全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)研究進(jìn)展

[摘要] 全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)（TKA）在全世界每年都在快速增長，經(jīng)過幾十年的發(fā)展取得了很大進(jìn)展。但是術(shù)后出現(xiàn)假體松動(dòng)、伸屈和負(fù)重后出現(xiàn)畸形、疼痛等并發(fā)癥，已經(jīng)引起了廣大骨科醫(yī)生足夠的重視。選擇高質(zhì)量的假體、設(shè)計(jì)個(gè)體化的假體和制定精確化的手術(shù)，成為骨科醫(yī)生必須解決的問題。本文對近年來人工膝關(guān)節(jié)手術(shù)指征、假體、生物力學(xué)模型以及手術(shù)方式的演變進(jìn)行闡述，并結(jié)合目前最新發(fā)展的技術(shù)對TKA未來發(fā)展的方向進(jìn)行展望和預(yù)測。

[關(guān)鍵詞] 全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)；假體；生物力學(xué)；動(dòng)力學(xué)模型

[中圖分類號(hào)] R687.4 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673-9701（2013）17-0015-02

全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)在全世界每年都在快速地增長，經(jīng)過幾十年的蓬勃發(fā)展，取得了很大進(jìn)展。如今全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)成為治療晚期骨性關(guān)節(jié)炎、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等疾病的最有效的方法，被大多數(shù)骨科醫(yī)生認(rèn)知，對減輕患者膝關(guān)節(jié)疼痛和改善膝關(guān)節(jié)功能有顯著的療效，然而術(shù)后出現(xiàn)假體松動(dòng)、伸屈和負(fù)重后出現(xiàn)畸形、疼痛等并發(fā)癥，已經(jīng)引起了廣大骨科醫(yī)生足夠的重視。選擇高質(zhì)量的假體、設(shè)計(jì)個(gè)體化的假體和制定精確化的手術(shù)，成為骨科醫(yī)生必須解決的問題。本文對近年來人工膝關(guān)節(jié)手術(shù)指征、假體、生物力學(xué)模型以及手術(shù)方式的演變進(jìn)行闡述；并結(jié)合目前最新發(fā)展的技術(shù)，對TKA未來發(fā)展的方向進(jìn)行了展望和預(yù)測。

1 手術(shù)指征

迄今為止，TKA的手術(shù)適應(yīng)證仍然沒有得到統(tǒng)一。不論是何種類型的關(guān)節(jié)炎，只要有關(guān)節(jié)不能耐受的疼痛或者有明顯破壞，都可以進(jìn)行人工關(guān)節(jié)置換。但必須注意以下幾點(diǎn)：①患者年齡>60歲，②體重>80 kg，這也不是絕對的，可以根據(jù)實(shí)際情況作出判斷。除此之外，患者生活的質(zhì)量也是影響手術(shù)成敗的一個(gè)關(guān)鍵因素，如血友病、骨骼發(fā)育不全、幼年型類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎常有多關(guān)節(jié)病變，TKA能很好地解決患者的關(guān)節(jié)功能受限。

2 假體的演變及分類

1969年，最原始的膝關(guān)節(jié)假體[1]——多中心假體，其最難解決的問題就是術(shù)后假體松動(dòng)。1971年出現(xiàn)的幾何學(xué)型假體[2]，最大的亮點(diǎn)就是符合生物力學(xué)的要求去匹配關(guān)節(jié)，然而遺憾的是沒能夠解決假體松動(dòng)的難題。1973年，Insall開創(chuàng)了人工膝關(guān)節(jié)發(fā)展的巔峰時(shí)刻，研制了全髁型假體，后來還改進(jìn)并開發(fā)了旋轉(zhuǎn)平臺(tái)假體。接著Insall又發(fā)明了后方穩(wěn)定型的假體，這是人類史上最能滿足患者需要的膝關(guān)節(jié)假體之一。但是依然不能很好地避免術(shù)后假體的磨損、松動(dòng)情況發(fā)生。

