张福江医生的科普号

【摘 要】 目的 对国内外有关有限元分析在人工髋关节研究中的应用进行综述，以更好地指导关节科医生将有限元技术应用于人工髋关节研究领域。 方法 广泛查阅近年来关于有限元分析在人工髋关节研究中应用的文献，并进行总结分析。 结果 有限元分析方法从工程学应用领域，通过技术上的改进已跨越至人工髋关节研究领域，包括髋关节置换术后并发症（如应力遮挡与骨吸收、假体磨损、假体脱位、股骨骨折等）、假体设计和骨水泥分析等方面，尽管仍然存在不足，但随着计算机及软件业的高速发展，有限元方法与其他虚拟数字技术有机结合，有效解决许多在体生物力学实验无法完成的问题，为关节外科的理论发展提供了技术支持，以提高临床疗效。结论 有限元分析已广泛应用于人工髋关节研究领域，并将不断完善，使之成为关节外科临床和科研工作的重要工具。【关键词】 有限元 人工 髋关节 有限单元法(finite element method)是一种在工程科学技术中广泛应用的数学物理方法，用于模拟并解决各种工程力学、热学、电磁学等物理场问题，早在20世纪40年代就已提出。Courant于1943年首先提出有限元分析，最初应用于飞机结构的静力和动力特性分析[1]。1946年计算机产生后，已往难以解决的复杂结构计算则成为一件轻而易举的事。随着计算机运行速度的不断加快及软件的不断完善，使得所建模型由单一的结构模型逐渐发展为藕合模型，更加接近于实际状况。有限元分析逐步从小应变、小位移、弹性材料和静力学分析，发展到大变形、热分析、材料非线性问题及动力学问题的研究，并与生物力学领域的许多研究紧密结合起来[2]。 有限单元法的基本思想是”一分一合”，分就是为了进行单元分析，合则为了对整体结构进行综合分析。有限元法分析计算的思路为:l)物体离散化。将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来。单元节点的设置、性质、数目等视问题的性质，描述变形形态的需要和计算进度而定。所以有限元中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同新材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。如果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。2)单元特性分析。就是求基本未知量单元节点位移和对应节点应力之间的关系。3)求解未知节点位移。根据既定的支撑条件和载荷条件，利用有限元软件求解代数方程，求得所有节点的位移，可以求解各类场分布问题，水流管路、电路、润滑、噪声以及固体、流体、温度相互作用的问题。 从七十年代开始，有限元开始应用于骨科生物力学研究，最早是应用于脊柱。八十年代后，其应用范围逐渐扩展到颅面骨、颌骨、四肢骨等骨性结构的生物力学研究上。由于该方法在分析不规则物体的力学特点方面具有优越性，在骨科生物力学研究特别是人工髋关节置换中得到了广泛应用。以下将就有限元分析方法在人工骸关节研究中的应用进展作如下综述。1．有限元方法的演进 在髋关节的有限元研究中，由于人体骨骼解剖结构的复杂性和不规则性，建模的准确程度对骨科生物力学研究提出了极大挑战，使得有限元分析大部分的时间都花在建立模型上。钟世镇采用磨片、切片法率先在国内建立虚拟人数据，在切削精度上，将VHP和VKH的断层间距的0.33mm和0.2mm提高到0.1mm；在血管显示上将没有充填区分的动静脉，通过灌注充填技术给予显示；在切削设备上有较大改进，更加高效简便；在人体标本选择上更加标准化，有较强的代表性[3]。但由于切割、破坏了模型，在断面很薄的情况下，很难获得一致的断面厚度。并且需要充分的时间准备模型及将断面几何形状数字化，且误差大己经被淘汰。这种方法只是对真实解剖的极度简化，缺乏计算的精确性。Kuroda采用激光表面扫描建模，通过激光表面扫描测量设备将物体表面轮廓进行扫描，再将其数据输入逆向软件建立实体模型后再汇入有限元前处理模块中。三维测量法成本较高，数据处理时间较长，只能建立表层结构，无法反映组织内在的材料特性，在医学研究中主要应用于一些可以不考虑结构内部特性的分析如假体模型建立、动力学分析[4]。宋红芳等[5]应用Photoshop重建经CT原始数据转换得到的位图文件，经过一系列诸如去噪、增强、分割、配准等图像处理工作后，根据每个断层的图像信息和三维空间坐标，运用数据三维可视化的方法建立起股骨模型。这种方法需要人工将CT图片上的每一张图转换为计算机能识别的位图格式，并且需要在图像处理软件中人工准确对位，对位的不准确将直接影响着所建立模型精确性，同时这种方法需要花费大量的人力、物力。