1、 膝關節膝關節生物力學生物力學u在膝關節運動過程中，骨骼的位置和朝向（在膝關節運動過程中，骨骼的位置和朝向（運動學）是各種力量（動力學）獲得平衡的結運動學）是各種力量（動力學）獲得平衡的結果果u關節形狀（解剖學）決定了大部分接觸應力關節形狀（解剖學）決定了大部分接觸應力的作用方向的作用方向u因此：因此：解剖學影響動力學解剖學影響動力學 動力學決定運動學動力學決定運動學膝關節生物力學的原則膝關節生物力學的原則p 任何膝關節置換的目的是通過截任何膝關節置換的目的是通過截骨、軟組織平衡和良好的假體安放骨、軟組織平衡和良好的假體安放恢復下肢的機械軸。恢復下肢的機械軸。p大多數大多數TKA采用髓內或髓外

2、定位采用髓內或髓外定位來判斷解剖軸。截骨導向能對股骨來判斷解剖軸。截骨導向能對股骨和脛骨截骨的旋轉和對線作精確的和脛骨截骨的旋轉和對線作精確的調整，目的是用解剖軸來重建機械調整，目的是用解剖軸來重建機械軸。軸。機械軸與解剖軸機械軸與解剖軸下肢力線下肢力線解剖軸解剖軸機械軸機械軸機械軸與解剖軸機械軸與解剖軸p機械軸：股骨頭中心機械軸：股骨頭中心脛脛骨平臺中心骨平臺中心踝關節中心踝關節中心p正常的機械軸能使正常的機械軸能使60%的負的負荷通過內側間室、荷通過內側間室、40%的負荷的負荷通過外側間室。通過外側間室。p發育、關節炎、創傷等能改發育、關節炎、創傷等能改變機械軸，從而改變負荷在兩變機械軸，

3、從而改變負荷在兩側間室的分布比例，引起進行側間室的分布比例，引起進行性退變。性退變。機械軸機械軸p在正常膝關節，下肢機械軸通過膝關節中心或中心在正常膝關節，下肢機械軸通過膝關節中心或中心略偏內側略偏內側p在膝內翻畸形時，下肢機械軸通過膝關節中心的內在膝內翻畸形時，下肢機械軸通過膝關節中心的內側，使內側間室負荷增加。這一負荷增加會導致一個側，使內側間室負荷增加。這一負荷增加會導致一個畸形進行性惡化的循環。當畸形變得非常嚴重時，或畸形進行性惡化的循環。當畸形變得非常嚴重時，或者負重時會覺得膝關節在向外側凸出。者負重時會覺得膝關節在向外側凸出。p在外翻畸形時，下肢機械軸通過膝關節中心的外側在外翻畸形

4、時，下肢機械軸通過膝關節中心的外側，使外側間室的負荷增加，并使內側結構擴張甚或喪，使外側間室的負荷增加，并使內側結構擴張甚或喪失功能。失功能。膝內膝內/ /外翻外翻膝內翻與膝外翻膝內翻與膝外翻膝內膝內/ /外翻外翻u解剖軸：是股骨、脛骨髓腔線與脛股關節線相交形成的角度。u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。股骨解剖軸股骨解剖軸股骨髁與下肢力線的關系股骨髁與下肢力線的關系股骨解剖軸與機械軸股骨解剖軸與機械軸脛骨解剖軸脛骨解剖軸u脛骨的解剖軸在脛骨干的中央，它脛骨的解剖軸在脛骨干的中央，它與脛骨關節面垂線之間有與脛骨關節面垂線之間有3度度的內翻角的內翻角。從側面觀，脛骨關

5、節表面有一。從側面觀，脛骨關節表面有一5-7度度的后傾。的后傾。脛骨平臺后傾脛骨平臺后傾TKATKA中重要的畫線中重要的畫線TKATKA中重要的畫線中重要的畫線u與髖關節不同，膝關節兩相對骨面形合度較差。因此，軟組織結構在維持關節穩定中起到了至關重要的作用u術者了解正常的下肢對線、作用于膝關節上的外力和膝關節運動的限制結構等都是必須的關節的形合度關節的形合度關節軟骨的作用關節軟骨的作用關節的形合度關節的形合度脛骨內外側平臺差異的意義脛骨內外側平臺差異的意義關節的形合度關節的形合度u在生理性膝關節，半月板增加了股骨髁與脛骨平臺之間的形合。u形合程度的增加也就增加了分擔負荷的關節面表面積，從而減少

