膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)1膝關(guān)節(jié)1在膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中，骨骼的位置和朝向（運(yùn)動(dòng)學(xué)）是各種力量（動(dòng)力學(xué)）獲得平衡的結(jié)果關(guān)節(jié)形狀（解剖學(xué)）決定了大部分接觸應(yīng)力的作用方向因此：解剖學(xué)影響動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)決定運(yùn)動(dòng)學(xué)膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的原則2膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的原則2任何膝關(guān)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(fù)下肢的機(jī)械軸。大多數(shù)TKA采用髓內(nèi)或髓外定位來判斷解剖軸。截骨導(dǎo)向能對(duì)股骨和脛骨截骨的旋轉(zhuǎn)和對(duì)線作精確的調(diào)整，目的是用解剖軸來重建機(jī)械軸。機(jī)械軸與解剖軸3任何膝關(guān)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下肢力線解剖軸機(jī)械軸機(jī)械軸與解剖軸4下肢力線解剖軸機(jī)械軸與解剖軸4機(jī)械軸：股骨頭中心——脛骨平臺(tái)中心——踝關(guān)節(jié)中心正常的機(jī)械軸能使60%的負(fù)荷通過內(nèi)側(cè)間室、40%的負(fù)荷通過外側(cè)間室。發(fā)育、關(guān)節(jié)炎、創(chuàng)傷等能改變機(jī)械軸，從而改變負(fù)荷在兩側(cè)間室的分布比例，引起進(jìn)行性退變。機(jī)械軸5機(jī)械軸：股骨頭中心——脛骨平臺(tái)中心——踝關(guān)節(jié)中心機(jī)械軸5在正常膝關(guān)節(jié)，下肢機(jī)械軸通過膝關(guān)節(jié)中心或中心略偏內(nèi)側(cè)在膝內(nèi)翻畸形時(shí)，下肢機(jī)械軸通過膝關(guān)節(jié)中心的內(nèi)側(cè)，使內(nèi)側(cè)間室負(fù)荷增加。這一負(fù)荷增加會(huì)導(dǎo)致一個(gè)畸形進(jìn)行性惡化的循環(huán)。當(dāng)畸形變得非常嚴(yán)重時(shí)，或者負(fù)重時(shí)會(huì)覺得膝關(guān)節(jié)在向外側(cè)凸出。在外翻畸形時(shí)，下肢機(jī)械軸通過膝關(guān)節(jié)中心的外側(cè)，使外側(cè)間室的負(fù)荷增加，并使內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)擴(kuò)張甚或喪失功能。膝內(nèi)/外翻6在正常膝關(guān)節(jié)，下肢機(jī)械軸通過膝關(guān)節(jié)中心或中心略偏內(nèi)側(cè)膝內(nèi)/外膝內(nèi)翻與膝外翻膝內(nèi)/外翻7膝內(nèi)翻與膝外翻膝內(nèi)/外翻7解剖軸：是股骨、脛骨髓腔線與脛股關(guān)節(jié)線相交形成的角度。股骨解剖軸呈5-9度外翻，在個(gè)子較小的患者，這一角度將會(huì)較大。股骨解剖軸8解剖軸：是股骨、脛骨髓腔線與脛股關(guān)節(jié)線相交形成的角度。股骨解股骨髁與下肢力線的關(guān)系股骨解剖軸與機(jī)械軸9股骨髁與下肢力線的關(guān)系股骨解剖軸與機(jī)械軸9脛骨解剖軸脛骨的解剖軸在脛骨干的中央，它與脛骨關(guān)節(jié)面垂線之間有3度的內(nèi)翻角。從側(cè)面觀，脛骨關(guān)節(jié)表面有一5-7度的后傾。10脛骨解剖軸10脛骨平臺(tái)后傾11脛骨平臺(tái)后傾11TKA中重要的畫線12TKA中重要的畫線12TKA中重要的畫線13TKA中重要的畫線13TKA中重要的畫線14TKA中重要的畫線14TKA中重要的畫線15TKA中重要的畫線15TKA中重要的畫線16TKA中重要的畫線16TKA中重要的畫線17TKA中重要的畫線17TKA中重要的畫線18TKA中重要的畫線18與髖關(guān)節(jié)不同，膝關(guān)節(jié)兩相對(duì)骨面形合度較差。因此，軟組織結(jié)構(gòu)在維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定中起到了至關(guān)重要的作用術(shù)者了解正常的下肢對(duì)線、作用于膝關(guān)節(jié)上的外力和膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的限制價(jià)格等都是必須的關(guān)節(jié)的形合度19與髖關(guān)節(jié)不同，膝關(guān)節(jié)兩相對(duì)骨面形合度較差。因此，軟組織結(jié)構(gòu)在關(guān)節(jié)軟骨的作用關(guān)節(jié)的形合度20關(guān)節(jié)軟骨的作用關(guān)節(jié)的形合度20脛骨內(nèi)外側(cè)平臺(tái)差異的意義關(guān)節(jié)的形合度21脛骨內(nèi)外側(cè)平臺(tái)差異的意義關(guān)節(jié)的形合度21在生理性膝關(guān)節(jié)，半月板增加了股骨髁與脛骨平臺(tái)之間的形合。形合程度的增加也就增加了分擔(dān)負(fù)荷的關(guān)節(jié)面表面積，從而減少了特定某一點(diǎn)的負(fù)荷。因此，半月板切除后，關(guān)節(jié)軟骨某些部位上承受的負(fù)荷會(huì)增加高達(dá)400%。關(guān)節(jié)的形合度22在生理性膝關(guān)節(jié)，半月板增加了股骨髁與脛骨平臺(tái)之間的形合。