作者：周一新,郭万首
出版社：人民卫生出版社
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部分膝关节置换术试读：
前言
部分膝关节置换术在国内呈快速发展趋势。一方面，它填补了全膝关节置换术和非置换治疗之间的空白地带；另一方面，部分膝关节置换术可能带来新的并发症和问题。然而，目前尚无由国内大型关节中心编写的相关书籍来系统介绍这一类手术，同道们不由得时有抱憾。本书的编者们，是国内部分膝关节置换术的先锋，他们在内侧单髁、外侧单髁、髌股关节置换、双间室置换和单间室骨关节炎的非置换手术治疗等方面均积累了丰富的临床经验，对这一手术的优劣也有深入地理解和思考，愿与国内同道们分享，以期共同提高。
本书的宗旨在于：介绍和推广合理的适应证选择、规范的手术操作和更为优化的病人管理，促进和提高部分膝关节置换术的疗效、降低其并发症的发生率，从而最终让更多膝关节骨关节炎病人从中受益。
在编写本书时，我们尽力全面介绍部分膝关节置换术相关的基本理念、国际专家共识和最新研究成果，在保证内容的广度、深度和新颖程度的同时，尽量避免武断和偏见，力求给读者们呈现客观中立而且有理有据的内容。
在内容上，本书首先介绍膝关节部分置换术的历史、假体设计理念、适应证选择及其替代手术方案。随着单髁置换术的推广，严格把握单髁置换的适应证是保证广大病人疗效的关键。本书不仅介绍了单髁置换术的经典适应证，还就目前国际上争论的热点问题——单髁置换术中的髌股关节问题，分别提供了北京积水潭医院和中日友好医院的经验。因为单髁置换术的失败及很多并发症的出现与手术技术密切相关，所以规范实施这一手术也是保证其疗效的重要手段，因此，本书重点介绍了内侧单髁置换和外侧单髁置换的外科技术。在第六章和第七章中分别介绍髌股关节置换术和双间室置换术，这是大部分书籍中未涉及的内容，较为新颖。髌股关节置换术和双间室置换术的临床实践，在本书中将与广大读者分享其大量宝贵的经验。本书还介绍了单间室置换术后失败的评估和处理，以及单间室置换术的围术期管理。这些内容大部分来自于编者的临床经验和循证医学证据，可以为部分膝关节置换术“保驾护航”。在本书的最后一章，特意邀请了陈继营主任介绍国内机器人辅助下行单髁置换术的宝贵经验，与时俱进。
本书适用于矫形骨科或关节外科专科医生、综合骨科医生、骨科研究生、骨科进修医生等广大专业读者。
作者们希望本书能够给同道们以最大的启发和帮助。但由于经验、学识均有限，如果存在不足之处，恳请读者不吝批评指正。周一新 郭万首2018年1月第一章 部分膝关节置换的历史与展望
膝关节单髁置换术（unicompartmental knee arthroplasty，UKA）从理念、假体结构、形态、材料及操作器械到对膝骨关节炎病理类型的认识、手术指征、疗效及UKA的普遍性方面，都发生了深刻的变化。目前，在人工膝关节置换术中，全膝关节成形术（total knee arthroplasty，TKA）仍然占据主导地位，但是，近几年来，UKA已显示出比TKA快得多的发展速度。一、起源
骨关节炎是中老年膝关节疼痛及功能障碍中最主要的原因，也是人工膝关节置换术的主要适应证。在人工关节置换术的早期，有两个手术成为日后经典UKA的雏形。一个是治疗膝关节双侧间室病变的膝关节双间室关节置换术，该手术应用的是两个非连接的单间室假体，其向两方面演变，一方面演变为日后经典的TKA，另一方面演变为日后经典的UKA。另一个是治疗膝关节单间室病变的单间室半关节置换术，该手术应用的是膝关节间隔器（interpositional devices，iPDs）。在人工膝关节成形术的初期，就已注意到膝关节骨关节炎通常局限于单间室。基于这一认识，Mckeever设计了可放置在股胫间室的金属假体（即金属间隔器）治疗膝关节单间室病变。这一金属间隔器，一方面是日后经典UKA假体的前身，另一方面，发展为一类与全膝关节置换假体、单间室膝关节置换假体并行的治疗膝关节骨关节炎的半关节置换假体-新型膝关节间隔器。二、发展（一）部分膝关节置换实践的开拓者Mckeever和MacIntosh
在20世纪50年代，Mckeever提出了膝关节单间室关节的一侧置换（即半关节置换）的理论。紧接着，Mckeever和MacIntosh介绍了一款仅进行单间室中胫骨平台表面置换的金属胫骨假体。Mckeever和MacIntosh设计的该款假体提供了半关节置换术的知识和临床基础。
间隔器的概念有更长的历史，它的起源历史几乎有150年，首先由Verneuil提出，也就是在胫骨股骨间室放置间隔物，减少磨损防止粘连。经过许多年，尝试过使用不同材料，从1918年铬处理的猪膀胱到1940年的钴铬钼合金。1960年McKeever设计了可放置在股胫间室的金属假体，它被固定于胫骨平台。MacIntosh不久后改良了设计，20世纪50~60年代，Mckeever和MacIntosh将金属半关节置换引入骨科实践。两种假体固定的方式不同。McKeever假体配有一个龙骨脊，插入到胫骨可用来提供机械固定。相比之下，MacIntosh假体是平放在胫骨平台上，依靠侧副韧带的牵张来维持稳定，没有额外的固定。假体顶部具有圆形的边缘，下表面是具有多齿的平面以保证匹配和稳定。正如MacIntosh和Hanter所描述的，“半关节置换术是通过植入合适大小和厚度的胫骨平台假体重建磨损的关节，恢复膝的正常稳定性，缓解疼痛，改善功能和步态，并矫正内翻和外翻畸形。尽管站立时存在内外翻畸形，但侧副韧带通常保持其长度，通过放入足够厚度的假体，可以矫正畸形，保持稳定并撑开松弛的侧副韧带。”