严世贵[6]采用DlCOM(Digital Imaging and Communication of Medicine)数据直接建立髋关节置换术后假体模型分析股骨应力变化。DICOM医学数字图像通讯是医学图像信息系统领域中的核心，它主要涉及到信息系统中最主要也是最困难的医学图像的存储和通信，可直接应用在放射学信息系统(RIS)和图像存档与通信系统(PACS)中，近几年在医学信息领域蓬勃兴起。利用DICOM格式数据文件直接建模不需将数据进行转换，可以直接读取数据并处理，避免反复操作造成的数据失真或丢失，大大提高了模型的精确度。随着集成强大图像处理功能的医学有限元软件的出现，以及有限元方法与其他虚拟数字技术的结合，将来功能更加强大的计算机和软件能够自动从CT/MRI或者虚拟人数据中提取特征参数或重要几何细节，直接产生有限元模型。在有限元模型的帮助下可以无创检查体内组织，辅助外科诊疗方案的制定和定量手术的模拟。有限元建模技术的发展方向今后将走向智能化、集成化、网络化，面向临床一线应用。2.髋关节置换相关并发症的有限元研究1)应力遮挡及骨吸收 全髋关节置换后关节应力通过假体再传到股骨，不同于生理关节的应力直接通过骨小梁从股骨头传到股骨，造成的应力遮挡使骨组织吸收进而萎缩，降低其承载能力。林凤飞[7]采用三维有限元法对全髋置换前后进行单髋站立生物力学测试，分析假体植入前后股骨和髋臼总体的应力模式和植入后各种组合的假体对骨界面的应力分布规律。认为不管是金属一金属、陶瓷一陶瓷、陶瓷一聚乙烯还是金属一聚乙烯组合，其股骨和髋臼相应界面应力值无明显差别。李伟等[8]对钛合金、碳纤维复合材料、CoCrMo合金和不锈钢假体的性能进行对比，研究复合材料与金属材料髋关节假体应力分布情况。认为钛合金和碳纤维复合材料假体要比CoCrMo合金和不锈钢假体具有更好的应力分布，其临床应用效果将会更加理想。应力遮挡的产生是因为金属假体与骨的力学性能不相容，而利用复合材料的生物相容性优势设计出的假体则可替代金属假体。Peter[9]经三维有限元研究认为髋关节置换后使用阿伦磷酸盐治疗可以增加假体周围骨质密度，降低假体松动的概率。2)假体磨损 通过有限元分析，可以方便的对假体植入人体后的磨损情况进行模拟评估，并能灵活调整参数。Bevill等[10]采用有限元模型模拟一百万次步态载荷下的假体磨损情况，并分析聚乙烯涂层厚度、股骨头假体尺寸等因素对磨损的影响，以改进假体设计。有限元研究发现聚乙烯蠕变行为对髋臼内衬磨损占总量的10%-50%，并以早期为主。3)假体脱位 有限元分析方法还能对全髋关节置换术后假体脱位情况进行研究。李永奖[11]的假体脱位三维有限元模型显示，在坐位腿交叉有限元模拟中，角活动输入和股骨阻力矩值关系呈现出三个明显的阶段。开始仅是负重关节面的摩擦扭转力矩，一旦颈和内衬唇发生撞击后，股骨头开始滑出进入半脱位阶段，表现为撞击处的应力和杯中心的阻力矩值的增加。力矩平台期过后相应是杯的半脱位状态，之后阻止脱位的力距逐步减少直至计算数值不稳定。说明了撞击和脱位是两个非常不同的生物力学过程，由半脱位阶段所隔开，因此为减少全髓关节置换术后假体的脱位发生率，术中将最大化撞击前的活动范围作为降低脱位的指标应该慎重。Nadzadi等[12]的有限元模型分析髋关节运动时假体压力变化、关节受力、脱位发生部位及导致脱位的主要引导力，发现从较低的坐姿改变为站姿时发生脱位的风险为最高，比从弯腰到站立的脱位风险高6倍多。4)股骨骨折 何荣新[13]的研究认为全髋置换术前股骨近端的股骨距和粗隆下区域应力较高，当大粗隆处突然受到较高的暴力时，容易造成粗隆间的骨折。全髋置换术后，股骨距和粗隆下区域应力显著减少，股骨近端的高应力区域位于假体终末端水平，故全髋置换术后患者大粗隆受到高暴力时，股骨干的骨折容易发生在假体末端水平。全髋置换术后假体由于末端应力集中，暴力沿假体传导至假体末端，导致该部位的骨折，这就是同侧股骨的骨折绝大多数发生在假体末端的原因。Bessho等[14]的研究认为，有限元分析可以准确预测骨骼强度，有助于更好地分析了解骨折时的力学变化，并对老年人股骨颈骨折作出准确预测，从而有针对性地加强预防，减少此类骨折的发生。3假体设计 假体与髓腔的匹配良好与否决定了假体的稳定性与应力传导的质量，减少骨质吸收。郑晓雯[15]经三维有限元分析认为倒立圆锥形中空特征的人工股骨柄有助于降低人体股骨近端与假体接触区的应力遮挡效应；采用股骨柄上涂层骨水泥的方法，可增强股骨柄与骨水泥界面的结合强度，有利于降低人工髋关节置换术后的假体松动；非骨水泥固定型股骨柄微孔涂层范围对人体股骨的应力有明显的影响，微孔涂层范围过大不利于保持适中的人体股骨的应力和股骨柄的固定。