膝关节设计理念

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1、人体关节的生物力学性能一直都是重要的科研课题之一，早期的研究多着重于正常关节的生物力学研 究，然而考虑到关节老化或损伤的发生率日渐增加，严重者可能需要接受关节置换手术来恢复功 能。因此，相关的生物力学研究逐渐着重在对关节元件的研究。进一步了解膝关节功能性表现及其 力学特性将有助于提升人工关节技术的发展。本文首先叙述膝关节的生物力学表现，进而延伸全人工 膝关节的研究以及元件设计的建议。一、膝关节的解剖构造与运动学简介膝关节是人体最大的关节，包括股骨、胫骨及髌骨1，2(图1，2)，其中股骨和胫骨属于长骨。两长骨间的轴线(矢状面)并非平行，有7 10的外翻角度(图1c)。髌骨位于关节前方(图2)，其

2、上附有股四头肌和髌韧带，在膝关节运动中起重要作用，它们可增加股四 头肌的力臂，帮助关节运动达到有效的力学效应。此外，腓骨亦属于膝关节的一部分，连接于胫骨 的外侧后方，腓骨头上附着夕卜侧副韧带以提供关节外侧的稳定性。膝关节主要包含两个关节接触面：胫股关节(tibiofemoral joint)面及髌股关节(patellofemoral joint)面。关节表面均覆盖有关节软骨，提供关节润滑及避免关节面间相互摩擦。胫骨平台上方与股骨 间接接触的是两片半月状纤维骨块，称之为半月板(图3)，内髁及外髁各一，内侧半月板较外侧半月板的前后径长。半月板具有吸收震动及润滑的功能，此外，半 月板可随着关节运动，

3、改变其外形来增加关节接触面积，使受力均匀地分布在胫骨平台上并向远端 传递。膝关节基本上属于一种铰链式关节，关节的铰链结构由股骨髁和胫骨高丘上的浅窝形 成，胫骨崎(tibial spine)介于胫骨高丘之间，将胫骨高丘分为两部分。 胫骨内髁比外髁大， 且受力也较大。膝关节的稳定除肌肉与关节面的考虑外，周围的软组织也在维持关节稳定中起重要 作用(图2， 3)，其中影响较大者包括前/后十字韧带(anterior/posterior cruciate ligament)、内/夕 侧副韧带(medial/lateral collateral ligament )。前十字韧带连接于股骨 外髁的后方，一直延

4、伸至胫骨 平台的内前方，若丧失此韧带，会导致胫骨相对股骨向前异常移动。而后十字韧带则由股骨内髁的 前方延伸至胫骨平台的外后方，若丧失此韧带，会导致胫骨相对股骨向后异常移动。内/外侧副韧带则是提供膝关节内外翻的稳定性。膝关节的主要运动为屈曲和伸直，除此之外，仍有部分的内外旋转、内外翻以及前后侧与内外 侧的位移。由于后十字韧带以及关节的几何形状，膝关节在屈曲时会伴随滚动和滑动，股骨的旋转 轴会随着屈曲角度而改变，但股骨上髁轴线(epicondylar axis )仍被视为关节伸屈的旋转轴3。 当膝关节由伸直至20的屈曲时，股骨开始逐渐向后滚动4。当屈曲超过30时，滚动与滑动同时产生。股骨向后滑动时

5、，内、夕卜侧髁的滑动距离并不相同。内侧髁的 接触点几乎在原地，而外侧髁则随屈曲角度增加而向后滚动距离增加。由于此滚动距离的差异，当 膝关节屈曲时，胫骨相对于股骨产生部分内旋；相反，当膝关节伸直时，胫骨则相对于股骨产生外旋 动作。屈曲为膝关节步态活动时的最大动作，其屈曲角度为57 571 6。最大内、外旋转角度为8.2 519 7。最大内、外翻角度为5.2 813.4 9。股骨相对于胫骨向后滑动7 1015.6 mm 8。在步态运动的动力学方面，关节面的最大轴向作用力为2.37.1倍体重10， 11，前后方面受力为0.352.3倍体重5， 12，内外侧方面受力较 少，为0.131倍体重5， 12

6、。膝关节屈曲的扭转力矩接近30 Nm 5，7,内外翻的力矩为2445 Nm 5, 7 。步态下的内外旋扭力矩为8.217 Nm 5, 13。除 正常步态情况下，若人体于快步行走，上、下楼梯或举重物时，其膝关节的受力明显增加。以上、 下楼梯为例，下楼较上楼关节的受力弯矩大。上楼梯时，膝关节屈曲力矩、内外旋转、内外翻的 弯矩分别为57.1 Nm、7.8 Nm和39.4 Nm ;下楼梯时膝关节的屈曲力矩较大，分别为146.6 Nm、15.5 Nm和59.5 Nm 14 。髌股关节的受力在正常步态下为0.21.8倍 体重15-17 ， 但若是在跑步或跳跃时其可增大全约11倍体重18 。膝关节的运动机制

7、复杂，即使在正常运动时膝关节也伴随转动与滑动，并且其接触力和弯矩都 相当大，这也可说明为何膝关节是人体中最容易受损的关节。由于膝关节活动时经常受到很大的重 量负荷，过度使用或老化都会导致关节病变，引起关节变形或疼痛。在治疗方面，初期通常以保守 疗法为主，但对于症状严重的患者，目前仍以人工膝关节置换为效果最佳的治疗方法。以下则先针 对人工关节的设计发展进行简介。二、人工膝关节设计及其组件分类退行性关节炎是目前人工关节置换最常见的病因。关节炎较严重时，关节软骨会被严重磨损破 坏，甚至出现变形，导致疼痛与功能受限而影响生活起居，严重变形时保守治疗多效果不佳，人 工膝关节置换是最佳的选择。人工关节置换

