现代人工肩关节置换进展与展望

唐康来 施又兴

现代人工肩关节置换进展与展望

唐康来 施又兴

人工肩关节置换术逐渐成为现代肩关节外科治疗的核心之一，为治疗复杂性肱骨近端骨折、盂肱关节骨关节炎、肱骨头坏死、盂肱关节类风湿性关节炎、肩袖性关节病等肩部疾病提供了有效的治疗手段，为肩关节外科的发展发挥了重要的作用，临床应用效果越来越满意［1－2］。

人工肩关节置换最早开始于19世纪80年代，法国医生Jules E Pean利用铂金属制成的管套和表面硬质处理的橡胶头构成假体，为一例肩关节结核患者进行肩关节置换。虽然手术最终因感染宣告失败，但他却开启了人类肩关节置换的历程，为肩关节疾病的治疗探索了新的方向。现代人工肩关节置换开始于20世纪50年代，最初是奠基人Neer设计了Neer I型假体，而后出现了Neer II型、Neer III 型、Aequalis 假 体、Bigliani／Flatow 假 体、UNIVERS－3D假体等一系列具有代表性肩关节假体。

外科医生对肩关节的应用解剖、生物力学机制、运动学及稳定性等的认识逐渐深入，不断革新假体设计理念，为现代肩关节假体研制和关节置换术发展奠定了基础。依据假体设计理念、肩关节运动学及稳定性，可以将假体分为限制性假体、非限制性假体和半限制性假体，其中非限制性假体的约束少，尽可能实现肩关节正常解剖重建，是临床最为常用的假体类型，也是未来肩关节假体发展的主要方向。根据手术方式可以分为全肩关节置换、半肩关节置换、逆置型肩关节置换和肱骨头表面置换，其中全肩关节置换术和半肩关节置换术的优缺点及如何选择依然是争论的热点。同时，逆置型肩关节假体、肱骨头表面置换为肩关节置换带来一些新的思路，其意义不容忽视。

一、肱骨头假体

1．肱骨近端解剖与假体设计：肩关节假体的设计原则是尽可能的重建肩关节正常解剖结构，恢复关节的生物力学关系。肱骨近端的解剖研究与假体设计密切相关，相关解剖研究进展推动着假体设计不断发展。肩关节假体的设计最主要考虑的指标有肱骨近端头干角（Head shaft angle）、前后扭转角（Retroversion）和偏心距（Offset）。三个指标在人群中变异很大，特别是扭转角，不仅人与人之间变化大，同一人左右侧也存在差异［3］，这就为假体的设计带来了难度。理想的假体应该通过巧妙的设计来满足绝大多数人的解剖需求。第一代肩关节假体为整体型，最具代表性的是NeerⅠ型，它只能提供一个单一的假体柄用于固定，肱骨头与柄的连接是固定的，解剖适配性差，个体适应性非常有限［4］。第二代假体为模型化型，最具代表性的是NeerⅡ型，由不同型号大小的假体头和柄组合而成，以适应不同患者的解剖要求，取得较好的临床效果。第三代假体为解剖型，具有代表性的假体有Aequalis假体和Bigliani／Flatow 假体，在二代假体基础上实现了颈干角可调和偏心设计，但未考虑前后扭转角。第四代假体为三维假体，代表性的假体是Anatomical假体和UNIVERS－3D 假体，实现了颈干角、前后扭转角和偏心距角度可调整，肱骨头假体大小可选，解剖适应性好［5］，其临床效果满意［6－9］。目前国内外使用的假体仍然是第二、三代假体为主，其个体适配性有限，虽能基本恢复肩关节解剖结构并缓解疼痛，但远期临床效果有待提高［10－14］。应该注意的是，肩关节置换的疗效受多种因素影响，如患者病种及其严重程度、假体的选择、手术者能力差异及术后功能锻炼情况等。一项研究中平均随访时间9年（5．8～13．6年），有70% 的患者对置换满意［15］，基本满足大多数患者的意愿。而第四代假体虽然个体适配性最好，但因为价格昂贵、产品推广及医生使用偏好等因素影响，其应用只存在于一些大型医院。近年国内肩关节领域研究人员应用先进的影像技术，建立国人肱骨近端解剖数据库［16－18］，并自主开始设计肩关节假体［19］。国内已有较为成熟的第四代假体，目前处于临床试验阶段，其设计更符合国人肩关节的解剖特点，而且价格有优势，相信未来临床上会得到广泛地运用。

