单髁关节置换术后膝关节运动学研究现状

马路遥郭万首程立明

（1.北京大学医学部中日友好临床医学院，北京100029；2.中日友好医院骨科，北京100029）

单髁关节置换术后膝关节运动学研究现状

马路遥1郭万首2*程立明2

（1.北京大学医学部中日友好临床医学院，北京100029；2.中日友好医院骨科，北京100029）

当前对于严重的膝骨关节炎患者而言，全膝关节置换（totalknee arthroplasty,TKA）已成为一种标准的手术治疗方式。但是近些年来，单髁关节置换（unicompartmental knee arthroplasty,UKA）治疗单间室退行性骨关节炎（osteoarthritis,OA）的效果较前明显提高，内侧活动平台型设计假体（牛津膝，OUKA）的20年生存率可达到91%[1]。目前选择UKA还是TKA治疗单间室OA尚存争议[2]。尽管多数TKA可以取得很好的临床效果，但是研究表明TKA术后的运动学与正常健康膝关节不同，并且与假体设计及手术技术有关[3]，目前尚无一种TKA假体能够完全再现正常的膝关节运动学[4]。相比于TKA，UKA只改变膝关节的单个间室，而髌股关节及前交叉韧带（anterior cruciate ligament,ACL）、后交叉韧带（posterior cruciate ligament,PCL）等结构均得到保留，因此理论上认为UKA术后的运动学更接近于正常[5,6]。

1 胫股关节的运动学

膝关节包括胫股关节和髌股关节，我们通过胫骨和股骨的相对位移来了解胫股关节运动学。本文从以下几方面阐述胫股关节的运动学：股骨后滚及轴向旋转的体内运动学研究、股骨后滚及轴向旋转的体外运动学研究及其他影响胫股关节运动学的因素。

1.1 胫股关节股骨后滚及轴向旋转的体内运动学研究

1.1.1 正常膝关节的股骨后滚及轴向旋转：正常膝关节屈曲时，内侧髁在凹的胫骨平台上移动很小，而外侧髁在相对平坦的胫骨平台上向后滚动（roll-back），这种差异导致股骨围绕内侧髁的轴外旋，相对于胫骨来说则为内旋[7]。股骨后滚具有重要的生物力学意义：首先，可以通过延迟股骨后方与胫骨后方的接触来增加屈曲角度；其次，同时延长了伸膝装置的力臂，使股四头肌在屈膝位时有更好的效率。

1.1.2 TKA术后胫股关节的股骨后滚及轴向旋转：与正常膝关节相比，绝大多数TKA膝关节在屈曲时表现出股骨后滚减小[8-10]。Dennis等[10]通过总结70多个关于TKA运动学的研究（包括正常人和33种膝关节假体设计）来分析假体设计对于膝关节运动学的影响，其中811个膝关节在步态及深屈膝时的运动学数据均由X线技术获得，结果显示正常膝关节及保留ACL的膝关节表现出最大的股骨后滚，而出现屈曲时股骨髁反向前滑绝大多数为PCL保留型TKA；所有组别中运动学均具有变异性，只有55%的膝关节表现出以内侧为旋转中心的正常模式。

Dennis等[11]进行了一项包括1027个膝关节在内的大样本多中心研究，正常膝关节在深屈膝及行走中，胫骨相对于股骨内旋平均为16.5°和5.7°；而所有TKA组在深屈膝时，不论是内旋角度，还是正常旋转模式所占的比例均减小。在步态中，所有类型TKA均表现出相似的旋转模式，但是内旋角度均有所减小。对于大多数假体，深屈膝时胫骨平均内旋值是相似的，均＜4°；但是ACL保留型假体平均内旋为8.1°，更接近于正常膝关节。TKA术后至少19%的胫骨关节在深屈膝时会出现反向旋转，而在步态中，至少31%出现反向旋转。Meccia等[4]通过对120例TKA术后胫骨轴向旋转的度数进行分组研究，各组均包括多种假体设计（无论PCL保留与否、平台活动与否及ACL保留等假体均涉及），结果显示正常旋转模式比反向旋转在负荷状态下拥有更大屈膝角度（115°vs 109°,P=0.02），旋转＞3°的膝关节比≤3°的膝关节拥有更大的屈曲度（115°vs 107°,P＜0.001）。此结果与Dennis等[11]的研究结果类似。由此可见，正常轴向旋转模式可实现膝关节最大屈曲度。

1.1.3 UKA术后胫股关节的股骨后滚及轴向旋转：Mochizuki等[12]通过对比UKA术前与术后负荷下蹲时（屈曲10°～100°）的胫股关节运动学得出结论认为，UKA术后胫骨旋转及股骨后滚模式均与术前相似，并且与其之前用同样方法研究正常膝关节得到的结果相似[13]，但胫骨最大旋转值及股骨外髁后滚均较术前有所减小，认为有很多因素影响这种运动学的变化，包括手术技术、OA程度及术后的恢复等。之后，Mochizuki等[6]通过更接近于膝关节屈曲轴的股骨上

