膝关节生物力学

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1、 膝关节膝关节u在膝关节运动过程中，骨骼的位置和朝向（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）获得平衡的结运动学）是各种力量（动力学）获得平衡的结果果u关节形状（解剖学）决定了大部分接触应力关节形状（解剖学）决定了大部分接触应力的作用方向的作用方向u因此：解剖学影响动力学因此：解剖学影响动力学 动力学决定运动学动力学决定运动学膝关节生物力学的原则膝关节生物力学的原则p 任何膝关节置换的目的是通过截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骨、软组织平衡和良好的假体安放恢复下肢的机械轴。恢复下肢的机械轴。p大多数大多数TKA采用髓内或髓外定位采用髓内或髓

2、外定位来判断解剖轴。截骨导向能对股骨来判断解剖轴。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调整，目的是用解剖轴来重建机械轴。轴。机械轴与解剖轴机械轴与解剖轴下肢力线下肢力线解剖轴解剖轴机械轴机械轴机械轴与解剖轴机械轴与解剖轴p机械轴：股骨头中心机械轴：股骨头中心胫胫骨平台中心骨平台中心踝关节中心踝关节中心p正常的机械轴能使正常的机械轴能使60%的负的负荷通过内侧间室、荷通过内侧间室、40%的负荷的负荷通过外侧间室。通过外侧间室。p发育、关节炎、创伤等能改发育、关节炎、创伤等能改变机械轴，从而改变负荷在两变机械轴，从而改变负荷在两

3、侧间室的分布比例，引起进行侧间室的分布比例，引起进行性退变。性退变。机械轴机械轴p在正常膝关节，下肢机械轴通过膝关节中心或中心在正常膝关节，下肢机械轴通过膝关节中心或中心略偏内侧略偏内侧p在膝内翻畸形时，下肢机械轴通过膝关节中心的内在膝内翻畸形时，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。者负重时会觉得膝关节在向外侧凸出。p在外翻畸形时，下肢机械轴通过膝关节中心的外侧在外翻畸形时，下肢机械轴通

4、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，使外侧间室的负荷增加，并使内侧结构扩张甚或丧失功能。失功能。膝内膝内/ /外翻外翻膝内翻与膝外翻膝内翻与膝外翻膝内膝内/ /外翻外翻u解剖轴：是股骨、胫骨髓腔线与胫股关节线相交形成的角度。u股骨解剖轴呈5-9度外翻，在个子较小的患者，这一角度将会较大。股骨解剖轴股骨解剖轴股骨髁与下肢力线的关系股骨髁与下肢力线的关系股骨解剖轴与机械轴股骨解剖轴与机械轴胫骨解剖轴胫骨解剖轴u胫骨的解剖轴在胫骨干的中央，它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与胫骨关节面垂线之间有3度的内翻角度的内翻角。从侧面观，胫骨关节表面有一。从侧

5、面观，胫骨关节表面有一5-7度度的后倾。的后倾。胫骨平台后倾胫骨平台后倾TKATKA中重要的画线中重要的画线TKATKA中重要的画线中重要的画线TKATKA中重要的画线中重要的画线TKATKA中重要的画线中重要的画线TKATKA中重要的画线中重要的画线TKATKA中重要的画线中重要的画线TKATKA中重要的画线中重要的画线u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u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的形合度关节软骨的作用关节软骨的作用关节的形合度关节的形合度胫骨内外侧平台差异的意义

6、胫骨内外侧平台差异的意义关节的形合度关节的形合度u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。u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%。关节的形合度关节的形合度在正常膝关节的在正常膝关节的0-120度屈曲中：度屈曲中：内侧半月板的飘移可达内侧半月板的飘移可达5 mm，外侧半月板的飘移则达外侧半月板的飘移则达11 mm。关节的形合度关节的形合度关节的形合度关节的形合度l在在TKA后，股骨髁与胫骨垫的形合度远高后，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，接触应力于生理