Joshi的有限元研究证实近端固定型假体具有良好的生物力学效果，假体与髓腔的匹配更近于解剖状态，具有比较少的应力遮挡。郭宏强[16]对比研究静态加载和动态加载条件下股骨柄长度和横截面形状对股骨柄上应力及疲劳的影响，认为具有鼓形横截面和90mm长的股骨柄在30种股骨柄模型中具有最好的力学性能-较小的应力和微小位移，较高的疲劳安全系数。Keaveny研究全珍珠面、2/3珍珠面及无珍珠面及有无颈领等条件下的生物力学效应后证实，全珍珠面有颈领假体在各个层面的前后向、内外向及轴向的应力与活体状态差异最大；并且珍珠面范围越大，扭转及轴向载荷就越向远端传导。近年来髋关节表面置换术正逐步兴起，林荔军[17]重建金属对金属髋关节表面置换术后有限元分析模型，对该模型进行虚拟加载和仿真计算。比较分析金属对金属髋关节表面置换术后股骨侧的应力分布。发现金属对金属髋关节表面置换术后，应力主要集中于股骨颈内侧及假体与头颈交界部，并在股骨假体下骨质部存在应力遮挡，髋关节表面置换术后的应力集中及应力遮挡与髋关节表面置换术后股骨颈骨折发生存在一定联系。但Little等[18]应用有限元分析法证明，髋关节表面置换术后，在正常及骨质疏松条件下，正常行走并不会在股骨近端产生可引起骨折的应力，因此髋关节表面置换术后并发股骨颈骨折可能是多种因素综合作用的结果。4骨水泥应用有限元分析 Mann等[19]应用有限元分析骨水泥界面的微动，认为骨水泥孔隙率>30%时，界面微动显著增大。骨水泥技术的改进可提高全髋关节假体的远期生存率.保留一定厚度的高质量松质骨有助于骨水泥锚固。通过有限元方法证实，假体远端骨水泥层气泡使得界面应力大大增加，并随着气泡增大而增大，2mm厚的骨水泥比5mm厚的骨水泥界面应力大50%以上，要求临床采用第三代骨水泥技术，防止气泡产生，保证假体柄远端有5mm厚的骨水泥层。应用有限元分析方法及实验方法模拟骨水泥-骨界面纤维组织对假体周围应力分布的影响效果，结果表明有限元分析与实验分析结果基本一致，骨水泥-骨界面的纤维组织可以大大增加骨水泥的应力，而对皮质骨的应力影响比较小。髋关节有限元分析是一种非常有效的研究方法，它能有效解决许多在体生物力学实验无法完成的问题。尽管仍然存在不足，但随着计算机及软件业的高速发展，随着有限元方法与其他虚拟数字技术的有机结合，有限元分析必将日益成为骨科临床和科研工作的重要工具，推动髋关节外科向前不断发展。参考文献1. 杜秀丽,陈岚,徐根林.有限元分析在全髋关节置换术中的应用.生物医学工程学杂志.2009，26(2):429-431.2. 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人工关节知识简介 人工关节是在冶金学、生物材料学、生物力学和矫形外科学发展的基础上设计出来的人工器官，用来替代已经破坏和失去功能的人体关节，达到缓解症状，改善功能的目的。人们根据全身各关节的特点，设计了各种不同的人工关节。目前人工关节是疗效最好的人工器官，而人工关节中又以人工髋关节和人工膝关节的效果最为肯定。其他关节，如人工肩关节、肘关节和踝关节置换等目前也在开展之中。 人们从19世纪就开始尝试用人工关节来治疗晚期关节疾病。经过长期的探索，英国医生Sir John Charnley于1962年设计出金属股骨头与高分子聚乙烯髋臼组合的髋关节假体。由于其具有低摩擦、稳定和松动率低等优点，使人工髋关节置换得到巨大的发展。至今，Charnley人工髋关节仍被作为衡量其他人工髋关节的“金标准”，因此他也被公认为现代人工关节之父。 在人工髋关节成功的基础上，人们又对其他关节进行了深入研究，人工膝关节首先开始在临床上使用。经过30余年的临床实践，随着加工工艺和材料科学的进步，相继推出多种类型的人工膝关节。人工膝关节的疗效也进一步得到提高，使之成为目前疗效最好的人工器官之一，美国医生John N. Insall 在此方面做出了很大的贡献。为什么要进行人工关节置换 人工关节置换术是将己经失去功能的关节加以修整，置入特定的人工关节使其重新获得功能，达到缓解疼痛、稳定关节、矫正畸形和改善关节活动的目的。人工关节对于那些关节破坏已到晚期，其它治疗办法无效的患者来说，具有十分重要的意义。人工关节的出现，使过去许多不能治疗的关节疾病有了治愈的方法。使许多只能依赖拐杖行走的晚期关节严重破坏的患者，能像正常人一样行走，使部分长期卧床的患者，重新获得行走功能，开始了新的生活。