4膝關節(jié)生物力學

1、膝關節(jié)生物力學,在膝關節(jié)運動過程中，骨骼的位置和朝向（運動學）是各種力量（動力學）獲得平衡的結果關節(jié)形狀（解剖學）決定了大部分接觸應力的作用方向因此：解剖學影響動力學 動力學決定運動學,膝關節(jié)生物力學的原則,任何膝關節(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下肢的機械軸。大多數(shù)TKA采用髓內或髓外定位來判斷解剖軸。截骨導向能對股骨和脛骨截骨的旋轉和對線作精確的調整，目的是用解剖軸

2、來重建機械軸。,機械軸與解剖軸,下肢力線,解剖軸機械軸,機械軸與解剖軸,機械軸：股骨頭中心——脛骨平臺中心——踝關節(jié)中心正常的機械軸能使60%的負荷通過內側間室、40%的負荷通過外側間室。發(fā)育、關節(jié)炎、創(chuàng)傷等能改變機械軸，從而改變負荷在兩側間室的分布比例，引起進行性退變。,機械軸,在正常膝關節(jié)，下肢機械軸通過膝關節(jié)中心或中心略偏內側在膝內翻畸形時，下肢機械軸通過膝關節(jié)中心的內側，使內側間室負荷增加。這一負荷增加會導致一個

3、畸形進行性惡化的循環(huán)。當畸形變得非常嚴重時，或者負重時會覺得膝關節(jié)在向外側凸出。在外翻畸形時，下肢機械軸通過膝關節(jié)中心的外側，使外側間室的負荷增加，并使內側結構擴張甚或喪失功能。,膝內/外翻,膝內翻與膝外翻,膝內/外翻,解剖軸：是股骨、脛骨髓腔線與脛股關節(jié)線相交形成的角度。股骨解剖軸呈5-9度外翻，在個子較小的患者，這一角度將會較大。,股骨解剖軸,股骨髁與下肢力線的關系,股骨解剖軸與機械軸,脛骨解剖軸,脛骨的解剖軸在脛骨干的中央

4、，它與脛骨關節(jié)面垂線之間有3度的內翻角。從側面觀，脛骨關節(jié)表面有一5-7度的后傾。,脛骨平臺后傾,TKA中重要的畫線,TKA中重要的畫線,與髖關節(jié)不同，膝關節(jié)兩相對骨面形合度較差。因此，軟組織結構在維持關節(jié)穩(wěn)定中起到了至關重要的作用術者了解正常的下肢對線、作用于膝關節(jié)上的外力和膝關節(jié)運動的限制結構等都是必須的,關節(jié)的形合度,關節(jié)軟骨的作用,關節(jié)的形合度,脛骨內外側平臺差異的意義,關節(jié)的形合度,在生理性膝關節(jié)，半月板增加了股骨髁與脛骨

5、平臺之間的形合。形合程度的增加也就增加了分擔負荷的關節(jié)面表面積，從而減少了特定某一點的負荷。因此，半月板切除后，關節(jié)軟骨某些部位上承受的負荷會增加高達400%。,關節(jié)的形合度,在正常膝關節(jié)的0-120度屈曲中：內側半月板的飄移可達5 mm，外側半月板的飄移則達11 mm。,關節(jié)的形合度,關節(jié)的形合度,在TKA后，股骨髁與脛骨墊的形合度遠高于生理性膝，因此關節(jié)接觸面大，接觸應力小、磨損也可能小。但這一高形合度降低了關節(jié)的自

6、由活動，從而可能減小關節(jié)的活動范圍，增加聚乙烯內和假體-股骨界面上的應力集中。形合度增加與活動度減小之間的矛盾被稱為是“運動學沖突”,TKA的關節(jié)形合度,解決運動學沖突的方法之一是采用活動平臺假體。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關節(jié)面，允許脛骨墊作旋轉或前/后向移動。雖然這一設計在理論上頗具吸引力，但至今的臨床結果并未證明優(yōu)于固定平臺假體。,活動平臺膝關節(jié)系統(tǒng),膝關節(jié)并非是一個單純的鉸鏈關

7、節(jié)。膝關節(jié)的活動極其復雜，包括了屈曲/伸展、內旋/外旋、內收/外展因無法照顧到這一復雜的活動，是加速高限制性全膝關節(jié)假體失敗的主要原因。特別是在高限制性的早期“鉸鏈膝”，后者僅有伸屈一個方向上的活動,膝關節(jié)活動,膝關節(jié)的運動,三根軸六個方向,膝關節(jié)活動,膝關節(jié)活動,膝關節(jié)的活動范圍自過伸0-20度至屈曲125-165度。功能性膝關節(jié)的活動范圍約是0-115度。正常步態(tài)時需要的膝關節(jié)活動范圍是0-70度。,膝關節(jié)活動范圍,

8、膝關節(jié)活動范圍,膝關節(jié)的屈曲和伸展都包含了滾動和滑動。隨著屈曲的增加，股骨髁上的瞬間旋轉中心向后移動。這一瞬間旋轉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，以增加膝關節(jié)屈曲。同時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。,膝關節(jié)屈曲,在生理性膝關節(jié)，股骨髁的后滾是由四邊框架系統(tǒng)來調整的。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之間的骨質是這一系統(tǒng)中的另外兩邊。整個膝關節(jié)的瞬間旋

