人工膝关节置换术发展现状

马涛 郝林杰 张育民 宋伟 程辉光 李坤

[摘要] 膝关节置换术已经发展较为成熟，是目前针对保守治疗无效的膝关节类疾病患者的主要临床治疗手段，取得了较好的临床疗效。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，总结和探讨了膝关节假体类型和固定方式的研究进展，并阐述了常见膝關节置换术后并发症，以供国内外同行借鉴。

[关键词] 全膝关节置换术;膝关节假体;手术疗效;并发症

[中图分类号] R687          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-9701（2018）36-0160-05

[Abstract] Knee arthroplasty has developed more mature， which is the main clinical treatment for patients with knee joint diseases that are ineffective for conservative treatment， and has achieved good clinical results. This article summarizes some recent advances in knee arthroplasty at home and abroad， the research progress of knee prosthesis types and fixation methods were summarized and discussed， and expounds the complications of common knee arthroplasty for reference by domestic and foreign counterparts.

[Key words] Total knee arthroplasty; Knee joint prosthesis; Surgical efficacy; Complications

自全膝关节置换术应用于临床以来，已成为公认的治疗膝关节骨性关节炎、类风湿性关节炎等疾病终末期患者的最佳选择。而膝关节是人体解剖结构复杂、对运动功能要求极高的关节，其运动模式复杂[1]，因此，对于膝关节假体的设计提出了很高的要求。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，已经逐渐成为膝关节置换术中不可忽视的重点话题之一。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并发症等方面，以供国内外同行借鉴。

1 膝关节假体材料

膝关节假体使用的材料基本上是从髋关节假体演变而来，只是在假体材料的细微组成和加工工艺上有所改进，除了材料磨损特性及固定方式外，膝关节假体的设计更多的考虑了力学与运动学参数，术后下肢力线以及软组织平衡状况均对膝关节长期效果尤为重要。早期的人工关节是用不锈钢制造的，但因不锈钢的耐腐蚀性和强度不如钴合金与钛合金，已逐渐被后两者所替代，而钴合金和超高分子聚乙烯组成的假体仍是膝关节材料的“金标准”[2]。钴合金是钴基合金，其耐磨性、耐腐蚀性和综合机械性能均较好，但钴、铬等金属离子存在肾毒性及致癌性风险。钛合金弹性模量与人骨的弹性模量较接近，具有良好的生物相容性、强度和耐腐蚀性，但钛合金耐磨性较差，与人体体液长期接触会产生黑水现象。为了提高膝关节金属材料摩擦界面的抗磨损能力，表面改性处理技术成为主要手段，其目的主要在于提高材料的润滑性能，降低摩擦系数。目前主要生产技术包括：表面氧化钛性处理、氧化锆性处理、聚氨酯化处理和水凝胶性处理等表面改性方法[3]。随着材料技术的发展，普通聚乙烯材料逐渐被超高分子量聚乙烯替代，而通过γ射线或电子束的照射处理以及添加维生素E等措施可以明显提高交联度，进一步提高材料抗氧化性和耐磨性。

2 膝关节假体固定方式

膝关节假体的固定方式主要有骨水泥固定与生物固定。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，与非骨水泥固定假体相比，骨水泥固定不易发生假体微移动，固定作用是通过大块充填和微观的机械交锁实现，其显著的特点是假体可以获得即刻的固定，固定优点在于骨水泥向骨小梁中的渗透，松质骨得到加固后可以更好地承受形变，使假体与骨之间的应力分布均匀，不良应力减小，避免应力集中。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，所以非骨水泥型全膝关节置换术在适应人群上有所不同，它适合于年龄较轻、骨质条件较好且无明显骨质缺损的患者。使用生物固定假体时，术中要求更为精确的截骨，若截骨有偏差，骨与假体界面存在缝隙，必然影响假体的初始稳定性及后期骨长入，因此，使用这种假体对局部骨骼质量、术者的手术技术要求高。