人工关节置换术的效果 人工关节置换术的效果决定于病人的信心，医生的技巧，生物工程学以及假体与器械的设计。半个世纪以来，人工关节技术经过不断地发展与完善，已成为骨科领域治疗晚期关节病变的一种主要的手段，被誉为二十世纪骨科发展的里程碑。目前，人工关节手术已经成为一种十分成功的手术，它可以缓解和消除关节疼痛，恢复关节的活动功能。使长期受关节病痛折磨的人们手术后可以像正常人那样行走、外出旅行、工作、购物和进行体育锻炼等。由于人工关节手术疗效的确切性和可预期性，使更多的病人乐意接受这种手术。目前，仅美国每年约有55万人接受人工关节置换手术，而且有逐年增多的趋势。什么是人工髋关节和髋关节置换 人工髋关节由股骨假体和髋臼假体两部分构成。假体由与人体组织相容性好的金属合金和耐磨损的高分子聚乙烯衬垫构成。股骨假体包括球部和干状的体部，球部由光滑坚固的合金制成，体部多呈锥形，可插入人体股骨上段骨髓腔内，与股骨紧密地结合，头部与体部可组装在一起。另一部分为与骨盆结合的臼部，它的内层为高分子聚乙烯衬垫，与金属球头构成光滑耐磨的关节。 人工髋关节置换即用人工假体代替人体病损失去功能的髋关节。人工髋关节置换分单纯人工股骨头置换和同时置换髋臼和股骨头的全髋关节置换。根据固定方式的不同又分为骨水泥固定型和非骨水泥固定型（生物固定型）。骨水泥型全髋关节包括三部分：聚乙烯髋臼假体、金属球头和金属股骨柄假体。非骨水泥型全髋关节包括四部分：金属外杯、聚乙烯内衬、金属或陶瓷球头和金属股骨柄假体。人工关节类型及固定方式应由医生根据病人的年龄、髋关节病变情况以及骨质条件等作出选择。什么疾病需要行人工髋关节置换 全髋关节置换手术适合于由疾病或损伤导致的髋关节破坏、关节疼痛、活动障碍，并严重影响日常生活及生活质量，经保守治疗无法缓解和改善症状者。常见的有股骨头坏死、骨性关节炎、强直性脊柱炎髋关节炎、类风湿性关节炎髋关节炎、创伤性关节炎等所致的髋关节破坏、疼痛及功能受限。另外还有先天性髋关节脱位，髋臼发育不良、髋关节陈旧性脱位或半脱位引起的继发性骨关节炎等。对于老年患者移位或头下型股骨颈骨折，由于骨折不愈合和股骨头坏死发生率很高，也多主张通过人工关节置换使患者早日康复，生活自理，提高生活质量，以避免长期卧床带来的诸多并发症。全髋关节置换术后康复全髋关节置换术是一种疗效十分确切的手术，术后早期康复训练对促进体力恢复，保持关节稳定，增强肌肉张力，改善关节活动度，恢复动作协调性等方面具有重要的作用。 术后一天内，一般依据麻醉情况应平卧，6小时内不宜用枕头。 术后当天即可进行踝关节主动屈伸活动，促进下肢血液回流，减少深部静脉血栓形成的机会。术后第2天 病床可摇升至60°，主动进行踝关节屈伸练习及股四头肌等长收缩，以保持肌肉张力。术后3～4天 病床可摇升至80°～90°，主动进行髋膝关节的屈伸练习和直腿抬高练习，增加静脉回流，防止股四头肌萎缩。注意屈髋应小于70度，下肢不要内收。术后一周左右 进行坐位到立位练习，重心移至健侧，双手撑床，保持患腿外展，慢慢将患肢移到地下，再将健肢移到地下，坐于床边。然后通过双拐支撑站起，进行行走练习。 术后第二周开始练习行走：助步器 适用于初期的行走训练，为使用拐杖或手杖作准备。患肢基本不负重，先迈患肢，重心前移，重量分布在助步器和健肢上，健肢跟进。 三点式腋杖行走步态 适用于一侧下肢功能正常，另一侧下肢无法负重者。双拐与患肢一起前进，再移动健肢。 根据假体材料不同，术后负重练习的方法和时间也不同。 骨水泥固定假体，术后3～5天即可下地活动，最初在步行器帮助下练习步行，一周后可利用双拐练习正常行走。 非骨水泥固定假体，早期坚固的机械固定是必需的，一般情况下，术后1～2周患肢可开始部分负重，１.5～3个月后去拐完全负重，骨组织可充分长入假体微孔内，降低术后远期假体松动率。 全髋关节置换术后早期避免做髋关节内收外旋及髋关节过度屈曲等动作，术后3个月日常生活中应注意不坐矮的凳子或软的沙发、不翘“二郎腿”、不弯腰拾物，以免发生关节脱位等并发症。请注意，每一位病人都有其自己本身的特殊情况和条件，功能锻炼的具体方法应在您的手术医生的指导下进行，以上内容仅供参考。什么是人工膝关节和膝关节置换人工膝关节是在冶金学、生物材料学、生物力学和矫形外科学发展的基础上设计出来的人工器官，用来替代人体原来的膝关节。人工全膝关节包括股骨假体，胫骨假体和髌骨假体，由金属制成的股骨髁、胫骨托及超高分子量聚乙稀制成的胫骨垫和髌骨假体几部分组成。与人体组织相容性好的钴/或钛合金和耐磨损的超高分子量聚乙稀是目前人工膝关节中常用的两种生物材料。 人工全膝关节置换术即用人工假体取代已严重损坏而不能行使正常功能的膝关节表面，从而达到消除疼痛、矫正畸形、恢复其稳定性和活动度、提高生活质量的目的。