關(guān)節(jié)在正常膝關(guān)節(jié)的0-120度屈曲中：內(nèi)側(cè)半月板的飄移可達(dá)5mm，外側(cè)半月板的飄移則達(dá)11mm。關(guān)節(jié)的形合度23在正常膝關(guān)節(jié)的0-120度屈曲中：關(guān)節(jié)的形合度23關(guān)節(jié)的形合度24關(guān)節(jié)的形合度24在TKA后，股骨髁與脛骨墊的形合度遠(yuǎn)高于生理性膝，因此關(guān)節(jié)接觸面大，接觸應(yīng)力小、磨損也可能小。但這一高形合度降低了關(guān)節(jié)的自由活動(dòng)，從而可能減小關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍，增加聚乙烯內(nèi)和假體-股骨界面上的應(yīng)力集中。形合度增加與活動(dòng)度減小之間的矛盾被稱為是“運(yùn)動(dòng)學(xué)沖突”TKA的關(guān)節(jié)形合度25在TKA后，股骨髁與脛骨墊的形合度遠(yuǎn)高于生理性膝，因此關(guān)節(jié)接解決運(yùn)動(dòng)學(xué)沖突的方法之一是采用活動(dòng)平臺(tái)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(gè)關(guān)節(jié)面，允許脛骨墊作旋轉(zhuǎn)或前/后向移動(dòng)。雖然這一設(shè)計(jì)在理論上頗具吸引力，但至今的臨床結(jié)果并未證明優(yōu)于固定平臺(tái)假體。活動(dòng)平臺(tái)膝關(guān)節(jié)系統(tǒng)26解決運(yùn)動(dòng)學(xué)沖突的方法之一是采用活動(dòng)平臺(tái)假體。活動(dòng)平臺(tái)膝關(guān)節(jié)系膝關(guān)節(jié)并非是一個(gè)單純的鉸鏈關(guān)節(jié)。膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)極其復(fù)雜，包括了屈曲/伸展、內(nèi)旋/外旋、內(nèi)收/外展因無法照顧到這一復(fù)雜的活動(dòng)，是加速高限制性全膝關(guān)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(gè)方向上的活動(dòng)膝關(guān)節(jié)活動(dòng)27膝關(guān)節(jié)活動(dòng)27膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)三根軸六個(gè)方向膝關(guān)節(jié)活動(dòng)28膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)三根軸膝關(guān)節(jié)活動(dòng)28膝關(guān)節(jié)活動(dòng)29膝關(guān)節(jié)活動(dòng)29膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍自過伸0-20度至屈曲125-165度。功能性膝關(guān)節(jié)的活的訪問是0-115度。正常步態(tài)時(shí)需要的膝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍是0-70度。膝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍30膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍自過伸0-20度至屈曲125-165度。膝關(guān)膝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍31膝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍31膝關(guān)節(jié)的屈曲和伸展都包含了滾動(dòng)和滑動(dòng)。隨著屈曲的增加，股骨髁上的瞬間旋轉(zhuǎn)中心向后移動(dòng)所謂的瞬間旋轉(zhuǎn)中心即股骨與脛骨的接觸點(diǎn)。這一瞬間旋轉(zhuǎn)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(guān)節(jié)屈曲。同時(shí)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(guān)節(jié)伸屈活動(dòng)32膝關(guān)節(jié)的屈曲和伸展都包含了滾動(dòng)和滑動(dòng)。膝關(guān)節(jié)伸屈活動(dòng)32在生理性膝關(guān)節(jié)，股骨髁的后滾是由四邊框架系統(tǒng)來調(diào)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(diǎn)之間的骨質(zhì)是這一系統(tǒng)中的另外兩邊。整個(gè)膝關(guān)節(jié)的瞬間旋轉(zhuǎn)中心位于ACL與PCL的交叉處股骨髁的后滾33在生理性膝關(guān)節(jié)，股骨髁的后滾是由四邊框架系統(tǒng)來調(diào)整的。股骨髁ACL/PCL四邊框架34ACL/PCL四邊框架34膝關(guān)節(jié)的滾動(dòng)和滑動(dòng)股骨髁的后滾35膝關(guān)節(jié)的滾動(dòng)和滑動(dòng)股骨髁的后滾35沒有滑動(dòng)時(shí)的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)——分離股骨髁的后滾36沒有滑動(dòng)時(shí)的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)——分離股骨髁的后滾36在PCL保留的TKA中，PCL仍能調(diào)節(jié)股骨髁的后滾，但因?yàn)锳CL的缺如和整個(gè)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37在PCL保留的TKA中，PCL仍能調(diào)節(jié)股骨髁的在后穩(wěn)定型TKA中，PCL已予切除，股骨髁的后滾依靠POST-CAM結(jié)構(gòu)調(diào)整。