6、了特定某一點的負荷。因此，半月板切除后，關節軟骨某些部位上承受的負荷會增加高達400%。關節的形合度關節的形合度在正常膝關節的在正常膝關節的0-120度屈曲中：度屈曲中：內側半月板的飄移可達內側半月板的飄移可達5 mm，外側半月板的飄移則達外側半月板的飄移則達11 mm。關節的形合度關節的形合度關節的形合度關節的形合度l在在TKA后，股骨髁與脛骨墊的形合度遠高后，股骨髁與脛骨墊的形合度遠高于生理性膝，因此關節接觸面大，接觸應力于生理性膝，因此關節接觸面大，接觸應力小、磨損也可能小。小、磨損也可能小。l但這一高形合度降低了關節的自由活動，但這一高形合度降低了關節的自由活動，從而可能減小關節的活動

7、范圍，增加聚乙烯從而可能減小關節的活動范圍，增加聚乙烯內和假體內和假體-股骨界面上的應力集中。股骨界面上的應力集中。l形合度增加與活動度減小之間的矛盾被稱形合度增加與活動度減小之間的矛盾被稱為是為是“運動學沖突運動學沖突”TKATKA的關節形合度的關節形合度u解決運動學沖突的方法之一是采用活動平臺解決運動學沖突的方法之一是采用活動平臺假體。假體。u此類假體的脛骨墊與股骨髁高度形合，但在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面，允許脛骨墊與脛骨托之間存在第二個關節面，允許脛骨墊作旋轉或前脛骨墊作旋轉或前/后向移動。后向移動。u雖然這一設計在理論上頗具吸引力，但至今

8、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于固定平臺假體。的臨床結果并未證明優于固定平臺假體。活動平臺膝關節系統活動平臺膝關節系統u膝關節并非是一個單純的鉸鏈關節。膝關節的活動極其復雜，包括了屈曲/伸展、內旋/外旋、內收/外展u因無法照顧到這一復雜的活動，是加速高限制性全膝關節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活動膝關節活動膝關節的運動膝關節的運動三根軸三根軸六個方向六個方向膝關節活動膝關節活動膝關節活動膝關節活動u膝關節的活動范圍自過伸0-20度至屈曲125-165度。u功能性膝關節的活動范圍約是0-115度。u正常步態時

9、需要的膝關節活動范圍是0-70度。膝關節活動范圍膝關節活動范圍膝關節活動范圍膝關節活動范圍活活 動動大約需要的屈曲角度大約需要的屈曲角度步行步行0-67上樓梯上樓梯 0-83下樓梯下樓梯 0-90從站立位坐下從站立位坐下 0-93穿鞋穿鞋0-106提起重物提起重物 0-117u膝關節的屈曲和伸展都包含了滾動和膝關節的屈曲和伸展都包含了滾動和滑動。滑動。u隨著屈曲的增加，股骨髁上的瞬間旋隨著屈曲的增加，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，以增加膝關節屈曲。骨與脛骨的

10、撞擊，以增加膝關節屈曲。同時它也增加了伸膝裝置的力臂，從而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。提高了股四頭肌的作用力。膝關節屈曲膝關節屈曲p在生理性膝關節，股骨髁的后滾是由在生理性膝關節，股骨髁的后滾是由四邊框架系統來調整的。四邊框架系統來調整的。pACL和和PCL是這一系統中的韌帶連接是這一系統中的韌帶連接部分，而其在脛骨與股骨止點之間的骨部分，而其在脛骨與股骨止點之間的骨質是這一系統中的另外兩邊。質是這一系統中的另外兩邊。p整個膝關節的瞬間旋轉中心位于整個膝關節的瞬間旋轉中心位于ACL與與PCL的交叉處的交叉處股骨髁的后滾股骨髁的后滾ACL/PCLACL/PCL四邊框

11、架四邊框架膝關節的滾動和滑動膝關節的滾動和滑動股骨髁的后滾股骨髁的后滾沒有滑動時的膝關節運動沒有滑動時的膝關節運動分離分離股骨髁的后滾股骨髁的后滾 在在PCL保留的保留的TKA中，中，PCL仍仍能調節股骨髁的后滾，但因為能調節股骨髁的后滾，但因為ACL的缺如和整個閉合四邊框架系統的的缺如和整個閉合四邊框架系統的斷裂，這一后滾于生理性的并不相斷裂，這一后滾于生理性的并不相同同CRCR膝中股骨髁的后滾膝中股骨髁的后滾 在后穩定型在后穩定型TKA中，中，PCL已予切已予切除，股骨髁的后滾依靠除，股骨髁的后滾依靠POST-CAM結構調整。因此，其后滾更可預測，結構調整。因此，其后滾更可預測，雖然與生理