有研究对1997～2003年芬兰关节登记系统32 000例全膝关节置换术（total knee arthoplasty，TKA）手术，3%属于生物固定，6%属于混合固定[4]。Sibanda N等[5]报道在英国非骨水泥固定TKA大约占8%，术后3年骨水泥固定TKA翻修率为1.45%，非骨水泥固定为1.5%，两者没有显著差异。由于膝关节周围缺乏强健肌肉、韧带等保护，其初始固定比较重要，所以目前仍以骨水泥固定为主。虽然目前缺乏长期、高质量的对比研究，但是，相信随着生物固定界面材料比如骨小梁样金属（trabecular metal，TM）和羟基磷灰石（hydroxyapatite，HAP）的发展，生物固定方式可能会逐渐增多，尤其是对于较年轻及活动量大的TKA患者[6]。

3 膝关节假体类型

3.1后稳定型与后交叉韧带保留型膝关节假体

根据术中是否保留后交叉韧带而将膝关节假体分为后稳定型（posterior-substituting，PS）与后交叉韧带保留型（cruciate-retaining，CR）假体，其均已在临床上应用超过20年，有学者认为使用CR假体可以保留更多骨质及交叉韧带本体感觉，更接近生理的膝关节运动学，膝关节屈曲时满足股骨髁后滚要求，能够提供足够的稳定性并且可以防止胫骨前移[7，8]。但是由于仍然缺乏前交叉韧带，在股骨髁滚动时存在滑动的现象，会增加胫骨聚乙烯垫片的接触应力，加剧磨损[9]。PS假体使用了金属衬托的胫骨平台，允许股骨髁在膝关节屈曲过程中在胫骨平台上后滚，不仅增加活动度，而且限制了股骨前移增加稳定度。其手术技术难度低，更容易操作掌握，假体界面更稳定[10，11]。不足之处在于易出现胫骨平台衬垫背面磨损，存在潜在过伸位撞击问题，导致髌骨沉闷综合征（patellar clunk syndrome）[12]。

目前，大多数文献认为两者总体效果无明显差异。Bolanos AA等[13]对14例双膝分别使用PS及CR假体的关节置换的患者进行随访，在98个月的随访期内未发现双膝在功能、股四头肌及腿后群肌肉肌力、步态、活动度等方面的差异。而Lozano-Calderón SA等[14]的一项前瞻性研究發现PS及CR假体术后2年疼痛、功能、假体生存率无明显差异，但PS假体组术后活动度稍较CR组平均高约5°，另外也发现PS假体组发生伤口血肿的概率稍高，但感染率未见差异。Arabori M等[15]对20例双膝分别使用CR及PS假体的关节置换患者进行随访，分析双膝运动学差异，发现PS假体在负重及屈膝情况下更稳定，未见股骨前移，而CR假体在负重情况下屈膝30°～60°时有前移的倾向，表明虽然保留了PCL，但是可能并未发挥较大作用。同时也发现PS假体较CR假体置换术后膝关节活动度大。Schnurr C等[16]通过对50例使用PS假体的膝关节术前术后屈伸间隙进行测量，发现在去除PCL后会增大屈曲间隙，而伸直间隙保持不变，这可能是PS假体较CR假体置换术后ROM大的原因之一。关于保留和不保留后交叉韧带的争论仍将继续。

3.2 固定平台与旋转平台膝关节假体

根据胫骨侧假体是否具有旋转功能，将膝关节假体分为固定平台与旋转平台两种类型。最早的旋转平台膝关节假体为出现于1976年由Goodfellow和Ocornor的牛津膝关节[17]，随后又出现了LCS、MMK、TACK、MBK等假体。旋转平台假体设计遵循“自然膝”的理念，最大限度增大股骨与胫骨假体间形合度，同时聚乙烯垫片在胫骨平台上旋转活动，分散平台界面之间的应力，减少聚乙烯垫片的磨损和假体的松动[18]。