术中医生利用特殊的精密器械将磨损的关节表面切掉，再根据您的关节大小和损害程度为您选择合适的金属和聚乙烯假体植入关节内。髌骨关节面是否需要置换，则由医生在手术台上根据您的髌骨关节面损伤严重程度决定。不是每位患者的髌骨都需要植入髌骨假体。 人工膝关节的固定方式主要分骨水泥固定和非骨水泥固定两类。目前应用最广泛的是骨水泥固定，患者在术后第二天即可下地，3～4天后即可开始练习行走。什么疾病需要行人工膝关节置换 人工关膝节置换术适合于由疾病或损伤导致的膝关节软骨磨损破坏，引起膝关节严重疼痛、畸形、不稳定、活动障碍等，严重影响日常生活及生活质量，经保守治疗无效或效果不显著的病人。人工膝关节置换治疗的疾病有多种，如骨性关节炎、强直性脊柱炎、类风湿关节炎、创伤等疾病所致的膝关节破坏、膝关节内翻、外翻或屈曲挛缩畸形等。怎样保护术后的人工关节 绝大多数病人经过全膝关节置换手术后，疼痛会明显减轻，功能得到改善，可以恢复正常生活，但手术不会使髋关节或膝关节的功能比发病之前更好。 人工关节置换术后，需要养成良好的生活及活动习惯，以维护关节的稳定性。术后可以进行骑车、行走、跳舞、游泳、打高尔夫等运动，但不鼓励进行跑、跳等剧烈运动以及长距离行走、爬山等运动，应禁止做高撞击接触性运动。正常活动情况下，人工关节会产生少许磨损。但过度的活动与负重，会加速假体磨损，有可能导致假体松动。 特别注意不要跌交和受伤，如果人工关节周围骨折一般需要手术治疗。全膝关节置换术后康复人工全膝关节置换术是一种疗效十分确切的手术，只把手术成功寄托在手术技术上而不进行有效的康复训练，则不能达到手术应有的效果。对于膝关节置换术来说，功能锻炼与手术具有同等重要的作用，它关系到今后膝关节的功能和活动度。在医生的指导下，功能锻炼开始得越早越好。功能锻炼应以主动活动为主，被动活动为辅。练习膝关节伸直与屈曲一样重要，甚至更加重要。早期活动时感到疼痛是正常的，不能因怕疼而不敢活动，失去最佳的练习活动期（术后一周之内），而影响膝关节的功能。 术后康复的目的在于通过早期功能训练，恢复患者肢体的功能和生活自理的能力。踝泵动作：麻醉苏醒后即可开始足和踝关节伸屈活动，每次2～3分钟，每小时2～3次。股四头肌练习：术后第二天，开始进行股四头肌练习以保持肌肉的张力。尽力背伸踝关节，伸直膝关节做抬腿动作，持续5秒，放松5秒后再重复，直至大腿肌肉感到疲劳为止。伸膝抬高练习：下肢伸直，如同作股四头肌练习，将腿抬离床面十几厘米，维持5～10秒钟，慢慢放下，重复此动作，直到大腿感到疲劳为止。也可以在坐位时做直腿高举练习，通过收缩大腿肌肉，使膝关节伸直并保持5～10秒。伸膝练习：仰卧位，在足跟上方放一小枕头使足跟悬空，收缩大腿肌肉，使膝关节完全伸直，并力图使膝关节后方接触到床垫，维持10～15秒，重复此动作，直到大腿肌肉感到疲劳为止。足跟滑移屈膝练习：引流管拔掉后开始。仰卧，使足底在床上向臀部滑动，同时使膝关节屈曲到最大限度，并在此位置保持5～10秒钟，重复多次，直到腿部感到疲劳为止。坐位辅助屈膝练习：下地后开始, 坐在床旁或椅上，慢慢将膝关节自然下垂屈曲到到最大限度。然后将一侧足移至另一侧足的背部，利用重力压迫使膝关节再尽量屈曲，并维持5～10秒钟，重复多次，直到腿部感到疲劳为止。早期下地活动 术后第二天即可在医生的指导下，下地练习站立。术后第3～4天，术后炎症反应消退后，即可开始做短距离步行练习。这些早期练习有助于重获膝关节周围肌肉力量、改善关节活动度和恢复平衡协调性。步行练习 正确的步行是帮助膝关节恢复的最好方法，开始时需要借助步行器或拐杖行走。首先在直立时应感到舒适并能保持平衡，然后先把步行器或拐杖向前移动少许距离，术侧膝关节伸直向前移动，先使足跟着地，身体前移，再将足部放平，最后由足趾离地。行走频率、步伐距离及速度要均匀。当肌力和耐力都增加以后，可以逐步延长步行时间。上下楼梯 上下楼梯需要力量和协调能力，是增强肢体力量和耐力的最好锻炼,开始需要有人帮助，直到重新获得足够的力量和平衡协调性为止。 由于病人的体质、病情、心理素质、主观要求、手术过程等不尽相同，全膝关节置换术后康复应因人而异。另外，由于接受全膝关节置换的病人均有膝关节长期疼痛、畸形和功能障碍的病史，因此功能锻炼应掌握循序渐进的原则，切忌操之过急，避免发生不应有的损伤。

