膝关节置换术及假体的研究进展

李玉安 谷长跃 王佳音 (吉林大学中日联谊医院骨科，吉林 长春 130033)

膝关节是人体最大、解剖最复杂、对运动功能要求很高的关节。全膝关节置换术是在全髋关节置换术的基础上逐渐发展起来的，全世界每年有大量患者接受膝关节置换手术。根据对欧美17个国家的统计，每年约有110万人行膝关节置换术，其中8%是二次翻修，并且膝关节置换术的人数以每年11%的速度递增。其中，女性患者占64.4%，小于 65周岁者占29.4%，患者呈现年轻化的趋势。如何在临床中选择高质量的假体以及改进假体设计、提高手术技巧，成为摆在所有关节外科医生面前的一个重大课题。本文将国内外有关膝关节置换研究的一些最新进展加以综述，包括假体类型和手术技术等方面，以供国内外同行借鉴。

1 膝关节假体的历史

到了20世纪30年代，表面成形技术开始应用，1983年，Harold Bou受到Smith Peterson设计金属股骨头的启发，用金属铸成远端股骨。Jones等在股骨部件上加一根髓内干，手术结果41%患者恢复良好〔1〕。1951年Walldius开始应用丙烯酸甲脂做铰链型人工膝，此后改用金属材料获得成功〔2〕，它不能模拟人工膝关节的三轴运动，使用久后，松动几乎不能避免。Guepar作了改进，螺栓向后向头端移动，屈曲可不受限制，仅需切除18 mm骨质〔3〕，这对于人工膝失败后改做关节固定术是有利的。所有铰链型人工膝的基本问题，是股骨、胫骨部件不能旋转，旋转扭力传递到假体-铰链轴或骨一水泥界面，如要减少因松动和疲劳所致的失败，人工膝应有一定的旋转。属于旋转铰链型人工膝有 Herbert膝〔4〕、球心膝〔5〕等。

本世纪五十年代末，McKeever和Macintosh分别设计了胫骨平台并应用于临床〔6，7〕。由于膝关节股骨面仍可能引起疼痛，且胫骨平台常发生松动，效果并不尽如人意。Walldius回顾896膝胫骨平台成形术的结果，即使按照最宽容的标准，仅46%的病人获得成功〔8〕。这个数字难以鼓励骨科医生采用这种方法去代替关节固定术。1971年，Gunston〔9〕提出应用单个部件代替相对的关节面，维持关节稳定，模拟膝的运动。他设计的轮轨状人工膝关节虽没有获得最后的成功，但他第一个应用生物力学原则设计人工膝关节，在形状和结构上与传统的人工膝完全不同，具有划时代的意义。与此同时，Coventry等〔10〕发展几何型全膝假体，这种假体保留前后交叉韧带和侧副韧带，它能纠正中度内外翻和屈曲畸形，不置换髌股关节，获得广泛应用。

1975年，人们已充分了解增加人工膝的运动范围，降低骨一水泥界面的应力，对全膝人工关节置换有很大意义。为了达到上述目的，设计的全膝关节应保留侧韧带、后交叉韧带和关节囊以维持稳定。依靠软组织提供的生物学限制，可吸收传递到骨一水泥界面的作用力，并增加屈曲，如需进一步增加屈曲和旋转运动，股骨部件应分左右侧，并像正常股骨髁那样，从前向后逐渐减少旋转半径，解剖型全膝就是按照这种原理设计的一种假体〔11〕。

特种外科医院设计的全髁膝〔12〕，需切除交叉韧带和置换簇股关节，通过加深胫骨杯和选择不同厚度的胫骨部件，以维持膝关节运动时侧韧带和关节囊的张力，保证人工膝的稳定，70年代中期在美国和欧洲国家广泛使用。由于膝关节的作用和运动远比髋关节来得复杂，迄今为止，已有一百余种不同类型的人工膝问世，以适应各种病人的需要。Hungerford等强调正确的和可重复的手术技术是很重要的〔13〕，无疑手术的效果相当程度上决定于假体正确的安装。

在全膝人工关节发展的漫长道路上，一个可喜的进展是假体固定方法的改变。Freeman设计的胫骨部件有两根带翼片的聚乙烯栓，这是利用压配合固定技术，代替丙烯酸水泥〔14〕。Kenna发展的多孔表面解剖型人工膝，可使骨细胞长入金属的多孔内，使骨和假体得到理想的生物学结合〔15〕。迄今为止，它的临床经验虽有限，但初步结果是令人鼓舞的。在全膝关节成形术发展的百余年历史中，全膝人工关节置换已成为除了关节固定外另一种可被接受的治疗方法，它能为病人提供一个稳定、无痛、可活动、能使用多年的新关节。