以上两种假体早期的经验报告不乏令人满意的结果，但是一直伴随着高并发症率和难以接受的较差的关节功能。同时，由于TKA的效果越来越突出，做单间室关节置换术的越来越少，在一些国家几乎消失了。随着三间室人工关节置换术的推广，总体观点认为膝关节骨关节炎犹如髋关节，是全关节性疾病，因而需要全关节表面的置换。然而，Ahlback在20世纪60年代所做的纵向研究揭示，单间室骨关节炎并不必然发展到膝关节的其余部分。20世纪70年代及80年代所发表的大量的尸体研究发现，中老年普遍存在膝关节某些部位软骨缺损，这意味着软骨缺损并不必然影响膝关节的功能，挑战了当时认为是常识的“成功的关节成形术需要置换所有关节表面”的观点。（二）桥接UKA雏形和现代UKA的探索者Frank Gunston和Charnley
Frank Gunston是一位来自加拿大的访问学者，到髋关节成形术先驱Charnley所在医院英国Wrightington医院学习髋关节成形术，却激起了探求解决膝关节相关问题的兴趣。在学习期间，受髋关节成形术中髋关节假体的启发，设计了一款超高分子量聚乙烯（ultra high molecular weight polyethylene，UHMWPE）膝关节双侧单间室假体。
Gunston膝关节假体为内外侧分开的两部分，各由股骨侧的金属部件和胫骨侧的全厚层UHMWPE组成。股骨侧金属假体为多曲径凸面假体（图1-0-1）。Charnley并没有参与Gunston膝关节假体的设计工作，然而他自己另外设计了一款被称为Load Angel Inlay的膝关节假体。该款假体结构上与Gunston膝关节假体有一定的相似性，Load Angel Inlay假体由凸面的UHMWPE股骨假体和平面的胫骨金属假体组成，在材料结构方面与Gunston膝关节假体恰恰相反。该两款膝关节假体在结构和形态上能够看到现代UKA的影子。但是，由于松动、变形和塑料假体的磨损，并没有得到推广应用。▶图1-0-1 TKA多中心设计，F. Gunston 1969（三）现代UKA假体设计的开创者St Georg和Marmor
St Georg和Marmor是现代UKA假体最早的设计者。现代UKA假体与1969年设计的St Georg假体和1972年设计的Marmor假体结构和形态没有本质上的区别。该两款假体由多曲径的金属股骨髁假体与平面（或近似平面）的全厚层聚乙烯胫骨假体构成关节面。两部分假体均采用骨水泥固定。设计的理念是，尽可能恢复股骨髁多曲径的自然结构，以及通过应用非适配型胫骨平台假体避免对膝关节活动的限制。此后各种类型的UKA假体的设计大都遵循这些原则。
由于Marmor在UKA设计和手术技术方面的创新和贡献，他被认为是UKA的教父。在20世纪70年代初期，Marmor设计了一款组配式膝关节假体“Marmor Modular Knee”。该假体接受了表面置换的概念。当初设计的是内外侧间室各用一副假体进行膝关节双侧间室置换。不过在此后的临床实际中，Marmor只进行单侧间室的置换。
Marmor假体为非限制性的，由全厚层嵌入式聚乙烯胫骨假体和单柱窄幅股骨假体组成。1976年报告的随访研究显示，88%的Marmor假体置换者获得了良好的功能和稳定的关节，86.6%的达到了膝关节无痛的临床效果。不过，随后Marmor也注意到了Marmor假体需要改进的一些问题，如偏小胫骨假体的下沉问题，6mm聚乙烯垫由于冷裂和形变所致的磨损和假体松动问题。因此，Marmor随后提出了使用更厚的聚乙烯假体的建议。在20世纪80年代中期，为Marmor假体设计了金属座，以达到消除之前全厚层聚乙烯假体所存在的蠕变和冷裂问题。
虽然做了诸如上述的不少改进，但是UKA聚乙烯假体的磨损问题依然是个基本问题。球面的股骨假体与平面的胫骨假体所组成的关节接触面积很小，接触点压力很高，由此引起的磨损问题和形变问题不可避免。而使用适配度高接触面积大的假体又会因韧带的高约束性而带来新的问题。（四）活动型衬垫-牛津膝的产生
1974年，JWG和JJOC两位设计者介绍了一款活动型衬垫的UKA假体，即第一代牛津膝（图1-0-2），由三部分组成：球面股骨金属假体；平面胫骨侧金属座架；介乎前两者之间、安坐于金属座架之上的活动型聚乙烯衬垫。该活动型聚乙烯衬垫有两个不同形状的表面：与胫骨金属座架接触的平面下表面及与球面股骨假体成关节的凹形上表面。该活动型聚乙烯衬垫与上下两个界面都有良好的适配度，高适配度的假体关节有较大的接触面积，避免了先前的球面-平面的点接触所产生的高磨损问题，同时由于衬垫的可活动性，减少的高适配度下韧带的限制性。因而，活动型衬垫-牛津膝解决了Marmor膝中假体关节的适配度与限制性的矛盾问题。▶图1-0-2 牛津膝（第一代）（1976）三、低潮
虽然UKA也在不断地发展，但是，由于TKA的快速发展及其带来的高满意度的临床效果，设计者和生产商都将兴趣集中于改善TKA假体及其操作器械。
