全膝关节置换术
2020年5月13日更新
作者:Simon H Palmer，医学博士，MBBS，理学硕士;主编:Thomas M DeBerardino，医学博士
全膝关节置换术(TKA;也被称为全膝关节置换术(TKR))是缓解严重关节炎引起的严重的致残性疼痛。(见下图)
全膝关节置换。显示创伤后骨关节炎的x光片。
麻醉
TKA手术可在局部麻醉或全身麻醉下进行。使用哪种方法部分取决于患者的身体状况，尽管区域麻醉和全身麻醉相关的心血管结局、认知功能和死亡率尚未被证明有显著差异。
接受硬膜外麻醉的患者围手术期深静脉血栓(DVTs)发生率较低。这是否对患者有整体的积极益处尚不清楚。
设备
TKA假体类型包括以下几种:
病人评估
术前对患者的医疗评估包括以下内容:
抗生素和抗血栓栓塞装置
在切开前约30分钟给予抗生素和抗血栓预防。术中使用机械抗血栓栓塞装置(如长袜、足泵)。
TKA执行如下:
病人经过康复，通常在高依赖性病房观察24小时。在身体高度紧张的时候，适当的水合作用和镇痛是必不可少的。镇痛是通过术中持续的硬膜外镇痛、患者控制的静脉镇痛或口服镇痛来提供的。冷冻疗法用于减少术后肿胀和疼痛。
在这个早期阶段，患者开始膝关节运动，有时使用持续被动运动(CPM)机器和练习。这些在物理治疗师的监督下持续进行，直到出院。[1,2]
引流物通常在24小时内清除，并鼓励患者在术后第二天行走。一般持续改善，5-14天即可出院。血栓栓塞预防通常在家里持续一段时间。
某种形式的全膝关节置换术(TKR)已经实施了50多年，但在该手术的早期，人们还没有完全了解膝关节的复杂性。正因为如此，TKR最初并不像约翰·查恩利爵士的人工髋关节那么成功。然而，膝盖力学知识的巨大进步导致了设计的修改，似乎是持久的。
假体制造过程中使用的金属、聚乙烯和陶瓷的类型和质量都取得了重大进展，从而提高了寿命。与现代医学中的大多数技术一样，越来越多的患者正在接受全膝关节置换术(TKA)的好处。[3,4]在美国，每年大约有13万例膝关节置换手术。
19世纪60年代，Fergusson报道了一例因关节炎而进行的膝关节切除术。Verneuil被认为是第一个使用关节囊进行关节置换术的人。随后还尝试了其他组织，包括皮肤、肌肉、筋膜、脂肪，甚至猪膀胱。
20世纪40年代首次尝试人工植入，在髋关节设计类似的基础上，将模具安装到股骨髁上。在接下来的十年中，也尝试了胫骨置换术，但两种设计都存在松动和持续疼痛的问题。
股骨和胫骨关节面联合置换在20世纪50年代作为简单的铰链出现。这些植入物未能考虑到膝关节运动的复杂性，因此无菌性松动的失败率很高。它们还与术后高感染率有关，这是不可接受的。
1971年，冈斯顿重要地认识到，膝盖不像铰链那样沿单轴旋转;相反，股骨髁在胫骨上滚动和滑动，有多个瞬间的旋转中心。他的多中心膝关节置换术因其改进了铰链植入物的运动学而在早期取得了成功，但最终由于假体与骨的固定不足而失败。
1973年梅奥诊所引入的高度协调和约束的几何膝关节成形术忽略了Gunston的工作，并产生了运动学冲突。其他设计紧随其后，要么遵循Gunston的原则，试图重现正常的膝关节运动学，要么允许一个符合规范的关节来控制膝关节运动。
全髁假体由Insall于1973年在特殊外科医院设计。这个假体集中在力学上，并没有试图重现正常的膝盖运动。1993年，Ranawat等人报道了15年随访的生存率为94%，这是迄今为止最令人印象深刻的报道
该组件随后被改变，人为地引入正运动学，以提高组件的运动范围(ROM)。与此同时，特殊外科医院开发了一种具有更自然运动学的假体，依靠保留的十字韧带提供膝关节运动。