2 膝关节假体的分类

目前，人工膝关节假体种类繁多，按置换范围可分为单髁型、全髁型;按固定方式可分为骨水泥型、非骨水泥型;按限制程度又分为限制型、非限制型;根据关节面是固定还是旋转分为固定型、旋转平台型。根据患者自身情况选择最合适类型的假体，直接关系到手术效果。

相对于全髁关节置换，单髁关节置换仅针对病变间室进行表面置换，用于治疗单间室骨关节炎，目前主要是针对内侧髁进行置换。Riddle等〔15〕报道1998～2005年，美国单髁关节置换数量由6 570例增加至44 990例，平均每年增加32.5%。Lyons等评估了1978～2009年分别行全髁和单髁的病人，经过比较骨性关节炎指数，发现单髁组均高于全髁组〔16〕。Ackroyd等经10年随访结果表明，单髁优良率为77.9%，全髁优良率为75.1%。综合目前的文献报道，单髁与全髁相比具有创伤小、恢复快、保存骨量、并发症少、术后功能好、保留本体感觉、髌股关节咬合良好等优点〔17〕。

从固定方式上来看，目前绝大多数选择的是骨水泥固定型人工关节;实践证明只要使用得当，其临床效果十分满意。非骨水泥固定型假体的设计思想则是通过紧密压配和骨组织长入假体多孔层达到生物固定的效果。使用这种假体对局部骨骼质量、术者的操作技术要求较高，并且术后恢复时间较长。Park等对比了50个同时行双侧全膝关节置换的病人(一侧行骨水泥型固定，对侧行非骨水泥型固定)，长期随访后并未发现其临床效果有显著性差异。目前在欧美经济发达地区，骨水泥型假体仍然为其主流。

限制性假体主要指铰链式的Guepar型、Herbert型等，术后膝关节仅限于单一平面活动，造成假体与骨水泥及骨组织之间应力异常集中，假体松动与感染等并发症发生率相当高，现已极少用于初次膝关节置换术病人，仅适用于膝关节翻修术、骨肿瘤切除后关节重建、严重骨质缺损或者膝关节周围软组织破坏关节不稳等病例。非限制型假体临床上常用的有3类:不保留后交叉韧带的后方稳定型、侧副韧带稳定型(全髁型为代表)、保留后交叉韧带型。对于人工膝关节置换术中是否保留后交叉韧带，目前仍有很大争议。目前认为膝关节置换中保留和不保留后交叉假体全膝关节置换的临床疗效无显著差异，但非保留组的关节活动度有大于保留组的倾向〔18〕。因此，保存结构正常的交叉韧带，可最大限度地维持膝关节自然稳定性，减少假体-骨水泥-骨组织界面剪切力;而不保留后叉韧带的后方稳定型设计目的是增加稳定性、减少假体间接触应力，特点是高吻合性，一般都有凸轮设计。通常对于高度屈曲膝挛缩畸形及后叉韧带有缺损者，选用不保留后叉韧带的后方稳定型。

3 膝关节术式的发展

早在1861年，Fergisson报告因骨关节病而实施了膝关节成型术。1863年，首次出现膝截骨面之间插入了关节囊一部分的记载，目的是防止截骨处的愈合。在以后的实践中，还应用了皮肤、脂肪甚至猪的膀胱。但结果基本不成功。1920～1930年，Campbell利用游离筋膜做关节成型术〔19〕。上述的方法是为了解决关节的强直，而不是治疗骨性关节炎。这种方法是膝关节置换术的前身。

现在，通常考虑当保守治疗以及其他外科治疗方法治疗终末期膝关节疾病失败时，则需要膝关节置换术，它可持久缓解疼痛并且提高患肢功能。患者年龄高于70岁是行膝关节置换术的最佳年龄，但若患者年龄小于50岁时行膝关节置换术则需要权衡利弊。膝关节置换术通常分为全髁关节置换术和单髁关节置换术两大类。近年来，先进的假体设计、微创技术等因素明显提高了单髁关节置换术的成功率，单髁关节置换术适用于包括年轻以及活动量大在内的膝关节内侧髁病变者，已有报道表明单髁关节置换术假体10年生存率在94%～97%。尽管单髁关节置换术取得了不错的中期生存率，但其翻修量却在增长〔20〕，主要翻修原因为假体无菌性松动以及未置换间室出现疾病的进展，这导致大部分病例最终需要行全髁关节置换术。单髁关节置换术适用于年龄小于65岁的膝关节炎内侧髁或外侧髁病变者，但不适用于以下膝关节炎患者:髌股关节病变，交叉韧带或者侧副韧带不稳定，肥胖超重，关节活动度受限(如屈曲＜90°，伸展＞10°，内外翻畸形＞ 10°等)。曾接受过胫骨高位截骨术的膝关节炎者不宜行单髁关节置换术。

