全膝关节置换术后膝前疼痛的病因及其机制的研究现状*

李东海 康鹏德 谭振 谢小伟 杨周源

（四川大学华西医院骨科，成都610041）

全膝关节置换术（total knee arthroplasty,TKA）目前已被临床验证是治疗膝骨关节炎的一种成熟技术，但由于膝关节解剖位置、结构特殊，术者技术水平不一以及髌股关节的特殊性，术后容易发生各种并发症而影响疗效。国外报道，TKA术后患者中膝前疼痛的发生率为8%～50%[1,2]。文献报道，膝前疼痛患者中60%为剧烈疼痛，30%为中度疼痛[3]。如不加以控制，膝前疼痛将会影响全身各脏器功能的康复及患肢膝关节活动度的恢复。目前，关于膝前疼痛的发病机制、诊断及治疗已取得了较大进展。膝前疼痛的因素很多，其中非关节因素以及关节的生物性因素、功能性因素、机械性因素为其主要因素。本文结合国内外研究的最新进展，着重介绍后三种因素引起的TKA术后膝前疼痛以及其引起疼痛的机制。

1 非关节因素引起的TKA术后膝前疼痛

TKA术后膝前疼痛的非手术因素分为不可变因素和可变因素，其中不可变因素包括女性、有严重的术前疼痛、疼痛阈值低以及年龄低等；可变因素包括焦虑、抑郁和对疼痛进程的错误期望等。Brander等[4]报道，焦虑和抑郁程度与术后疼痛评分密切相关。而术后几个月内对疼痛缓解的期望未得到满足，可能引起患者害怕和不安，而这种情绪又将影响疼痛的缓解进程[5]。进行TKA前应该对患者进行告知，使患者能了解整个康复过程，以有助于其疼痛的缓解，必要时可给予心理辅导，以帮助患者舒缓情绪、放松心态，可以收到很好的效果。

2 关节因素引起的TKA术后膝前疼痛

关节因素引起的TKA术后膝前疼痛包括关节内生物性因素、功能性因素和机械性因素，生物性因素包括关节感染、金属过敏、关节僵硬等；动力性因素包括肌肉失平衡、动态外翻等；机械性因素包括假体装置位置不良、髌骨骨折、假体无菌性松动等。

2.1 关节内生物因素引起的TKA术后膝前疼痛

2.1.1 感染因素

感染应该是TKA术后膝前疼痛首先应考虑的病因，可通过临床症状和实验室检查来诊断，通常可通过C反应蛋白（CRP）、红细胞沉降率（ESR）、白细胞计数、微生物培养等指标来判断。其机制可能为感染引起的局部严重炎症反应，其产生的多种炎性介质如激肽类、三磷酸腺苷、5-羟色胺、组胺等均能直接或间接地改变感觉神经传入纤维膜离子通道的通透性，影响感觉纤维的代谢和兴奋性，从而改变感受器感受热和机械刺激所产生的疼痛的性质、强度和持续时间。

2.1.2 金属过敏

金属过敏与TKA术后膝前疼痛、反复发生的肿胀以及皮肤问题的关系越来越受关注。Rau等[6]报道，TKA术后金属过敏属于迟发型变态反应。人群中对镍的过敏率为4%～12%；铬和钴为1%～5%[6,7]。Niki等[8]调查的108例TKA术后患者中至少对一种金属过敏的发生率为26%。但是，金属高敏患者TKA术后疼痛以及反复发作的肿胀的发病率尚不明确。TKA术后疼痛发生时，当其他因素都被排除且有过敏疾病史、对之前用过的金属假体有过敏反应（如假牙）或者有过皮肤过敏反应的患者应该考虑金属过敏因素。诊断评估包括对镍、铬、钴等金属的皮肤斑点试验，但这些试验的可靠性并非100%[6]。因此，皮肤斑点试验是否有助于诊断患者对植入物过敏尚不确定。金属过敏所致疼痛的机制与感染相似，也与其炎症反应相关。

2.1.3 关节僵硬

关节僵硬以及关节纤维化的发生率为3%～60%[9,10]。关节僵硬的发病因素包括术后缺乏锻炼，感染，慢性局部疼痛，严重术后疼痛以及假体位置不良、假体过大、韧带不稳定、关节线升高等技术因素[11]。Zmistowski等[12]报道58.1%非再次翻修手术的患者与关节僵硬有关，平均于初次术后63 d进行麻醉下松解治疗，69%的麻醉下松解治疗在初次术后3个月内进行、97%在1年内。关节僵硬的疼痛机制与其所致僵硬的原因相关。