目前对旋转平台假体疗效是否优于固定平台假体学术界仍存在争议[19]。Bhan S等[20]对32例术前双膝活动度无差异的患者进行膝关节置换术，一侧植入固定平台假体，另一侧植入旋转平台假体，经过平均6年随访，未发现旋转平台假体在术后活动度、KSS评分、患者的主观偏好及髌股并发症发生率有差异，但是旋转平台假体发生脱位1例，需要早期翻修，提示旋转平台半脱位或者脱位可能是早期翻修的一个重要原因。Jacobs W等[21]从Medline（1966～2002年）及现刊目录（1996～2002年）搜索关于固定平台及旋转平台的随机对照研究或者临床对照研究文献，包括其参考文献中的类似文献，进行Meta分析后同样未发现有证据表明两种类型假体中任何一种在术后活动度及功能方面的优势性。Kim Y-H等[22]对108例平均年龄45岁且最大年龄不超过51岁的患者双膝分别行固定平台及旋转平台膝关节置换进行前瞻性研究，平均随访16.8年，假体存活率均超过95%，未发现两种类型假体在活动度及功能方面的差异，但未发现旋转平台假体半脱位及脱位发生，旋转平台型假体对手术要求较固定平台型假体高，提示脱位可能与术者手术技术有一定关系。国外学者进行两种类型假体的术后步态分析同样也未发现差异[23]。

虽然旋转平台在理论上更适合膝关节的生物力学，但是在临床上对于年轻患者或者年长患者均未发现其中、长期疗效的优越性。目前，固定平台型假体10～15 年的生存率达90% 以上[21，22]，技术已经比较成熟，而旋转平台型假体存在脱位的风险，且手术技术要求更高[24]，对于初学者可能使用固定平台更好，在获得相似的术后效果的同时，有较低的风险。另外，有学者提出旋转平台型假体增加了一个磨损界面，手术技术要求较高，并且随着术后时间的延长及磨损的发生，其“半月板”是否能够真正运动令人产生疑问[25]。因此，对旋转平台假体与固定平台假体学之间的争议仍将持续下去。

4 膝关节单髁置换术

单髁置换术（Unicompartmental knee arthroplasty，UKA）始于20世纪70年代，适用于膝关节单间室的骨关节病变，能够明显缓解疼痛，改善功能。早期UKA由于术后早期效果差、假体失败率高，难以大范围推广使用[26]。近年来由于关节假体设计和手术器械的改进、微创技术的应用以及手术适应证的严格把握，UKA手术逐渐增多[27]，有学者报道其术后10年假体生存率可以达到94%[28]。

UKA最适用于年龄在60岁以上且活动量不多的非肥胖老年OA患者，其无夜间休息痛，膝关节活动度在90°左右，屈曲挛缩不超过5°，成角畸形不超过15°，并能够被动矫正。对于ACL缺失或者既往有关节不稳史的患者不推荐UKA，因为可能会加剧术后关节的磨损。虽然发现60岁以下患者UKA长期累积失败率高于60岁以上患者，但是，由于其创伤小、费用低、发生并发症概率低、恢复快等诸多优点，也有学者应用于更年轻的人群作为初次膝关节置换的首选[29]。

由于单间室病变大多位于内侧，所以内髁膝关节置换占UKA绝大多数，外髁置换只占约5%～10%[30]。由于内外侧间室解剖及生物力学的不同，内外髁关节置换假体及手术原则并不完全相同，而内侧UKA对手术技术的要求较外侧UKA更高[31]。早期内侧间室置换术成功率稍高于外侧置换，但随着新的假体出现及技术的发展，现阶段两者长期结果及翻修率相似。

相比于TKA手术，UKA切口小，创伤小，切除骨质少，保留了交叉韧带、髌股关节、内侧胫股关节及半月板等软骨组织，康复时间短，较好的保留了膝关节运动功能及本体感觉[32]。另外，失败的UKA较容易翻修为TKA，推迟初次TKA的时间十年以上，避免了初次TKA后复杂的翻修手术[33]。但UKA对手术技术要求较高，假体位置安放不正确将导致严重的磨损，甚至胫股半脱位。

