膝关节假体的基本设计理念及设计特点

1.膝关节假体的基本设计理念 

  1973年 ，Insall等设计的全髁假体标志着全膝关节置换术进入了一个新纪元。Insall等提出了机械力学原理优先于解剖学角度复制的理念。其主要的设计理念包括：

1、重建下肢机械轴并垂直于关节现而不是3°内翻；

2、将膝关节的负重中心置于关节中央而不是内翻；

3、股骨-胫骨较高的曲率匹配减少接触压； 

4、后稳定设计；

5、柱-轮结构提供股骨后滚； 

通过中央柱和股骨槽的不同匹配度获得不同的限制级别。

其20年的优良随访结果是对其设计理念的最好佐证。（图1）随着生物力学、膝关节运动学以及假体工程学研究方法的进步，现代的假体设计已经不再仅仅基于传统力学和解剖学研究 的基础，计算机技术的发展使我们可以更深入地模拟各种不同设计的假体置换后的运动学状态，使设计效率大大提高。因而，许多人工关节的专业公司纷纷推出更合理设计的假体。一方面，临床医生有了更多的选择，但另一方面，面对品种繁杂的膝关节系统，如何选择也成为困扰临床医生的难题。因此，深刻地理解人工膝关节假体的设计理念和了解你所选择的假体系统的原理，特点和使用中的注意事项是获得临床成功的基础。

 

图1：全髁假体及术后18年X线片

2.膝关节假体的设计特点

2.1 股骨髁部件与胫骨聚乙烯部件的对应关系

2.1.1 曲率匹配度

匹配度是衡量关节面对应关系的重要参数，匹配度越高，关节接触面越大，关节接触压越小，理论上摩擦也越小。单高匹配度将带来高限制性，在膝关节的多维运动中应力将向假体与骨的界面转移，造成松动机会加大。因此，需要在匹配度和限制性这一对矛盾中寻求一个平衡点，以适当的较高的匹配度来减少摩擦，同时又能给股骨部件在胫骨关节面上一定的自由度包括后滚。匹配度的变化是通过胫骨平台垫片的曲率变化来调节的。（图2）

图2：胫骨平台垫片的曲率变化

2.1.2 冠状面的几何形状

以往的轮-平面设计会造成点接触而增大局部磨损，而平面-平面设计在侧翻时会造成边缘撞击而摒弃。目前绝大多数膝关节系统采用内外侧髁两个独立的轮-碟形状，个别的假体在冠状面上以单一半径设计以期获得更高的匹配度和自由度。（图3）

图3：冠状面独立半径与单一半径设计

2.1.3矢状面的几何形状 

矢状面的几何形状是假体设计的核心之一。目前股骨部件的假体设计中主流的观点仍然是基于瞬时运动轴心理论的多半径设计，即在股骨后髁部分半径变小，但另一观点在经双上髁轴为假想固定旋转轴的设计思想指导下将股骨髁部件设计成单一半径，这一设计思想仍有待于临床结果的验证。（图4）

图4：矢状面单一半径与多半径设计

同时，某些假体设计中通过将股骨后髁加厚并延长以期使假体在高屈曲时避免产生对胫骨关节面的“挖掘”（digging）作用。但应该指出的是，使用高屈曲型假体并不意味着一定可以获得高屈曲度，只是在通过手术技术和良好的康复前提下，患膝高屈曲至150°时假体系统仍能获得良好的机械支持。（图5）

图5：假体侧方后滚使得胫股关节在高屈曲时仍维持高形合度

胫骨聚乙烯关节面的矢状面上，多为碟形与股骨髁部件匹配。但不同的假体设计的前后唇的高度也决定了假体在前后方向的限制程度，某些假体系统通过增高前后唇获得前后方向的稳定。（图6、图7）

图6：胫骨平台垫片前唇加高设计

图7：矢状面剖面图

未完待续，精彩内容请详见下期“关节资讯”