2.1.4 反复发作的关节血肿

反复发作的关节血肿的发生率为0.3%～1.6%，发病率虽低，但其是TKA后极易致残和致痛的因素[13,14]。复发性关节血肿平均发生于初次植入手术后24个月[13]，其出血因素可能与软组织碰撞相关，主要是增值性滑膜炎侵入了假体装置之间[15]。高血压、糖尿病、抗凝剂的使用、创伤、关节错位、假体不稳定或松动、色素绒毛结节性滑膜炎均可致患者发生关节血肿[15]。如果怀疑有滑膜病变或者软组织侵犯，以及假体松动或不稳定，可采用保守治疗、放射性滑膜切除术[16]、栓塞疗法[17]、关节镜滑膜切除术[18]等方法治疗。关节镜手术应请有经验的医师以避免损害假体。关节血肿造成的膝前疼痛的机制可能为血肿使关节腔压力增高，导致软骨下骨质和骨髓内神经受压出现，从而引起疼痛。

2.1.5 髌骨软骨溶解

非髌骨置换的软骨溶解是TKA术后存在的一个疼痛问题，尽管软骨溶解是进展性的关节退化的生物学问题，但是髌骨溶解和髌股关节疼痛常是机械性问题，比如植入假体的旋转不良。

2.2 功能性相关因素

TKA术中使用止血带可引起皮肤及肌肉的挤压性损伤、患肢远端静脉瘀血、组织缺氧水肿等，造成股四头肌、腓肠肌等缺血再灌注损伤[19]。止血带充放气过程可导致人体血流动力学和代谢的改变，给肢体造成一个缺血、充血的过程。放松止血带后患者肌酸激酶、乳酸脱氢酶呈短暂的升高过程，表明缺血及缺血后再灌注过程导致了骨骼肌的损伤缺血，并进一步加重患肢肿胀疼痛[20]。术前股四头肌肌力弱在TKA术后对膝关节的运动模式和运动能力有着重要的影响[21]。股四头肌不平衡、股内侧肌肌力弱时，骨外侧肌活动增加而导致外侧髌骨轨迹不良[22]。尽管股四头肌的肌力在TKA术后可以重新建立，但可能需要2年以上的时间才能达到术前情况，而手术肢体的股四头肌肌力能否达到对侧健康肢体的肌力，到现在为止依然不明确[23]。而股四头肌肌力不良将影响关节功能的康复，关节运动减少易导致关节僵硬，这又是一个致膝前疼痛的因素。

动态外翻也是一个相关的功能性因素，有膝关节炎的患者常伴有髋关节骨关节炎[24]。增加膝关节外展和外翻时，增加了前侧平面的负重，从而加重了膝前疼痛[25]。动态外翻因其导致外侧髌骨轨迹不良而影响髌股关节，而外侧髌骨轨迹不良又加重膝前疼痛[26]。功能性轨迹不良引起的动态外翻临床上可通过单脚蹲伏来检查[27]。许多患者在TKA术后表现为避免股四头肌用力的步伐，导致躯体代偿性向对侧倾斜，不利于股四头肌的锻炼和恢复，从而造成两侧造成肢体发展不平衡[28]。Tsuji等[29]报道少数患者伴有腰椎并存病，如腰椎前弯减弱导致骨盆倾斜度增加从而代偿性增加髌股关节压力而使膝关节弯曲增加，并把这种情况称为膝椎综合征，而并存有腰椎和髋部病变的患者在骨关节炎患者中并不少见。

2.3 机械性因素

TKA术后髌股问题的机械性因素可根据关节不稳定性是否增加、关节腔压力是否改变或肌肉力臂是否影响来确认。髌股关节不稳定因素有假体设计不当、低位髌骨、软骨溶解、股骨假体旋转的偏移误差、胫股关节不稳定、缺血性坏死和滑液增生，上述因素都可能导致患者TKA术后膝前疼痛以及膝关节功能缺陷。

机械性因素导致膝前疼痛的机制尚不明确，可能是由于关节负重时对关节囊、滑膜等产生机械刺激，导致神经肽产生增多引起。P物质（substance P,SP）一种很强的致痛物质，通过激活滑膜中的C类纤维，刺激巨噬细胞、中性粒细胞等，引起细胞吞噬、趋化作用以及血管的渗出，从而产生致炎、致痛的作用。此外，SP可与肥大细胞上的SP受体结合，使肥大细胞脱颗粒释放组织胺，而组织胺也是一种致痛物质，还能引起血管扩张、血浆外渗及炎性细胞浸润，导致局部充血水肿和关节腔的积液而加重疼痛。单核细胞受到SP刺激则产生白介素-1、肿瘤坏死因子（tumor necrosis factors,TNF）等细胞因子，从而刺激成纤维细胞产生胶原酶和蛋白酶，这些物质进入关节液后，将刺激滑膜和术梢神经而产生疼痛[30,31]。