你也许会经常看到有些老年人走路步态蹒跚、上下楼时膝关节疼痛难忍，甚至出现“O”形腿。实际上这都是骨性关节炎在作怪。骨性关节炎，俗称“长骨刺”、“骨质增生”，是由多种原因造成的关节软骨完整性受损而引起有关症状和体征的一组疾病。虽然表现在“长骨刺”，但是根本原因是关节软骨受破坏，从而产生疼痛和运动障碍，严重导致患肢病残。总之，骨性关节炎虽然从关节软骨起病，但影响整个关节结构，最终因关节软骨全部脱失而导致关节畸形和功能丧失。 骨性关节炎是世界上最常见的关节病，随年龄增大，患病率迅速上升；大于65岁人群中50%以上有骨性关节炎的Ｘ线片证据，但是有25%会有症状。75岁以上人群80%会出现症状。 世界卫生组织（WHO）统计，骨性关节炎在女性患病率中占第四位，在男性患病率中占第八位。在我国，老年人口约在1亿以上，约有8000万人口会有骨性关节炎的X线表现，约有4000万人有症状。北京的一项调查显示，60岁以上的人群中，有症状的男性骨关节炎者占5.6％，而女性占15％，而X线片上发现有骨关节炎者男性占21.5%，女性占42.8%。发达国家老年人占25%，随着人口的老龄化，我国也进入了老龄化国家，这种疾病会不断地增加。因此对骨性关节炎的预防和治疗是一项全社会都需要重视的工作。 其次是女性患者多，特别是在绝经后：在45～55岁的人群中，男女发病频率相当，而到55岁以后则女性患者明显居多，总体上说女性患骨性关节炎的几率是男性的两倍。 再次是肥胖：流行病学研究发现，肥胖对膝关节骨性关节炎的发生有一定的影响。除肥胖而引起的机械性因素外，还与肥胖的全身代谢因素有关。膝关节承受的应力及方向取决于肢体的力线、体形、肌肉力量及其相互作用。肥胖女性膝关节骨性关节炎的发病率是正常体重女性的4倍。肥胖对膝关节骨性关节炎发生机制的影响是复杂的，目前尚不完全清楚。此外，肥胖时脂肪的分布与骨性关节炎的发生有相关性，即腰部脂肪多的病人易患髋、膝关节骨性关节炎，而髋部、大腿的脂肪却很少引起骨关节炎。 种族因素也会影响骨性关节炎的发病，西方人髋关节骨性关节炎的发生率高，而东方人膝关节骨性关节炎的发生率高。 一些特殊职业人员易患骨性关节炎：如矿工、采棉花者、重体力劳动者、职业运动员、舞蹈演员或教师等，主要是由于关节软骨长期受高强度的应力磨损或受伤引起。 关节损伤也是引起骨性关节炎的一个重要因素：如关节周围的韧带损伤引起关节不稳、半月板损伤或关节内骨折等。我国著名速滑世界冠军叶乔波二十多岁膝关节就因为反复受伤引起创伤性关节炎做了手术，取出相当多的软骨碎片和游离体，肌肉力量减弱。此外基因改变、关节软骨营养障碍、代谢异常、神经性异常及关节的生物力学环境改变等均可引发骨性关节炎。如穿尖跟或宽跟的高跟鞋，走路时增加了膝关节平常所承受的应力，并且改变了膝关节的受力点，也容易引起骨性关节炎。全身关节都可有骨关节炎，表现出相应关节的疼痛、肿胀、摩擦音、变形和活动受限。但是膝关节骨性关节炎的发病率最高。约41%的骨关节炎患者为膝关节骨关节炎。这是因为膝关节为负重大、活动多、易受外伤、劳累和风寒刺激的关节。髋关节骨关节炎占19%。骨性关节炎关节疼痛的特点多为活动过多时出现，休息后可减轻。膝关节骨性关节炎还造成患肢下蹲、上下楼梯等障碍，严重时会产生内翻及屈曲挛缩畸形，最后出现关节病残。 虽然目前尚不能完全预防骨性关节炎不发生，但是通过一些措施，可以减少或延缓骨性关节炎的发生。这些措施包括减轻体重，尽量不穿高跟鞋，保护关节不要受到损伤，如避免关节受到反复的冲击力或扭力，尽量减少做频繁登高运动、如果有半月板损伤应及时通过关节镜进行修补或缝合，如果有关节韧带损伤要及时治疗，关节内骨折要手术解剖复位。如果关节周围有畸形要及时手术矫型。另外注意服用Vit A、Vit C、Vit E及补足Vit D等对骨性关节炎也有一定的预防作用。 对骨关节炎患者的锻炼要一分为二，正确的适当的锻炼，可以预防、延缓和减慢骨性关节炎的进程。有益的锻炼包括：游泳、散步、骑脚踏车、仰卧直腿抬高或抗阻力训练及不负重位关节的屈伸活动。 而不正确的过度锻炼可加重骨性关节炎。有害的运动是增加关节扭力或关节面负荷过大的训练：如爬山、爬楼梯或下蹲起立等活动。 对于非常早期、症状非常轻的骨性关节炎患者，可以不用药物治疗，可以考虑单独采用物理方法治疗。 物理方法包括：对患者的教育、减轻体重、调整运动方式、按照正确的方法进行运动、做增强肌肉力量的锻炼、使用减轻体重、使用辅助措施：如助行器及拐杖等，还可以穿可以吸收冲击力的鞋子、使用内低外高的鞋垫和使用膝关节内侧支具等。 药物治疗包括以下几种： 抗炎止痛药：国外首选对乙酰氨基酚，该药物止痛效果好，不良反应少，费用低。通常１日总量不超过3g，但长期大剂量使用有引起肝或肾损伤的报告。如果此类药物止痛效果不明显或伴有膝关节积液，宜选用其他药物。 非甾体类抗炎药（NSAIDs）：这类药物具有抗炎、止痛和解热作用，是治疗骨性关节炎最常用的药物。