髁轴代替上述研究中使用的内外髁几何中心连线来评估UKA术后的运动学时发现，UKA术后的胫骨旋转与术前相比有减小的趋势，但无统计学差异，股骨内侧髁相对于胫骨的位置及活动均与术前相似，而外侧髁则表现出股骨后滚减小，认为UKA术后运动学并不能完全恢复正常，而是更接近于OA膝，这种运动学改变可能是膝关节OA的病理学改变引起的。而UKA术前的膝关节运动学更接近于OA膝，表现为胫骨旋转及股骨后滚的减小[14]。

Hanson等[15,16]的研究发现，UKA术后和TKA术后负荷屈曲最大时胫骨内旋平均为13.2°和6°，显然UKA较TKA更接近于正常值。TKA术后膝关节运动学异常模式（包括胫骨反向旋转和股骨外侧髁反向前滑）的报道较常见[4,10,11]，而UKA术后出现异常运动模式的报道很少。据此推断，在体内研究中，UKA术后并不能完全恢复正常膝关节运动学，但与TKA相比仍具有优势。

1.2 胫股关节股骨后滚及轴向旋转的体外运动学研究

Heyse等[17]的体外研究发现，不加负荷的被动伸屈时，UKA的股骨后滚模式与正常膝关节十分相似；然而在增加负荷的模拟下蹲运动时，UKA组股骨外侧髁后滚与正常位置相同，而内侧髁相比于正常位置更加靠后，使胫骨内旋值相对减小。Allaire等[18]的研究发现，内侧半月板根部撕裂或全切的膝关节在屈曲时胫骨内旋减小，同样发现股骨内侧髁屈曲时更加靠后，对撕裂进行修补后发现膝关节运动学又恢复正常。Heyse等[17]认为失去了稳定性及适配性更好的楔形生理半月板引起胫骨在屈曲时内旋减小，这在负荷较大的下蹲活动中更明显。被动伸屈时，UKA所留存的膝关节结构提供了足够的稳定性来维持正常膝关节运动学。Suggs等[19]的研究发现，加入负荷的UKA膝股骨前后稳定性与正常膝相同，而屈曲时胫骨内旋减小。Becker等[20]研究认为，正常膝在所有屈曲角度的前后位移及旋转稳定性均在UKA中得以保留（无论固定半月板还是活动半月板）。这些研究均与Heyse等[17]的研究结果相似。Patil等[5]通过对比UKA及TKA术后的运动学（胫骨内旋及股骨后滚）得出结论认为，TKA明显改变了膝关节的运动学，而UKA则保留了正常的膝关节运动学。因此在体外研究中，相比TKA，UKA的术后运动学更接近于正常膝关节。

1.3 其他影响胫股关节运动学的因素

1.3.1 膝关节的“伸直锁定”：在膝关节伸膝接近终点时（大约屈曲20°），膝关节的继续伸展伴随着股骨髁相对于胫骨平台的内旋，至膝关节完全伸直，这种伸屈与轴向旋转必不可少的复合称为“伸直锁定”（screw home）。尽管“伸直锁定”时的轴向旋转可能只有5°，但仍有重要的生物力学意义。“伸直锁定”后的膝关节能够获得充分的稳定而无需股四头肌更多的作用，这对于长期有效的站立十分重要。TKA术后的患者并未表现出这种机制，这种差异无论是在体内研究或者是体外测试均可观察到[8]。这可能与关节几何学及韧带结构的改变有关[9]。在正常关节的伸直终末段，ACL对胫骨施加的转力矩实现胫骨外旋[8]。绝大多数的TKA选择牺牲ACL[21]，导致“伸直锁定”机制的丧失，而UKA保留了完整的ACL，因此保留了这种机制。

1.3.2 膝关节的髌腱角（patellar tendon angle,PTA）：PTA是指矢状面上髌韧带与胫骨长轴的夹角，是评估胫股关节及髌股关节运动学的良好指标，并且与胫股关节及髌股关节接触压有关[22]，其主要取决于股骨和胫骨表面几何学及髌骨表面和股骨滑车沟之间的相关作用，髌股关节的异常（例如厚的髌骨或浅的滑车沟）引起PTA稍增大，而PTA的主要异常可能是由于股骨和胫骨之间的关系，股骨相对于胫骨前移会增加PTA，而股骨后移则会减小PTA。Hollinghurst等[23]把UKA术后10年的膝关节运动学分别与平均术后3.8年的膝关节及正常膝关节运动学进行对比发现，两组术后的膝关节PTA与正常相比均无明显差别。Pandit等[22]通过对比不同假体TKA术后1年与正常膝关节在不同活动时的PTA发现，正常膝关节PTA在完全伸直时最大，呈线性减小至最大屈曲；而不同TKA组PTA均与正常膝关节有显著差异，PTA降低的曲线较平坦，说明随着膝关节屈曲，TKA术后的膝关节PTA变化是有限的，这与股骨后滚的减少是相对应的。Price等[24]的研究结果显示，OUKA术后PTA保持正常，而TKA则变化明显。其他关于UKA术后PTA的研究结果均有相似的结果[25,26]。因此通过PTA来评估关节置换术后运动学时，UKA明显优于TKA。