因此，其后滾更可預(yù)測，雖然與生理性的仍有差異。當(dāng)然post-cam結(jié)構(gòu)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38在后穩(wěn)定型TKA中，PCL已予切除，股骨髁的后3939在膝關(guān)節(jié)接近完全伸直時(shí)，脛骨相對(duì)于股骨發(fā)生外旋，內(nèi)側(cè)脛骨平臺(tái)在隆凸的內(nèi)側(cè)股骨髁上作滑行，直到膝關(guān)節(jié)完全伸直時(shí)獲得鎖定。這一機(jī)制是由股骨內(nèi)側(cè)髁的形狀和大小、膝關(guān)節(jié)周圍肌肉和軟組織結(jié)構(gòu)共同調(diào)節(jié)的。伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)制40在膝關(guān)節(jié)接近完全伸直時(shí)，脛骨相對(duì)于股骨發(fā)生外旋，內(nèi)側(cè)脛骨平臺(tái)膝關(guān)節(jié)的橫軸伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)制41膝關(guān)節(jié)的橫軸伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)制41膝關(guān)節(jié)的伸屈和旋轉(zhuǎn)屈曲+外旋伸展+內(nèi)旋伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)制42膝關(guān)節(jié)的伸屈和旋轉(zhuǎn)屈曲+外旋伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)制42膝關(guān)節(jié)活動(dòng)總結(jié)伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)制43膝關(guān)節(jié)活動(dòng)總結(jié)伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)制43內(nèi)側(cè)股骨髁位移44內(nèi)側(cè)股骨髁位移44外側(cè)股骨髁位移45外側(cè)股骨髁位移45內(nèi)側(cè)平臺(tái)凹陷前端有隆起向后變平坦外側(cè)平臺(tái)凸起對(duì)股骨髁前后向活動(dòng)無限制脛骨平臺(tái)的解剖46內(nèi)側(cè)平臺(tái)脛骨平臺(tái)的解剖46在膝關(guān)節(jié)完全伸直位股骨髁內(nèi)旋5度機(jī)械軸正對(duì)膝關(guān)節(jié)中心膝關(guān)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外側(cè)防止髕骨脫位伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)制47伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)制47外旋鎖定機(jī)制的機(jī)理ACL止于股骨髁外側(cè)伸膝時(shí)ACL將外側(cè)股骨髁拉向前方ACL缺損的膝沒有外旋鎖定伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)制48外旋鎖定機(jī)制的機(jī)理伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)制48在正常步行時(shí)，脛股關(guān)節(jié)的受力大約是3倍體重上樓梯時(shí)約為4倍體重。正常情況下60%的負(fù)荷通過內(nèi)側(cè)間室，40%通過外側(cè)間室。膝關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的受力49在正常步行時(shí)，脛股關(guān)節(jié)的受力大約是3倍體重膝關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的受力髕股關(guān)節(jié)受力膝關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的受力50髕股關(guān)節(jié)受力膝關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的受力50膝關(guān)節(jié)的受力膝關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的受力51膝關(guān)節(jié)的受力膝關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的受力51膝關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的受力52膝關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的受力52脛股關(guān)節(jié)受力平地行走：4倍體重下樓梯：8倍體重髕股關(guān)節(jié)受力平地行走：0.5倍體重下樓梯：5倍體重膝關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的受力53脛股關(guān)節(jié)受力膝關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的受力53為何膝關(guān)節(jié)受力會(huì)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端許多膝關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的受力54為何膝關(guān)節(jié)受力會(huì)如此之大？