活动衬垫-牛津膝虽然改善了Marmor膝的磨损问题，但是，活动衬垫的脱位问题随之而来，且假体的松动是依然有待解决的问题。早期，虽然很少有关于UKA与TKA的临床效果及累积生存率的对比研究，但是根据注册中心的数据，UKA的失败率比TKA要高得多，几乎到了不可接受的程度。据英国国家关节注册中心及威尔士关节注册中心数据，术后8年UKA的返修率较TKA高达2.4倍。在20世纪70年代和80年代，有两个重要的因素严重影响和阻碍了UKA的传播普及。因素之一是，有较多的UKA不得不翻修为TKA。因素之二是，Marmor与Richards Manufacturing Co.之间无休止的争执。
在1970—1972年，后来被誉为UKA之父的Marmor，作为骨外科医生与Richards公司合作，开发了一款被称为Marmor Modular Knee的组配式人工膝关节假体。在1973年期间，由于工程师的错误，Richards公司生产出来的终端中号金属假体在尺寸上比起初设计的大，因此，其尺寸要大于中号模板和中号假体试模的尺寸。因而，应用该模板和试模准备的骨面大小与植入的金属假体大小不符合，两者不能较好匹配。这个明显的失误及关于该问题的争执，因Marmor及Richards公司在1975年致骨科学会的公告信而变得公开化，Marmor膝的许多用户担心“医疗纠纷”而放弃了该手术，以免法律问题的纠缠。该事件放慢了UKA的临床评估达10年之久。另外，与Zimmer公司的专利之争及与Richards公司的合约纠纷进一步消弭了该款人工膝关节假体早期成功的光芒，并严重阻碍了UKA在随后许多年里的传播。
在20世纪80年代末90年代初，人们对UKA的兴趣逐渐降低。彼时，对UKA手术指征的限制普遍非常严格，这也限制了UKA的开展。Insall提供的数据认为只有6%的膝关节符合UKA的标准，因而人们更倾向于选择TKA手术。四、兴起
尽管在UKA应用的早期存在诸多的问题及并不理想的临床效果，但是，UKA的许多优点注定该有其应有的地位。UKA置换术后关节功能比TKA置换术后更好，几乎接近正常，尤其是有上下楼梯活动的需求时，UKA完整地保留的生物力学结构能更好地满足这一需求。
毕竟，手术的安全性是最基本的考虑。在减少死亡率和系统性疾病的罹患率方面，UKA有很强的优势。在年龄匹配的有关UKA与TKA的大数据对比分析中，UKA住院时间更短，1年内再入院率更低，心肌梗死、中风、血栓栓塞及深部感染的发生率更低，约为TKA的一半。死亡率更低，在术后前30天死亡率为TKA的1/4，甚至在术后8年，死亡率仍低13%。即便考虑到更高的翻修率，UKA也比TKA有更高的性价比。由Willis-Owen等进行的大宗病例研究显示，每膝UKA的费用较TKA节省约1761欧元。
UKA的翻修较TKA更容易，只需要简单地转换成TKA手术即可。UKA的结果要好于TKA的翻修，几乎与初次TKA相当，因此UKA的翻修门槛更低，稍有问题更容易寻求用TKA来解决，这也是UKA翻修率较高的原因之一。因而，UKA的高翻修率可以理解为UKA更容易做，这可以从另一角度认为是UKA的优势。
UKA病人的主观感受比TKA病人的更好。因为UKA保留了更正常的膝关节生物力学结构。在UKA，胫骨的旋转和股骨的后滚更接近正常解剖，UKA仅仅破坏了1/3的关节表面，更少破坏固有的自然结构，交叉韧带得以完整保留，相邻间室的半月板依然存在。
上述UKA的种种优势奠定了UKA必然兴起的基础，又恰逢微创外科成为潮流和外科的发展方向，以创口小、损伤轻为特点的UKA契合了这一外科发展的大趋势，满足人们追求微创手术的需求。并且，为了追求更好的微创手术效果，医生和工程师们热衷于UKA假体及其操作器械的改进。随着UKA产品的改善，UKA的疗效也不断地得到改善，这使得UKA越来越受到青睐。近10几年来，UKA得到了快速发展。（一）牛津膝
在不断改进的UKA产品中，牛津膝（Oxford UKA）是比较有代表性的一种。自从1974年首代OUKA被首次介绍以来，OUKA产品得到了持续的改进。目前，第三代OUKA产品被广泛应用。
1.第一代牛津膝
于1974年开始被应用，其结构特点为球面金属股骨假体、平面金属胫骨假体和活动型聚乙烯衬垫。活动型衬垫下面为平面，上面为球凹面，在全程运动范围，与股骨和胫骨金属假体的上下两个界面完全匹配，既不约束膝关节的运动从而最小化假体松动的风险，界面的充分匹配又可最大化减少衬垫的磨损。这些特征直到现在都未改变（见图1-0-2）。
2.第二代牛津膝
在1987年首次被介绍应用于UKA，其股骨假体有较大的改进。股骨假体的非关节面，其后部为平面，下部为球凹面，其相对应的骨床的准备由特制的骨磨挫与可调节的磨挫轴栓来完成（图1-0-3、图1-0-4）。▶图1-0-3 牛津膝（第二代）（1987）▶图1-0-4 牛津膝通过研磨钻对股骨截骨（第二代）
3.第三代牛津膝
于1998年开始应用于临床，其假体的特征性改进在于适应了微创手术的要求，无需采用第一、二代假体植入所应用的脱位髌骨的开放入路。其股骨侧假体不像第一、二代只有单一尺寸，而是有5个可供选择的梯度尺码。其胫骨侧假体区分左右侧，代替了第一、二代的左右通用假体。其衬垫做了防撞击的修改（图1-0-5）。为配合微创手术的需要，操作器械也做了相应的改进。▶图1-0-5 小切口植入牛津膝（第三代）（1998）（二）非骨水泥假体
在2004年，在第三代牛津膝假体的基础上，对假体进行了无骨水泥化的改进，假体表面作了多孔钛和羟基磷灰石涂层处理，股骨假体由原来的单柱改为双柱。由于双柱非骨水泥假体显示较好的结果，随后双柱骨水泥假体也得到了应用。（三）操作器械的改进