2．肱骨近端截骨：肩关节置换术中不管使用哪种假体，肱骨近端截骨是手术操作中的关键步骤。不同的假体设计配套器械不同，截骨的方法不尽相同；临床医生不断尝试和改进截骨方法，临床效果不断提高［20］。二代假体的头干角是固定的，通过与假体头干角相同的截骨导向器来实现肱骨近端截骨。截骨导向器一般都有一个固定的长杆，保持与前臂力线方向一致，然后沿着截骨导向器固定的角度进行截骨［21］。截骨后一般在肱骨近端放置假体试模，根据与截骨面的匹配性可以进行一定的修整。但因为二代假体头干角是固定的，与肱骨头干角很可能不一致，且未考虑扭转角和偏心距，即使截骨面平整和假体头接触很好，也不能保证两者完全吻合，有一部分截骨面可能不被假体头覆盖。二代假体的设计和截骨技术决定了假体不可能有良好的解剖适配性。大部分第三代假体有可调节的头干角，肱骨头偏心设计，截骨技术较二代复杂。每种假体设计都配有相应的截骨器械，虽然种类和部件多，操作较为繁琐，但基本能实现头干角和偏心距匹配。如果设定假体头干角与正常角度可以有3°的误差，假体头干角在38°或44°时能与95%的肱骨近端匹配［22］。第四代假体主要增加了扭转角设计，有可连续调节的头干角和扭转角，等距可调的偏心距，有不同型号的假体头可选择，假体的解剖适配性更好，基本能适应绝大多数患者肱骨近端解剖特点［23］。第四代假体三维结构设计更为复杂，但截骨却不繁琐。因为相应的截骨器械设计巧妙，截骨技术先进，例如：使用唐康来等研发的个体化肩关节假体配套器械中截骨仪可以准确量取肱骨近端解剖参数并进行截骨，然后用巧妙设计的安装台按照解剖参数准确组装假体。另外，第四代假体截骨技术和假体组装技术可以减少手术者因素带来的偏差。

3．肱骨头表面置换：肱骨头表面置换技术的发展中离不开Copeland［24］，他主张保留肱骨头表面解剖结构，不破坏肩袖结构和功能，尽可能减少骨量丢失。现代肱骨头表面置换技术有很多优势：置换过程中只需清除关节表面的软骨和软骨下骨，不用对肱骨头截骨，基本上保留骨量不丢失，理论上很适合年轻且可能需再次行翻修手术的患者。表面置换假体没有柄，对于髓腔内有骨水泥或肱骨有内固定患者也可以使用。假体没有柄结构，能消除肱骨干的应力骨折、脂肪栓塞以及因为开髓或骨水泥导致的低压状态。另外，表面置换更适合创伤性关节炎导致的肱骨近端畸形愈合患者［25］。理论上表面置换能够很好恢复肱骨头的正常解剖结构，但实际应用中发现仅依靠去除有限的软骨和软骨下骨很难实现假体与肱骨头的良好吻合。另外，表面置换中假体的固定也是值得关注的一个重要问题，多数假体的固定结构采用多孔的羟基磷灰石处理，以增强与骨的结合效果，多孔设计有利于骨长入。但表面置换技术的长期临床效果还不明确，少量的研究表明表面置换在骨性关节炎患者中取得很好疗效［26－27］。肱骨头表面置换需更多相应的生物力学研究，同时改进假体固定技术，更重要的是需要大量临床应用结果来分析其疗效。