氨基葡萄糖：抗炎药只能解除或减轻骨性关节炎的症状，不能改变其病变发展。为此，多年来人们都在探索控制骨性关节炎发展的改变病情的药物。氨基葡萄糖既能抗炎止痛，又有延缓膝骨性关节炎发展的作用，被认为是第一个改变骨性关节炎病情的药物或慢作用药，体外实验也证实其对软骨代谢有良好作用，也称其为软骨保护剂。长期使用氨基葡萄糖治疗可阻止膝关节骨性关节炎的发展。双醋瑞因：该药可以抑制金属蛋白酶的活性及稳定溶酶体膜而发挥抗炎及对关节软骨的保护作用，从而改善骨性关节炎的病程。试验证明能明显改善患者症状，且其不良反应仅为短暂腹泻。 可以在关节腔注射的药物一般为透明透明质酸制剂。 透明透明质酸制剂：关节腔中滑液的高粘性对关节运动可提供几乎无摩擦的表面，因而对正常关节功能十分有利。骨性关节炎时，透明质酸被破坏，滑液粘性降低，润滑作用消失及关节表面的光滑运动丧失，从而导致关节进一步破坏。关节腔内大分子量透明质酸补充治疗有利于缓解关节疼痛，增加活动度，消除滑膜炎症及延缓疾病进展。这类药物主要用于膝关节骨性关节炎，适于对常规治疗疗效不佳，或不能耐受止痛剂或非类固醇类抗炎药治疗者。 对骨性关节炎的治疗要着眼于早诊断、早治疗及长疗程。即应在患者出现症状，而关节软骨尚未发生明显病变，关节间隙尚未变窄及骨赘尚未达到显而易见的程度，即开始预防和综合性治疗，并长期随访。 在上述的药物中，维生素和氨基葡萄糖可作为基本而长期使用的药物。双醋瑞因可在治疗初期与氨基葡萄糖并用或单用。抗炎止痛药可根据患者关节疼痛或肿胀等表现而随时短期应用。透明质酸补充治疗具有良好的改善症状、改进功能和提高生活质量的作用，对于有适应证及有条件的患者应推广应用。 虽然有以上的许多种药物可以治疗骨性关节炎，但是目前尚无一种药物可以使骨性关节炎的病程逆转和停止。药物治疗只能在一段时间内减轻症状。因此许多患者最后发展到中晚期，就不得不需要接受手术治疗。 治疗骨性关节炎常见的手术有关节镜清理术以及人工关节置换术。 关节镜清理术：关节镜清理术的效用在于切除或修整引起关节机械性障碍的软骨碎片、游离体、半月板碎片以及骨赘，并通过术中大剂量关节灌洗，清除致滑膜炎的炎性因子。关节镜清理术通过消除机械性障碍因素及致炎因素而减轻症状。对退变的软骨和半月板进行刨削并不能使其修复，因此手术目的不是希望有新的软骨再生（相反可能会加速退变）。而只是为了缓解症状，它不会改变骨性关节炎的病理改变和进程。对已经有的关节软骨损伤或软骨代谢异常造成的软骨功能障碍不会产生任何作用。关节镜清理术对症状发生的相对急性期可能取得较好的结果，对慢性进行性变化的患者和已经达晚期的骨性关节炎患者，在关节镜手术后可能会有短期改善。 人工关节置换术：从以上的各项治疗可以看出，任何治疗仅暂时减轻症状，而最有效的治疗方法是人工关节置换术。 综上所述，对早期的骨性关节炎可以采用各种药物治疗，它们可以在一段时间内减轻症状。但是由于目前尚无有效控制骨性关节炎发展的措施，骨性关节炎会不断地发展、恶化。发展到晚期唯一有效的治疗方法是人工关节置换术。目前人工关节置换术是一种非常成熟的手术，它可使骨性关节炎晚期患者解除痛苦，改善功能，提高晚年生活质量。

膝内翻畸形在膝关节病损中十分常见，也是全膝关节置换术中常需要处理的重要问题之一。Whiteside等[1]根据膝内侧副韧带不同部分在各个屈膝角度紧张度的不同解剖特点，提出选择性松解内侧副韧带浅层的理论，即通过松解后斜束解决伸直位的紧张，松解前束解决屈膝位的紧张。我们总结了2006年5月～2007年5月在我院行全膝关节置换术矫正膝内翻的60例手术的成功经验，总结该方法在实际运用中的体会及疗效。1. 临床资料一般资料本组男27例，女33例，共60个膝关节。年龄55～78岁，平均63.5岁。术前膝关节HSS(hospital of special surgery)评分为36.5±2.9分。其中，骨性关节炎38例，类风湿性关节炎15例，创伤性关节炎7例。1.2 测量指标手术前后摄膝关节负重位X线正、侧位片，测量冠状位股胫角(femoraltibialangle,FTA),测量方法参考Moreland等[2]报道的方法:股骨头中心到膝关节中心的力线作为股骨解剖轴,胫骨髓腔中点连线为胫骨解剖轴,测量胫骨解剖轴线与股骨解剖轴线夹角;设正常下肢力线股胫角外翻5o[3]，将FTA减去5o作为膝内翻的总角度。1.3 手术方法手术均由同一组医生完成，以避免操作的误差。假体选用德国Link公司生产的GeminiII旋转平台全膝关节假体。手术入路均采用髌旁内侧关节囊入路。应用常规方法进行膝关节定位及截骨,有屈膝挛缩者根据情况适当增加股骨远端或胫骨近端1～2mm的截骨量。