在2012年，被称为Microplasty的操作器械被推广使用。该器械有三个特点：使胫骨截骨厚度更准确；有利于股骨假体正确定位；增加了防撞击机制。这使手术达到更可靠的结果。（四）外侧UKA的问题与改进
外侧UKA的突出问题是高脱位率，其脱位率可高达10%。主要原因是，在屈曲位外侧副韧带是松弛的。针对该问题的对策之一，是衬垫设计成双凹面，外侧胫骨平台的骨床修理成凸形穹顶状；另一对策是使用固定型衬垫，如在2003年被推广使用的Vanguard M假体。五、展望
牛津膝假体的演变具有一定的代表性，总体来讲，改进的方向是使UKA术更加精准化、个性化和微创化。导航技术、机器人手术及3D打印技术的应用，将可使UKA手术更具精准化、个性化和微创化。（郭万首 程立明）参考文献
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单间室人工膝关节置换手术与全膝关节置换手术，就其原理来说是一样。二者都是通过人工材料替换掉病损的关节组织。但是由于早期临床结果的不同，其发展的过程曲折性大为不同。McKeever等人1950年就开始设计出单间室人工膝关节（unicompartmental knee arthroplasty，UKA）。但这种仅进行胫骨单间室置换设计的假体早期失败率较高，因此被弃用。但与此同时，正是由于人工全膝关节置换术初期临床取得的成功和较长的生存寿命，使得人们逐渐失去了对使用假体完全复制生理关节结构的兴趣，也缺乏研究关节病损病理形态改变的耐心。另一方面，膝关节周围截骨手术的流行也分流了一部分膝关节单间室骨关节炎的病人。
但仍然还有学者在潜心研究膝关节骨关节炎的发生发展规律。比如Ahlback就发现并不是所有的膝关节单间室关节炎都有向其他间室扩散的趋势，至少在一段时间内表现如此。因此仍有很多医生不认为需要把所有的关节软骨置换成人工材料才可以有满意的临床疗效。
首先的一个原因是对术后关节功能的保留。既进行人工单间室置换手术，也做人工全膝置换手术的医生会发现，前者的术后关节功能的恢复更加快速，关节评分更高，手术出血量较少，翻修也相对容易。即使考虑到相对的生存寿命比较短的因素以后，其性价效比仍然是值得考虑的一种治疗方法。从假体设计的角度对单间室膝关节假体进行分类可以分为两类，即活动平台型（mobile bearing），亦称活动半月板型（meniscal bearing）和固定平台型（fixed bearing）。二者的临床使用和评价工作一直没有停止过。孰优孰劣，目前尚无法定论。Hernigou认为对于力线的纠正作用单间室置换手术的作用是有限的，其主要用来纠正关节内病损或者关节内畸形。当术前畸形或者术后力线的变化超过一定程度，容易出现聚乙烯衬垫的过快磨损或者对侧关节面的加速退化。
最早的单间室假体设计是只置换胫骨的，即固定平台的胫骨假体，后来才出现了股骨胫骨同时置换的假体。其代表假体有St Georg Sledge假体（1969）和Marmor假体（1972）。其设计原理是股骨侧使用金属间室形假体，胫骨侧为比较平坦的聚乙烯垫片。二者均使用骨水泥固定，且不存在较大限制性和形合度。一定程度上可以理解为一种病损关节组织的填充物。这种对称性的股骨单髁假体外形是多半径的，这也要求和股胫关节间具有非限制性，被用于以后的很多固定平台假体。考虑到Marmor医生在单间室假体设计上做出的巨大贡献，人们把他称作是单间室膝关节之父。
历史上看，单间室置换手术失败主要面临的一个问题是聚乙烯假体的磨损。早期的全聚乙烯胫骨假体大约厚6mm，胫骨聚乙烯材料的变形导致假体失败，成为了一个很大的问题。Marmor试图采用金属背板来增加聚乙烯的强度，但又面临了聚乙烯厚度不足的矛盾。好在Marmor假体的早期临床疗效尚可。就早期的固定平台单间室假体看其共同特点是比较平的聚乙烯胫骨面假体和解剖型的股骨间室假体，多采用金属背侧基板。
相对于活动平台型膝关节假体来说，固定平台假体具有的优势主要是植入和固定更加方便，其次是比较容易进行软组织平衡。但问题也来自于固定的胫骨假体，要知道无论是股骨产生的压应力还是剪应力都会直接的作用到假体-骨水泥界面。为此人们在金属基板的背面设计了鱼鳍或者钉样的突出形状以期加强假体的固定。
按照切骨和固定方式的不同，固定平台单间室假体主要分类为表面置换型和嵌入型两种（resurfacing和inset）其代表假体分别为St Georg Sledge假体（1969）和Miller-Galante假体（图2-1-1）。而胫骨侧的假体又分为单体式和组配式两种。二者的区别是前者采用全聚乙烯的胫骨假体，后者则为组配式的金属基板和聚乙烯的胫骨假体。从临床表现来看尚无法定论哪种设计更优。但组配式假体明显可以有多种厚度的聚乙烯垫片可供选择，无疑为调整关节张力和力线提供了更大的方便。▶图2-1-1 Miller-Galante假体
今年来结合计算机导航技术的发展，固定平台假体的截骨可以通过计算机引导的磨钻或者骨锯进行，从而进一步增加了截骨量的精确性和病例个体化。Cobb认为这为固定平台假体的操作和软组织平衡起到了一定的帮助作用。
相对于活动平台的单髁假体，固定平台单髁假体的动力学与运动学表现略有不同。很多有限元研究可以证实这一事实。这些研究发现固定平台假体的接触面上发生的峰值应力（peak contact pressure）相较活动平台单髁假体更高，应力分布面积也相对集中（图2-1-2）。虽然运动学研究和摩擦学研究都证明前者表现欠佳，但是集合临床数据并未显示固定平台假体的临床效果劣与活动平台假体。▶图2-1-2 固定平台假体的接触面
