的，而不是简单的屈伸运动。膝关节的活动包括：屈伸、内收与外展及沿肢体长轴的旋转运动（图6-18）。膝关节的屈曲是沿一个不断变化的横轴进行的（参见图6-7），是膝关节的几何形态与韧带的限制的共同作用。对于膝关节复杂的运动及其所产生的应力缺乏认识，是早期膝关节假体设计的缺陷，也是纯铰链式假体使用寿命短的主要原因。许多现代假体设计力求重建膝关节正常的运动学，反之另一些假体设计满足于近似于正常的运动，特别是考虑到了PCL的功能。
图6-18 图6-18正常的步态周期中膝关节在三个平面上发生的运动，因此被称为三轴运动。
对于正常人和行人工膝关节置换术的患者术前及术后的步态进行实验室分析，已经成为假体设计与手术后期效果评价的重要工具（图6-19）。在对正常有选择地日常活动的膝关节运动学研究中，Kettlekamp发现正常步态在摆动相需屈曲67°，上楼梯需屈曲83°，下楼梯需屈曲90°，自椅子上站起需屈曲93°。在PCL替代型与PCL保留型患者上楼时的步态比较中，Andriacchi与Galante发现PCL替代型的患者有更明显的代偿性躯干前倾，而膝关节屈曲较少。
图6-19 图 6-19 使用电子测角器测量行走过程中正常膝关节的三个轴向运动。在每个步态周期中出现摆动相时屈伸约70°，站立相时约20°，约10°的内外翻与10-15°的内外旋。HS：足跟着地，FF：全足着地，HO：足跟离地，TO：足趾离地(源自 Kettelkamp,DB:Gait characteristics of the knee: normal, abnormal, and postreconstruction.In American Academy of Orthopaedic Surgeons:Symposium on reconstructive surgery of the knee,St Louis,1978,Mosby.)
1.膝关节的纵向和旋转对线：许多研究已经表明全膝关节置换的远期成功与否与肢体对线的恢复密切相关。全膝关节假体的对线异常预示远期可能出现问题，包括股骨胫骨关节不
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稳、股骨髌骨关节不稳、髌骨骨折、僵硬、聚乙烯磨损加速及假体松动等。认识到必须植入对线正常的假体和为达到这目的而必须使用的手术器械的发展是全膝关节置换手术的重要进步。
在正常情况下，股骨与胫骨的解剖轴形成6±2°的外翻角。在站立时的前后位X线片上，下肢的力学轴线从股骨头中心到距骨顶部中点（图6-20）。该轴线应恰好通过膝关节的中心，被称为“中立”力学轴。在正常行走中，该轴线与躯体垂直轴线有3°倾斜，使足比髋关节更接近中线。当此轴线位于膝关节中心外侧时，形成膝关节力学外翻对线。当此轴线位于膝关节中心内侧时，则形成膝关节力学内翻对线。内翻与外翻的角度可在X线前后位片上的股骨与胫骨力学轴夹角来确定。股骨的力学轴自股骨头中心至髁间窝中点连线并向远端延长；胫骨力学轴是自胫骨平台中点至胫骨踝穴顶的中点，因此也反应了胫骨的弓形弯曲。这两条轴线形成了远离“中立”力学轴的内外翻。利用胫骨平台中点确定胫骨力学轴与利用髁间窝中点确定股骨力学轴的方法，忽略了膝关节的内侧或外侧半脱位情况。Insall认为旋转影响了X线前后位片上显示的股骨轴，因此降低了术前测量的价值。
图6-20 图 6-20 下肢力学轴线自股骨头中心延至踝关节中心，并通过或位于膝关节中心附近。相对于躯干纵轴有3°外翻。股骨解剖轴与下肢力学轴线有6°外翻，与躯干真正纵轴有9°外翻。胫骨解剖轴与躯干纵轴有2-3°内翻（重绘自Moreland JR,Hanker GJ:Lower erteemity axial alignment in males,In Dorr LD,editor:Tbe knee.Papers of the First Scientific Meeting of the Knee Society,1985.经 Aspen允许重印）
在正常膝关节中，胫骨关节面相对于力学轴有3°的内翻，股骨关节面相对于力学轴有9°的外翻。80年代，Krackow等人认为膝关节假体应按照这些解剖的内、外翻角度对线来放置。但包括Tews和Waugh，Jeffery、Morris和Denham及其他人所做的许多研究已经表明：如果胫骨假体放置的内翻角度超过5°，便会向增加内翻角度方向下沉而导致失败。因为已经证明胫骨假体对线的精确度为±3°，所以为防止内翻性对线异常及早期失败，胫骨3°内翻截骨的观点被普遍放弃。
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胫骨假体在冠状面上通常与力学轴垂直放置，矢状面上后倾角度变化依赖于植入的关节假体设计。放置股骨假体通常有5-6°的外翻，这一角度对于重建下肢中立力学轴线是必要的。
膝关节各部分假体的旋转对线难于通过X线片分辨，主要依靠术中测量确定。因胫骨近端截骨是与肢体力学轴垂直，而不是按照解剖对线内翻3°进行的，所以股骨假体的旋转也必须自其解剖位置加以改变（图6-21）。为获得矩形的屈曲间隙，在内、外侧副韧带张力相同的条件下，股骨假体必须向外旋转大约3°。这可以通过相对于后髁轴旋转股骨假体3°来完成，如同测量截骨法一样操作。这一轻度外旋也可在屈膝90°，内、外侧副韧带张力相等条件下，通过与胫骨截骨面平行做股骨前、后截骨完成，和屈、伸间隙的处理方法一样进行。这两种方法有着本质的区别：在测量截骨方法中的旋转对线依赖于骨性标志，而在屈、伸间隙方法中则依赖于屈曲位韧带的紧张度。在股骨后部骨缺损、韧带挛缩或松弛所引起的膝关节明显畸形病例中，这两种方法均需要加以改变与评价。对于更困难的膝关节的重建，可以同时使用这两种方法。