膝關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的受力54Q角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(rèn)為異常。在TKA中，需經(jīng)調(diào)整假體旋轉(zhuǎn)定位、內(nèi)置髕骨假體和必要時(shí)的軟組織平衡（側(cè)放松解）來恢復(fù)Q角。髕骨軌跡異常是TKA術(shù)后膝前疼痛的常見原因，可采用不同的手術(shù)入路以減少這一并發(fā)癥的發(fā)生。Q角55Q角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脛骨結(jié)節(jié)在中線外側(cè)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56Q角56Q角57Q角57Q角58Q角58Q角59Q角59

Patellaalta：高位髕骨

Patellabaja：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60Patellaalta：高位髕骨低位髕骨與高位髕骨60Insall-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<0.8Blumensaat’s線：屈膝30度時(shí)，髕骨下極應(yīng)該在髁間窩線上。Blackburne-Peel指數(shù)：脛骨平臺(tái)至髕骨下極關(guān)節(jié)面距離/髕骨關(guān)節(jié)面高度

正常=0.8高位髕骨>1.0髕骨高度的測量61Insall-Salvati指數(shù)：髕韌帶長度/髕骨高度髕骨高髕骨高度的測量62髕骨高度的測量62當(dāng)膝關(guān)節(jié)屈曲、髕骨滑向遠(yuǎn)側(cè)時(shí)，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髕股關(guān)節(jié)是滑行關(guān)節(jié)，在整個(gè)行程中髕股滑行的距離大約在7cm髕骨的運(yùn)動(dòng)63當(dāng)膝關(guān)節(jié)屈曲、髕骨滑向遠(yuǎn)側(cè)時(shí)，髕骨位于滑車溝的中央。而髕骨與髕股關(guān)節(jié)的變化髕骨位置髕關(guān)節(jié)面髕骨的運(yùn)動(dòng)64髕股關(guān)節(jié)的變化髕骨位置髕骨的運(yùn)動(dòng)64髕骨的功能是增強(qiáng)伸肌力量，這一目的是通過延長伸膝裝置的力臂而實(shí)行的。同時(shí)髕骨也能幫助分布伸膝裝置與股骨髁遠(yuǎn)端之間的接觸應(yīng)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65髕骨的功能是增強(qiáng)伸肌力量，這一目的是通過延長伸膝裝置的力臂而因創(chuàng)傷或TKA并發(fā)癥而切除髕骨將會(huì)縮短伸膝裝置的力臂，并使完全伸膝時(shí)股四頭肌所需要的力量增加15%-30%。對(duì)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66因創(chuàng)傷或TKA并發(fā)癥而切除髕骨將會(huì)縮短伸膝裝置的力臂，并使完髕骨關(guān)節(jié)面覆蓋有人體中最厚的關(guān)節(jié)軟骨，因?yàn)樾璩袚?dān)甚大的負(fù)荷。通過髕骨的外力在正常行走時(shí)約為體重的一半，而在深蹲時(shí)或跑動(dòng)時(shí)則達(dá)到體重的7倍。髕骨的受力67髕骨關(guān)節(jié)面覆蓋有人體中最厚的關(guān)節(jié)軟骨，因?yàn)樾璩袚?dān)甚大的負(fù)荷。髕骨的平均厚度是25mm。置換髕骨時(shí)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(yīng)力髕骨的置換68髕骨的平均厚度是25mm。髕骨的置換68TKA后的髕骨軌跡，可經(jīng)多個(gè)途徑優(yōu)化股骨髁外旋股骨髁外置髕骨假體內(nèi)置脛骨假體外旋伸膝裝置側(cè)方支持帶松解TKA中髕骨軌跡的優(yōu)化69TKA后的髕骨軌跡，可經(jīng)多個(gè)途徑優(yōu)化TKA中髕骨軌跡的優(yōu)化6髕外側(cè)支持帶髕骨支持帶70髕外側(cè)支持帶髕骨支持帶70髕骨受力71髕骨受力71髕骨受力72髕骨受力72髕骨的作用ma1>ma2髕骨切除的結(jié)果73髕骨的作用ma1>ma2髕骨切除的結(jié)果73髕骨切除的結(jié)果74髕骨切除的結(jié)果74為了保持正常的髕股關(guān)系，重要的是在TKA中關(guān)節(jié)線的上升或下降不能超過8mm。特別是在翻修手術(shù)中更需注意，由于嚴(yán)重的骨缺損，正確地恢復(fù)關(guān)節(jié)線有時(shí)甚為困難。過度升高關(guān)節(jié)線會(huì)致低位髕骨，這將致屈膝時(shí)髕骨與脛骨墊發(fā)生撞擊關(guān)節(jié)線與髕骨位置的關(guān)系75為了保持正常的髕股關(guān)系，重要的是在TKA中關(guān)節(jié)線植入物對(duì)線和位置脛骨、股骨、髕骨相對(duì)于膝關(guān)節(jié)受力環(huán)境（肌肉和韌帶附著）的旋轉(zhuǎn)定位假體設(shè)計(jì)股骨/脛骨在前后向上的中立股骨滑車溝的設(shè)計(jì)股骨髁矢狀位的形狀髕骨關(guān)節(jié)面的形狀脛骨墊關(guān)節(jié)面的設(shè)計(jì)

