膝关节生物力学

1、膝关节,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）获得平衡的结果 关节形状（解剖学）决定了大部分接触应力的作用方向 因此：解剖学影响动力学 动力学决定运动学,膝关节生物力学的原则,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恢复下肢的机械轴。 大多数tka采用髓内或髓外定位来判断解剖轴。截骨导向能对股骨和胫骨截骨的旋转和对线作精确的调整，目的是用解剖轴来重建机械轴。,机械轴与解剖轴,下肢力线,解剖轴 机械轴,机械轴与解剖轴,机械轴：股骨头中心胫骨平台中心踝关节中心 正常的机械轴能使60%的负荷通过内侧间室、40%的负荷通过外侧间室。 发育、关节炎、创伤等能

2、改变机械轴，从而改变负荷在两侧间室的分布比例，引起进行性退变。,机械轴,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 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。 在外翻畸形时，下肢机械轴通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失功能。,膝内/外翻,膝内翻与膝外翻,膝内/外翻,解剖轴：是股骨、胫骨髓腔线与胫股关节线相交形成的角度。 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,股骨髁与下肢力线的关系,股骨解

3、剖轴与机械轴,胫骨解剖轴,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3度的内翻角。从侧面观，胫骨关节表面有一5-7度的后倾。,胫骨平台后倾,tka中重要的画线,tka中重要的画线,tka中重要的画线,tka中重要的画线,tka中重要的画线,tka中重要的画线,tka中重要的画线,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 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,关节软骨的作用,关节的形合度,胫骨内外侧平台差异的意义,关节的形合度,在生理性膝关节，半月板增加了股骨髁与胫骨平台之间的

4、形合。 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,在正常膝关节的0-120度屈曲中： 内侧半月板的飘移可达5 mm， 外侧半月板的飘移则达11 mm。,关节的形合度,关节的形合度,在tka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，接触应力小、磨损也可能小。 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，增加聚乙烯内和假体-股骨界面上的应力集中。 形合度增加与活动度减小之间的矛盾被称为是“运动学冲突”,tka的关节形合度,解决运动学冲突的方法之

5、一是采用活动平台假体。 此类假体的胫骨垫与股骨髁高度形合，但在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/后向移动。 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。,活动平台膝关节系统,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 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,膝关节的运动,三根轴 六个方向,膝关节活动,膝关节活动,膝关节的活动范围自过伸0-20度至屈曲125-165度。 功能性膝关节的活

6、的访问是0-115度。 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,膝关节的屈曲和伸展都包含了滚动和滑动。 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心即股骨与胫骨的接触点。 这一瞬间旋转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,膝关节伸屈活动,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。 acl和pcl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质是这一系统中的另外两边。 整个膝关节的瞬间旋转中心位于acl与pcl的交叉处,股骨

7、髁的后滚,acl/pcl,四边框架,膝关节的滚动和滑动,股骨髁的后滚,没有滑动时的膝关节运动分离,股骨髁的后滚,在pcl保留的tka中，pcl仍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断裂，这一后滚于生理性的并不相同,cr膝中股骨髁的后滚,在后稳定型tka中，pcl已予切除，股骨髁的后滚依靠post-cam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post-cam结构是增加了磨损的来源，也增加了系统的限制性。,ps膝中股骨髁的后滚,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髁上作滑行，直到膝关节完全伸直时获得锁定。 这一

8、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。,伸膝旋转锁定机制,膝关节的横轴,伸膝旋转锁定机制,膝关节的伸屈和旋转,屈曲+外旋 伸展+内旋,伸膝旋转锁定机制,膝关节活动总结,伸膝旋转锁定机制,内侧股骨髁位移,外侧股骨髁位移,内侧平台 凹陷 前端有隆起 向后变平坦 外侧平台 凸起 对股骨髁前后向活动无限制,胫骨平台的解剖,在膝关节完全伸直位 股骨髁内旋5度 机械轴正对膝关节中心 膝关节稳定无需股四头肌参与 完全伸膝位有效的站立 股骨前髁外侧防止髌骨脱位,伸膝旋转锁定机制,外旋锁定机制的机理 acl止于股骨髁外侧 伸膝时acl将外侧股骨髁拉向前方 acl缺损的膝没有外旋锁

9、定,伸膝旋转锁定机制,在正常步行时，胫股关节的受力大约是3倍体重 上楼梯时约为4倍体重。 正常情况下60%的负荷通过内侧间室，40%通过外侧间室。,膝关节活动时的受力,髌股关节受力,膝关节活动时的受力,膝关节的受力,膝关节活动时的受力,膝关节活动时的受力,胫股关节受力 平地行走：4倍体重 下楼梯： 8倍体重 髌股关节受力 平地行走：0.5倍体重 下楼梯：5倍体重,膝关节活动时的受力,为何膝关节受力会如此之大？ 上半身的重量作用在一较长的力臂上 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,q角是股四头肌腱纵轴与髌韧带纵轴之间形成的夹角。q角大于20度被认为异常。 在tka中，需经

10、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）来恢复q角。 髌骨轨迹异常是tka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发症的发生。,q角,胫骨结节在中线外侧约10-12mm 股骨解剖轴与髌韧带纵轴之间形成 的夹角即q角 男性14度 女性17度,q角,q角,q角,q角,patella alta：高位髌骨 patella baja：低位髌骨 tka后低位髌骨较为常见，特别是之前有高位胫骨截骨者。,低位髌骨与高位髌骨,insall-salvati指数：髌韧带长度/髌骨高度 正常=1.0 高位髌骨1.2 低位髌骨1.0,髌骨高度的测量,髌骨高度的测量,当膝关节屈曲、髌

11、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 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,髌股关节的变化,髌骨位置 髌关节面,髌骨的运动,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。 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 并作为籽骨为股四头肌腱和髌韧带提供附着。,髌骨的功能,因创伤或tka并发症而切除髌骨将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15%-30%。 对髌骨切除后的患者行tka，通常选择后稳定假体，因其能更好地模拟股骨后滚，从而增加伸膝装置的力臂,髌骨的功能

12、,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。 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体重的7倍。,髌骨的受力,髌骨的平均厚度是25mm。 置换髌骨时重要的是至少使截骨后的骨床保留10mm，以免发生髌骨骨折。 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,髌骨的置换,tka后的髌骨轨迹，可经多个途径优化 股骨髁外旋 股骨髁外置 髌骨假体内置 胫骨假体外旋 伸膝装置侧方支持带松解,tka中髌骨轨迹的优化,髌外侧支持带,髌骨支持带,髌骨受力,髌骨受力,髌骨的作用,ma1 ma2,髌骨切除的结果,髌骨切除的结果,为了保持正常的髌

13、股关系，重要的是在tka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，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,植入物对线和位置 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 假体设计 股骨/胫骨在前后向上的中立 股骨滑车沟的设计 股骨髁矢状位的形状 髌骨关节面的形状 胫骨垫关节面的设计 ps、cr或活动平台设计,影响tka术后生物力学的因素,tka的轴向旋转 矢状面的形合影响了人工关节的活动范围 高形合度 限制了轴向旋转 更好的前后向稳定性 低形合度 更多的前后向活动度，也可能有更多的轴向旋转 更可能发生“矛盾运动”,影响tka术后生物力学的因素,在膝关节完全伸直位 股骨滑车沟外置 不会发生外旋锁定 髌骨位于胫骨结节之上 q角减小 股骨前髁外侧较