全髁关节置换术是治疗包括膝关节炎在内的膝关节终末期疾病的金标准。发展十分迅速，随着手术技术的日臻成熟和膝关节假体设计材料和相关器械的不断完善、改进，临床效果也不断提高。目前，全髁关节置换术后10～15年假体生存率在95%以上，平均生存期在20年左右。随着技术的不断成熟，现在公认全髁关节置换术的手术适应证为:老年全膝骨关节炎患者，疼痛严重经正规保守治疗无效，且功能明显受限时可考虑全髁关节置换术。手术禁忌证包括:(1)全身或局部的任何活动性感染;(2)关节主要运动肌瘫痪或肌肉、肌腱等组织破坏。在全髁关节置换术中，对于是否保留后交叉韧带，人们争议较多。赞同保留后交叉韧带的认为，它符合生理及运动的需要;不保留交叉韧带，会导致关节的前后松动。保留韧带，使截骨的量减少，对髌骨的位置影响小，因此产生的疼痛可以避免。在步态方面，保留韧带要对称和协调。有些报告指出，在关节的前后松动和运动方面，经10年随访，保留韧带与否并没有太大的差异。赞成切除后交叉韧带的人认为，到关节置换的程度，交叉韧带已失去了应有的功能，即使保留了韧带，也会对胫骨后方的塑料垫有较大的应力，加速它的磨损。由于后交叉韧带的精确性，有人认为，如果1年内做不到20例关节置换，不要在保留交叉韧带的问题上再计较了。交叉韧带的切除，使手术野的范围扩大，暴露广泛，平衡韧带容易，截骨易于操作。保留后交叉韧带易导致关节的屈曲挛缩畸形，最重要的是，保留了后交叉韧带使塑料垫的应力加大，容易过早地磨损。

通过对全髁关节置换术以及微创骨科的不断研究，在其领域内涌现出两种新的技术。微创全膝关节置换术与计算机导航全膝关节置换术。Khanna等〔21〕对2003年1月至2008年6月之间发表的28篇关于微创全膝关节置换术的文献进行了系统性回顾后认为，与标准全膝关节置换术相比，微创全膝关节置换术后疼痛减轻、股四头肌功能恢复更快、术中失血量减少、膝关节活动度增加(大部分文献认为关节活动度只是短期增加)以及住院时间缩短，但是这些优点尚缺乏从微创全膝关节置换术中止血带使用时间可能更长和假体位置可能不佳等角度加以校正，故仍需通过多中心、长期随访来论证微创全膝关节置换术的优点。计算机导航全膝关节置换术能提高膝关节假体安置位置的准确性，更好地恢复下肢力线，增加假体的使用寿命，但有证据表明使用计算机导航技术反而增加了手术时间，且能否为患者带来长远的益处仍需拭目以待。

全膝关节置换术已经成功地应用了近30年，但是有关髌股关节是否置换的问题，仍存在较多争议。在开展膝关节置换的早期，不置换髌骨，术后发生很高比例的膝前疼痛，从而引进了髌骨假体置换。但置换髌骨又导致了其他并发症的出现，例如髌股关节不稳定、髌骨骨折，以及髌骨假体失败、磨损和松动等。单纯因为髌骨问题需要再手术者达3%。髌股关节并发症与设计和手术技术有关，例如髌骨截骨过量、过多，骨床厚度小于13～15 mm，易发生髌骨骨折;截骨不对称将导致髌骨倾斜和不稳。胫股外翻、股骨和胫骨假体内旋和髌骨假体外置，均是造成髌骨不稳定的原因。髌股关节对于关节线高度的恢复与否也十分敏感。手术技术的困难使一些医生反对在常规膝关节置换过程中置换髌骨。我们建议在大多数情况下应该进行髌骨置换，除非患者较年轻，或者过度肥胖而且髌骨软骨面完整。

4 展望

人工膝关节经过近30年的发展，在基础研究、假体设计、手术技术等方面均取得了很大的进展。随着人们对生活质量的要求不断提高以及科学技术的不断发展，如何设计出更符合人体生理学的个性化假体、提高假体的使用寿命和改善术后的功能、减轻手术创伤和提高手术精确度，将是今后努力的方向。

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