膝关节生物力学课件
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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。
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
膝关节屈曲
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。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。
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。
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postcam结构是增加了磨损的来源，也增 加了系统的限制性。
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（也即股骨相对于胫骨发生内旋 ），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。
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
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 股骨前髁内侧防止髌骨脱位
伸膝旋转锁定机制
关关节节软的骨ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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%。
关节的形合度
外旋锁定机制的机理
膝关节
生物力学
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
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。
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。
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
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
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 结构等都是必须的
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。
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
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
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
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
膝伸关屈节与活旋转动总结
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
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。
功能性膝关节的活动范围约是0-115度。
正常步态时需要的膝关节活动范围是070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
大约需要的屈曲角度 0-67 0-83 0-90 0-93 0-106 0-117
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。
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。
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
膝关节屈曲
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。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。
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。
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postcam结构是增加了磨损的来源，也增 加了系统的限制性。
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（也即股骨相对于胫骨发生内旋 ），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。
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
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 股骨前髁内侧防止髌骨脱位
伸膝旋转锁定机制
关关节节软的骨ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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%。
关节的形合度
外旋锁定机制的机理
膝关节
生物力学
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
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。
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。
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
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
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 结构等都是必须的
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。
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
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
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
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
膝伸关屈节与活旋转动总结
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
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。
功能性膝关节的活动范围约是0-115度。
正常步态时需要的膝关节活动范围是070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
大约需要的屈曲角度 0-67 0-83 0-90 0-93 0-106 0-117
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。