全膝关节置换术研究进展[摘要] 全膝关节置换术（tka）在全世界每年都在快速增长，经过几十年的发展取得了很大进展。
但是术后出现假体松动、伸屈和负重后出现畸形、疼痛等并发症，已经引起了广大骨科医生足够的重视。
选择高质量的假体、设计个体化的假体和制定精确化的手术，成为骨科医生必须解决的问题。
本文对近年来人工膝关节手术指征、假体、生物力学模型以及手术方式的演变进行阐述，并结合目前最新发展的技术对tka未来发展的方向进行展望和预测。
[关键词] 全膝关节置换术；假体；生物力学；动力学模型[中图分类号] r687.4 [文献标识码] a [文章编号] 1673-9701（2013）17-0015-02全膝关节置换术在全世界每年都在快速地增长，经过几十年的蓬勃发展，取得了很大进展。
如今全膝关节置换术成为治疗晚期骨性关节炎、类风湿性关节炎等疾病的最有效的方法，被大多数骨科医生认知，对减轻患者膝关节疼痛和改善膝关节功能有显著的疗效，然而术后出现假体松动、伸屈和负重后出现畸形、疼痛等并发症，已经引起了广大骨科医生足够的重视。
选择高质量的假体、设计个体化的假体和制定精确化的手术，成为骨科医生必须解决的问题。
本文对近年来人工膝关节手术指征、假体、生物力学模型以及手术方式的演变进行阐述；并结合目前最新发展的技术，对tka未来发展的方向进行了展望和预测。
1 手术指征迄今为止，tka的手术适应证仍然没有得到统一。
不论是何种类型的关节炎，只要有关节不能耐受的疼痛或者有明显破坏，都可以进行人工关节置换。
但必须注意以下几点：①患者年龄>60岁，②体重>80 kg，这也不是绝对的，可以根据实际情况作出判断。
除此之外，患者生活的质量也是影响手术成败的一个关键因素，如血友病、骨骼发育不全、幼年型类风湿性关节炎常有多关节病变，tka 能很好地解决患者的关节功能受限。
2 假体的演变及分类1969年，最原始的膝关节假体[1]——多中心假体，其最难解决的问题就是术后假体松动。
1971年出现的几何学型假体[2]，最大的亮点就是符合生物力学的要求去匹配关节，然而遗憾的是没能够解决假体松动的难题。
1973年，insall开创了人工膝关节发展的巅峰时刻，研制了全髁型假体，后来还改进并开发了旋转平台假体。
接着insall又发明了后方稳定型的假体，这是人类史上最能满足患者需要的膝关节假体之一。
但是依然不能很好地避免术后假体的磨损、松动情况发生。
按固定方式可分为骨水泥型、非骨水泥型；按置换范围可分为单髁型、全髁型；按活动范围分为固定型、旋转平台型；按限制程度又分为限制型、非限制型。
尽管有庞大的假体系统供我们选择，根据患者自身条件选择最合适类型的假体，直接关系到手术效果。
相对于膝关节表面置换术，单髁关节置换术对病变间室进行表面置换，适用于单间室骨关节炎，内侧髁进行置换已经发展成熟，但外侧髁置换罕见报道。
uka的早期因假体设计、病例选择、手术技术等问题，失败率较高。
riddle等[3]报道美国uka置换数量逐年明显增加。
目前以骨水泥固定型人工关节居多；只要很好地把握手术指征、熟练掌握关节置换的技能，也会得到显著的疗效[4，5]。
而生物型固定型假体的制造原理是通过骨与假体之间的紧密贴附达到稳固的作用。
但是这种假体对骨骼质量、术者操作能力的要求高，而且术后恢复功能的时间长。
限制性假体主要指铰链式假体，术后膝关节只能在某一平面运动内活动，容易发生假体与骨水泥和骨组织之间应力分布高，从而出现假体松动[6]，现在很少用在初次tka 的患者上，但是对于二次翻修术、骨肿瘤术后的关节的重建、严重的关节不稳等患者[7，8]有显著疗效。
临床上常用的非限制型假体有三大类：后方稳定型假体、侧副韧带稳定型假体、保留后交叉韧带型假体。
针对人tka中是否需要保存后十字韧带，目前还有很多的工作需要进行。
wang等[9]进行了一系列研究发现临床效果并没有显著的提高。
认为后交叉保留型假体没有破坏后交叉韧带，膝关节在屈曲的时候，股骨会向后方移动，从而增加了膝关节的活动度，而周围的韧带能把运动产生的应力抵消，使接触力明显下降[10]。