12、性的仍有差異。當然雖然與生理性的仍有差異。當然post-cam結構是增加了磨損的來源結構是增加了磨損的來源，也增加了系統的限制性。，也增加了系統的限制性。PSPS膝中股骨髁的后滾膝中股骨髁的后滾u在膝關節接近完全伸直時，脛骨相對于股在膝關節接近完全伸直時，脛骨相對于股骨發生外旋（也即股骨相對于脛骨發生內旋骨發生外旋（也即股骨相對于脛骨發生內旋），內側脛骨平臺在隆凸的內側股骨髁上作），內側脛骨平臺在隆凸的內側股骨髁上作滑行，直到膝關節完全伸直時獲得鎖定。滑行，直到膝關節完全伸直時獲得鎖定。u這一機制是由股骨內側髁的形狀和大小、這一機制是由股骨內側髁的形狀和大小、膝關節周圍肌肉和軟組織結構共同調節

13、的。膝關節周圍肌肉和軟組織結構共同調節的。伸膝旋轉鎖定機制伸膝旋轉鎖定機制膝關節的橫軸膝關節的橫軸伸膝旋轉鎖定機制伸膝旋轉鎖定機制膝關節的伸屈和旋轉膝關節的伸屈和旋轉屈曲屈曲+外旋外旋伸展伸展+內旋內旋伸膝旋轉鎖定機制伸膝旋轉鎖定機制膝關節活動總結膝關節活動總結股骨運動股骨運動脛骨運動脛骨運動滾動滾動旋轉旋轉滾動滾動旋轉旋轉膝屈曲膝屈曲后滾后滾外旋外旋前滾前滾內旋內旋膝伸展膝伸展前滾前滾內旋內旋后滾后滾外旋外旋伸屈與旋轉伸屈與旋轉內側股骨髁位移內側股骨髁位移外側股骨髁位移外側股骨髁位移內側平臺內側平臺l 凹陷凹陷l 前端有隆起前端有隆起l 向后變平坦向后變平坦外側平臺外側平臺l 凸起凸起l 對

14、股骨髁前后向活動無限制對股骨髁前后向活動無限制脛骨平臺的解剖脛骨平臺的解剖在膝關節完全伸直位在膝關節完全伸直位u股骨髁內旋股骨髁內旋5度度u機械軸正對膝關節中心機械軸正對膝關節中心u膝關節穩定無需股四頭肌參與膝關節穩定無需股四頭肌參與u完全伸膝位有效的站立完全伸膝位有效的站立u股骨前髁內側防止髕骨脫位股骨前髁內側防止髕骨脫位伸膝旋轉鎖定機制伸膝旋轉鎖定機制外旋鎖定機制的機理uACL止于股骨髁外側u伸膝時ACL將外側股骨髁拉向前方uACL缺損的膝沒有外旋鎖定伸膝旋轉鎖定機制伸膝旋轉鎖定機制u在正常步行時，脛股關節的受力大約是在正常步行時，脛股關節的受力大約是3倍體重倍體重u上樓梯時約為上樓梯時約

15、為4倍體重。倍體重。u正常情況下正常情況下60%的負荷通過內側間室，的負荷通過內側間室，40%通過通過外側間室。外側間室。u髕股關節受力髕股關節受力 平地行走：平地行走：0.5倍體重倍體重 下樓梯：下樓梯：5倍體重倍體重膝關節活動時的受力膝關節活動時的受力髕股關節受力髕股關節受力膝關節活動時的受力膝關節活動時的受力膝關節的受力膝關節的受力膝關節活動時的受力膝關節活動時的受力膝關節活動時的受力膝關節活動時的受力為何膝關節受力會如此之大？u上半身的重量作用在一較長的力臂上u而股四頭肌通過髕韌帶的作用力臂要短許多膝關節活動時的受力膝關節活動時的受力uQ角是股四頭肌腱縱軸與髕韌帶縱軸之間角是股四頭肌腱

16、縱軸與髕韌帶縱軸之間形成的夾角。形成的夾角。Q角大于角大于20度度被認為異常。被認為異常。u在在TKA中，需經調整假體旋轉定位、內置中，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（側放松解髕骨假體和必要時的軟組織平衡（側放松解）來恢復）來恢復Q角。角。u髕骨軌跡異常是髕骨軌跡異常是TKA術后膝前疼痛的常見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原因，可采用不同的手術入路以減少這一并發癥的發生。發癥的發生。QQ角角u脛骨結節在中線外側脛骨結節在中線外側約約10-12mmu股骨解剖軸與髕韌帶股骨解剖軸與髕韌帶縱軸之間形成縱軸之間形成 的夾角即的夾角即Q角角u男性男性14

