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全膝关节置换外科手册(1)

张克 主任医师 北医三院 骨关节外科
2009-06-28 6150人已读
张克 主任医师
北医三院


第一节 膝关节解剖概要与生物力学特点

一、膝关节的构成

(一)骨性结构

      膝关节由股骨远端、胫骨近端和髌骨共同组成,其中髌骨与股骨滑车组成髌股关节,股骨内、外髁与胫骨内,外髁分别组成内、外侧胫股关节。在关节分类上,膝关节是滑膜关节(synovial joint)。北京大学第三医院骨关节外科张克

      髌骨是人体内最大的籽骨,它与股四头肌、髌腱共同组成伸肌装置(extensor apparatus)。蘸骨厚度约2~3cm,其中关节软骨最厚处可达5mm。髂骨后表面的上3/4为关节面,由纵向的中央嵴、内侧峭分为外侧关节面、内侧关节面和奇面或称第3面(theoddfacet.thirdfacet);内、外侧关节面又被两条横嵴划分为上、中、下三部分,故共计有七个关节面。髌骨后表面的下1/4位于关节外,是髌腱的附着点。

       股骨远端的前部称为滑车(trochlea),其正中有一前后方向的切迹将之分为内、外两部分,滑车切迹向后延伸为髁间切迹(intercondylar notch.ICN),向前上延伸止于滑车上隐窝。股骨远端的后部为股骨髁(femoral condylars),由ICN分为股骨内髁和股骨外髁,分别与内、外滑车相延续,构成凸起的股骨关节面。从侧面观,股骨外髁弧度大于内髁且较内髁更突前,而内髁比外髁更加向后延伸。

      参与构成膝关节的胫骨平台并非绝对水平,而是在一定程度上呈由前向后逐渐下降的趋势,即所谓胫骨平台后倾角。胫骨平台中央有一前一后两个髁间棘,其周围为半月板和交叉韧带的附着处。外侧胫骨关节面的前l/3为一逐渐上升的凹面,而后2/3则呈逐渐下降的凹面。内侧胫骨关节面则呈一种碗形的凹陷。如此,凸起的股骨关节面和凹陷的胫骨关节面彼此吻合,使膝关节得以在矢状面上作伸屈活动;然而外侧胫骨关节面的特征性凹陷结构又使得外侧胫股关节面并非完全吻合,从而允许膝关节在水平面上有一定的旋转活动。并且膝关节的伸屈活动也不是同轴运动而是具有多个瞬时活动中心的运动。因此,在结构上膝关节是一个不完全的绞链式关节(incongruent or modified hinge joint):正常的膝关节具有约135°的屈曲和5-10°的过伸活动范围,在水平轴面上向内、外有约3°的旋转活动范围,此外,尚存在前后和侧向的小范围活动。

(二)半月板解剖

      半月板是关节内唯一没有滑膜覆盖的组织,其冠状断面呈三角形结构,可概括为“三面一缘”:与股骨髁相关的上表面,与胫骨平台相关的下表面,借冠状韧带与关节囊、胫骨平台相连的周围面(又称半月板壁或半月板边缘)及关节腔内凹形的游离缘。除冠状韧带外,半月板的前后角借纤维组织连接固定于髁间棘周围。不仅如此,在前部半月板借半月板髌韧带与髌骨相连,故伸肌装置可惜此调节半月板在关节前部的活动:在后部半月板分别借纤维组织与半膜肌、腘肌相连,使二者得以调节内、外侧半月板在关节后部的活动。

      在组织学上半月板是一种纤维软骨组织,由三组纤维交织构成:水平纤维呈前后走行构成半月板的主体,直纤维与斜纤维连接上下表面,放射状纤维连接半月板壁与游离缘。

      外侧半月板为—2/3环形。前角后角大小相当。半月板周围面与关节囊的紧密结合在后部为肌腱所打断,井在后关节囊上形成腘肌裂孔(popliteal hiatus)。外侧半月板后角的稳定和活动由半月板股骨后韧带和胴肌提供;半月板股骨后韧带即板股后韧带(posterior meniscal femoral ligament.PMFL),又称第三交叉韧带,从外侧半月板后角发出,经后交叉韧带前面或后面,止于股骨内髁外侧面。位于前面者又称Humphrey韧带,位于后面者又称为Wrisberg韧带。板股韧带的出现率在不同文献中报告不一,其解剖变异可导致半月板的过度活动。腘肌则起干胫骨后面,其向前、外、上方走行,穿腘肌裂孔变成腘肌腱,止于股骨外上髁的下前方。