PS、CR或活動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)影響TKA術(shù)后生物力學(xué)的因素76植入物對(duì)線和位置影響TKA術(shù)后生物力學(xué)的因素76TKA的軸向旋轉(zhuǎn)矢狀面的形合影響了人工關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍高形合度限制了軸向旋轉(zhuǎn)更好的前后向穩(wěn)定性低形合度更多的前后向活動(dòng)度，也可能有更多的軸向旋轉(zhuǎn)更可能發(fā)生“矛盾運(yùn)動(dòng)”影響TKA術(shù)后生物力學(xué)的因素77TKA的軸向旋轉(zhuǎn)影響TKA術(shù)后生物力學(xué)的因素77在膝關(guān)節(jié)完全伸直位股骨滑車溝外置不會(huì)發(fā)生外旋鎖定髕骨位于脛骨結(jié)節(jié)之上Q角減小股骨前髁外側(cè)較高并不需要外側(cè)松弛減少軸向旋轉(zhuǎn)減少TKA術(shù)后生物力學(xué)的要點(diǎn)78在膝關(guān)節(jié)完全伸直位TKA術(shù)后生物力學(xué)的要點(diǎn)78膝關(guān)節(jié)的“反生理運(yùn)動(dòng)”膝關(guān)節(jié)屈曲時(shí)股骨髁前移TKA術(shù)后生物力學(xué)的要點(diǎn)原因股骨髁的原始位置太過靠后矢狀面形合度低所有作用在脛骨上的力量都使其向后（即股骨相對(duì)向前）79膝關(guān)節(jié)的“反生理運(yùn)動(dòng)”TKA術(shù)后生物力學(xué)的要點(diǎn)原因79股四頭肌力量TKR術(shù)中可調(diào)節(jié)力臂，以增加或減少所需的股四頭肌力量滑車溝矢狀面的形狀影響了股四頭肌力量髕骨形狀影響了股四頭肌力量TKA術(shù)后生物力學(xué)的調(diào)節(jié)80股四頭肌力量TKA術(shù)后生物力學(xué)的調(diào)節(jié)80膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)81膝關(guān)節(jié)1在膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中，骨骼的位置和朝向（運(yùn)動(dòng)學(xué)）是各種力量（動(dòng)力學(xué)）獲得平衡的結(jié)果關(guān)節(jié)形狀（解剖學(xué)）決定了大部分接觸應(yīng)力的作用方向因此：解剖學(xué)影響動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)決定運(yùn)動(dòng)學(xué)膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的原則82膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的原則2任何膝關(guān)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(fù)下肢的機(jī)械軸。大多數(shù)TKA采用髓內(nèi)或髓外定位來判斷解剖軸。截骨導(dǎo)向能對(duì)股骨和脛骨截骨的旋轉(zhuǎn)和對(duì)線作精確的調(diào)整，目的是用解剖軸來重建機(jī)械軸。機(jī)械軸與解剖軸83任何膝關(guān)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下肢力線解剖軸機(jī)械軸機(jī)械軸與解剖軸84下肢力線解剖軸機(jī)械軸與解剖軸4機(jī)械軸：股骨頭中心——脛骨平臺(tái)中心——踝關(guān)節(jié)中心正常的機(jī)械軸能使60%的負(fù)荷通過內(nèi)側(cè)間室、40%的負(fù)荷通過外側(cè)間室。發(fā)育、關(guān)節(jié)炎、創(chuàng)傷等能改變機(jī)械軸，從而改變負(fù)荷在兩側(cè)間室的分布比例，引起進(jìn)行性退變。機(jī)械軸85機(jī)械軸：股骨頭中心——脛骨平臺(tái)中心——踝關(guān)節(jié)中心機(jī)械軸5在正常膝關(guān)節(jié)，下肢機(jī)械軸通過膝關(guān)節(jié)中心或中心略偏內(nèi)側(cè)在膝內(nèi)翻畸形時(shí)，下肢機(jī)械軸通過膝關(guān)節(jié)中心的內(nèi)側(cè)，使內(nèi)側(cè)間室負(fù)荷增加。這一負(fù)荷增加會(huì)導(dǎo)致一個(gè)畸形進(jìn)行性惡化的循環(huán)。當(dāng)畸形變得非常嚴(yán)重時(shí)，或者負(fù)重時(shí)會(huì)覺得膝關(guān)節(jié)在向外側(cè)凸出。在外翻畸形時(shí)，下肢機(jī)械軸通過膝關(guān)節(jié)中心的外側(cè)，使外側(cè)間室的負(fù)荷增加，并使內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)擴(kuò)張甚或喪失功能。膝內(nèi)/外翻86在正常膝關(guān)節(jié)，下肢機(jī)械軸通過膝關(guān)節(jié)中心或中心略偏內(nèi)側(cè)膝內(nèi)/外膝內(nèi)翻與膝外翻膝內(nèi)/外翻87膝內(nèi)翻與膝外翻膝內(nèi)/外翻7解剖軸：是股骨、脛骨髓腔線與脛股關(guān)節(jié)線相交形成的角度。股骨解剖軸呈5-9度外翻，在個(gè)子較小的患者，這一角度將會(huì)較大。股骨解剖軸88解剖軸：是股骨、脛骨髓腔線與脛股關(guān)節(jié)線相交形成的角度。股骨解股骨髁與下肢力線的關(guān)系股骨解剖軸與機(jī)械軸89股骨髁與下肢力線的關(guān)系股骨解剖軸與機(jī)械軸9脛骨解剖軸脛骨的解剖軸在脛骨干的中央，它與脛骨關(guān)節(jié)面垂線之間有3度的內(nèi)翻角。從側(cè)面觀，脛骨關(guān)節(jié)表面有一5-7度的后傾。