图6-21 图 6-21 为获得矩形的屈曲间隙，在垂直于胫骨轴行胫骨截骨后，股骨后髁截骨平面必须自后髁轴线外旋约3°（源于Krackow KA：The technique of total knee arthroplasty,St Louis,1990,Mosby.）
2.髌股关节：髌骨的主要功能是增加伸膝结构的杠杆力臂，从而提高股四头肌收缩的效率。股四头肌与髌腱止于髌骨前侧，髌骨的厚度使两者力的向量远离膝关节中心（图6-22）。在膝关节的运动过程中，该力向量的移位或伸膝杠杆力臂的延长是不断变化的。股骨的滑车外形、髌骨股骨接触面积的改变以及膝关节旋转中心的变化决定了杠杆力臂长度的改变。根据Grood等人的理论，在屈曲20°时伸直杠杆力臂最大，而在伸直的最后20°时所需的股四头肌力量明显增大。
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图6-22 髌骨通过将股四头肌和髌腱的力的向量改变远离膝关节旋转中心（COR），起到加长伸肌杠杆力臂的作用。伸肌杠杆力臂的长度随着屈膝角度的变化而改变。
髌骨将股四头肌收缩力传递至不同屈曲角度的膝关节髌腱上的结果是，髌骨也承受着滑车防止其向后移位的关节的反作用力。该作用力的大小取决于膝关节屈曲的角度，及股四头肌与髌腱传递至髌骨的作用力大小。站立时髌腱与股四头肌的力向量越来越平行于关节的反作用力，关节的反作用力随着关节屈曲角度的增加而增大。许多研究人员已经计算出在日常活动中，髌骨股骨关节的反作用力是体重的2-5倍，在下蹲屈膝120°时，关节的反作用力高达体重的7-8倍。在正常膝关节中，厚的关节软骨承受这些作用力，但它们可能超出了聚乙烯的力承受能力，长久则引起聚乙烯髌骨假体变形。
Aglietti等、Hungerford与Barry及Huberti与Hayes等许多作者已经描述了屈膝过程中髌骨与股骨接触区域的变化情况（图6-23）。在屈膝约20°时，髌骨下部关节面首先接触到滑车，在屈膝60°时，髌骨中部关节面接触到滑车；在屈膝90°时，髌骨上部接触滑车；在超过120°极度屈曲时，髌骨仅内、外侧与股四头肌腱接触滑车。在膝关节置换术时，这种关系可能由于髌股关节的非解剖形态、相对于胫骨结节的关节线的改变和由于髌腱挛缩引起的髌骨下移而改变。
图6-23 图6-23髌骨与股骨的接触区域随着屈膝而改变。（重绘自Aglietti P，Insall JN，Walker PS，Trent P：Clin Orthop 107：175，1975.）
髌骨接触区域随着屈膝的变化对假体的髌骨股骨关节有着重要的作用。如Rosenberg等人描述的，髌骨股骨关节的偏心性负荷产生髌骨假体内、假体与骨质界面的剪力（图6-24）。即使髌骨股骨内外侧外形非常一致，随着屈膝增加髌骨的接触区域由下向上移动，将导致聚乙烯髌骨假体上的偏心作用力。这些作用力可导致带金属托的髌骨假体的失败、局限性的聚乙烯磨损或假体的松动。
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图6-24 图6-24 髌股关节接触力随着屈膝而改变。这一偏心性负荷导致髌骨内及假体与骨界面的剪力。（源自Rosenberg AG，Andriacchi TP，Barden R：Clin Orthop 236：106，1988.）
有许多关于髌骨股骨关节的实验研究，试图确定髌骨股骨假体的最佳外形，但往往结果相互矛盾。有两种基本几何形状，即“圆顶”型与有中央凸起的“解剖”型髌骨（图6-25）。 “解剖” 型髌骨假体的支持者认为它与股骨髁符合，因而降低了屈曲时聚乙烯的接触应力，并且它的中央突起对于半脱位有比较好的限制作用。而倾向于“圆顶”型髌骨假体的作者反驳道“解剖”型髌骨假体的任何半脱位将导致接触面减小及聚乙烯的接触应力增高，相反，“圆顶”型髌骨假体在保持接触面积大的同时允许有轻度的半脱位。
图6-25 图 6-25 解剖型髌骨假体有较大的接触面积，但需精确的旋转对线与轴向对线。（源自Insall JN：Historical development,classification,and characteristics of knee prostheses.In Insall JN,editor:Surgery of the knee,ed 2,New York,1993,Churchill Livingstone）
髌骨股骨关节的稳定性是由关节面形状与软组织的限制所维持的。Hvid描述的Q角是股骨解剖轴延长线与髌骨中点和胫骨粗隆连线之间的夹角（图6-26）。除股内侧肌斜部外（其作用是在伸膝末期使髌骨向内），股四头肌主要作用方向与股骨轴线一致。肢体Q角越大，髌骨向外半脱位的趋势也越大。因为屈膝早期髌骨不接触滑车，在此范围内主要依靠股内侧肌斜行纤维限制髌骨向外半脱位。随着屈曲角度的增加，骨性的限制作用逐渐增加。假体的对线与位置、术前的旋转与成角畸形和术中软组织的平衡，均对于髌骨股骨运动轨迹有明显的影响，这些将在下一节讨论。
图6-26 图6-26 Hvid描述的Q角是髌骨中心至胫骨粗隆连线与股骨解剖轴延长线之间的夹角。
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