也有研究者认为这是单髁置换对侧关节面压力是诱发对侧间室出现骨关节炎的因素。出于这一考虑，内侧固定平台假体的安放应该把膝关节整体机械轴置于相对内翻位置。对于内侧髁置换术，实现这个目标有两种技术手段：其一是减少聚乙烯垫片的厚度以维持轻度内翻，其二是胫骨截骨时保留2°~3°的内翻，即维持胫骨内侧关节面轻度内翻（见图2-1-3）。当然希望达到力线的精确满意需要借助计算机辅助导航等手段以提高判断的精度。必须指出的是对于膝关节内翻病例，一定不能过多的松解膝关节内侧的软组织，否则为了填塞松弛的内侧伸膝间隙需要使用较厚的聚乙烯垫片，随之而来的就是膝关节整体机械轴被过度矫正了。▶图2-1-3 理想的固定平台假体术后力线
对于前交叉韧带完整性的要求固定平台假体的要求不像活动平台单间室假体那样要求高。之于后者，前交叉韧带缺损被认为是绝对禁忌证。而对于固定平台假体，也有学者认为前交叉韧带的缺损是一种相对禁忌证。（刘 庆）第二节 活动平台单髁的设计原理一、概述
早期单髁关节置换假体设计影响了手术疗效，令术者及病人产生更多的担忧。然而，近半个世纪来，仍有无数学者一直坚守这一领域，通过认识深入和不断改进，单髁关节置换的假体设计日臻完善，尤其是近年来微创手术器械的开发，使得手术能够更加精细化，加之病人选择更加合理，手术技术也不断提高，单髁关节置换的临床效果发生了不同寻常的改变，在一定意义上与全膝关节置换技术相媲美，对于部分病人可以实现延缓或避免全膝关节置换。
理想的假体应该是恢复关节病变之前的自然状态，减少截骨，耐磨损，减少松动。这就要求，理想的胫骨假体的形状及位置均应是解剖性的，最大限度地增加假体和骨质之间的接触面积，使应力分布更均匀，防止假体松动和下沉。冠状面上设计，股骨假体与胫骨假体应拥有较大曲率、允许金属-聚乙烯之间充分接触，同时又没有过高限制性的形态。矢状面设计，形合度好会增加接触面积，从而降低引起聚乙烯磨损的应力。
根据假体设计不同，单髁关节假体系统有多种类型。胫骨假体通常分为三种基本类型，分别为全聚乙烯固定型、组合式聚乙烯+金属托固定型、活动型聚乙烯衬垫+固定金属托型。股骨假体通常按照曲率分为单曲径股骨髁假体和多曲径股骨髁假体。其中多曲径股骨髁假体，聚乙烯的凹面必须有足够大的屈曲半径才能适应股骨髁的最大半径（伸直位）。当聚乙烯凹面屈径较小的（屈曲时），就会使得使得屈曲时接触面积减小，假体之间的压力增大。因此，这种类型的活动型假体并不能模拟天然半月板的功能，也不可能减少磨损。非适配型的活动半月板假体在理论上并不优于非适配的固定负载假体。
组合式聚乙烯+金属托固定型假体的设计是聚乙烯部件下有一金属托部件。附加金属托可以有效防止聚乙烯蠕变，使应力分布更均匀，方便将来可能需要的返修，但金属托的使用需要牺牲2~3mm聚乙烯厚度，相应的胫骨截骨增多，聚乙烯厚度减少，从而耐磨性降低，增加了假体返修的风险。
活动型假体以牛津膝（Oxford）假体为代表，它的活动型衬垫可以模拟正常半月板的功能，股骨髁与衬垫关节面外形相互形合，接触应力减少，聚乙烯磨损率降低。但是活动型假体由于假体部件的复杂性，半月板衬垫脱位是其特有的并发症，手术假体安放需要特别精确，手术难度相对较高。牛津膝单髁假体是第一个活动型半月板假体，随后，在其理论基础上又出现了一些其他活动型半月板假体，如AMC膝假体（uniglide）是利用一个完全活动半月板，恢复膝关节韧带自然张力；然而，其股骨假体形状与牛津膝不同，股骨假体的半径在0°~屈曲45°都保持不变，但到股骨后髁部分减少。
牛津膝单髁关节置换假体作为活动平台单髁假体中最成功的一款假体，至今已有40多年的历史，在国内外应用最广，其发展也一直走在前列，因此本文重点围绕牛津膝单髁关节置换假体进行阐述。二、牛津单髁设计的改进历史
1974年，牛津大学John Goodfellow医生和John O’Connor发明了活动平台牛津单髁关节假体，这就是第一代的牛津膝，由球面的金属股骨髁组件、平坦的胫骨金属平台托和中间模拟半月板的聚乙烯衬垫三部分组成。其中聚乙烯垫上方凹，下方平，使得与上方股骨髁弧形组件和下方平坦胫骨金属托组件相吻合。运动时，上下两个面完全吻合，关节活动呈非限制性，聚乙烯磨损降低。这些特点，牛津膝至今仍保留未变。起初，这个假体被用来进行双髁置换，但由于操作复杂和长期疗效欠佳，后来就被用作内侧或者外侧的单间室置换。第一代牛津膝假体初始设计时，股骨假体内表面是非球面形，有三个斜面，因此股骨截骨时需要进行3次截骨。
1987年，为了更加精确安全的适应股骨内侧髁，降低假体植入的操作难度，第二代的牛津膝进行了相应的改进。股骨假体后髁非球面设计的关节面改为平坦的平面设计，远端关节面设计为球面形状。股骨后髁通过摆锯截骨，股骨远端利用全新设计的研磨器围绕研磨栓截骨，通过不同长度的研磨栓进行精确控制股骨远端的截骨量，更好的平衡膝关节在伸直和屈曲位置时的韧带张力，同时塑形股骨使其更加适合假体。增大研磨栓型号，即缩小研磨栓柄长度，就会增加股骨髁远端截骨厚度，这样使得术中屈伸间隙韧带平衡容易操作，便于假体安装。不过，第一代和第二代牛津膝假体的植入，手术入路同全膝关节置换一样，需要翻转髌骨。