二、盂假体

1．盂解剖与假体设计：肩关节置换的相关研究主要集中在肱骨端，而关节盂的解剖及生物力学研究、盂假体设计等相对滞后。盂侧关节置换相关的解剖基本局限于大体解剖测量和认识，而相关生物力学的探讨进展很少。可以说，目前盂假体是全肩关节置换的一个薄弱环节，提高盂假体固定效果在肩关节置换中至关重要［28－29］。相对于肩胛骨平面而言，关节盂的关节面有轻度的后倾，但因为测量时所依据的关节盂中心和肩胛骨平面不同，所测的角度差别较大，需要寻求一个稳定的容易识别的解剖结构进行测量。关节盂主要的解剖特点是曲率半径，个体间差异很大，但差异与肱骨头相关［30－31］。盂假体的设计发展很快，也出现很多的假体类型，但临床疗效都与Neer假体无明显优势。盂假体的设计中最重要的指标是稳定性、耐磨性和匹配性，影响盂假体的稳定性的因素很多：如假体设计、固定方式、肩胛骨骨质情况、术后活动等。目前关于盂假体稳定性的报道逐渐增多，但哪种假体稳定性更好尚无定论［32］。关于耐磨性方面，聚乙烯假体的耐磨性与厚度直接相关，但不可能无限增加厚度来提高耐磨性。因为正常关节盂软骨的厚度只有几毫米，如果盂假体的厚度超过4mm会导致关节力线偏移和一系列并发症。一段时间内，曾经认为金属底座的盂假体可以改善固定，但假体的厚度比聚乙烯假体更厚，使解剖重建更加困难［33］。目前这两类假体临床应用很多，但更多关注的是固定方式及稳定性，而针对耐磨性的临床研究很少。假体的设计中还应注意盂肱关节半径不匹配，理论上匹配的关节应力分布均匀，增加稳定性从而减少磨损，但实验证明匹配度高的盂肱关节虽然位移小但脱出几率并未显著降低，而严重半径不匹配又会导致关节盂点负荷增加，从而使盂假体磨损加重。目前关于最佳半径不匹配的研究仍无定论，一般认为不匹配度为4cm时位移最接近生理情况。一种新的盂假体设计采用二重半径设计，即提高盂假体中心匹配性，而降低周边匹配性，这种设计带来新的理念，但实际应用效果还待考究。

2．盂假体固定技术：盂假体置换中的棘手问题除了盂磨损外，假体的固定仍然是关注的重点。盂假体的固定有骨水泥型和非骨水泥型。现代骨水泥技术的发展，明显提高了假体固定的稳定性。现代骨水泥加压技术包括骨水泥枪加压、持续加压、骨水泥干燥技术、气体挤压灌注技术等［34－35］。现代加压技术的改进，明显减少了假体周围透亮区的出现［36］。但系统分析临床文献报道，没有发现骨水泥固定明显优于非骨水泥固定，并且骨水泥固定假体时骨量丢失多，失败后补救非常困难，是不少医生放弃的原因。早期非骨水泥型假体底座螺钉的松动、断裂和应力遮挡导致其临床效果低于骨水泥型全聚乙烯假体［37］。现在采用龛状螺钉固定，所占骨的空间小，骨的大体结构不被破坏，螺钉与骨的界面不明显，应力分散且骨嵌入充分，临床效果很好。特别是底座表面金属微孔处理和羟基磷灰石涂层，有利于骨长入金属孔构成紧密结合带。最近有一款新的盂假体：底座表面用多孔钽金属处理，其弹性接近正常骨小梁，多孔设计有利于骨长入［38］，避免了传统金属底座固定的缺陷；聚乙烯塑模与钽结合良好，使得二者不容易分离［39］。总而言之，非骨水泥型假体固定时骨量丢失少，翻修较骨水泥型容易，且固定技术不断更新，临床上值得提倡。

3．生物盂表面置换：早在1988年就有学者在半肩关节置换的同时进行生物盂表面置换，而最初的研究是1995年Burkhead进行的报道。生物盂表面置换采用自体阔筋膜、肩关节囊或异体跟腱代替病变的盂关节面软骨，可以直接缝合在去除软骨的盂关节面上，也可以将异体肌腱缝合在盂假体上。但研究发现使用自体组织（阔筋膜、肩关节囊）进行盂表面置换后患者出现疼痛和盂侵蚀比使用异体跟腱严重［40］，可能原因是阔筋膜不能长久性提供支持作用，肩前关节囊内可能有神经纤维导致疼痛，而异体跟腱较厚，能提供持久地支持［41］。研究发现外侧半月板优异的承载和形变性能适合于生物盂表面置换［42］，但缺点是半月板容易出现移位和断裂。生物盂表面置换一般联合肱骨头置换进行，因为能保留骨量，有利于以后手术，很适合活动期盂肱关节骨性关节炎的年轻患者。未来生物盂表面置换应该会有很好地应用，但目前只有极少的临床应用结果报道，且随访时间短，不足以得出结论，尚需长期的临床随访研究和进一步的基础科学研究。