7、性膝，因此关节接触面大，接触应力小、磨损也可能小。小、磨损也可能小。l但这一高形合度降低了关节的自由活动，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，增加聚乙烯从而可能减小关节的活动范围，增加聚乙烯内和假体内和假体-股骨界面上的应力集中。股骨界面上的应力集中。l形合度增加与活动度减小之间的矛盾被称形合度增加与活动度减小之间的矛盾被称为是为是“运动学冲突运动学冲突”TKATKA的关节形合度的关节形合度u解决运动学冲突的方法之一是采用活动平台解决运动学冲突的方法之一是采用活动平台假体。假体。u此类假体的胫骨垫与股骨髁高度形合，但在此类假体的胫骨垫与股骨髁高度形合，但在胫骨垫与胫

8、骨托之间存在第二个关节面，允许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胫骨垫作旋转或前/后向移动。后向移动。u虽然这一设计在理论上颇具吸引力，但至今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。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活动平台膝关节系统u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u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活动膝关节的运动膝关节的运动三根轴三根轴六个

9、方向六个方向膝关节活动膝关节活动膝关节活动膝关节活动u膝关节的活动范围自过伸0-20度至屈曲125-165度。u功能性膝关节的活的访问是0-115度。u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膝关节活动范围膝关节活动范围活活 动动需要屈曲角度需要屈曲角度步行步行0-67上楼梯上楼梯 0-83下楼梯下楼梯 0-90从站立位坐下从站立位坐下 0-93穿鞋穿鞋0-106提起重物提起重物 0-117u膝关节的屈曲和伸展都包含了滚动和膝关节的屈曲和伸展都包含了滚动和滑动。滑动。u随着屈曲的增加，股骨髁上的瞬间旋随着屈曲的增加，股骨髁上的瞬间旋转中心向后移动所谓的瞬间旋转中

10、心即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。股骨与胫骨的接触点。 这一瞬间旋转这一瞬间旋转中心的后移即为股骨髁后滚，其作用是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的力臂屈曲。同时它也增加了伸膝装置的力臂，从而提高了股四头肌的作用力，从而提高了股四头肌的作用力膝关节伸屈活动膝关节伸屈活动p在生理性膝关节，股骨髁的后滚是由在生理性膝关节，股骨髁的后滚是由四边框架系统来调整的。四边框架系统来调整的。pACL和和PCL是这一系统中的韧带连接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部

11、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。质是这一系统中的另外两边。p整个膝关节的瞬间旋转中心位于整个膝关节的瞬间旋转中心位于ACL与与PCL的交叉处的交叉处股骨髁的后滚股骨髁的后滚ACL/PCLACL/PCL四边框架四边框架膝关节的滚动和滑动膝关节的滚动和滑动股骨髁的后滚股骨髁的后滚没有滑动时的膝关节运动没有滑动时的膝关节运动分离分离股骨髁的后滚股骨髁的后滚 在在PCL保留的保留的TKA中，中，PCL仍仍能调节股骨髁的后滚，但因为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断裂，这一后滚于生理性的并

12、不相同同CRCR膝中股骨髁的后滚膝中股骨髁的后滚 在后稳定型在后稳定型TKA中，中，PCL已予切已予切除，股骨髁的后滚依靠除，股骨髁的后滚依靠POST-CAM结构调整。因此，其后滚更可预测，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结构是增加了磨损的来源，也增加了系统的限制性。，也增加了系统的限制性。PSPS膝中股骨髁的后滚膝中股骨髁的后滚u在膝关节接近完全伸直时，胫骨相对于股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

13、完全伸直时获得骨髁上作滑行，直到膝关节完全伸直时获得锁定。锁定。u这一机制是由股骨内侧髁的形状和大小、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。膝关节周围肌肉和软组织结构共同调节的。伸膝旋转锁定机制伸膝旋转锁定机制膝关节的横轴膝关节的横轴伸膝旋转锁定机制伸膝旋转锁定机制膝关节的伸屈和旋转膝关节的伸屈和旋转屈曲屈曲+外旋外旋伸展伸展+内旋内旋伸膝旋转锁定机制伸膝旋转锁定机制膝关节活动总结膝关节活动总结股骨运动股骨运动胫骨运动胫骨运动滚动滚动旋转旋转滚动滚动旋转旋转膝屈曲膝屈曲后滚后滚外旋外旋前滚前滚内旋内旋膝伸展膝伸展前滚前滚内旋内旋后滚后滚外旋外旋伸膝旋转锁定机