8、后，多数患者的疼痛可以减轻甚至完全解除，关节功能 也可明显改善。临床上已使用的关节组件种类有数百种，按类型可分为单髁式人工膝关节(unicompartmental knee arthroplasty)及全膝式人工关节(total knee arthroplasty)；常 见的全膝式 人工关节组件主要可分成股骨组件、胫骨组件及髌骨组件三部分；在胫骨组件处，又可分为全聚乙 烯衬垫(all polyethylene )及具金属背衬(metal-backed )两类；若以胫骨 组件锁合机构区分，固定方 式可分固定式衬垫(fixed bearing )及可活动式衬垫(mobilebearing )两种。

9、在功能上也可分为后十字韧带保留及取代型两种。以下简介各种组件的设计及其相关 研究。图1右侧膝关节之7F意图K riaTendo m qxdncp 怕 lefntxis Facies patfill arts内u$Lrg. cruciatam posterius外Coidylus lateralisUg- cmcialum 罩 ntenusnTM Meniscus UiefahsH傅M协带Lig collateral fibufare馨骨曩杭M带Lig capb$ kXjIm tntenusAB * ACaput fibuiael集节*Fades arbcuUrispattillBeMenisc

10、us mediaMLtg- collaterale ttale H M IVbg. trans MirsiMn genus濒琨（水交叉林带Antenor aspect. Showing the cruciate ligamentsM adductor magnus内HCondylus medialisIUg. collaterale tibiale内鲜月板Meniscus 悟Lig. cruaatum .posteriusr后面观（示交叉韧带）fl WCondylus lateralis/ x Ug. cruciatum antenus板股点用帚,bg. memscofemocale post

11、enusN 91M popiiteus夕卜宇月扳Meniscus lateralisUg. collatefaie fibulareUg. capitis fibulae postenusPosterior aspect. Showing the cruciate ligaments关节解剖轴线图2右膝关节侧面图胫骨组件示意图，包括（a）聚乙烯衬垫以及（b）金属基 座ftWTIJWfKSWnr%卜盅肪夕卜韵时甘平台.、熊慢抽帝 八、关（）单髁式人工膝关节置换单髁人工膝关节置换的主要目的是取代已受损的单髁关节面。单髁膝关节置换只置换内或外髁关节面，不牺牲十字韧带及髌骨的功能。理论上，单髁置换因为

12、保留较多的软组织会比全膝关 节置换有更正常的膝关节功能，且让患者保留较好的本体感觉及膝关节稳定度。然而，早期单髁关节组件因手术技术以及组件设计不佳而致使用率低。但随组件设计的进步、成熟的手 术技术（微创手术）搭配适当的患者选择，其临床成功率已明显提升19 。目前有关单髁人工膝关节的生物力学研究着重于力学轴对内髁或外髁的受力影响，若关节面受力 不均匀则可能加速单髁膝关节置换术的失败。Squire等20 的研究指出，只要在单髁置换术中不 过度矫正变形量，则可以减缓另一侧的关节炎发生，提高手术成功率。一般而言，术前韧带的稳 定性及角度变形量均须认真评估。虽然目前临床上对于矫正的角度仍无明确定论，但就

13、内翻矫正而 言，长期随访研究指出，当术后下肢的力学轴落于膝关节中心或是稍微偏内会有较佳的临床结果 21, 22 ;此外，当内翻膝关节过度矫正则术后易产 生外翻膝，若术后的轴对位超过解剖轴内翻2或外翻6时，其失败率会明显提高23 。（二）全膝关节置换及相关生物力学考虑1. 全聚乙烯与金属背衬组件的比较全膝关节置换手术早期使用的胫骨组件以全聚乙烯材质为主，后来逐渐被金属背衬的胫骨组件所取代，主要是 因为金属背衬设计可辅助关节受力的传递，减少胫骨松质骨的应力24 。近年来，相关研究重新探 讨两种设计的差异，发现全聚乙烯组件的长期使用效果并不劣于金属背衬设计，可能是聚乙烯组件可 提供足够的组件厚度以减

14、缓磨损的产生，当然接受置换术患者的活动量也是影响成功率的可能因素 25-27 。此外，也有研究显示， 金属背衬设计在长期使用后会有背面磨损（backside wear ）的情况，即聚乙烯与金属背衬间磨损，可能会增加磨屑的总量，使患者骨溶解的危险性增加28 。模块化的机构设计虽有其生物力学的优点，但仍有须改善的空间。我们先前的临床研究结果显示，良好设计的全聚乙 烯胫骨组件仍有很好的长期临床随访结果。对年纪较大且活动量少的患者，建议选择全聚乙烯胫骨 组件25 。2. 固定式与活动式衬垫设计的比较除了组成材料的分类外，胫骨组件依其锁合机构亦可分为固定式及活动式衬垫设计。大致上固 定式的设计其关节接触面多为平面或线接触，其接触面积小，相关生物力学研究显示：1 , 2 ，固定式设计在2000 N负载下，其接触面积仅约为73 204 mm2。由于较小的接触面积，其平均接触应力约为10 27 MPa，最大应力值超过30 MPa，可发现衬垫所受到的接触应力远大于材料的屈服强度11.5 MPa 3。若长期使用后容易造成聚乙烯材料的磨损破 裂。若固定式设计的关节表面为高吻合接触则可能有较高的拘束力产生，主要因为膝关节除了弯曲运动外还会伴随着旋转与内、外翻，在关节衬垫与胫骨基座接触面上或是组件与胫 骨接触面上常发生剪应力破坏而