关于膝关节韧带是否应该保留或牺牲的争论一直持续到今天。长期随访研究没有显示出任何显著差异，但如果韧带保留，步态异常似乎较少，特别是在上下楼梯时。结合正运动学和最大整合的一种理论方法是使用移动胫骨轴承。这些假体的中期随访研究显示了令人鼓舞的结果。
胶结TKR手术一直是TKA的标准标准，但具有生物活性表面(如羟基磷灰石)的未胶结设计已经显示出有希望的中期结果(见下图)
全膝关节置换。电显微照片显示骨(红色)合并到羟基磷灰石表面。
有关患者教育信息，请参阅足、踝、膝和髋关节中心、骨骼健康中心和关节炎中心，以及膝关节置换和膝关节疼痛。
TKA的主要适应症是缓解严重关节炎引起的疼痛。疼痛应该很严重，会让人瘫痪。夜间疼痛尤其令人痛苦。如果膝关节功能障碍导致患者生活质量显著降低，则应考虑到这一点。
明显畸形的矫正是一个重要的指征，但很少被用作手术的主要指征。x线表现必须与明确的膝关节关节炎临床表现相关。没有明显关节间隙损失的患者对TKA后的临床结果不太满意。在考虑手术前，应用尽所有保守治疗措施。
膝关节置换术的预期生存期有限，受活动水平的不利影响。[5,7,8]一般适用于活动较少的老年患者。对于因系统性关节炎及多关节受累而功能受限的年轻患者也有明显的适应症。要求进行膝关节置换术的年轻患者，尤其是那些患有创伤后关节炎的患者，不应被年龄排除在外，但必须是严重残疾的患者，并且必须了解关节置换术的固有寿命。
极少数情况下，严重的髌股关节炎(见下图)可能会以关节置换术的预期结果优于髌骨切除术为理由进行关节置换术。离体髌骨置换术仍在临床研究中。
全膝关节置换。侧位片显示严重的髌股骨关节炎。
对于中度关节炎患者，当屈曲挛缩或内翻或外翻松弛明显时，畸形有时可成为膝关节置换术的主要指征。在这种情况下，通常需要更有约束的假体，导致手术的技术难度更大，长期生存的不确定性更大。
TKA的绝对禁忌症包括:
相对禁忌症包括排除安全麻醉的医疗条件以及手术和康复的需要。其他相关禁忌症包括:
膝关节的运动可分为六个自由度，包括三次平移和三次旋转，具体如下:
膝关节的运动由胫骨和股骨关节面的形状和膝关节四根主要韧带的方向决定。前十字韧带(ACL)，后十字韧带(PCL;内侧副韧带(MCL)和外侧副韧带(LCL)构成四连杆系统。
全膝关节置换。矢状MRI显示前、后交叉韧带。
膝关节屈伸包括滚动和滑动的结合，称为股骨回滚，这是一种增加屈曲范围的巧妙方法。由于股骨外侧髁和内侧髁不对称，屈膝20º时，外侧髁滚动的距离比内侧髁大。这导致了胫骨的外旋耦合，这被描述为膝关节的螺钉-home机制，锁定膝关节伸展。
内侧和外侧副韧带
MCL的主要功能是抑制膝关节外翻旋转，其次要功能是控制外旋。LCL抑制内翻和内翻。
前交叉韧带
前交叉韧带的主要功能是在膝关节屈曲时抵抗胫骨在股骨上的前移位，并在膝关节末端伸屈时控制胫骨的螺钉复位机制。前交叉韧带的第二个功能是抵抗胫骨内翻或外翻旋转，特别是在没有侧副韧带的情况下。前交叉韧带也会抵抗胫骨的内旋。
后交叉韧带
PCL的主要功能是允许股骨在屈曲时回滚，并抵抗胫骨相对于股骨的后侧平移。PCL还通过增加膝关节屈曲来控制胫骨的外旋。生物力学上证明，PCL保留在TKR中可提供股骨在胫骨上的正常运动学回滚。这对于改善股四头肌的杠杆臂和膝关节屈曲也很重要。
髌骨关节
髌股关节的运动可表现为滑动和滑动。在膝关节屈曲时，髌骨在股骨上向远端移动。这种运动由髌股关节与股四头肌腱、髌骨韧带和股骨髁前部的附件控制。髌股关节的肌肉和韧带负责膝关节的伸展。
髌骨起到滑轮的作用，将股四头肌产生的力量传递到股骨和髌韧带。它还增加了股四头肌相对于膝盖瞬间旋转中心的机械优势。
机械轴
下肢的机械轴是一条想象的线，身体的重量通过它传递。它从臀部中心到脚踝中心，再经过膝盖中间。该轴在畸形存在时发生改变，必须在手术中重建，这允许步态正常化，并保护假体免受偏心负荷和早期失效。
