现代膝关节假体的主流选择。髌骨假体的设计同样有全聚乙烯和带金属背的两种设计，但由于带金属背的假体势必要减少聚乙烯的厚度或过多切骨，从而容易导致髌骨假体的磨损、断裂以及髌骨的骨折，因此，其应用较少。此外，以LCS假体为代表的活动衬垫型膝关节将胫骨假体的聚乙烯垫设计成可在金属托上滑动的所谓Mobilbearing假体，使得股骨髁可以与胫骨垫得到最大的匹配度从而减少聚乙烯磨损，也更接近正常膝关节的运动模式，有作者称此类假体可能成为未来膝关节假体的设计方向，但对其疗效的评价还有待时日。二、膝关节假体的分类根据膝关节假体使用的部位可分为单髁假体或称单间隔假体、不包括髌股关节置换的双间隔假体及全关节假体或称三间隔假体。根据假体设计中提供的机械限制程度可分为非限制性假体、部分限制性假体、高限制性假体和全限制性假体(铰链式假体)，根据假体的固定方式还可将其分为骨水泥固定型假体和非骨水泥固定型假体。三、膝关节假体的选择固定方式的选择：对膝关节假体而言，由于骨水泥固定型假体的较好的长期随访结果，使得这一类型的假体被广泛接受。在膝关节置换手术中，骨水泥的作用己不仅仅是固定假体，而更重要的作用是加强骨床的承载强度，尤其是在胫骨侧。近年来发展起来的非骨水泥固定型假体，如各种微孔型或HA涂层假体在近期获得了较女子的随访结果，但由于缺乏远期随访，尚无法与骨水泥型假体相比较。参照全髋关节置换术的经验，对60岁以上的患者，可使用骨水泥固定，对年龄较轻的患者可选择非骨水泥固定股骨侧假体。但目前绝大多数医生仍推荐使用骨水泥固定胫骨侧假体。单髁假体的选择；单髁假体属于非限制性假体。对于单纯的内侧或外侧间隔的病变，理论上可以选择单髁置换，成功的单髁置换手术可以最大限度地保存关节的组织结构和运动功能，并为二次TKA手术留有余地。但单髁手术对手术操作技术的要求较高，不准确的手术可能会导致失败，此外，单间隔的病变往往伴有膝关节的力线改变，有时截骨手术也能达到较好的效果。而施行单髁置换术时如不能纠正膝关节的负重力线和获得良好的平衡状态，手术仍可能导致失败，因而，单髁假体置换在膝关节置换外科中所占的比例较小。不同限制程度的全膝假体的选择：膝关节假体的机械限制提供了假体的机械稳定性，但同时与关节的活动度形成了一对矛盾。一般来说，较少限制的假体可以获得更好的关节运动功能，而对关节稳定结构的完整及操作技术有更高的要求。较多限制的假体在设计上提供了假体关节额外的机械稳定性，但因此可能会导致切骨较多和损失部分关节活动度，并且可能由于其限制性导致假体与骨界面的机械松动。*非限制性假体：非限制性全膝假体以保留后交叉韧带(CR)假体为代表，保留的PCL维持了假体植入后的后方稳定性，因而允许胫骨关节面趋向于大曲率的低限制设计而获得更大的关节活动度，但同时由于股骨髁部件与胫骨关节面的接触面变小，易致磨损，PCL的保留还可能使屈曲挛缩畸形难以纠正。因此，新的设计摒弃了胫骨垫的近似平面的设计而增加了股骨与胫骨的匹配度以减少磨损但也获得了一定的限制度。事实上，全膝关节假