      内侧半月板呈半月形,其前角小而薄,后角则厚而重。内侧半月板与关节囊的结合紧密无中断。其后角借纤维组织与半膜肌直头相连,故有一定的活动度。

(三)交叉韧带解剖

      在膝关节中心,股骨内外髁与胫骨之间的前、后交叉韧带是维持膝关节稳定的最重要和最坚强的韧带结构。前交叉韧带(ACL)在膝关节完全伸直时紧张而于关节屈曲时松驰,其作用在于防止股骨向后脱位、胫骨向前脱位及膝关节的过度伸直和过度旋转。后交叉韧带(PCL)则随着膝关节的屈曲而逐渐紧张,它有利于防止股骨向前脱位、胫骨向后脱位以及膝关节的过度屈曲。前交叉韧带起于胫骨平台内侧髁间嵴前方、近内侧半月板前角附近关节面,向外、上、后走行,止于股骨外髁的内侧面。前交叉韧带由多组纤维束组成,走行过程中有一定程度的扭转,胫骨附着点处位于前方的纤维在股骨附着点处转为内侧纤维。成人前交叉韧带的长度约38mm,宽度约11mm,后交叉韧带的长度与前交叉韧带相似,宽度约13mm,是膝关节内最强大的韧带结构。

      后交叉韧带起于胫骨平台髁间区后部近胫骨骺线处,其向内、上、前方延伸,止于股骨内髁外侧骨面前部。与前交叉韧带相似,其走行过程中亦有一定程度的扭转:位于胫骨附着点后部的纤维在股骨附着点处转为外侧纤维。

(四)侧副韧带解剖

      膝关节的内侧、外侧分别有内侧副韧带和外侧副韧带,又称胫侧副韧带和腓侧副韧带,内侧副韧带分为浅深两层,浅层由前部的平行纤维和后部的斜行纤维组成,它上起股骨内上髁,向下向前止于胫骨内侧,平行纤维宽约1.5cm,向后与半膜肌直头交织延伸为内侧副韧带浅层的斜行纤维。内侧膝关节囊走行于内侧副韧带浅层深面时增厚成为深层内侧副韧带,并与浅层之间形成滑囊以利于活动。充分伸膝时,内侧副韧带浅层的平行纤维、斜行纤维紧张而利于关节的稳定:屈膝时,浅层的斜行韧带形成一松驰囊带而平行纤维紧张并在深层韧带表面向后推移盖过深层韧带从而保持关节的稳定。内侧副韧带的作用还在于能控制胫骨在股骨上的外旋。

      外侧副韧带位于膝关节外侧的后1/3,可分为长、短二头,长头起自股骨外上髁,短头起自豌豆骨(fabella),同上于腓骨茎突。充分伸膝时外侧副韧带绷紧,屈曲时则有松驰的趋势。在膝关节伸屈活动中,伴随着胫骨旋转而引起的外侧副韧带的松驰主要通过股二头肌环绕于其周围的腱纤维保持连续性张力,从而维持关节的稳定性。外侧结构的稳定由外侧副韧带、股二头肌、髂胫束共同维持。

(五)脂肪垫

      脂肪垫,即髌下脂肪垫是一团局限于髌骨下方、髌韧带后方、胫骨平台前部之间的脂肪组织,其表面被滑膜覆盖而与关节腔隔离。脂肪垫在髌骨下半边缘处始向两侧延伸形成翼状皱襞或翼状韧带(alar fold,alar ligament)。脂肪垫还由正中部向后延伸至髁间切迹,形成条索状的髌下皱襞(infrapatellar fold),有时可达前交叉韧带的股骨止点附近,矢状面观呈斜向后上走行