90脛骨解剖軸10脛骨平臺(tái)后傾91脛骨平臺(tái)后傾11TKA中重要的畫線92TKA中重要的畫線12TKA中重要的畫線93TKA中重要的畫線13TKA中重要的畫線94TKA中重要的畫線14TKA中重要的畫線95TKA中重要的畫線15TKA中重要的畫線96TKA中重要的畫線16TKA中重要的畫線97TKA中重要的畫線17TKA中重要的畫線98TKA中重要的畫線18與髖關(guān)節(jié)不同，膝關(guān)節(jié)兩相對(duì)骨面形合度較差。因此，軟組織結(jié)構(gòu)在維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定中起到了至關(guān)重要的作用術(shù)者了解正常的下肢對(duì)線、作用于膝關(guān)節(jié)上的外力和膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的限制價(jià)格等都是必須的關(guān)節(jié)的形合度99與髖關(guān)節(jié)不同，膝關(guān)節(jié)兩相對(duì)骨面形合度較差。因此，軟組織結(jié)構(gòu)在關(guān)節(jié)軟骨的作用關(guān)節(jié)的形合度100關(guān)節(jié)軟骨的作用關(guān)節(jié)的形合度20脛骨內(nèi)外側(cè)平臺(tái)差異的意義關(guān)節(jié)的形合度101脛骨內(nèi)外側(cè)平臺(tái)差異的意義關(guān)節(jié)的形合度21在生理性膝關(guān)節(jié)，半月板增加了股骨髁與脛骨平臺(tái)之間的形合。形合程度的增加也就增加了分擔(dān)負(fù)荷的關(guān)節(jié)面表面積，從而減少了特定某一點(diǎn)的負(fù)荷。因此，半月板切除后，關(guān)節(jié)軟骨某些部位上承受的負(fù)荷會(huì)增加高達(dá)400%。關(guān)節(jié)的形合度102在生理性膝關(guān)節(jié)，半月板增加了股骨髁與脛骨平臺(tái)之間的形合。關(guān)節(jié)在正常膝關(guān)節(jié)的0-120度屈曲中：內(nèi)側(cè)半月板的飄移可達(dá)5mm，外側(cè)半月板的飄移則達(dá)11mm。關(guān)節(jié)的形合度103在正常膝關(guān)節(jié)的0-120度屈曲中：關(guān)節(jié)的形合度23關(guān)節(jié)的形合度104關(guān)節(jié)的形合度24在TKA后，股骨髁與脛骨墊的形合度遠(yuǎn)高于生理性膝，因此關(guān)節(jié)接觸面大，接觸應(yīng)力小、磨損也可能小。但這一高形合度降低了關(guān)節(jié)的自由活動(dòng)，從而可能減小關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍，增加聚乙烯內(nèi)和假體-股骨界面上的應(yīng)力集中。形合度增加與活動(dòng)度減小之間的矛盾被稱為是“運(yùn)動(dòng)學(xué)沖突”TKA的關(guān)節(jié)形合度105在TKA后，股骨髁與脛骨墊的形合度遠(yuǎn)高于生理性膝，因此關(guān)節(jié)接解決運(yùn)動(dòng)學(xué)沖突的方法之一是采用活動(dòng)平臺(tái)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(gè)關(guān)節(jié)面，允許脛骨墊作旋轉(zhuǎn)或前/后向移動(dòng)。雖然這一設(shè)計(jì)在理論上頗具吸引力，但至今的臨床結(jié)果并未證明優(yōu)于固定平臺(tái)假體?；顒?dòng)平臺(tái)膝關(guān)節(jié)系統(tǒng)106解決運(yùn)動(dòng)學(xué)沖突的方法之一是采用活動(dòng)平臺(tái)假體。活動(dòng)平臺(tái)膝關(guān)節(jié)系膝關(guān)節(jié)并非是一個(gè)單純的鉸鏈關(guān)節(jié)。膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)極其復(fù)雜，包括了屈曲/伸展、內(nèi)旋/外旋、內(nèi)收/外展因無法照顧到這一復(fù)雜的活動(dòng)，是加速高限制性全膝關(guān)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(gè)方向上的活動(dòng)膝關(guān)節(jié)活動(dòng)107膝關(guān)節(jié)活動(dòng)27膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)三根軸六個(gè)方向膝關(guān)節(jié)活動(dòng)108膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)三根軸膝關(guān)節(jié)活動(dòng)28膝關(guān)節(jié)活動(dòng)109膝關(guān)節(jié)活動(dòng)29膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍自過伸0-20度至屈曲125-165度。功能性膝關(guān)節(jié)的活的訪問是0-115度。正常步態(tài)時(shí)需要的膝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍是0-70度。膝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍110膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍自過伸0-20度至屈曲125-165度。膝關(guān)膝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍111膝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍31膝關(guān)節(jié)的屈曲和伸展都包含了滾動(dòng)和滑動(dòng)。