1998年，第三代牛津膝假体问世，它仅应用于内侧间室，手术通过微创小切口即可完成假体植入。过去第一、二代牛津膝股骨假体都是单一型号，现在第三代牛津膝假体有了五个型号。过去第一、二代牛津膝胫骨平台假体不分左右，第三代牛津膝假体有左膝、右膝之分。第三代牛津膝假体操作器械也更精细微创化，微创操作，不需要外翻髌骨。半月板衬垫设计进行了改进，前外侧角增加了唇样结构，以减少撞击和旋转的风险。
2009年，最新一代的牛津膝单髁假体（图2-2-1）问世，股骨髁假体将单柱改为了双柱设计，进一步增强了抗旋转稳定性。股骨后髁延长，拥有更大的曲率半径，可以获得更高的屈曲度数。表面更加平整，边缘圆滑，减少了对周围软组织的刺激与碰撞。最新一代假体，同时改进了植入器械，使得手术操作更容易，假体植入更精确。▶图2-2-1 最新一代的牛津膝单髁假体
在2012年，推出了一套新的操作系统，称为微成形术（microplasty）（图2-2-2），使得手术操作简化，假体植入更精确。与原来的第三阶段操作系统相比，它们是一个非常重大的改进。其中关键要素包括槽内截骨导向器，胫骨截骨最小化技术，简化股骨定位，解决撞击问题。临床数据显示手术精准提高，结果更好。▶图2-2-2 微成形术三、活动平台单髁假体设计
活动半月板型单髁关节置换假体设计初衷在于降低聚乙烯磨损和保留关节自然运动功能。设计原则植入假体替代关节磨损面，而假体植入是通过恢复韧带和肌肉自然张力而提供限制。活动半月板衬垫顶部呈球凹形，适配股骨球形表面，底部平坦，坐于胫骨托上。这种完全适配的活动聚乙烯半月板衬垫可以容许聚乙烯和假体间接触面积最大化，均匀分散应力，降低聚乙烯磨损。这种高适配的假体还可以使前交叉韧带和内侧副韧带在膝关节屈曲活动的整个范围中保持自然生理张力。半月板衬垫在压应力下可以允许滑动和滚动，减少假体-骨界面剪切力，而后者是导致假体松动的一个重要因素。（一）抗磨损设计
1.关节表面形态和接触压力
大多数全膝关节假体和单髁关节假体的关节面设计近似于人的股骨和胫骨形态。股骨假体的金属表面是凸面的，胫骨侧聚乙烯表面是平的或浅凹面形状，这类形态不能在任何相对的位置使彼此适配，以至于只有部分关节面接触来传导负荷。
大多数股骨髁假体都是试图模拟自然解剖特征，为多中心设计，后髁半径最短。这样的话，膝屈曲时接触面比伸直时小。在屈曲时，传导界面上压力最大，上下楼时可以达到体重的6倍。负荷大小固定时，关节面的压强与接触面积呈反比；接触关节面越小，界面的压强越大。聚乙烯的磨损率随着接触面压强增加而增加，而不是如经典的磨损理论所说的成线性改变。相反，磨损率随着接触面的增加而减少（图2-2-3）。▶图2-2-3 聚乙烯的磨损
2.半月板的结构、运动、顺应性
半月板是介于股骨髁和胫骨平台之间的半月状软骨，上面凹，下面较平。具有吸收震荡、传递负荷、润滑和营养关节软骨、增加关节接触面积、维持膝关节稳定等重要功能，并可在一定程度上缓和股骨与胫骨之间的不一致性。自然膝关节半月板的存在使接触面发生了巨大改变。与不适配界面不同，有半月板存在，关节面适配，并且有更好的负荷分布。
在膝屈伸轴向旋转活动中，股骨髁在胫骨平台运动并配合着半月板运动。半月板在膝伸直时被向前拉，屈曲时被向后拉。屈膝运动的各种评估已经有研究报道：内侧移动6mm，外侧移动12mm；内侧移动5.1mm，外侧移动11.2mm；内侧前角移动7.1mm，内侧后角移动3.9mm；外侧前角移动9.5mm，外侧后角移动5.6mm。Freeman和他的团队提出膝关节是没有内移的内侧轴系统；然而Freeman的数据提示大约8mm的前后运动（图2-2-4）。▶图2-2-4 在屈伸过程中半月板形态的变化点状曲线画出在伸直（左图）和屈曲（右图）的接触面积
在膝屈伸轴向旋转活动中，自然半月板不仅因为股骨髁的运动在胫骨平台上改变位置，而且改变了形态以适应股骨髁曲径的改变。在伸直膝时，股骨髁下表面大的曲径使得半月板的前后支在矢状面上分开。而当屈膝时，股骨后髁的曲径变小，矢状面测量半月板数值相应变小，可能是因为屈膝时内外胫股接触面分开，使得内外半月板相对分开，并牵拉半月板的前后支更接近。
因此，半月板是关节面的组成部分，增大了接触面积，并且不会限制膝关节屈曲和水平运动。承载负荷以关节软骨能承受的均匀压力方式传导。切除半月板，或半月板功能异常，会影响关节软骨并出现相应间室骨关节炎退变。
3.牛津半月板膝
牛津膝关节模拟半月板机械力学的优点来设计两个关节界面。半月板-股骨界面（球-臼）允许屈伸运动。半月板-胫骨界面（平面-平面）允许水平运动，并且综合在两个界面的水平和屈曲运动，可允许轴向旋转运动。非限制性的活动负荷不会阻碍软组织、肌肉以及韧带所需要的运动，可以恢复自然的运动和功能。并且界面的负荷主要是压力负荷，这种特点降低了假体松动可能。
聚乙烯半月板衬垫传导负荷的方式不同于自然半月板，但两者功能相似，这种半月板假体衬垫将不适配的界面转化为适配的界面，使负荷传导获得最大接触面而没有对关节活动限制，同时保留了生理功能而使聚乙烯磨损最小化。正因如此，牛津膝称作活动半月板假体。
4.股骨假体设计
聚乙烯半月板衬垫只可以模仿天然半月板的运动，但不能模仿天然半月板的顺应性。聚乙烯不能改变形态，所以不能适应多曲径髁的变化。唯一能做到在所有位置都能保持适配状态的是球-臼和平面-平面界面的这样一对假体配件。滑车间沟基底部的软骨是环形的，另一个环形是股骨后髁，所以球形股骨假体能复制除内侧髁最前方以外的其他部分。
5.牛津膝的聚乙烯磨损