(六)滑膜、滑膜皱襞与滑膜囊

      膝关节滑膜腔是人体最大的滑膜腔,关节内多数的无血管组织依赖关节滑膜分泌的滑液获得营养。滑膜腔的上方延伸至髌骨上约5cm,形成髌上囊,向下延伸至股四头肌腱膜后,周围覆盖在股骨髁表面,向两侧形成内、外侧沟或内、外侧隐窝,向远侧延伸与半月板连接,再向下覆盖胫骨平白缘,直到关节软骨,在前下方滑膜覆盖髌下脂肪垫并于两侧向中央延伸至髁间窝,形成翼状皱襞即所谓粘膜韧带。前、后交叉韧带均被滑膜包裹,而且外侧半月板外后方的腘肌腱和腘肌裂孔也被滑膜所覆盖。在正常的膝关节内,可以存在若干发育残留的滑膜皱襞(Plica),常见的有髌上内侧或外侧滑膜皱襞,另一个有重要临床意义的滑膜皱襞是由髂内上滑膜皱襞向下延伸至髌下脂肪垫滑膜上方的滑膜皱襞,即所谓髌内侧皱襞或棚架(Shelf),此皱襞可占正常膝关节的20%或更多。膝关节周围还有着大大小小许多滑膜囊,其中主要包括位于髌骨上方、股四头肌与股骨滑车陷窝之间的髌上囊,位于皮肤与髌骨前面之间的髌前滑囊及皮肤与胫骨结节之间的髂下滑囊。

二、与膝关节置换术相关的解剖特点

(一)下肢对线

      准确地理解和建立精确的下肢对线是人工膝关节置换术的最基本也是最重要的概念。胫股角是股骨解剖轴线与胫骨解剖轴线在膝关节中心相交形成的向外侧的夹角,此夹角平均为174°。

      在正常的生理情况下,当人体站立位时,股骨头的中心、膝关节的中心及踝关节的中心应处干同一条直线,此直线即为下肢的力学轴线或称机械轴(mechanical axis):且此时经膝关节平面的水平轴(transverse axis)则应与地面相平行。经股骨干的股骨解剖轴与上述下肢机械轴在膝关节中心相交形成平均约为6°的外翻角,根据股骨颈干角和股骨颈及股骨干长度的不同,此角度可能会有变化。正确地认识和理解股骨解剖轴与下肢机械轴及其角度的意义对于在膝关节置换术中重建正常的对线是至关重要的。(图示)

      在病理情况下,由于膝关节的内/外翻,正常的胫股角将发生变化,而下肢的机械轴将不可能通过膝关节的中心,这正是我们在膝关节置换术的术前计划和手术中需要通过测量和截骨解决的问题。通过计算和测量准确的截骨才能使下肢力线获得正确的重建。下肢力线的重建是确保手术成功的关键,也是避免术后因应力不均而造成松动的重要环节。

      关节线(joint line)是膝关节对线的另一重要内容。在冠状面的关节线升高和降低将影响到髌骨和滑车的相对位置,导致高位或低位髌骨。因此,TKA手术中重建关节线的正常高度也是TKA手术中的重要环节(图示)。一般来说,关节线的降低比关节线的升高更有害。另一方面,解剖上的胫骨关节线在矢状面上虽有一定的后倾角度,但如果考虑到半月板的因素,事实上胫骨关节面的后倾几乎为零。尽管许多膝关节假体强调胫骨的后倾,但已有足够的证据表面,胫骨后倾并无十分必要。

图示 下肢对线

(二)膝关节的稳定结构

      膝关节的稳定结构除了依赖于膝关节骨,哇结构本身的特殊构造以外,还有赖于前/后交叉韧带的制约、内/外侧副韧带的平衡、以及伸膝装置与股四头肌及腘绳肌的力量均衡。除了高限制型和铰链假体在设计上较少地依赖于膝关节本身的稳定结构以外,其他的非限制性假体和部分限制性假体均对膝关节本身的稳定性有一定的要求。尤其是内/外侧副韧带的平衡和稳定作用对膝关节置换术后维持人工关节的正常功能非常重要。因此,术前对膝关节稳定结构的检查和关节稳定性的评估对选择假体和确定手术方案具有重要的意义。(图示)