因此，要最大程度地维持膝关节的稳定，降低假体-骨水泥-骨组织界面应力，后十字韧带必须保留；而不保留后十字韧带的后方稳定型假体的研制是为了增加稳定性、减少假体间应力。
通常不保留后叉韧带的后方稳定型假体[11]首选严重畸形及后叉韧带有缺损的患者。
3 膝关节生物力学模型3.1 物理模型膝关节物理模型是将膝关节运动机制概括为四连杆的模型[12]。
有学者认为膝关节是由十字韧带和股、胫骨在矢状面上构成的四连杆结构。
胫骨平台与股骨髁接触的状态下，十字韧带的拉伸不明显[13]。
十字韧带的长度及其在股骨、胫骨上的附着位置计算可以得到其形态。
因此膝关节物理模型可以简化成以十字韧带为核心的股胫关节二维模型[14]。
还有些学者建立了三维的四连杆股胫关节模型[15]，并对股骨、胫骨的位置进行了基本的描述。
3.2 解剖模型膝关节解剖学模型的建立必须先完成其几何解剖模型。
perie等利用mri、袁平等利用计算机分别以标本和人体膝关节为核心建立了几何模型[16，17]。
张文等[18]以实体膝关节为研究对象，把原始数据都导入ansys软件计算三维有限元模型，并对模型以及膝关节的受力情况进行了分析。
silvia根据mri扫描得到的dicom数据利用计算机处理得到了下肢的骨肌三维模型[19]。
最典型的是潘哲尔等[20]模拟的三维有限元模型能够真实地模拟膝关节的力学特性。
目前，对于膝关节软骨和半月板几何模型的建立也有零星报道。
但是没有一个确实依据证实其准确性。
3.3 运动学模型hefzy等[21]将解剖模型分为运动学模型和动力学模型，描述了运动学模型并建立膝关节的各个运动学参数之间的内在联系，但并未将这些运动学参数与负荷的大小相联系。
hartfel等[22]将螺旋轴的问题扩展到三维立体空间上。
证实了两个物体运动时，两个直纹曲面是由于螺旋轴位置的连续性改变形成的。
然而不足的是，hartfel等应用的数据不能构建出精确的螺旋轴曲面模型。
构建膝关节精确的螺旋轴曲面模型还有很多工作需要进行。
4 膝关节置换手术方式的发展tka的远期疗效关键因素是恢复精确的下肢力线，这就涉及到术中精确截骨和软组织的平衡。
通过文献分析得出以下结论：术后恢复的下肢力线应控制在冠状面上膝内外翻3°以内；假体的安置应控制股骨髁假体应相对于后髁轴线外旋3°～6°，并平行于stea。
传统的tka通常是用手工定位截骨，术者仅凭肉眼和手感辅以术中x线片来判断假体安置时下肢力线和软组织平衡等情况，必然会影响截骨的精确度，即使是经验丰富的关节外科医生，也会出现>3°的下肢力线不良等结果，以及旋转定位与关节稳定等问题，术中必然会出现难以估量的因素。
因此，传统tka的精确度一直是手术医生最棘手的问题。
迄今为止，诞生了一些手术装置，但由于膝关节的特殊性，尤其是患者伴有膝关节严重畸形，给精确的定位和截骨、假体的选择和安置带来了重重困难。
为了获得良好的膝关节置换效果，计算机辅助人工膝关节置换手术系统应运而生，从1993年格勒诺布尔着手计算机辅助人工膝关节置换手术系统的研制，于1997年计算机导航tka系统开始在临床使用，目的是解决手术医生困惑已久的难题，达到理想的手术疗效[23]。
计算机辅助膝关节置换手术系统对置换的膝关节在屈伸过程中的等距间隙和韧带平衡稳定有独特的控制能力。
计算机导航手术系统在术中可以密切观察，能够精确地控制软组织平衡，而且能获得膝内外翻3°范围内的精确的下肢力线和屈伸膝关节的间隙平衡。
5 展望人工膝关节经过几十年的发展，在基础研究、假体设计、生物力学以及手术技术等方面均取得了卓越的成就。
但是随着科学技术的不断发展，设计出个性化假体、提高假体的使用寿命和提高术后的功能、减轻手术创伤和提高手术精确度，数字化医学将是今后努力的方向，也必将会对骨科学带来革命性的变化。
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