隨著屈曲的增加，股骨髁上的瞬間旋轉(zhuǎn)中心向后移動(dòng)所謂的瞬間旋轉(zhuǎn)中心即股骨與脛骨的接觸點(diǎn)。這一瞬間旋轉(zhuǎn)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(guān)節(jié)屈曲。同時(shí)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(guān)節(jié)伸屈活動(dòng)112膝關(guān)節(jié)的屈曲和伸展都包含了滾動(dòng)和滑動(dòng)。膝關(guān)節(jié)伸屈活動(dòng)32在生理性膝關(guān)節(jié)，股骨髁的后滾是由四邊框架系統(tǒng)來調(diào)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(diǎn)之間的骨質(zhì)是這一系統(tǒng)中的另外兩邊。整個(gè)膝關(guān)節(jié)的瞬間旋轉(zhuǎn)中心位于ACL與PCL的交叉處股骨髁的后滾113在生理性膝關(guān)節(jié)，股骨髁的后滾是由四邊框架系統(tǒng)來調(diào)整的。股骨髁ACL/PCL四邊框架114ACL/PCL四邊框架34膝關(guān)節(jié)的滾動(dòng)和滑動(dòng)股骨髁的后滾115膝關(guān)節(jié)的滾動(dòng)和滑動(dòng)股骨髁的后滾35沒有滑動(dòng)時(shí)的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)——分離股骨髁的后滾116沒有滑動(dòng)時(shí)的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)——分離股骨髁的后滾36在PCL保留的TKA中，PCL仍能調(diào)節(jié)股骨髁的后滾，但因?yàn)锳CL的缺如和整個(gè)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117在PCL保留的TKA中，PCL仍能調(diào)節(jié)股骨髁的在后穩(wěn)定型TKA中，PCL已予切除，股骨髁的后滾依靠POST-CAM結(jié)構(gòu)調(diào)整。因此，其后滾更可預(yù)測，雖然與生理性的仍有差異。當(dāng)然post-cam結(jié)構(gòu)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118在后穩(wěn)定型TKA中，PCL已予切除，股骨髁的后11939在膝關(guān)節(jié)接近完全伸直時(shí)，脛骨相對(duì)于股骨發(fā)生外旋，內(nèi)側(cè)脛骨平臺(tái)在隆凸的內(nèi)側(cè)股骨髁上作滑行，直到膝關(guān)節(jié)完全伸直時(shí)獲得鎖定。這一機(jī)制是由股骨內(nèi)側(cè)髁的形狀和大小、膝關(guān)節(jié)周圍肌肉和軟組織結(jié)構(gòu)共同調(diào)節(jié)的。伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)制120在膝關(guān)節(jié)接近完全伸直時(shí)，脛骨相對(duì)于股骨發(fā)生外旋，內(nèi)側(cè)脛骨平臺(tái)膝關(guān)節(jié)的橫軸伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)制121膝關(guān)節(jié)的橫軸伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)制41膝關(guān)節(jié)的伸屈和旋轉(zhuǎn)屈曲+外旋伸展+內(nèi)旋伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)制122膝關(guān)節(jié)的伸屈和旋轉(zhuǎn)屈曲+外旋伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)制42膝關(guān)節(jié)活動(dòng)總結(jié)伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)制123膝關(guān)節(jié)活動(dòng)總結(jié)伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)制43內(nèi)側(cè)股骨髁位移124內(nèi)側(cè)股骨髁位移44外側(cè)股骨髁位移125外側(cè)股骨髁位移45內(nèi)側(cè)平臺(tái)凹陷前端有隆起向后變平坦外側(cè)平臺(tái)凸起對(duì)股骨髁前后向活動(dòng)無限制脛骨平臺(tái)的解剖126內(nèi)側(cè)平臺(tái)脛骨平臺(tái)的解剖46在膝關(guān)節(jié)完全伸直位股骨髁內(nèi)旋5度機(jī)械軸正對(duì)膝關(guān)節(jié)中心膝關(guān)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外側(cè)防止髕骨脫位伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)制127伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)制47外旋鎖定機(jī)制的機(jī)理ACL止于股骨髁外側(cè)伸膝時(shí)ACL將外側(cè)股骨髁拉向前方ACL缺損的膝沒有外旋鎖定伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)制128外旋鎖定機(jī)制的機(jī)理伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)制48在正常步行時(shí)，脛股關(guān)節(jié)的受力大約是3倍體重上樓梯時(shí)約為4倍體重。