(三)髌股关节的解剖特点

      髌骨是伸膝装置中的重要结构,对增加股四头肌的力臂和作功具有重要意义。由于股四头肌的力线与髌腱纵轴线之间存在一个外翻角度即股四头肌角(Q角),因而,髌骨存在着向外侧移位的倾向。事实上,在许多伴有髌股关节退变的膝关节骨关节炎的病例中,都有不同程度的外侧支持带紧张和髌骨外侧倾斜和/或外侧位移。在人工膝关节置换的手术中,应该考虑到髌骨脱位的可能,因而全膝置换时重建正确的髌骨-滑车轨迹是非常重要的,必要时采用外侧松解等方法。另一方面,在解剖上的髌骨关节面的最高点并非位于髌骨的中心而是偏内侧,因此,髌骨置换时应考虑到这一解剖特点。(图示)由于TKA手术后的失败有相当部分是髌骨问题,而且髌骨置换与否在全膝关节置换术中仍然是有争论的课题,但髌股关节作为膝关节的一个重要组成部分,在膝关节置换术中与胫股关节同样具有重要的意义。

图示 髌骨关节面的位置

      此外,与髋关节不同,由于膝关节周围尤其是前方缺乏肌肉保护,切口裂开后将可能造成假体外露,加之膝后有重要的血管神经组织等解剖特点,使膝关节置换与髋关节置换术有较大的不同。

三、膝关节的生物力学特点

      了解膝关节的生物力学特点对理解人工膝关节假体的设计原理和手术操作原则是至关重要的。由于上述的解剖特点,决定了膝关节在负荷、运动及稳定等生物力学特性上的复杂性。

(一)膝关节的负荷

      膝关节的负荷随人体的运动和步态方式有很大的变化,膝关节站立位的静态受力(双足着地)为体重的0.43倍,而行走时可达体重的3.02倍,上楼时则可达到4.25倍。正常膝关节作用力的传递借助于半月板和关节软骨的蠕变使胫股之间的接触面增大,从而减少了单位面积的力负荷。在冠状面上,当一足站立时,人体的重力沿垂直重心线传递并经过膝关节的内侧(图示)。这一重力作用使股骨倾向胫骨内侧髁。此时,阔筋膜张肌和臀大肌通过髂胫束靠外侧力来保持平衡,这些力的和代表膝关节在此面上的总的支持力,其合力则是经过膝关节中心。早期PCA膝关节系统强调重建生理解剖,即考虑胫骨截骨面的2-3°内翻。但对人工关节而言,绝大多数医生和工程师赞成将胫骨截骨平面与胫骨长轴垂直,以获得均衡的负荷。力的不平衡和合力方向的改变将造成胫骨内外侧髁的受力不均,从而产生膝关节内/外翻。而人工关节置换术后的力学失衡将导致胫骨假体的松动。

(二)膝关节的运动模式

      膝关节的运动模式并非一个简单的屈伸运动,而是一个兼有屈伸、滚动、滑动、侧移和轴位旋转的复杂的多自由度的运动模式。因此,模仿膝关节的生物学运动的假体设计是极其复杂的,单纯的铰链式设计是无法达到或接近正常的膝关节运动的。(图示)

      在矢状面,膝关节的伸屈运动并非围绕着同一个旋转中心,而是根据运动的过程产生多个瞬时旋转中心。当接触面的质点速度方向切于关节面时,运动的阻力最小,并可在根据接触面的垂线上求出瞬时旋转中心,如瞬时中心不在此线上,膝关节将出现滑动运动。在正常的膝关节上,任何瞬时中心的速度方向将切于关节接触面,在膝关节由伸而屈的过程中,连续标出每个运动的瞬时旋转中心,则会在股骨髁上形成一个“J”形轨迹。(图示)