14、制伸膝旋转锁定机制内侧股骨髁位移内侧股骨髁位移外侧股骨髁位移外侧股骨髁位移内侧平台内侧平台l 凹陷凹陷l 前端有隆起前端有隆起l 向后变平坦向后变平坦外侧平台外侧平台l 凸起凸起l 对股骨髁前后向活动无限制对股骨髁前后向活动无限制胫骨平台的解剖胫骨平台的解剖在膝关节完全伸直位在膝关节完全伸直位u股骨髁内旋股骨髁内旋5度度u机械轴正对膝关节中心机械轴正对膝关节中心u膝关节稳定无需股四头肌参与膝关节稳定无需股四头肌参与u完全伸膝位有效的站立完全伸膝位有效的站立u股骨前髁外侧防止髌骨脱位股骨前髁外侧防止髌骨脱位伸膝旋转锁定机制伸膝旋转锁定机制外旋锁定机制的机理uACL止于股骨髁外侧u伸膝时ACL将外

15、侧股骨髁拉向前方uACL缺损的膝没有外旋锁定伸膝旋转锁定机制伸膝旋转锁定机制u在正常步行时，胫股关节的受力在正常步行时，胫股关节的受力大约是大约是3倍体重倍体重u上楼梯时约为上楼梯时约为4倍体重。倍体重。u正常情况下正常情况下60%的负荷通过内侧的负荷通过内侧间室，间室，40%通过外侧间室。通过外侧间室。膝关节活动时的受力膝关节活动时的受力髌股关节受力髌股关节受力膝关节活动时的受力膝关节活动时的受力膝关节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膝关节活动时的受力膝关节活动时的受力u胫股关节受力平地行走：4倍体重下楼梯： 8倍体重u髌股关节受力平地行走：0.5倍体重下楼梯：5倍体重

16、膝关节活动时的受力膝关节活动时的受力为何膝关节受力会如此之大？u上半身的重量作用在一较长的力臂上u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膝关节活动时的受力uQ角是股四头肌腱纵轴与髌韧带纵轴之间角是股四头肌腱纵轴与髌韧带纵轴之间形成的夹角。形成的夹角。Q角大于角大于20度被认为异常。度被认为异常。u在在TKA中，需经调整假体旋转定位、内置中，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（侧放松解髌骨假体和必要时的软组织平衡（侧放松解）来恢复）来恢复Q角。角。u髌骨轨迹异常是髌骨轨迹异常是TKA术后膝前疼痛的常见术后膝前疼痛的常见原因，可采用不同的手术入路以减少这一并原

17、因，可采用不同的手术入路以减少这一并发症的发生。发症的发生。QQ角角u胫骨结节在中线外侧约胫骨结节在中线外侧约10-12mmu股骨解剖轴与髌韧带纵轴之间形成股骨解剖轴与髌韧带纵轴之间形成 的夹角即的夹角即Q角角u男性男性14度度 女性女性17度度QQ角角QQ角角QQ角角QQ角角p Patella alta：高位髌骨：高位髌骨p Patella baja：低位髌骨：低位髌骨p TKA后低位髌骨较为常见，特别是之前后低位髌骨较为常见，特别是之前有高位胫骨截骨者。有高位胫骨截骨者。低位髌骨与高位髌骨低位髌骨与高位髌骨pInsall-Salvati指数：髌韧带长度/髌骨高度 正常=1.0 高位髌骨1.

18、2 低位髌骨1.0髌骨高度的测量髌骨高度的测量髌骨高度的测量髌骨高度的测量n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n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髌骨的运动髌骨的运动髌股关节的变化髌股关节的变化髌骨位置髌骨位置髌关节面髌关节面髌骨的运动髌骨的运动p髌骨的功能是增强伸肌力量，这一目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的是通过延长伸膝装置的力臂而实行的。p同时髌骨也能帮助分布伸膝装置与股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骨髁远端之间的接触应力p并作为籽骨为股四头肌

19、腱和髌韧带提并作为籽骨为股四头肌腱和髌韧带提供附着。供附着。髌骨的功能髌骨的功能p因创伤或因创伤或TKA并发症而切除髌骨将并发症而切除髌骨将会缩短伸膝装置的力臂，并使完全伸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膝时股四头肌所需要的力量增加15%-30%。p对髌骨切除后的患者行对髌骨切除后的患者行TKA，通常，通常选择后稳定假体，因其能更好地模拟选择后稳定假体，因其能更好地模拟股骨后滚，从而增加伸膝装置的力臂股骨后滚，从而增加伸膝装置的力臂髌骨的功能髌骨的功能p髌骨关节面覆盖有人体中最厚的关节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。软骨，因为需承担甚大的