正常情況下60%的負(fù)荷通過內(nèi)側(cè)間室，40%通過外側(cè)間室。膝關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的受力129在正常步行時(shí)，脛股關(guān)節(jié)的受力大約是3倍體重膝關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的受力髕股關(guān)節(jié)受力膝關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的受力130髕股關(guān)節(jié)受力膝關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的受力50膝關(guān)節(jié)的受力膝關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的受力131膝關(guān)節(jié)的受力膝關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的受力51膝關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的受力132膝關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的受力52脛股關(guān)節(jié)受力平地行走：4倍體重下樓梯：8倍體重髕股關(guān)節(jié)受力平地行走：0.5倍體重下樓梯：5倍體重膝關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的受力133脛股關(guān)節(jié)受力膝關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的受力53為何膝關(guān)節(jié)受力會(huì)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端許多膝關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的受力134為何膝關(guān)節(jié)受力會(huì)如此之大？膝關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的受力54Q角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(rèn)為異常。在TKA中，需經(jīng)調(diào)整假體旋轉(zhuǎn)定位、內(nèi)置髕骨假體和必要時(shí)的軟組織平衡（側(cè)放松解）來恢復(fù)Q角。髕骨軌跡異常是TKA術(shù)后膝前疼痛的常見原因，可采用不同的手術(shù)入路以減少這一并發(fā)癥的發(fā)生。Q角135Q角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脛骨結(jié)節(jié)在中線外側(cè)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136Q角56Q角137Q角57Q角138Q角58Q角139Q角59

Patellaalta：高位髕骨

Patellabaja：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140Patellaalta：高位髕骨低位髕骨與高位髕骨60Insall-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<0.8Blumensaat’s線：屈膝30度時(shí)，髕骨下極應(yīng)該在髁間窩線上。Blackburne-Peel指數(shù)：脛骨平臺(tái)至髕骨下極關(guān)節(jié)面距離/髕骨關(guān)節(jié)面高度

正常=0.8高位髕骨>1.0髕骨高度的測量141Insall-Salvati指數(shù)：髕韌帶長度/髕骨高度髕骨高髕骨高度的測量142髕骨高度的測量62當(dāng)膝關(guān)節(jié)屈曲、髕骨滑向遠(yuǎn)側(cè)時(shí)，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髕股關(guān)節(jié)是滑行關(guān)節(jié)，在整個(gè)行程中髕股滑行的距離大約在7cm髕骨的運(yùn)動(dòng)143當(dāng)膝關(guān)節(jié)屈曲、髕骨滑向遠(yuǎn)側(cè)時(shí)，髕骨位于滑車溝的中央。而髕骨與髕股關(guān)節(jié)的變化髕骨位置髕關(guān)節(jié)面髕骨的運(yùn)動(dòng)144髕股關(guān)節(jié)的變化髕骨位置髕骨的運(yùn)動(dòng)64髕骨的功能是增強(qiáng)伸肌力量，這一目的是通過延長伸膝裝置的力臂而實(shí)行的。同時(shí)髕骨也能幫助分布伸膝裝置與股骨髁遠(yuǎn)端之間的接觸應(yīng)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145髕骨的功能是增強(qiáng)伸肌力量，這一目的是通過延長伸膝裝置的力臂而因創(chuàng)傷或TKA并發(fā)癥而切除髕骨將會(huì)縮短伸膝裝置的力臂，并使完全伸膝時(shí)股四頭肌所需要的力量增加15%-30%。對(duì)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146因創(chuàng)傷或TKA并發(fā)癥而切除髕骨將會(huì)縮短伸膝裝置的力臂，并使完髕骨關(guān)節(jié)面覆蓋有人體中最厚的關(guān)節(jié)軟骨，因?yàn)樾璩袚?dān)甚大的負(fù)荷。通過髕骨的外力在正常行走時(shí)約為體重的