由于活动平台单髁假体适配度高，限制性低，磨损低，实验室研究和临床随访研究证实牛津聚乙烯半月板衬垫平均磨损率为0.036mm/年，在没有撞击现象的聚乙烯衬垫平均磨损率为0.01mm/年，有撞击现象的聚乙烯平均磨损率会增高为0.054mm/年。若存在聚乙烯衬垫与骨或骨水泥发生撞击造成磨损，最常见的撞击位置发生在前方，因为伸膝时聚乙烯衬垫与股骨假体前方的骨质产生撞击。
线性磨损和蠕变不是唯一的磨损测量指标，另一种指标容积磨损。容积磨损的增加与接触面积成正比，但是在适配的关节随接触面增加而接触压力降低，这种效应将强于大面积接触的不利效应。没有3撞击征的牛津膝平均关节表面容积磨损为6mm/年。St Georg固定平3台聚乙烯的容积磨损为17.3mm/年。所以适配的半月板衬垫容积磨损不会造成问题。然而，伴随撞击加速的磨损，长期累积的颗粒碎屑至足够量时可能造成骨溶解。关节周围的撞击产生的碎屑可能有比较大的颗粒，它们起到第三体作用，加速了磨损，这被认为是撞击与磨损增加相关。
6.半月板衬垫厚度
在非适配的关节，聚乙烯越薄磨损率越大。对单髁关节置换来说，适配度高，磨损低，在适配的关节中聚乙烯初始厚度是其磨损的独立因素，聚乙烯初始厚度最少3.5mm。事实是，在全膝置换术中，为置入一个厚的聚乙烯垫而去掉更多的骨质并不是那么重要；但在单髁关节置换术中，为保留骨量，减少截骨非常必要，但这就影响到聚乙烯垫的厚度。在固定平台聚乙烯的单髁关节置换中，聚乙烯厚度需要大于6mm才是安全的。然而在适配的假体系统，半月板衬垫厚度最薄可到3.5mm，即使3.5mm也不会比厚半月板衬垫更容易磨损。
因此基于上述，而且大量研究数据也显示，牛津膝作为完全非限制的适配的活动平台单髁假体，在没有骨面或骨水泥的撞击情况下，能够减低聚乙烯磨损。（二）恢复自然运动和稳定
牛津膝假体组件的关节面形态并不与自然关节面完全一样。由于病人个体差异，牛津膝假体也无法做到与每一个病人个体的关节面精确匹配。自然膝三维运动类型复杂，但由以下三条决定：①关节面形态；②连接骨的韧带排列；③应对重力和地面反应的肌肉收缩力程度和方向。在膝关节，其中第①和②条是恒定的，因而非负载膝的运动是可预测和重复的。然而，膝关节运动承担负荷时，负载活动施于肢体的力量是无限变化的，因此负载膝的运动类型也是无限变化的。
1.非负载自然膝
非负载膝的运动类型是高度有序的。在一项对12个尸体的非负载膝研究中，只保留完整的韧带和关节表面，进行被动屈伸运动。屈曲时股骨外旋22°，伸直时内旋同样角度。在每次试验中，胫骨和股骨都有其单一的特定运动路径，屈曲角度与轴向旋转直接相关（锁扣机制）。这种运动类型很容易被实施的负荷或扭矩干扰，但负荷去除后，胫骨和股骨又恢复到其运动类型。（1）韧带：
前交叉韧带是限制胫骨前移的主要因素（限制胫骨内旋的次要因素），后交叉韧带是限制胫骨后移的主要因素（限制胫骨外旋的次要因素）。侧副韧带是限制内外翻以及内旋（内侧副韧带）、外旋（外侧副韧带）的主要因素。（2）关节表面：
与韧带不同，没有某一特定的运动限制是由关节面形态特征决定，关节表面的功能主要在于相互支撑使韧带保持合适的张力。我们可以看到人工关节即使不能与自然膝关节形态精确一致，如果具有了相互支撑使韧带保持合适的张力功能，也可以恢复正常的运动。（3）接触点的运动：
屈膝时，股骨接触点从股骨髁的远端移向股骨后髁。然而，胫骨平台的接触面却因半月板而变化不明显。放射学很难理想地实现此研究，因为软骨是透明的，MRI不能精确到接触点，结果并不可靠，不过接触面的精确细节可通过VDU监测器捕获。负载使得软骨表面及半月板变形产生了接触面而不是接触点。在两个间室中圆的股骨髁与平的胫骨平台最接近的点称作接触点。Feiks在尸体上研究关节表面的点与骨干的关系，然后利用骨的运动数据，进行了接触点位置的计算机重建。他发现屈曲120°时，内侧接触点后移了7.8mm，外侧接触点后移了12.1mm。这种运动在屈曲过程中持续产生。（4）髁中心的运动：
解剖学上膝关节属于屈戍关节，早期经典的瞬时旋转轴心理论指出，膝关节屈伸时，在股骨髁上许多曲率半径的中心点，实际上是不同角度下的横轴位置。因此，膝关节面的瞬间运动轴线是不固定的，目前人工膝关节假体的股骨表面也多为多半径设计。Iwaki等分析了尸体非负荷膝MRI的矢状面。外侧髁的中心呈环形移向后方，然后呈直线向后移19mm以适应外侧平台。两个交叉的环形与股骨内髁的显像相符，两个交叉的直线与（凹形）内侧胫骨平台相符。在-5°~5°屈曲过程中，内髁前环的中心保持不变，在5°~120°屈曲过程中，内髁后环的中心向后移动3mm。然而，Iwaki等发现内髁屈曲，接触面从前关节面移动到后关节面来接触胫骨平台时，内髁中心出现了8mm的中断。他们解释股骨内髁向后移动是由于在胫骨平台摆动而不是滚动。然而，这种中断现象是因为他们使用双环（股骨内髁）和双线（胫骨内侧平台）来描述关节，在每一对的交汇点处出现中断。Rehder测量了内侧髁和外侧髁的矢状面，每个髁都使用了连续的环形，精确到0.2mm，他没有观察到形态的中断现象。如果假定的中断忽略，在屈曲到125°的过程中，股骨内髁的后移不论是摆动或滚动，都大于8mm。髁中心的运动与关节接触点的运动不同。内侧平台是凹面，外侧平台是凸面，各自的半径大约70mm。两个股骨髁的半径大约是20mm。从小环与大的凹面或凸面接触的几何学分析，很容易看到内髁中心的运动比接触点的运动少30%，而外髁中心的运动比接触点的运动多30%。内髁中心平均后移7.1mm（包括中断现象），外髁中心平均后移23.5mm。在非负载膝，尽可能排除内在和外在因素的影响，被动运动主要由关节面形态和韧带状况决定，而且这种运动的特点是恒定的和可重复的：屈伸与旋转耦合，并且在屈曲时接触面后移（后滚），内侧接触面移动比外侧少。因此，在人为的非负荷的情况下的自然膝的正常类型的运动可以由假体复制。
