膝關(guān)節(jié)生物力學

1、膝關(guān)節(jié),生物力學,在膝關(guān)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(jié),果,關(guān)節(jié)形狀（解剖學）決定了大部分接觸應(yīng)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(guān)節(jié)生物力學的原則,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。截骨導向能對股骨,和脛骨截骨的旋轉(zhuǎn)和對線作精確的,調(diào)整，目的是用解剖軸來重建機械,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(guān)節(jié)中心,正常的機械軸能使,60,的負,荷通過內(nèi)側(cè)間室,40,的負荷,

2、通過外側(cè)間室,發(fā)育、關(guān)節(jié)炎、創(chuàng)傷等能改,變機械軸，從而改變負荷在兩,側(cè)間室的分布比例，引起進行,性退變,機械軸,在正常膝關(guān)節(jié)，下肢機械軸通過膝關(guān)節(jié)中心或中心,略偏內(nèi)側(cè),在膝內(nèi)翻畸形時，下肢機械軸通過膝關(guān)節(jié)中心的內(nèi),側(cè)，使內(nèi)側(cè)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(huán)。當畸形變得非常嚴重時，或,者負重時會覺得膝關(guān)節(jié)在向外側(cè)凸出,在外翻畸形時，下肢機械軸通過膝關(guān)節(jié)中心的外側(cè),使外側(cè)間室的負荷增加，并使內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)擴張甚或喪,失功能,膝內(nèi),外翻,膝內(nèi)翻與膝外翻,膝內(nèi),外翻,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，在個子,較小的患者，這一角度將

3、會較大,股骨解剖軸,股骨髁與下肢力線的關(guān)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，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,脛骨平臺后傾,TKA,中重要的畫線,TKA,中重要的畫線,TKA,中重要的畫線,TKA,中重要的畫線,TKA,中重要的畫線,TKA,中重要的畫線,TKA,中重要的畫線,與髖關(guān)節(jié)不同，膝關(guān)節(jié)兩相對骨面,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線、作用于,膝關(guān)節(jié)上的外力和膝關(guān)節(jié)運動的限制,價格等都是必須的,關(guān)節(jié)的形合度,關(guān)節(jié)軟骨的作用,關(guān)節(jié)的形合度,脛骨內(nèi)外

4、側(cè)平臺差異的意義,關(guān)節(jié)的形合度,在生理性膝關(guān)節(jié)，半月板增加了股,骨髁與脛骨平臺之間的形合,形合程度的增加也就增加了分擔負,荷的關(guān)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(guān)節(jié)軟骨某些部位上承受的負荷會,增加高達,400,關(guān)節(jié)的形合度,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,5 mm,外側(cè)半月板的飄移則達,11 mm,關(guān)節(jié)的形合度,關(guān)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(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,從而可能減小關(guān)節(jié)的活動范圍，增加聚乙烯,內(nèi)和假體,股骨界面上的應(yīng)力集中,形合

5、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(guān)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(guān)節(jié)面，允許,脛骨墊作旋轉(zhuǎn)或前,后向移動,雖然這一設(shè)計在理論上頗具吸引力，但至今,的臨床結(jié)果并未證明優(yōu)于固定平臺假體,活動平臺膝關(guān)節(jié)系統(tǒng),膝關(guān)節(jié)并非是一個單純的鉸鏈關(guān)節(jié)。膝,關(guān)節(jié)的活動極其復(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，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,者僅有伸屈一個方向上的活動,膝關(guān)節(jié)活動,膝關(guān)節(jié)的運動,三根軸,六個

6、方向,膝關(guān)節(jié)活動,膝關(guān)節(jié)活動,膝關(guān)節(jié)的活動范圍自過伸,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)時需要的膝關(guān)節(jié)活動范圍是,0-70,度,膝關(guān)節(jié)活動范圍,膝關(guān)節(jié)活動范圍,活,動,需要屈曲角度,步行,0-67,上樓梯,0-83,下樓梯,0-90,從站立位坐下,0-93,穿鞋,0-106,提起重物,0-117,膝關(guān)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(zhuǎn)中心向后移動所謂的瞬間旋轉(zhuǎn)中心即,股骨與脛骨的接觸點,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。同時它也增加了伸膝裝置