目前，临床上对于UKA的远期效果仍存在争议。Griffin T等[34]对2004年之前关于UKA、TKA、胫骨高位截骨术（high tibial osteotomy，HTO）的文献进行荟萃分析，发现UKA关节活动度优于TKA，术后总体并发症发生率低于HTO，与TKA相似，但TKA容易发生下肢静脉血栓，术后5年关节功能和疼痛情况与TKA、HTO相似，术后10年UKA假体生存率为85%～95%，TKA在90%以上，HTO成功率低于85%，UKA总体疗效与TKA相近，优于HTO。但是，一项来自于对芬兰关节登记系统27年间的初次UKA和初次TKA数据对比分析的研究发现UKA的成功率低于TKA，UKA的术后5年、10年、15年Kaplan-Meier生存率分别为89.4%、80.6%、69.6%，TKA分别为96.3%、93.3%、88.7%，但是，由于把握適应证、假体类型、患者人口统计学特征等的不同，结果可能存在偏倚[35]。目前，仍然缺少关于初次UKA与TKA疗效对比的高质量RCT试验以及初次UKA翻修为TKA后其成功率的报道。

5 高屈曲型膝关节假体

术后关节活动度是评价TKA手术的一个重要指标。大多数传统膝关节置换术后患者屈膝程度不超过110°～120°。高屈曲度假体相对传统假体有更大股骨后髁的面积和屈曲弧，理论上可使膝关节置换术后达到较大的关节活动度[36]，并且在屈曲120°～150°范围内假体依然保持面-面接触，减少了膝关节极度屈曲时的假体磨损[37]。

但是，术后关节活动度不仅仅取决于假体本身，也与患者性别、BMI、病因、膝关节既往手术史、术前屈曲程度、伸膝装置的有效性、髌股关节的情况、术中假体位置的安放、屈伸间隙、骨赘去除情况、术者的手术技巧以及术后康复等密切相关[38，39]，所以假体的设计不是决定术后膝关节屈曲程度的唯一因素。

目前，大多数研究发现高屈曲假体未能提供较高的术后关节屈曲度，与传统的膝关节置换效果相似[40，41]。但是，在某些患者群体中疗效良好，提示对于高屈曲型TKA应严格把握手术的适应证及患者的选择，同时也要求术者有精良的手术技术。

有研究发现高屈曲型膝关节假体置换术后早期股骨侧假体发生松动概率升高[42，43]，也有研究指出当高屈曲型假体置换术使用较厚的胫骨衬垫（>14 mm）时会明显增大术后假体翻修的风险[44]。但是也有文献报道未发现术后早、中期无菌性松动的证据[45，46]。有学者提出高屈曲型假体置换术后患者深屈曲时会增加患膝髌股关节及假体关节面的压力，可能加剧磨损，导致假体早期失败[9]。另外，由于手术去除较多骨质，对假体的二次翻修可能会带来不便。

6 膝关节置换术后并发症

虽然人工关节置换术成功率越来越高，但是仍有许多问题存在，比如因为骨溶解导致的无菌性松动，尤其是对于活动量较多的年轻患者更为明显。目前，下肢深静脉血栓和肺栓塞、伤口愈合不良、假体周围感染、假体周围骨折、关节僵硬、无菌性松动等是膝关节关节置换术后的常见并发症。

虽然随着材料学的发展及术者手术技术的不断提高，初次膝关节置换失败率在不断降低，但随着关节置换总体数量的不断增长，关节翻修术的绝对数量也在增加。与初次置换相比较，关节翻修术手术难度大，持续时间长，出血量大，感染风险高，对术者手术技术要求更高，而翻修术的效果都比初次置换术差。目前，膝关节假体失败翻修的原因主要为假体周围骨溶解、假体松动、感染、假体周围骨折等。而在我国感染仍然是导致TKA后失败翻修的最主要原因。

7 临床展望

自膝关节置换术应用于临床以来，成为公认的治疗保守无效的膝关节类疾病患者的最佳措施。人工膝关节置换术经过几十年的不断发展，在材料选择、假体设计、手术技术等方面均取得了长足的进步和发展。随着人们对生活质量要求的不断提高以及科学技术的不断发展，个体化定制假体将成为未来的发展趋势，同时，不断提高假体的使用寿命和术后疗效、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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（收稿日期：2018-10-12）