(三)胫股及髌股关节力学特点

      正常胫股关节间力的传递和应力分布与正常的半月板和关节软骨的功能密切相关。在膝关节的运动和受力相中,由于半月板随着关节活动的相对位移,以及具有粘弹特性的正常半月板和关节软骨组织的应变,使关节间的压强变化趋于缓和。而这一点正是目前人工膝关节假体所难以模仿的特性。尽管有以Oxford半月板型膝关节假体以及以LCS可活动衬垫假体为代表的摹拟可活动的半月板的膝关节假体,但距离人体的半月板和软骨结构与功能尚有很大的区别。此外,膝关节在水平面的旋转运动是以内侧髁为中心,这种旋转方式使得膝关节内侧间隙易于发生退变,这也是膝关节骨关节炎病变往往以内侧间隙为重,甚至出现典型的内侧单腔室骨关节炎和膝内翻畸形。现代的假体设计通常将胫骨的截骨面垂直于胫骨并与地面平行,而忽略解剖上存在的3°内翻,其目的正是期望获得中央旋转轴。

      髌股关节是参与膝关节伸屈运动的重要结构,在膝关节活动中有着特殊的章义。髂骨除了传递股四头肌的拉力和承受髌韧带的张力以外,其关节面本身在膝关节屈曲运动时承受的应力和关节面上的应力分布是髌股关节生物力学研究的重点。髌骨的外侧倾斜和外侧移位是髌股对合异常的主要存在形式,其原因可能包括股骨髁的发育异常、髌骨发育异常及高位髌骨、膝外翻和Q角异常增大、内侧支持带松弛、外侧支持带挛缩等多种因素。

      髌骨外位实际上是程度不同的髌骨半脱位,在伸直位时,髌骨很容易向外侧推动,在屈膝20°时,可发现髌骨中央嵴与滑车凹的最低点不呈对应关系而向外侧移位,其移位的程度对评价髌骨半脱位很有意义。因此,在屈膝20°-30°度时对髌股对台关系的评价是关节检查中对髌股异常对合诊断的关键。研究表明,髌股异常对台的直接结果是导致关节面应力或称髌股接触压(patellofemoral contact force,PFCF)的分布异常。一方面,关节面局部的应力集中可致关节软骨的病损,另一方面,关节面的接触压降低和失去接触也会导致软骨的退变。由于软骨面的退变导致的软骨厚度的丧失还可导致正常软骨面的应力重新分布,导致整个软骨病损的扩展。据此,可以认为髌股对合异常所致PFCF的分布不均是导致软骨病变的潜在病因。同样,髌股对合异常也是导致TKA术后髌骨并发症的主要原因。

      髂骨关节面上的应力分布不均是产生髌股关节面软骨退变的直接原因。在正常的生理情况下,膝关节由伸而屈至90°的运动过程中,髌股接触压逐渐加大,而超过90°后又逐渐减小。

      由于正常髌股关节的接触面随PFCF的增加而增大,因而,作用于髌股关节面的应力得以分散,其压强的变化不大。在膝关节置换时,髂骨与股骨滑车的在不同位相上的匹配度是假体设计上的重要指标,通过合理的假体设计、髌骨内置和股骨假体的外旋位安装可使髌骨假体更容易与滑车相匹配。(图示)

(四)膝关节的力学稳定

      由于前述膝关节的骨性结构、半月板,关节囊及附属韧带结构的共同作用,膝关节可以保持静态与动态的稳定性。膝关节在完全伸直位,关节将发生扣锁,而获得最大的关节稳定性,这是因为膝处于完全伸直位时,股骨在胫骨上向内旋转;而于过度屈曲位时,股骨则向外旋转,此时将通过关节面的咬合和交叉韧带的制导作用增加关节的稳定。在人工膝关节假体设计中,人工关节的机械稳定性与关节的自由活动度是一对矛盾。为了获得更大的自由活动度,往往需要牺牲人工关节本身的稳定性设计。因而,人工关节植入后的稳定更多地依赖于关节的周围结构的正常尤其是侧副韧带的平衡。应该指出的是,全膝关节置换术后的膝关节无论是否保留了PCI,都是ACL缺如的膝关节,其前方稳定性有赖于伸膝装置的稳定尤其是股四头肌的力量。同时,由于失去了交叉韧带的“扣锁机制”,其本体稳定感觉将较正常膝关节差。

 [引自强生(中国)医疗器材有限公司]

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