更多信息请参见膝关节解剖学。
有退行性膝关节疾病的患者应考虑一些手术方法。关节镜下清创有时适用于伴有机械症状和反复持续性积液的轻度退行性关节疾病。胫骨近端外翻截骨术应保留给有内侧胫股腔室疾病、侧副韧带稳定、膝关节内翻畸形可矫正的患者(见下图)。
全膝关节置换。x线片显示胫骨近端外翻截骨，以卸载膝关节内侧腔室。
同样，对于胫骨股外侧腔室疾病、侧副韧带稳定、膝关节外翻畸形的患者，可考虑行股骨远端内翻截骨术(见下图)。
全膝关节置换。x线片显示股骨远端内翻截骨。
这些手术可以恢复下肢的机械轴，减轻病变腔室。胫骨近端外翻截骨术和股骨远端内翻截骨术通常保留给高需求的年轻患者，因为担心TKA在这组患者中的持久性。
全膝关节置换。x线片显示内侧单间室置换。注意侧关节腔室相对保存。
在英格兰进行的一项前瞻性、随机、对照试验比较了单室膝关节置换术与TKA在8、10、12和15年的随访。5年时，两组的失败次数相等。在15年的随访中，单室膝关节置换术的生存率为89.8%，TKA为78.7%。单间室膝关节中有4例失败，TKA膝关节中有6例失败。Newman等人从他们的发现中确定，他们的研究结果证明了增加使用单室置换。[9]
膝关节融合术很少进行，但对于慢性脓毒症患者，需要稳定性和持久性的年轻三间室疾病患者(如创伤后)，以及伸肌机制缺陷的患者，应考虑进行关节融合术或膝关节融合术。TKA适用于膝关节一个或多个区室有症状的晚期退行性改变的患者。
Batailler等人进行的一项随机对照试验(N = 118)评估了TKA的生存率、临床结果和放射学结果，TKA采用骨水泥胫骨假体(N = 59)或采用非骨水泥股骨假体和骨水泥胫骨假体(N = 59)。[10]患者年龄在50 - 90岁之间，接受了原发性骨关节炎TKA治疗，没有开放膝关节手术史，随访时间至少为10年。骨水泥TKA和混合型TKA在生存率、并发症发生率、临床评分或松动影像学征象方面无显著差异。
Kwon等人对118名接受TKA的老年(>65岁)女性患者的研究发现，体重过轻患者的临床结果比体重指数(BMI)正常的患者差，尽管两组在术后并发症方面没有显著差异
对接受全膝关节置换术(TKA)的患者进行全面的术前医学评估对于预防围手术期的潜在并发症非常重要。评估应在手术日期之前在选择性入院前诊所完成。这样可以进行仔细和从容的评估，并有足够的时间进行调查、专家麻醉和医学意见以及同意。它还允许在病人被推迟手术时重新安排手术日程。
大多数接受TKA的患者是老年人，并有各种共病情况。患者必须有良好的心肺功能，以承受麻醉，并在围手术期承受1000-1500毫升的失血。老年患者术前应常规行心电图检查。患有缺血性心脏病、充血性心力衰竭和慢性阻塞性气道疾病的患者应由医学专家或麻醉师诊治。有明显外周血管疾病的患者应由血管外科医生诊治。
患者应已完成手术知情同意书，并充分了解手术的风险和可能的并发症。他们应该在手术前已经优化了所有的医疗条件，并且应该没有并发感染。围手术期输血应备有两个单位的血液，可以从血库取出，最好是预先捐献的血液。必须提供全面的医疗和手术支持，以防发生不可预见的并发症。
术前实验室评估应包括以下内容:
尿检以排除隐匿性尿路感染。常规的术前凝血检查是不必要的，除非有出血史、酗酒史或既往有肝脏疾病。
评估膝关节炎患者的x线照片包括以下内容:
全膝关节置换。髌股关节天际线视图显示外侧和内侧骨赘和髌骨外侧半脱位。
关节间隙丧失、囊肿、软骨下硬化和骨赘证实了骨关节炎的诊断(见下图)。
全膝关节置换。显示骨关节炎特征的x线片。
常规胸部x线摄影通常不推荐作为筛查工具。但是，它适用于有心肺疾病的患者或在入院前门诊确定有临床症状的患者。