软组织松解及平衡分4步进行。① 关节暴露时松解：切除髌前脂肪垫，在关节面以下lcm处分离内侧副韧带的深层，切除骨赘。② 截骨后松解:股骨和胫骨截骨完成后,充分显露后关节囊,清除后方籽骨及骨赘,同时用骨膜剥离器松解后关节囊胫骨侧及股骨侧,重新修整胫骨平台骨床,清除平台内侧残余骨赘。以上两步为常规松解步骤。③ 选择性松解膝内侧副韧带浅层：膝内侧副韧带紧张的术中表现为内侧间隙窄，手指触诊可有条索样结构。若屈膝位内侧紧张，则松解膝内侧副韧带浅层前束；伸膝位内侧紧张，则松解膝内侧副韧带浅层后斜束。④安装假体试模后最后松解：根据下肢力线及髌骨运动轨迹情况适当调整两侧软组织平衡，同时应用“No Thumb Test”标准决定是否行髌外侧支持带松解。1.4 统计学方法应用SPSS统计软件进行分析。数据以均数±标准差表示,组间比较采用配对t检验,P值

全膝关节置换术后康复简介（因病情不同，应以医护人员的指导为主）人工全膝关节置换术是一种疗效十分确切的手术，只把手术成功寄托在手术技术上而不进行有效的康复训练，则不能达到手术应有的效果。对于膝关节置换术来说，功能锻炼与手术具有同等重要的作用，它关系到今后膝关节的功能和活动度。在医生的指导下，功能锻炼开始得越早越好。功能锻炼应以主动活动为主，被动活动为辅。练习膝关节伸直与屈曲一样重要，甚至更加重要。早期活动时感到疼痛是正常的，不能因怕疼而不敢活动，失去最佳的练习活动期（术后一周之内），而影响膝关节的功能。 术后康复的目的在于通过早期功能训练，恢复患者肢体的功能和生活自理的能力。踝泵动作：麻醉苏醒后即可开始足和踝关节伸屈活动，每次2～3分钟，每小时2～3次。股四头肌练习：术后第二天，开始进行股四头肌练习以保持肌肉的张力。尽力背伸踝关节，伸直膝关节做抬腿动作，持续5秒，放松5秒后再重复，直至大腿肌肉感到疲劳为止。伸膝抬高练习：下肢伸直，如同作股四头肌练习，将腿抬离床面十几厘米，维持5～10秒钟，慢慢放下，重复此动作，直到大腿感到疲劳为止。也可以在坐位时做直腿高举练习，通过收缩大腿肌肉，使膝关节伸直并保持5～10秒。伸膝练习：仰卧位，在足跟上方放一小枕头使足跟悬空，收缩大腿肌肉，使膝关节完全伸直，并力图使膝关节后方接触到床垫，维持10～15秒，重复此动作，直到大腿肌肉感到疲劳为止。足跟滑移屈膝练习：引流管拔掉后开始。仰卧，使足底在床上向臀部滑动，同时使膝关节屈曲到最大限度，并在此位置保持5～10秒钟，重复多次，直到腿部感到疲劳为止。坐位辅助屈膝练习：下地后开始, 坐在床旁或椅上，慢慢将膝关节自然下垂屈曲到到最大限度。然后将一侧足移至另一侧足的背部，利用重力压迫使膝关节再尽量屈曲，并维持5～10秒钟，重复多次，直到腿部感到疲劳为止。早期下地活动 术后第二～五天即可在医生的指导下，下地练习站立。术后第3～4天，术后炎症反应消退后，即可开始做短距离步行练习。这些早期练习有助于重获膝关节周围肌肉力量、改善关节活动度和恢复平衡协调性。步行练习 正确的步行是帮助膝关节恢复的最好方法，开始时需要借助步行器或拐杖行走。首先在直立时应感到舒适并能保持平衡，然后先把步行器或拐杖向前移动少许距离，术侧膝关节伸直向前移动，先使足跟着地，身体前移，再将足部放平，最后由足趾离地。行走频率、步伐距离及速度要均匀。当肌力和耐力都增加以后，可以逐步延长步行时间。上下楼梯 上下楼梯需要力量和协调能力，是增强肢体力量和耐力的最好锻炼,开始需要有人帮助，直到重新获得足够的力量和平衡协调性为止。 由于病人的体质、病情、心理素质、主观要求、手术过程等不尽相同，全膝关节置换术后康复应因人而异。另外，由于接受全膝关节置换的病人均有膝关节长期疼痛、畸形和功能障碍的病史，因此功能锻炼应掌握循序渐进的原则，切忌操之过急，避免发生不应有的损伤。 每位患者应在主管医师指导下进行，以主治医师意见为最高指示。

患者：一年前打球时，右腿关节抻了一下，现坐在椅子上，将右腿向上抬到一定角度关节就痛（大约120度左右），上楼痛，其它没有大多症状，已经一年多了，现在大腿上部肌肉轻度萎缩。 化验、近期，做过核磁和片子，核磁上讲：髌骨少量积液，别的都基本正常。 去过好几家医院，大夫都说没大事，有说滑膜炎的，有说是关节松，没怎么用药，主要贴过几次膏药和针灸治疗，几乎没有效果。 希望治好关节痛。天津医院关节外科张福江：张先生您好： 根据您的描述我觉得您的右膝关节的髌-股关节有问题，也可能是髌骨的软骨面有损伤，我只有在做过检查后才有可能确定。不过您现在可以做右大腿四头肌的收缩锻炼——绷大腿前方的肌肉练习，防止肌肉萎缩；还可以口服葡立胶囊/奥泰灵/维骨力三者的任一药物。尽量不要多做蹲起和爬楼梯的活动。