7、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,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之間的骨,質(zhì)是這一系統(tǒng)中的另外兩邊,整個膝關(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,ACL/PCL,四邊框架,膝關(guān)節(jié)的滾動和滑動,股骨髁的后滾,沒有滑動時的膝關(guān)節(jié)運動,分離,股骨髁的后滾,在,PCL,保留的,TKA,中,PCL,仍,能調(diào)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

8、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,在膝關(guān)節(jié)接近完全伸直時，脛骨相對于股,骨發(fā)生外旋，內(nèi)側(cè)脛骨平臺在隆凸的內(nèi)側(cè)股,骨髁上作滑行，直到膝關(guān)節(jié)完全伸直時獲得,鎖定,這一機制是由股骨內(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)鎖定機制,膝關(guān)節(jié)的橫軸,伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機制,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)鎖定機制,膝關(guān)節(jié)活動總結(jié),股骨運動,脛骨運動,滾動,旋轉(zhuǎn),滾動,旋轉(zhuǎn),膝屈曲,后滾,外旋,前滾,內(nèi)旋,膝伸

9、展,前滾,內(nèi)旋,后滾,外旋,伸膝旋轉(zhuǎn)鎖定機制,內(nèi)側(cè)股骨髁位移,外側(cè)股骨髁位移,內(nèi)側(cè)平臺,凹陷,前端有隆起,向后變平坦,外側(cè)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(guān)節(jié)完全伸直位,股骨髁內(nèi)旋,5,度,機械軸正對膝關(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)鎖定機制,外旋鎖定機制的機理,ACL,止于股骨髁外側(cè),伸膝時,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)鎖定機制,在正常步行時，脛股關(guān)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(nèi)側(cè),間室,40,通過外側(cè)間室,膝

10、關(guān)節(jié)活動時的受力,髕股關(guān)節(jié)受力,膝關(guān)節(jié)活動時的受力,膝關(guān)節(jié)的受力,膝關(guān)節(jié)活動時的受力,膝關(guān)節(jié)活動時的受力,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)活動時的受力,為何膝關(guān)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端許多,膝關(guān)節(jié)活動時的受力,Q,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

11、用不同的手術(shù)入路以減少這一并,發(fā)癥的發(fā)生,Q,角,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,Q,角,Q,角,Q,角,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,0.8,Blumensaats,線,屈膝,30,度時，髕骨下極應(yīng),該在髁間窩線上,Blackburne-Peel,指數(shù),脛骨平臺至髕骨下極,關(guān)節(jié)面距

12、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,髕骨高度的測量,當膝關(guān)節(jié)屈曲、髕骨滑向遠側(cè)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,髕股關(guān)節(jié)是滑行關(guān)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(guān)節(jié)的變化,髕骨位置,髕關(guān)節(jié)面,髕骨的運動,髕骨的功能是增強伸肌力量，這一目,的是通過延長伸膝裝置的力臂而實行的,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(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,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,15,3

13、0,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(guān)節(jié)面覆蓋有人體中最厚的關(guān)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(yīng)力,髕骨的置換,TKA,后的髕骨軌跡，可經(jīng)多個途徑優(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

14、跡的優(yōu)化,髕外側(cè)支持帶,髕骨支持帶,髕骨受力,髕骨受力,髕骨的作用,ma,1,ma,2,髕骨切除的結(jié)果,髕骨切除的結(jié)果,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,8,mm,特別是在翻修手術(shù)中更需注意，由,于嚴重的骨缺損，正確地恢復(fù)關(guān)節(jié)線有時,甚為困難。過度升高關(guān)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(guān)節(jié)線與髕骨位置的關(guān)系,植入物對線和位置,脛骨、股骨、髕骨相對于膝關(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,股骨,脛骨在前后向上的中立,股骨滑車溝的設(shè)計,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,PS,CR,或活動平臺設(shè)計,影響,TKA,術(shù)后生物力學的因素,TKA,的軸向旋轉(zhuǎn),矢狀面的形合影響了人工關(guān)節(jié)的活動范圍,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,更多的前后向活動度，也可能有更多的,軸向旋轉(zhuǎn),更可能發(fā)生“矛盾運動,影響,TKA,術(shù)后生物力學的因素,在膝關(guān)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(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,