按固定方式可分為骨水泥型、非骨水泥型；按置換范圍可分為單髁型、全髁型；按活動(dòng)范圍分為固定型、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)型；按限制程度又分為限制型、非限制型。盡管有龐大的假體系統(tǒng)供我們選擇，根據(jù)患者自身?xiàng)l件選擇最合適類型的假體，直接關(guān)系到手術(shù)效果。相對于膝關(guān)節(jié)表面置換術(shù)，單髁關(guān)節(jié)置換術(shù)對病變間室進(jìn)行表面置換，適用于單間室骨關(guān)節(jié)炎，內(nèi)側(cè)髁進(jìn)行置換已經(jīng)發(fā)展成熟，但外側(cè)髁置換罕見報(bào)道。UKA的早期因假體設(shè)計(jì)、病例選擇、手術(shù)技術(shù)等問題，失敗率較高。Riddle等[3]報(bào)道美國UKA置換數(shù)量逐年明顯增加。目前以骨水泥固定型人工關(guān)節(jié)居多；只要很好地把握手術(shù)指征、熟練掌握關(guān)節(jié)置換的技能，也會(huì)得到顯著的療效[4，5]。而生物型固定型假體的制造原理是通過骨與假體之間的緊密貼附達(dá)到穩(wěn)固的作用。但是這種假體對骨骼質(zhì)量、術(shù)者操作能力的要求高，而且術(shù)后恢復(fù)功能的時(shí)間長。限制性假體主要指鉸鏈?zhǔn)郊袤w，術(shù)后膝關(guān)節(jié)只能在某一平面運(yùn)動(dòng)內(nèi)活動(dòng)，容易發(fā)生假體與骨水泥和骨組織之間應(yīng)力分布高，從而出現(xiàn)假體松動(dòng)[6]，現(xiàn)在很少用在初次TKA的患者上，但是對于二次翻修術(shù)、骨腫瘤術(shù)后的關(guān)節(jié)的重建、嚴(yán)重的關(guān)節(jié)不穩(wěn)等患者[7，8]有顯著療效。臨床上常用的非限制型假體有三大類：后方穩(wěn)定型假體、側(cè)副韌帶穩(wěn)定型假體、保留后交叉韌帶型假體。針對人TKA中是否需要保存后十字韌帶，目前還有很多的工作需要進(jìn)行。Wang等[9]進(jìn)行了一系列研究發(fā)現(xiàn)臨床效果并沒有顯著的提高。認(rèn)為后交叉保留型假體沒有破壞后交叉韌帶，膝關(guān)節(jié)在屈曲的時(shí)候，股骨會(huì)向后方移動(dòng)，從而增加了膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)度，而周圍的韌帶能把運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力抵消，使接觸力明顯下降[10]。因此，要最大程度地維持膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定，降低假體-骨水泥-骨組織界面應(yīng)力，后十字韌帶必須保留；而不保留后十字韌帶的后方穩(wěn)定型假體的研制是為了增加穩(wěn)定性、減少假體間應(yīng)力。通常不保留后叉韌帶的后方穩(wěn)定型假體[11]首選嚴(yán)重畸形及后叉韌帶有缺損的患者。

3 膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型

3.1 物理模型

膝關(guān)節(jié)物理模型是將膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)機(jī)制概括為四連桿的模型[12]。有學(xué)者認(rèn)為膝關(guān)節(jié)是由十字韌帶和股、脛骨在矢狀面上構(gòu)成的四連桿結(jié)構(gòu)。脛骨平臺(tái)與股骨髁接觸的狀態(tài)下，十字韌帶的拉伸不明顯[13]。十字韌帶的長度及其在股骨、脛骨上的附著位置計(jì)算可以得到其形態(tài)。因此膝關(guān)節(jié)物理模型可以簡化成以十字韌帶為核心的股脛關(guān)節(jié)二維模型[14]。還有些學(xué)者建立了三維的四連桿股脛關(guān)節(jié)模型[15]，并對股骨、脛骨的位置進(jìn)行了基本的描述。

3.2 解剖模型

膝關(guān)節(jié)解剖學(xué)模型的建立必須先完成其幾何解剖模型。Perie等利用MRI、袁平等利用計(jì)算機(jī)分別以標(biāo)本和人體膝關(guān)節(jié)為核心建立了幾何模型[16，17]。張文等[18]以實(shí)體膝關(guān)節(jié)為研究對象，把原始數(shù)據(jù)都導(dǎo)入ANSYS軟件計(jì)算三維有限元模型，并對模型以及膝關(guān)節(jié)的受力情況進(jìn)行了分析。Silvia根據(jù)MRI掃描得到的dicom數(shù)據(jù)利用計(jì)算機(jī)處理得到了下肢的骨肌三維模型[19]。最典型的是潘哲爾等[20]模擬的三維有限元模型能夠真實(shí)地模擬膝關(guān)節(jié)的力學(xué)特性。目前，對于膝關(guān)節(jié)軟骨和半月板幾何模型的建立也有零星報(bào)道。但是沒有一個(gè)確實(shí)依據(jù)證實(shí)其準(zhǔn)確性。