心电图适用于老年患者和有心脏病史的患者。
在膝关节关节炎的调查中，更复杂的成像方式偶尔有利于评估显著的骨丢失或骨感染，包括以下:
不同类型的TKA假体可供选择(见下图)。其中包括:
全膝关节置换。植入前全膝关节置换术。
TKA手术可在局部麻醉或全身麻醉下进行。区域麻醉或全身麻醉的选择是由麻醉师和患者在术前讨论后做出的，并得到手术团队的一些建议。这一决定部分受到患者病情的影响，尽管区域麻醉和全身麻醉在心血管结局、认知功能或死亡率方面未被证明有显著差异。
一项大型回顾性研究的结果表明，膝关节或髋关节置换术患者在腰麻或硬膜外麻醉下的围手术期疗效优于全麻。[12,13]这项研究检查了382,236例患者记录中指定的麻醉类型;11.1%的患者接受了轴麻，74.8%的患者接受了全身麻醉，14.2%的患者接受了两者的联合麻醉。虽然所有三种麻醉的30天死亡人数都很少，但轴轴麻醉或联合麻醉患者的30天死亡人数明显低于纯全麻患者(分别为0.10%、0.10%和0.18%)。
采用硬膜外麻醉的患者围手术期深静脉血栓发生率较低。这是否对患者有任何整体的积极益处尚不清楚。硬膜外麻醉的另一个好处是在术后48-72小时内留置导管以控制疼痛，这消除了对过量中枢作用镇痛药的需要。
术后持续硬膜外镇痛的不良反应包括以下几个方面[14,15]:
在Shum等人的一项研究中，与不进行股神经阻滞的患者相比，持续股神经阻滞镇痛的患者在TKA后立即疼痛减轻，满意度提高，吗啡使用量降低。[15]在2年的随访中，没有发现功能结果的显著差异。
IIfeld等人发现，使用便携式输液泵进行4天动态连续股神经阻滞，有助于缩短TKA后出院时间在一项多中心、三盲、安慰剂对照研究中，患者从手术开始到第二天早上接受0.2%罗哌卡因连续股神经阻滞，此时他们被随机分为两组，一组继续使用罗哌卡因(n = 39)，另一组改用生理盐水(n = 38)。在接受动态镇痛的患者中，达到三个预先设定的出院标准(足够的镇痛、不依赖静脉阿片类药物和步行30米)的时间缩短了约20%。
术前腿部清洗后，患者以仰卧位置于手术台上(见下图)。
全膝关节置换。手术前病人在手术台上。
随访取决于外科医生、病人和医疗保健系统一个典型的例子是在6周、3个月、6个月、1年、2年、5年、10年以及之后酌情进行手术随访。这将根据每个患者的年龄，活动程度和并发症的存在进行修改。
TKA后膝关节功能通常恢复良好，大多数患者能够恢复低强度的体育活动。[18,19]长期研究证实了令人满意的功能评分，并在14-15年的随访中显示了91-96%的假体生存率。在保留pcl和替换pcl的设计之间似乎没有区别。无骨水泥设计没有相同的随访时间，但10-12年的研究报告了95%的假体存活率。[5,7,8,20,21]
全膝关节置换术(TKA)应在层流手术室中进行，注意细节，以防止手术部位受到污染。
大腿止血带通常用于辅助手术暴露，但对于既往有深静脉血栓形成(DVT)或重大血管疾病史的患者应避免使用。关于止血带的使用是否具有显著的净效益，仍存在一些争论。在Jiang等人的荟荟性分析中，止血带的使用显著减少了术中出血量、输血率和手术时间(但不包括术后出血量、测量或计算的总出血量、输血量、肺栓塞发生率[PE]或住院时间)。[22]作者得出结论，目前的证据不允许明确的建议。
在切开前约30分钟给予抗生素和抗血栓预防。术中使用机械抗血栓栓塞装置(如长袜、足泵)。
膝关节通常采用髌旁内侧入路，但也有外科医生采用外侧或股下入路。然后清除骨赘和关节内软组织。
股骨远端骨切割垂直于机械轴，通常借助髓内定位系统，然后对照髋关节中心进行检查。在髓内或髓外对准棒的帮助下，垂直于胫骨机械轴切割胫骨近端。机械对准的恢复对于实现最佳负荷分担和防止通过假体的偏心负荷非常重要。