2.非负荷牛津假体膝
实验研究表明，牛津膝植入的尸体标本中，膝伸直时，聚乙烯垫向前移动，如果阻止聚乙烯垫移动，伸直也被阻止。另有研究，麻醉状态的病人，唯一推进内侧半月板前移的力量是关节面的压力和韧带张力，在伸膝时两者起协同作用。牛津第三代单髁置换术中，在消除肌肉张力的情况下，聚乙烯垫的运动类似非负荷的自然膝。在长时期的放射学研究中，至少在置换5年内，聚乙烯垫的运动继续保持相同的趋势，平均的移动范围大约是术中的一半，并且数据离散度更大。
3.负荷自然膝
非负荷状态下，关节形态和韧带长度不会改变，此时膝的运动可以预测。但当实施明显的负荷时，关节形态和韧带长度都会发生改变，韧带受牵张，关节表面在压力下凹陷，运动的约束装置发生改变，膝关节的运动类型也就发生了改变。
Walker等研究了尸体膝接触点的运动，对标本实施负荷，股骨干置入了髓内钉来传导重量，并通过缝合股四头肌以产生张力对抗。他们发现膝关节屈曲前45°，胫骨的运动接触点在内侧后移13mm，在外侧后移14mm，再继续屈曲，就没有后移了。在是否存在负荷以及是否存在组织畸形情况下，运动类型也不同。Kurosawa和Walker研究股骨髁的运动，屈曲到75°，股骨内髁的中心平均前移4.5mm，继续屈曲到120°，股骨内髁的中心平均后移2.3mm。股骨外髁的中心在屈曲时始终后移，平均后移17mm。内外髁中心运动的差异致使股骨外旋20.2°。
4.负荷牛津假体膝（1）髌腱角：
髌腱角（patellar tendon angle，PTA）指矢状面上髌腱与胫骨长轴的夹角。因为PTA在膝关节中央，几乎不受轴向旋转影响，可以作为矢状面动力学的间接测量指标。屈曲时髌腱以胫骨结节的止点为中心向后旋转。在尸体研究中，OUKA术后屈曲时，正常类型的PTA得到恢复。而在非限制的固定负荷的TKA（前交叉韧带切除），高屈曲时，股骨向前半脱位，导致PTA增加，正常的后滚消失。在后稳定型TKA，切断前后交叉韧带，屈曲时PTA正常，因为假体的Cam设计恢复了正常后滚。Price等使用动态透视观察5例OUKA术后1年和5例OUKA术后10年的PTA，测量结果分别与5例TKA和5例志愿者的PTA进行比较，没有看到OUKA与正常膝的明显差异，而TKA矢状面的机制受到明显影响。（2）活体半月板的运动：
Price等动态透视观察半月板衬垫在主动屈伸运动以及爬楼运动的情况，主动运动的数据与被动运动有很大差异。术后半年，半月板衬垫在被动屈曲的后移运动与半年前手术麻醉时测量的数据相似，但是在主动屈曲到25°时，半月板衬垫移向前方，然后再继续屈曲到100°时，半月板衬垫基本保持不动。然而在爬楼时，屈曲到75°时，半月板衬垫移向前方，然后再继续屈曲时，半月板衬垫后移。所以半月板衬垫移动与活动类型有关。（3）步态分析：
Jafferson和Whittle评估了一组内侧OUKA病人的步态。采用7个行走步态参数（速度、节律、跨越长度、矢状面与冠状面角度、矢状面和外展时间），根据年龄和性别与正常志愿者进行对照比较。试验组中7个参数都恢复到正常范围。Jones等人对单髁置换及全膝置换术后病人与正常人步态的对照研究，结果显示，与TKA相比，UKA术后的步态更接近于生理状态，拥有更高的最快步速。
负荷情况下，膝关节运动没有单一的类型，很难来确认术前与术后的比较是有效的。施加负荷的类型仅限于能产生可重复的简单运动，例如直腿抬高、爬楼等。
尸体研究关节解剖特征（关节面的形态和韧带的状态），在内在或外在负荷下进行骨骼间运动，这些负荷可以加强或逆转非负载关节的接触类型，结果显示关节面的形态容许而不是决定接触面的位置。关节面形态的主要功能是保持韧带合适的张力，也就是说，只要韧带完整，在任何耦合下关节接触面正常运动功能都能实现。
PTA及步态分析研究的证据是圆形的股骨髁假体与平的胫骨平台假体可以替代自然膝内侧间室。需要强调的是，OUKA的半月板负载设计不同于固定平台的UKA假体，前者的球-平面接触设计可以容许股骨髁很匹配的前后移动。由于OUKA半月板衬垫的磨损微小，因而可以长期维持关节稳定。（郭万首）参考文献
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膝关节骨关节炎是引起中老年人膝关节疼痛和功能障碍的常见疾病，是膝关节置换的主要适应证。超过60%膝关节骨关节炎病人的病变仅仅累及内侧间室，这种单间室的骨关节炎在亚洲人群和南地中海人群中的发病率往往较高，可能是因为它们的胫骨内翻角（tibia bone varus angle，TBVA）（图3-1-1）较大的缘故，同时这种仅仅累及内侧间室的病变可能会在病人身上持续多年。通常，下肢的机械轴线处于膝关节中心偏内侧，行走时身体的重量施加在内侧的负荷要高于外侧，而单足站立时有70%的负荷处于内侧间室。正常下肢的解剖轴线（股骨和胫骨解剖轴夹角）存在5°左右的生理外翻，在膝关节内翻畸形时，随着下肢机械轴线内移和内翻活动的增加，膝关节内侧间
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