3.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

Hefzy等[21]將解剖模型分為運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型，描述了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型并建立膝關(guān)節(jié)的各個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，但并未將這些運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)與負(fù)荷的大小相聯(lián)系。Hartfel等[22]將螺旋軸的問題擴(kuò)展到三維立體空間上。證實(shí)了兩個(gè)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)直紋曲面是由于螺旋軸位置的連續(xù)性改變形成的。然而不足的是，Hartfel等應(yīng)用的數(shù)據(jù)不能構(gòu)建出精確的螺旋軸曲面模型。構(gòu)建膝關(guān)節(jié)精確的螺旋軸曲面模型還有很多工作需要進(jìn)行。

4 膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)方式的發(fā)展

TKA的遠(yuǎn)期療效關(guān)鍵因素是恢復(fù)精確的下肢力線，這就涉及到術(shù)中精確截骨和軟組織的平衡。通過文獻(xiàn)分析得出以下結(jié)論：術(shù)后恢復(fù)的下肢力線應(yīng)控制在冠狀面上膝內(nèi)外翻3°以內(nèi)；假體的安置應(yīng)控制股骨髁假體應(yīng)相對于后髁軸線外旋3°～6°，并平行于STEA。傳統(tǒng)的TKA通常是用手工定位截骨，術(shù)者僅憑肉眼和手感輔以術(shù)中X線片來判斷假體安置時(shí)下肢力線和軟組織平衡等情況，必然會(huì)影響截骨的精確度，即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的關(guān)節(jié)外科醫(yī)生，也會(huì)出現(xiàn)>3°的下肢力線不良等結(jié)果，以及旋轉(zhuǎn)定位與關(guān)節(jié)穩(wěn)定等問題，術(shù)中必然會(huì)出現(xiàn)難以估量的因素。因此，傳統(tǒng)TKA的精確度一直是手術(shù)醫(yī)生最棘手的問題。迄今為止，誕生了一些手術(shù)裝置，但由于膝關(guān)節(jié)的特殊性，尤其是患者伴有膝關(guān)節(jié)嚴(yán)重畸形，給精確的定位和截骨、假體的選擇和安置帶來了重重困難。為了獲得良好的膝關(guān)節(jié)置換效果，計(jì)算機(jī)輔助人工膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，從1993年格勒諾布爾著手計(jì)算機(jī)輔助人工膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)系統(tǒng)的研制，于1997年計(jì)算機(jī)導(dǎo)航TKA系統(tǒng)開始在臨床使用，目的是解決手術(shù)醫(yī)生困惑已久的難題，達(dá)到理想的手術(shù)療效[23]。計(jì)算機(jī)輔助膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)系統(tǒng)對置換的膝關(guān)節(jié)在屈伸過程中的等距間隙和韌帶平衡穩(wěn)定有獨(dú)特的控制能力。計(jì)算機(jī)導(dǎo)航手術(shù)系統(tǒng)在術(shù)中可以密切觀察，能夠精確地控制軟組織平衡，而且能獲得膝內(nèi)外翻3°范圍內(nèi)的精確的下肢力線和屈伸膝關(guān)節(jié)的間隙平衡。

5 展望

人工膝關(guān)節(jié)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在基礎(chǔ)研究、假體設(shè)計(jì)、生物力學(xué)以及手術(shù)技術(shù)等方面均取得了卓越的成就。但是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，設(shè)計(jì)出個(gè)性化假體、提高假體的使用壽命和提高術(shù)后的功能、減輕手術(shù)創(chuàng)傷和提高手術(shù)精確度，數(shù)字化醫(yī)學(xué)將是今后努力的方向，也必將會(huì)對骨科學(xué)帶來革命性的變化。

[參考文獻(xiàn)]

[1] Gunston FH. Polycentric knee arthroplasty.Prosthetic simulation of normal knee movement[J]. J Bone Joint Surg Br，1971，53（2）：272-277.

