膝关节生物力学_图文

膝关节活动
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
膝膝关关节节的活动运动
三根轴 六个方向
膝关节活动
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
低位髌骨与高位髌骨
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。
髌骨高度的测量
发育、关节炎、创伤等能改 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。
膝内/外翻
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。
髌骨的受力
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。
髌骨的置换
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
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膝关节生物力学的原则
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）决定了大部分接机械轴与解剖轴
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。
影响TKA术后生物力学的因素
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
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
TKA的关节形合度
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。
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<0.8
Blumensaat’s 线：屈膝30度时，髌骨下极应 该在髁间窝线上。
Blackburne-Peel指数：胫骨平台至髌骨下极 关节面距离/髌骨关节面高度
正常=0.8 高位髌骨>1.0
髌骨高度的测量
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。
膝膝内内翻/外与翻膝外翻
股骨解剖轴
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。
股股骨骨髁解与剖轴下与肢机力械线轴的关系
TKA中髌骨轨迹的优化
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
髌髌外骨侧支支持持带 带
髌骨受力
髌骨受力
髌髌骨骨的切作除用的结果
ma1 > ma2
髌骨切除的结果
关节线与髌骨位置的关系
为了保持正常的髌股关系，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
膝关节伸屈活动
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
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
关节的形合度
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
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
Q角
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。
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
关关节节软的骨形合的度作用
胫关骨节内的外形合侧度平台差异的意义
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%。
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。
髌膝股关关节节活动受时力的受力
膝膝关关节节的活动受时力的受力
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
股骨髁的后滚
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
A四C边L/框PC架L
膝股关骨节髁的的后滚滚动和滑动
没股有骨滑髁动的后时滚的膝关节运动——分离
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。
下机肢械力轴线与解剖轴
解剖轴 机械轴
机械轴
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。
膝关节活动范围
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
活动 步行
上楼梯 下楼梯 从站立位坐下
穿鞋 提起重物
需要屈曲角度 0-67 0-83 0-90 0-93 0-106 0-117
CR膝中股骨髁的后滚
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
PS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。
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
伸膝旋转锁定机制
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。
膝伸关膝节旋的转锁横定轴机制
膝伸关膝节旋的转锁伸定屈机和制旋转
屈曲+外旋 伸展+内旋
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”
活动平台膝关节系统
解决运动学冲突的方法之一是采用活动平台 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。
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定
膝关节活动时的受力
在正常步行时，胫股关节的受力 大约是3倍体重
髌骨的运动
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
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
髌髌股骨关的节运动的变化
髌骨位置 髌关节面
髌骨的功能
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 。
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”
膝伸关膝节旋活转锁动定总机结制
股骨运动 胫骨运动
滚动 旋转 滚动 旋转
膝屈曲 后滚 外旋 前滚 内旋 膝伸展 前滚 内旋 后滚 外旋
内侧股骨髁位移
外侧股骨髁位移
胫骨平台的解剖
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
伸膝旋转锁定机制
在膝关节完全伸直位