20、负荷。p通过髌骨的外力在正常行走时约为体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重的一半，而在深蹲时或跑动时则达到体重的体重的7倍。倍。髌骨的受力髌骨的受力p髌骨的平均厚度是髌骨的平均厚度是25mm。p置换髌骨时重要的是至少使截骨后的骨床置换髌骨时重要的是至少使截骨后的骨床保留保留10mm，以免发生髌骨骨折。，以免发生髌骨骨折。p带金属底托的髌骨假体临床效果差，原因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是较薄的聚乙烯假体上有较高的接触应力髌骨的置换髌骨的置换TKA后的髌骨轨迹，可经多个途径优化p 股骨髁外旋p 股骨髁外置p 髌骨假体内

21、置p 胫骨假体外旋p 伸膝装置侧方支持带松解TKATKA中髌骨轨迹的优化中髌骨轨迹的优化髌外侧支持带髌外侧支持带髌骨支持带髌骨支持带髌骨受力髌骨受力髌骨受力髌骨受力髌骨的作用髌骨的作用ma1 ma2髌骨切除的结果髌骨切除的结果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，重要的是为了保持正常的髌股关系，重要的是在在TKA中关节线的上升或下降不能超过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。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甚为困难。过度升高关节线会致低位髌

22、骨，这将致屈膝时髌骨与胫骨垫发生撞击，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关节线与髌骨位置的关系u植入物对线和位置植入物对线和位置 胫骨、股骨、髌骨相对于膝关节受力环境胫骨、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（肌肉和韧带附着）的旋转定位u假体设计假体设计p 股骨股骨/胫骨在前后向上的中立胫骨在前后向上的中立p 股骨滑车沟的设计股骨滑车沟的设计p 股骨髁矢状位的形状股骨髁矢状位的形状p 髌骨关节面的形状髌骨关节面的形状p 胫骨垫关节面的设计胫骨垫关节面的设计p PS、CR或活动平台设计或活动平台设计影响影响TKATKA术后生物力学的因素术后生物力学的因素

23、TKA的轴向旋转的轴向旋转矢状面的形合影响了人工关节的活动范围矢状面的形合影响了人工关节的活动范围u高形合度高形合度 限制了轴向旋转限制了轴向旋转 更好的前后向稳定性更好的前后向稳定性u低形合度低形合度 更多的前后向活动度，也可能有更多的更多的前后向活动度，也可能有更多的轴向旋转轴向旋转 更可能发生更可能发生“矛盾运动矛盾运动”影响影响TKATKA术后生物力学的因素术后生物力学的因素在膝关节完全伸直位在膝关节完全伸直位u股骨滑车沟外置股骨滑车沟外置u不会发生外旋锁定不会发生外旋锁定u髌骨位于胫骨结节之上髌骨位于胫骨结节之上uQ角减小角减小u股骨前髁外侧较高并不需要股骨前髁外侧较高并不需要u外侧

24、松弛减少外侧松弛减少u轴向旋转减少轴向旋转减少TKATKA术后生物力学的要点术后生物力学的要点膝关节的膝关节的“反生理运动反生理运动”膝关节屈曲时股骨髁前移膝关节屈曲时股骨髁前移TKATKA术后生物力学的要点术后生物力学的要点原因原因u股骨髁的原始位置太过靠后股骨髁的原始位置太过靠后u矢状面形合度低矢状面形合度低u所有作用在胫骨上的力量都使所有作用在胫骨上的力量都使其向后（即股骨相对向前）其向后（即股骨相对向前）股四头肌力量股四头肌力量uTKR术中可调节力臂，以术中可调节力臂，以增加或减少所需的股四头肌增加或减少所需的股四头肌力量力量u滑车沟矢状面的形状影响滑车沟矢状面的形状影响了股四头肌力量了股四头肌力量u髌骨形状影响了股四头肌髌骨形状影响了股四头肌力量力量TKATKA术后生物力学的调节术后生物力学的调节ThankThank YouYou