9、轉中心位于ACL與PCL的交叉處,股骨髁的后滾,ACL/PCL,四邊框架,膝關節(jié)的滾動和滑動,股骨髁的后滾,沒有滑動時的膝關節(jié)運動——分離,股骨髁的后滾,在PCL保留的TKA中，PCL仍能調節(jié)股骨髁的后滾，但因為ACL的缺如和整個閉合四邊框架系統(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結構調整。因此，其后滾更可預測，雖然與生理性的仍有差異。當然post

10、-cam結構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,在膝關節(jié)接近完全伸直時，脛骨相對于股骨發(fā)生外旋（也即股骨相對于脛骨發(fā)生內旋），內側脛骨平臺在隆凸的內側股骨髁上作滑行，直到膝關節(jié)完全伸直時獲得鎖定。這一機制是由股骨內側髁的形狀和大小、膝關節(jié)周圍肌肉和軟組織結構共同調節(jié)的。,伸膝旋轉鎖定機制,膝關節(jié)的橫軸,伸膝旋轉鎖定機制,膝關節(jié)的伸屈和旋轉,屈曲+外旋伸展+內旋,伸膝旋轉鎖定機制,膝關節(jié)活動總結,伸屈

11、與旋轉,內側股骨髁位移,外側股骨髁位移,內側平臺 凹陷 前端有隆起 向后變平坦外側平臺 凸起 對股骨髁前后向活動無限制,脛骨平臺的解剖,在膝關節(jié)完全伸直位股骨髁內旋5度機械軸正對膝關節(jié)中心膝關節(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側防止髕骨脫位,伸膝旋轉鎖定機制,外旋鎖定機制的機理ACL止于股骨髁外側伸膝時ACL將外側股骨髁拉向前方ACL缺損的膝沒有外旋鎖定,伸膝旋轉鎖定機制,在正常步行時

12、，脛股關節(jié)的受力大約是3倍體重上樓梯時約為4倍體重。正常情況下60%的負荷通過內側間室，40%通過外側間室。髕股關節(jié)受力 平地行走：0.5倍體重 下樓梯：5倍體重,膝關節(jié)活動時的受力,髕股關節(jié)受力,膝關節(jié)活動時的受力,膝關節(jié)的受力,膝關節(jié)活動時的受力,膝關節(jié)活動時的受力,為何膝關節(jié)受力會如此之大？上半身的重量作用在一較長的力臂上而股四頭肌通過髕韌帶的作用力臂要短許多,膝關節(jié)活動時的受力,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度被認為異常。在TKA中，需經調整假體旋轉定位、內置髕骨假體和必要時的軟組織平衡（側放松解）來恢復Q角。髕骨軌跡異常是TKA術后膝前疼痛的常見原因，可采用不同的手術入路以減少這一并發(fā)癥的發(fā)生。,Q角,脛骨結節(jié)在中線外側約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,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,髕骨高度的測量,髕骨高度的測量,當膝關節(jié)屈曲、髕骨滑向遠側時，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節(jié)是滑行關節(jié)，在整個行程中髕股滑行的距離大約在7 cm,髕骨的運動,髕股關節(jié)的變化,髕骨位置髕關節(jié)面,髕骨的運動,髕骨的功能是增強伸膝肌力量，這一目的是通過延長伸膝裝置的力臂而實現(xiàn)的。同時髕骨也能幫助分布伸膝裝置與股骨髁遠端之間的接觸應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)癥而切除髕骨將會縮短伸膝裝置的力臂，并使完全伸膝時股四頭肌所需要的力量增加15%-30%。

16、對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,髕骨關節(jié)面覆蓋有人體中最厚的關節(jié)軟骨，因為需承擔甚大的負荷。通過髕骨的外力在正常行走時約為體重的一半，而在深蹲時或跑動時則達到體重的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力

17、,髕骨的置換,TKA后的髕骨軌跡，可經多個途徑優(yōu)化 股骨髁外旋 股骨髁外置 髕骨假體內置 脛骨假體外旋 伸膝裝置側方支持帶松解,TKA中髕骨軌跡的優(yōu)化,髕外側支持帶,髕骨支持帶,髕骨受力,髕骨受力的方向,髕骨的作用,ma1 > ma2,髕骨切除的結果,髕骨切除的結果,為了保持正常的髕股關系，重要的是在TKA中關節(jié)線的上升或下降不能超過8 mm。特別是在翻修手術中更需注意，由于嚴重的骨缺損，正確地恢復關節(jié)線有時甚為困難。

18、過度升高關節(jié)線會致低位髕骨，這將致屈膝時髕骨與脛骨墊發(fā)生撞擊,關節(jié)線與髕骨位置的關系,植入物對線和位置 脛骨、股骨、髕骨相對于膝關節(jié)受力環(huán)境（肌肉和韌帶附著）的旋轉定位假體設計 股骨/脛骨在前后向上的中立 股骨滑車溝的設計 股骨髁矢狀位的形狀 髕骨關節(jié)面的形狀 脛骨墊關節(jié)面的設計 PS、CR或活動平臺設計,影響TKA術后生物力學的因素,TKA的軸向旋轉矢狀面的形合影響了人

19、工關節(jié)的活動范圍高形合度 限制了軸向旋轉 更好的前后向穩(wěn)定性低形合度 更多的前后向活動度，也可能有更多的軸向旋轉 更可能發(fā)生“矛盾運動”,影響TKA術后生物力學的因素,在膝關節(jié)完全伸直位股骨滑車溝外置不會發(fā)生外旋鎖定髕骨位于脛骨結節(jié)之上Q角減小股骨前髁外側較高并不需要外側松弛減少軸向旋轉減少,TKA術后生物力學的要點,膝關節(jié)的“反生理運動”膝關節(jié)屈曲時股骨髁前移,TKA術后生