[2] Coventry MB，F(xiàn)inerman GA，Riley LH，et al. A new geometric knee for total knee arthroplasty[J]. Clin Orthop Relat Res，1972，83：157-162.

[3] Riddle DL，Jiranek WA，McGlynn FJ. Yearly incidence of unicompartmental knee arthroplasty in the United States[J]. J Arthroplasty，2008，23（2）：408-412.

[4] Gill GS，Chan KC，Mills DM. 5-to 18-year follow-up study of cemented total knee arthroplasty for patients 55 years old or younger[J]. J Arthroplasty，1997，12（1）：49-54.

[5] Callaghan JJ，Squire MW，Goetz DD，et al. Cemented rotating platform total knee replacement. A nine to twelve year follow-up study[J]. J Bone Joint Surg Am，2000，82（5）：705-711.

[6] Hui FC，F(xiàn)itzgerald RH Jr. Hinged total knee arthroplasty[J]. J Bone Joint Surg Am，1980，62（4）：513-519.

[7] Karpinski MR，Grimer RJ. Hinged knee replacement in re-vision arthroplasty[J]. Clin Orthp Relat Res，1987，220：185-191.

[8] Hernandez-Vaquero D，Sandoval-Garcia MA. Hinged total knee arthroplasty in the presence of ligamentous deficiency[J]. Clin Orthp Relat Res，2010，468：1248-1253.

[9] Wang CJ，Wang JW，Chen HS. Comparing cruciate-retaining total knee arthroplasty and cruciate-substituting totalknee arthroplasty： A prospective clinical study[J]. Chang Gung Med J，2004，27（8）：578-585.

[10] Most E，Li G，Sultan PG，et al. Kinematic analysis of conventional and high-flexion cruciate-retaining total knee arthroplasties： An in vitro investigation[J]. J Arthroplasty，2005，20：529-535.

[11] 林劍浩，呂厚山. 人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的假體選擇[J]. 中華骨科雜志，1996，16（5）：299-301.

[12] Feikes JD，O’Connor JJ，Zavatsky AB. A constraint-based approach to modelling the mobility of the human knee joint[J]. J Biomech，2003，1：125-129.

[13] Feikes J. Articular surface representation in a 3D model of knee mobility[J]. J Biomech，1998，31（Supp11）：148.

[14] Martelli SRE，Ellis MM，Zaffagnini S. Total knee arthroplasty kinematics： computer simulation and intraoperative evaluation[J]. J Arthroplasty，1998，2：145-155.

[15] Wilson DR，F(xiàn)eikes JD，O’Connor JJ. Ligaments and articular contact guide passive knee flexion[J]. J Biomech，1998，12：1127-1136.

[16] Perie D，Hobatho MC. In vivo determination of contact areas and pressure of the femorotibial joint using non-linear finite element analysis[J]. Clin Biomech，1998，6：394-402.

[17] 袁平，王萬春. 膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立及生物力學(xué)分析[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)（醫(yī)學(xué)版），2010，1：85-89.

[18] 張文，倪俊芳，蔣定華，等. 基于CT圖像構(gòu)建髕股關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型[J]. 蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)（工科版），2009，4：57-59.

[19] Blemker SS，Asakawa DS，Gold GE，et al. Image-based musculo modeling： applications，advances，and future opportunities[J]. J Magnet Reson Image，2007，2：441-451.

[20] 潘哲爾，張純武，李馳，等. 基于MRI的膝關(guān)節(jié)三維有限元模型建立及模擬負(fù)載分析[J]. 中國骨與關(guān)節(jié)損傷雜志，2010，12：3-5.

[21] Hefzy MS，Cooke TDV. Review of knee models： 1996 update[J]. Appl Mech Rev，1996，49：187-189.

[22] Hartfel MA，Lysdahl HJ，Olson DG，et al. The use of screw/axis surfaces in the three-dimensional analysis of the human knee joint[M]//Lantz SA，King AI.Advances in Bioengineering. Anaheim CA： ASME，1986：105-106.

[23] 吳昊. 計(jì)算機(jī)輔助人工膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)系統(tǒng)簡介[J]. 國外醫(yī)學(xué)，2005， （3）：137-140.

（收稿日期：2013-04-15）