17、度度 女性女性17度度QQ角角髕骨周圍作用組織髕骨周圍作用組織QQ角的存在使髕骨總有向外脫位的趨勢角的存在使髕骨總有向外脫位的趨勢QQ角的變化可改變髕骨軌跡角的變化可改變髕骨軌跡p Patella alta：高位髕骨：高位髕骨p Patella baja：低位髕骨：低位髕骨p TKA后低位髕骨較為常見，特別是之前后低位髕骨較為常見，特別是之前有高位脛骨截骨者。有高位脛骨截骨者。低位髕骨與高位髕骨低位髕骨與高位髕骨pInsall-Salvati指數：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髕骨高度的測量髕骨高度的測量n當膝關節屈曲、髕骨滑向遠

18、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由下極移至上極n髕股關節是滑行關節，在整個行程中髕股滑行的距離大約在7 cm髕骨的運動髕骨的運動髕股關節的變化髕股關節的變化髕骨位置髕骨位置髕關節面髕關節面髕骨的運動髕骨的運動p髕骨的功能是增強伸膝肌力量，這一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目的是通過延長伸膝裝置的力臂而實現的。的。p同時髕骨也能幫助分布伸膝裝置與股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骨髁遠端之間的接觸應力p并作為籽骨為股四頭肌腱和髕韌帶提并作為籽骨為股四頭肌腱和髕韌帶提供附著。供附著。髕骨的功能髕骨的功能p因創傷或因創

19、傷或TKA并發癥而切除髕骨將并發癥而切除髕骨將會縮短伸膝裝置的力臂，并使完全伸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膝時股四頭肌所需要的力量增加15%-30%。p對髕骨切除后的患者行對髕骨切除后的患者行TKA，通常，通常選擇后穩定假體，因其能更好地模擬選擇后穩定假體，因其能更好地模擬股骨后滾，從而增加伸膝裝置的力臂股骨后滾，從而增加伸膝裝置的力臂髕骨的功能髕骨的功能p髕骨關節面覆蓋有人體中最厚的關節髕骨關節面覆蓋有人體中最厚的關節軟骨，因為需承擔甚大的負荷。軟骨，因為需承擔甚大的負荷。p通過髕骨的外力在正常行走時約為體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

20、跑動時則達到重的一半，而在深蹲時或跑動時則達到體重的體重的7倍。倍。髕骨的受力髕骨的受力p髕骨的平均厚度是髕骨的平均厚度是25mm。p置換髕骨時重要的是至少使截骨后的骨床置換髕骨時重要的是至少使截骨后的骨床保留保留10mm，以免發生髕骨骨折。，以免發生髕骨骨折。p帶金屬底托的髕骨假體臨床效果差，原因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是較薄的聚乙烯假體上有較高的接觸應力髕骨的置換髕骨的置換TKA后的髕骨軌跡，可經多個途徑優化后的髕骨軌跡，可經多個途徑優化p 股骨髁外旋p 股骨髁外置p 髕骨假體內置p 脛骨假體外旋p 伸膝裝置側方支持帶松解TKATKA中髕骨軌

21、跡的優化中髕骨軌跡的優化髕外側支持帶髕外側支持帶髕骨支持帶髕骨支持帶髕骨受力髕骨受力髕骨受力的方向髕骨受力的方向髕骨的作用髕骨的作用ma1 ma2髕骨切除的結果髕骨切除的結果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，重為了保持正常的髕股關系，重要的是在要的是在TKA中關節線的上升或下中關節線的上升或下降不能超過降不能超過8 mm。特別是在翻修。特別是在翻修手術中更需注意，由于嚴重的骨缺手術中更需注意，由于嚴重的骨缺損，正確地恢復關節線有時甚為困損，正確地恢復關節線有時甚為困難。過度升高關節線會致低位髕骨難。過度升高關節線會致低位髕骨，這將致屈膝時髕骨與脛骨墊發生，這將致屈膝時髕骨與脛骨墊發生撞擊撞擊關節線與髕骨位置的關系關節線與髕骨位置的關系u植入物對線和位置植入物對線和位置 脛骨、股骨、髕骨相對于膝關節受力環境脛骨、股骨、髕骨相對于膝關節受力環境（肌肉和韌帶附著）的旋轉定位（肌肉和韌帶附著）的旋轉定位u假體設計假體設計p 股骨股骨/脛骨在前后向上的中立脛骨在前后向上的中立p 股骨滑車溝的設計股骨滑車溝的設計p 股骨髁矢狀位的形狀股骨髁矢狀位的形狀p 髕骨關節