三、逆置型肩关节置换术

逆置型肩关节置换术主要适应于肩袖撕裂关节病，伴有或不伴有明显肩关节疼痛的假性瘫痪，或伴有前上不稳的多次肩袖修复失败者，伴有大结节骨缺损或畸形愈合的患者［43］。近年来，逆置型肩关节置换术开始运用于肱骨近端复杂骨折治疗的初次置换，并取得较好的临床疗效［44］。考虑逆置型假体的使用寿命问题，临床应用中要注意患者的年龄，一般适用于年龄在65岁以上且对活动要求不高的患者，或者患者肩袖无法修复，无其他满意的治疗方法时可选择［45］。最早的逆置型肩关节假体设计的旋转中心偏向外侧，由于应力集中在假体和骨交界面，肩胛盂假体松动发生率很高，往往导致置换手术失败。新的假体设计将旋转中心向内上移位，设置在肩胛盂基板和肩胛骨之间，假体与骨之间的应力明显减小，提高了稳定性。目前有研究采用计算机模拟结合生物力学分析，推出单侧性设计，但其临床效果有待证明。

逆置型肩关节置换最常见的并发症是血肿形成、感染、关节不稳、假体失效、肩胛骨切迹和假体盂部件松动，临床应用中翻修率高达33%［46］。该置换术是初次关节置换失败或者骨折治疗失败后翻修手术的有效补救措施，但应用于翻修手术的并发症基本是首次手术的2倍。对于肩袖损伤、疼痛、上举较差的患者，逆置型肩关节置换，具有缓解疼痛显著提高主动上举角度的潜能［47］。盂假体部件的使用寿命短、假体的不稳定性和肩胛骨切迹等一直是比较棘手的问题。尽管报道的并发症发病率较高，但患者的满意率也高。逆置型肩关节置换还应注意一点是严格手术纳入标准，术前一定要全面考虑患者病情、意愿，仔细权衡其优点和危险性。

四、展望

肩关节置换经过长期的发展，取得了显著的成绩，随着盂肱关节的解剖研究深入，假体设计理念不断更新，假体类型较多能适应患者不同情况，临床效果不断提高。但我们也要认识到，仍然有很多相关研究需要进行，例如测量肱骨近端髓内腔三维结构以便改进假体柄近端设计，测量肱骨头三维结构以利于真正实现个体化关节置换，研究骨水泥－骨截面作用机制以改善固定效果，从生物力学角度研究盂肱关节匹配关系以改进假体设计，肩关节置换相关软组织的处理等［48－50］。

假体的设计是一个永恒的话题，要结合解剖、生物力学、材料相关研究进展，凭借先进的设计理念、巧妙设计才能研究出更加理想的肩关节假体。假体的设计可以考虑这样一种系统性的解决方案：在半肩关节置换的基础上，如有必要，安装盂侧假体可以由半肩置换变成全肩置换；如果全肩置患者有必要，可以通过增加中间连接部件形成逆置型关节置换，而不需移除植入骨内的部件。

未来肩关节假体置换发展的方向应该是研制真正个体化的肩关节假体，微创手术进行关节置换和计算机辅助导航技术的应用。真正个体化假体与患者正常解剖形态完全相同，术中可以依据患者肩关节的相关参数快速金属铸模，形成形态一致的假体，从而实现真正个体化的要求。国内外已有部分单位开始了相关的研究。随着三维打印机的快速发展，术中也可以根据患者的解剖特征三维打印出个体化的假体。外科技术的发展趋势是微创技术广泛应用，肩关节置换中可以采用小切口辅助下关节镜技术，运用先进的仪器实现微创关节置换。计算机辅助导航技术在外科手术中应用越来越多，它使用计算机图像技术对影像学资料进行处理，重建二维或三维的医学图像模型，同时结合各种空间定位技术，实现手术过程中器械位置的实时或准实时显示。未来可以将计算机辅助导航技术引进入肩关节置换术中，将大大提高置换手术的准确性和安全性，同时也会促进肩关节置换微创手术的发展。

肩关节置换术方式很多，假体种类更多，选择哪种手术方式、采用哪种假体都成为临床较难解决的问题。临床上需要形成系统的指南，包括各种手术方式的适应症和禁忌证，各种类型假体选择的标准，制定标准的手术操作技术等。这样不仅能提高各级医师的临床技术，而且能减少因手术者技术水平和经验带来的影响，有利于临床疗效分析。

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2013－06－18）

（本文编辑：胡桂英）

10．3877／cma．j．issn．2095－5790．2014．01．002

重庆市科技攻关项目（CSTC，2007AC5012）

400038 重庆，第三军医大学西南医院骨科 全军矫形外科中心 重庆市运动创伤研究所

唐康来，Email：tangkanglai＠hotmail．com

唐康来，施又兴．现代人工肩关节置换进展与展望［J／CD］．中华肩肘外科电子杂志，2014，2（1）：5－9．