足够的骨头被移除，以使假体恢复关节线的水平。这可以使膝关节周围的韧带得到准确的平衡，并防止髌骨高度的变化，这可能会对髌股力学产生有害的影响。
由于术前畸形，膝关节周围部分韧带收缩。这些被小心翼翼地逐步释放，以平衡膝盖周围的软组织，并实现最佳的膝盖运动学(见下图)。
全膝关节置换。术中照片显示髌骨外翻的试验部件。
髌股追踪采用原位试验组件进行评估，必要时采用外侧释放或内侧礁化手术进行平衡。如果髌股关节病变严重，可以用聚乙烯纽扣进行表面修复。髌骨的原始宽度必须恢复。
一旦选定了确定的成分，就用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)水泥将其粘合。如果使用的是无骨水泥系统(见下图1)，压合和骨内生长提供了短期和长期固定的组件(见下图2)。
全膝关节置换。无骨水泥羟基磷灰石涂层全膝关节置换术的x线片。骨-假体连接处无间隙，表明骨与假体合并。
全膝关节置换。确定的成分在原地。
止血带在闭合前应放气，以便准确止血。膝关节通常进行引流，并进行伸展治疗。有一些证据支持在膝关节屈曲的情况下进行手术伤口闭合。[23,24,25]在程序结束时检查脚脉冲。
在一项对48例TKA患者的双盲研究中，Essving等人报道了手术中开始的局部浸润镇痛，产生了极好的术后疼痛缓解。[26]治疗组患者术中关节周注射罗哌卡因400 mg、酮酸30 mg、肾上腺素0.5 mg，术后21小时关节内注射罗哌卡因200 mg、酮酸30 mg、肾上腺素0.1 mg。安慰剂组患者术后注射生理盐水。总的来说，治疗组术后疼痛更少，使用吗啡更少，更快地达到出院标准，患者满意度更高。
在2014年美国骨科医生学会(AAOS)年会上报道的两项回顾性分析中，Emerson等人发现缓释布比卡因与股神经阻滞在缓解TKA患者疼痛方面同样有效。[27]使用布比卡因缓释脂质体注射治疗的患者使用的麻醉救援药物较少，住院时间较短，摔倒次数较少。Barrington等人2015年的一项研究也得出了类似的结果渗透技术已由Connelly等人描述。[29]
在一项比较连续导管股神经阻滞(cFNB)和单针股神经阻滞(sFNB)缓解TKA术后疼痛的试验中，Dixit等人发现，两种技术在缓解疼痛方面是等效的，在阿片类药物消耗、住院时间、物理治疗结果或相关副作用方面没有显著差异。[30]
手术后，患者接受康复治疗，通常在高依赖性病房接受24小时的观察。在身体高度紧张的时候，适当的水合作用和镇痛是必不可少的。镇痛是通过术中持续的硬膜外、患者控制的静脉镇痛或口服镇痛来提供的。冷冻疗法用于减少术后肿胀和疼痛。
在这个早期阶段，患者开始膝关节运动，有时使用持续被动运动(CPM)机器和练习。这些在物理治疗师的监督下持续进行，直到出院。[1,2]A randomized clinical trial by Labraca et al found that commencing early movement in the first 24 hours after surgery allowed early mobilization and quicker discharge from the hospital.[31]
引流物通常在24小时内清除，并鼓励患者在术后第2天行走。一般持续改善，5-14天即可出院。
只有在伤口愈合满意、膝屈曲达到90º、患者被认为是安全的、在家庭环境中得到支持且无并发症时，才建议出院。血栓栓塞预防通常在家里持续一段时间。第一次门诊复查一般在6周到3个月(见下图)。
全膝关节置换。术后6周膝关节屈曲满意。