2.3.1 髌股关节不稳定及轨迹不良

髌股关节不稳定是TKA术后膝前疼痛和功能限制的常见因素，常需翻修手术[32]。TKA术后髌股关节不稳定的翻修率为1%[33]。TKA术后髌股关节不稳定是指髌骨轨迹不良而不是指复发性关节脱位[34]。TKA术后发生关节脱位被认为是小概率事件。TKA术后大部分并发症都与由髌骨轨迹不良和不稳定造成的伸肌机械性问题导致，髌骨轨迹不良由假体位置不良、假体设计问题、髌骨准备不当以及软组织不平衡引起，髌股不稳定很有可能是由股骨或胫骨装置内旋不良导致[32]。

2.3.2 假体设计的影响

假体的设计也在髌股问题的发生中起重要作用，不仅髌股关节的设计对膝前疼痛有影响，股骨假体的旋转[35]、假体的链接角度都可能对髌股关节有影响。Becher等[36]报道，使关节后面稳定的假体设计比十字保留型假体设计导致的髌股关节压力要小，但最近有mate分析表示，两种设计之间未发现明显差别[37]。

2.3.3 低位髌骨

低位髌骨同样可以导致TKA术后膝前疼痛。低位髌骨在TKA或膝关节单髁置换术后的发生率低。Sharma等[38]调查了135例TKA患者，并测量其髌骨高度，只有1例诊断为低位髌骨，另有5例存在髌骨高度降低。膝关节单髁置换术后低位髌骨的危险因素有年龄＞65岁、男性和实施了特殊的康复治疗[39]。术后低位髌骨可以由胫骨结节上方的髌骨肌腱的疤痕挛缩造成。关节线升高可以导致低位髌骨的假象，也就是说髌骨位置正常，但髌骨与胫骨间的距离缩短。低位髌骨的假象可能是股骨或胫骨过多切除而镶嵌物过高的结果。低位髌骨对翻修过程是一个问题，因为在这些情况下，切除胫骨结节常需要暴露关节。

2.3.4 股骨假体的偏置差错

股骨假体朝前方偏离中心主要影响髌股关节的机械运动。股骨假体选择太大或者前部切除过少而装填过度可导致假体向前面突出，而这将增加髌骨以及其周围结构的压力。然而，增加前部切除也将导致髌股关节问题，在这种情况下，股四头肌无力可能是一个引起膝前疼痛的原因，增加后部偏置也会导致膝关节弯曲不良，从而影响髌股关节的接触压力。

2.3.5 股骨及胫骨假体旋转错误

大量研究表明，内旋股骨及胫骨假体可引起增加侧向倾斜角度以及髌骨偏侧性优势，有学者将不正确的股骨假体旋转视为TKA术后髌股关节并发症最重要的原因，即使内旋股骨假体3°～7°也可能导致慢性问题[40]。但胫骨假体旋转的错误可被耐受，当患者TKA术后膝前疼痛无别的原因时，可考虑用CT评估胫骨假体的旋转情况。

2.3.6 其他机械性因素

胫骨关节不稳定也是一个机械性因素，胫股关节后侧不稳定、特别是弯曲时，可影响髌股关节，因为后面关节半脱位增加了关节接触压力，弯曲不足的原因有胫骨倾斜增加、医源性因素、后部软组织损伤。膝关节在负荷下的局部疼痛可能预示着缺血性坏死或者暂时性缺血[43]。有症状的短暂性缺血坏死率低，而髓内血流与术后膝前疼痛不相干[44]。髌骨骨折是TKA术后极少发生的并发症，其发生率为6.8%[45]。当伸肌功能良好且髌骨植入物是稳定性骨折时可保守治疗。当伸肌功能不良时需手术干预，合并置换物松弛的骨折也需要手术处理。TKA术后而无髌骨置换的患者进展性软骨溶解可以导致髌骨疼痛。如上文所述，软骨溶解是生物性因素，也是一个机械性因素，软骨溶解可能是一个持续性的骨关节炎过程，但也可以是导致膝关节假体植入的机械性问题（如装置旋转不良）。此外，髌骨Clunk综合征、滑液增生侵入髌股关节也可造成机械性疼痛。

3 其他因素

除了上述因素外，其他许多因素也可引起TKA术后膝前疼痛，如手术技术因素、血管疾病、肌腱炎、反射性交感神经营养不良、颗粒引起的滑膜炎、异位骨化等，而仍有很多引起TKA术后疼痛的原因有待于今后研究的探索发现。探明疾病的病因和机制是治疗TKA术后膝前疼痛的首要条件，明确原因、围手术期加以预防、康复期加以指导锻炼，以利于患者的恢复。

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