1.3.3 交叉韧带对膝关节术后运动学的影响：ACL的完整性对UKA至关重要，ACL的缺乏可以引起UKA不能接受的早期失败率[27]。联合ACL重建的UKA依然可以获得很好的膝关节运动学[28]。Dennis等[10,11]的研究中，ACL保留的TKA较其他假体设计具有更好的膝关节运动学。一些其他研究也报道了ACL保

留的TKA较其他类型TKA具有运动学优势[29-31]。但这种保留ACL的TKA并未很好地流行，考虑可能与其对交叉韧带完整性的要求更高及手术技术更复杂有关[31]。为了获得更接近于正常的膝关节运动学，甚至出现了双交叉韧带替代型TKA，但是这种假体的运动学并不是正常的，而是在追求正常膝关节运动学的道路上又向前迈进了一步[29,30]。这种假体在下跪时的屈曲度堪比目前报道的最佳临床结果，说明在运动学上越接近正常，越能获得更好的临床结果。因此，ACL对维持膝关节运动学至关重要。

PCL对于股骨后滚起着重要的作用，切除PCL的TKA可能会引起股骨后滚的减小，切除PCL后由于凸轮-立柱（cam-spine）装置的引入只可以相对增加股骨的后滚。然而PCL保留型TKA并未完全重建膝关节的生理后滚，可能是由于软组织平衡及假体的限制等阻碍了PCL发挥正常的功能[8]。关于PCL的处理争论已久[32]。支持后稳定型假体（PS-TKA）的学者认为PCL在膝关节骨关节炎的发展中可能已经受累，从而消弱它的功能，影响膝关节运动学及临床结果。而支持保留PCL假体（CR-TKA）的学者强调了本体感觉和恢复正常膝关节运动学的重要性，并且指出凸轮-立柱机制来替代交叉韧带的功能可能会带来一些危害[21]。Seon等[33]的研究表明，CR-TKA患者与正常膝关节相比会出现异常的股骨髁前滑，这种前滑可能会导致膝关节后方的撞击，从而减少膝关节屈曲度，同时会减小股四头肌力矩，降低股四头肌效率。因此与CR-TKA相比，PS-TKA表现出股骨外侧髁更大的后滚（但是小于正常的膝关节）和更好的活动范围（ROM）[10,11,32-34]。虽然PS-TKA假体中凸轮装置的引入可以有效地阻止股骨髁在屈曲过程中的反向前滑，但是轻微的前滑仍有可能发生[35,36]。UKA保留了完整的ACL及PCL，因此相比大多数TKA假体具有运动学优势。

2 髌股关节

正常髌股关节涉及复杂的生物力学，而TKA术后髌股关节并发症是最常见的问题之一[37,38]。TKA对于髌骨的处理一直存在争议，髌骨置换时假体的选择有很多种，包括圆顶型、解剖型和活动型等，股骨假体也通常分为解剖型和非解剖型，但是没有一种选择可以恢复正常髌股关节运动学[39]。TKA术后髌股关节接触面积的减小会使其接触压增大，同时髌骨假体相比于正常膝关节呈现出复杂的三维运动模式改变[39]。Price等[38]通过研究UKA和TKA对髌股关节运动学的影响发现，UKA术后活动时的髌骨伸屈、倾斜与旋转均与正常膝关节十分接近，显示了正常的髌骨轨迹。而TKA术后髌骨的倾斜和旋转均变化明显，即使在大部分屈曲度时髌骨的屈曲都保持正常，但是在髌骨由股骨髁转到滑车关节时出现明显的髌骨屈曲减小，说明髌骨未能顺利地滑向滑车。因此，UKA术后的髌股关节运动学明显优于TKA，这也解释了为什么UKA术后髌股关节并发症很低。

综上，UKA术后膝关节运动学虽然可能并未完全恢复正常，但是其只改变了单侧间室，更多韧带及结构的保留使其无论是胫股关节还是髌股关节运动学均比TKA更接近于正常。运动学上越接近于正常，临床效果可能越好，因此UKA对于具有单髁置换适应证的患者是更佳的选择。

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2095-9958（2015）02-0 097-04

10.3969/j.issn.2095-9958.2015.01-019

*通信作者：郭万首，E-mail:guowanshou@263.net