大约每30名接受全关节置换术的患者中就有1名需要重症监护服务。对于使用重症监护服务风险增加的患者，在高强度护理病房进行早期术后护理已被证明是有益的
TKA的总死亡率低于1%，但这一数字随着年龄、男性性别和既往疾病数量的增加而增加。术前确定和优化这些条件对于减少围手术期并发症非常重要。[5,7,8]
TKA的并发症包括:
血栓栓塞包括并发危及生命的血栓栓塞。增加深静脉血栓风险的诱发因素包括:
据报道，在没有任何预防措施的全膝关节置换术后DVT的总发病率为40-88%。大多数是小腿血栓。然而，致命PE的风险是一个重要的数字，在0.1-1%的范围内。
目前有许多预防DVT的方法可供使用，包括机械压缩袜或足泵和药物制剂(如低剂量华法林、低分子肝素、利伐沙班和阿司匹林[33])。许多研究显示有证据表明DVT发生率降低，但目前尚不清楚这如何影响PE的总体死亡率，目前的许多研究仅在10天后结束。
使用多因素方法预防深静脉血栓可能是谨慎的。这种办法的要素可包括下列内容:
TKA的感染预防始于术前检查，以排除并发感染。在手术室中，人员应尽可能少，进出手术室的交通应保持在最低限度。在手术室中使用垂直层流，预防性抗生素，紫外线，身体排气系统以防止细菌脱落，以及细致和快速的手术，都有助于将感染的发生降低到低于1%的手术。
以下因素与TKA后较高的感染率相关:
有理论依据表明，在全麻TKA中使用异丙酚可能会增加术后假体周围感染的风险，因为这种药物含有支持细菌生长的脂类成分。然而，Kishimoto等人的一项研究比较了异丙酚和七氟醚在这种情况下，没有发现麻醉剂的选择对tka后假体周围关节感染的发生率有显著影响。[34]
受感染的全膝关节假体的治疗通常是费力和耗时的，对患者来说是一场灾难。由于手术室团队对细节的关注，以及病房良好的护理技能和外科医生在术后期间的警惕，风险被降到了最低。
负压创面治疗(NPWT)已被认为是减少全髋关节置换术(THA)和全髋关节置换术(TKA)后假体关节感染的潜在手段，但需要进一步研究来确定其在这些情况下的适当作用
髌股并发症[36]包括髌股不稳定(见下图)、髌骨骨折、髌骨假体失效、髌块综合征和伸肌机制肌腱断裂。所有这些并发症都被认为是再次手术的常见原因。这些可以通过注意细节、细致的技术和避免部件错位来最小化。
全膝关节置换。双膝天际线显示髌骨外侧倾斜，双膝半脱位。该患者因术后持续膝关节前侧疼痛，需行髌骨表面置换手术并复位。
TKA后动脉血栓形成是一种罕见的(即0.03-0.17%)但具有毁灭性的并发症，经常导致截肢。一些作者建议对有严重血管疾病的患者不使用止血带进行TKA。此类患者在膝关节置换术前应接受血管外科会诊。
腓神经麻痹是TKA术后最常见的神经麻痹。它通常发生在类风湿性关节炎患者合并固定外翻和屈曲畸形的矫治中。这些患者中约有一半会自发康复，50%会通过保守治疗部分康复。手术减压取得了良好的效果。
TKA术后股骨髁上骨折不常见(即0.2-1%)。如果在手术中，骨质疏松症、类风湿性关节炎、屈曲不良、翻修关节置换术和神经系统疾病患者中，股骨前皮质有缺口和削弱，就会观察到这些骨折。治疗为内固定或翻修TKA胫骨骨折并不常见。
松动最终导致假体失效，大约5-10%的患者在10-15年间发生松动。它可能伴有骨丢失或骨溶解，这可能导致灾难性的恶化，使翻修手术变得困难。这一问题的病因尚不完全清楚，但与聚乙烯碎片引起的细胞改变导致骨吸收有关。一旦一个组件松动，它就会变得机械不稳定，并加剧骨溶解。治疗包括植骨翻修。
这是一种过多的疤痕组织导致膝盖活动受限的情况。病因不明。动脉纤维化在年轻患者和服用华法林的患者中更为常见。这种情况发生在不到1%的患者中。保守治疗包括抗炎药物、物理治疗和安抚。更积极的治疗包括麻醉下的CPM治疗和疤痕组织切除。