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人工膝關節置換的演進與現況

江清泉   醫師

膝部關節炎會造成膝部厲害的疼痛和不便,此種病症自古即有,並非現代的毛病。

想用人工關節來置換損壞的膝關節,最早是在30年前(1957年),由Wallidus所提出固定軸的人工關節,此為金屬對金屬關節面的關節,當時尚無骨水泥,所以設計了2根很長的柄,關節固定軸正好位於關節面的中間,置換這種關節需要切除約2‧8公分的骨頭,因此鬆脫的機會很大;一旦發生鬆脫,很難加以補救。由於缺點很多,法國的Guepar(1972年)加以改進,使關節軸移於關節面後,其柄可以骨水泥來固定,所以效果較Wallidus佳,但仍有很多鬆脫的病例發生。

20年前紐約Hospital for Special Surgery(HSS)的研究者發現,發生關節炎的膝部並非整個關節面均產生磨損,有些祗是單髁發生關節炎,因此便設計出單髁的人工膝關節(1960年);單一個關節面壞掉,就祇換單髁人工關節,如果是 2個關節面均磨損,就分別使用2個單髁人工膝關節來置換。但此種置換方式在手 術技巧上有很多困難而且容易失敗,故此種關節僅曇花一現。然而這種單髁關節的概念經改進如Marmour(1973年),Oxford knee目前仍為非常受歡迎的人工膝關節,對於單髁膝關節炎之治療,除了脛骨高位切骨術(high tibia osteotomy)外,單髁關節置換亦是一種治療方法。

約距今15年前,HSS的研究者認為既然雙髁之置換有許多困難,便考慮將2個單髁關節連成一體,因此便出現了linked condylar或稱為Duocondylar prosthesis(1973年)。這個關節帶來的觀念為雙髁可同時置換,而且脛骨關節面也要同時置換,然而臏骨關節面的問題(patellofemoral)仍末注意到,故此種人工關節亦不甚理想。同一時期,在另一家醫院也發展出Geomedic knee(1972年,Coventry),類似的設計,連接的雙髁關節,脛骨關節面也要置換。但這種Prosthesis 股骨的關節面為一圓球形設計(spherical),沒考慮到膝關節之Kinematics,所以效果很差。

隔年(1974年),HSS之研究者發現臏骨關節面也需 置換,便加入了人工臏骨(patellar button)稱之為Duopatellar prosthesis(1974年)。與Duopatellar同時出現的,在英國有Freeman-Swanson ( 1973年),他的prosthesis使用效果相當的好。由於此種關節置換的成功,帶進一個觀念,即2條十字韌帶(cruciate ligaments)均切除,仍可得到良好的效果。在距今約15年前最具代表性的人工膝關節為全髁關節(total condylartype I,1974年),此為HSS之Peter Walker與John Insall所設計出,此種Prosthesis有數種特點,一為股骨關節面,由於考慮到膝部的kinematic而有不同的曲率半徑,非圓球形,脛骨關節面要置換,此關節帶來了一個重要的觀念,即脛骨人工關節有一位於中央的柄,便於骨水泥固定;其臏骨人工關節為一圓頂式的polyeth- ylene釦子。在此時期,大家開始注意到,膝部韌帶之平衝影響到手術之成敗,開刀中,要注意到ligaments的balance才能得到好的效果。

對於一些本身骨質疏鬆,骨質缺失很多而需要人工關節置換的病例,在此時期發展出來的有Spherocentric knee(1973年),此為Constraint Prosthesis,置換後不需靠膝部韌帶來穩定膝關節,類似的關節另有total condylar Prosthesis(TCP)type II(1973年), 脛骨關節面上凸起一polyethylene之中央支柄(central peg)亦為一種constraint type之關節;另一種為Stabilocondylar knee(1975年),其central peg中間有一絞鍊式之承軸固定脛股關節。除以上2種外,另有TCP typeIII(1976年),約於10年前由Burstein所設計,後者對於厲害的膝韌帶不平衡及大量的骨缺矢病患提供了很好的人工膝關節。Burstein也因為設計此種關節而得到靈感,發展出目前最廣為使用的Install-Burstein posterior stabilizer knee(IBPS knee)。此種knee之特點為在tibial plateau上有一polyethylene之脊狀凸起,在femoral prosthesis兩髁間有一金屬橫桿,起初90度的屈曲靠膝關節本身的屈度而屈曲,超過90度的屈曲則靠tibiaprosthesis之脊狀凸起卡在femoral prosthesis之金屬橫桿而屈曲。此種關節之優點為幫助病人爬樓梯之能力,且增加膝關節的活動範圍(ROM)。在同一時期Peter Walker也設計出Kinematic knee(1977年),為要保留後十字韌帶之人工關節。

6 年前Howmedica公司推出PCA knee,係由巴爾地摩的Hungerford所發展出來的,此膝關節,兩髁依解剖形狀來設計,因此有左右腳之分,其另一特色為人工關節與骨之接觸面,有金屬小顆粒之覆蓋,能促使骨質長入,理論上較適合年輕病患使用;然而經過了6年的追蹤觀察,發現了一些併發症:覆蓋之金屬小顆粒脫落,遊離於關節腔內且 tibial component會有前方下沉的問題。除了PCA外,在最近6年間新的人工膝關節如雨後春筍般,陸續有新產品推出,其設計的主要重點,均為增加人工關節放置後的穩定性,除了porous coating外,還有press fit的設計。除了設計上不斷的改進外,在這幾年間,材料的使用卡也改變了很多,如cobalt chromion、titanium合金的使用等。所有的prostheses到目前為止,使用期間仍算短,其長期使用效果,仍有待評估。以上為人工膝關節發展的簡單歷史。

接著要討論的是人工膝關節置換常見的幾個問題:

一、人工膝關節放置的正確位置應如何判斷;因人工關節的設計無論多完善,放置位置如果不妥,其效果必然不佳。由下肢之X光片可量出mechanical axis及anatomical axis,根據這些axis,在手術當中,可使用intramedullary guide或extramedullary guide達到正常的膝關節位置。但在很多情況下股骨本身有彎曲,造成膝關節旋轉的問題,由X光片測量出來的角度不正確,因而導致手術的偏差。針對這一問題,筆者在HSS進修2年期間與 Dr. Insall一起,利用cadaver femur做研究。同樣一支股骨,我們發現因旋轉角度不同,所測量到的膝部角度就不一樣,當股骨內旋(internal rotation),股骨呈外翻(valgus):外旋時(external rotation),則呈內翻(varus);本研究亦發現,由普通之下肢正面X-光片,即可決定股骨旋轉的角度,經過校正後,就可獲得正確的膝部畸形角度,供手術者參考。(請參考Clinical Orthopaedics and Related Research 1989;248:50-56)。

二、臏骨關節的問題:此問題也是去年(1988年)在亞特蘭大召開的美國骨科醫學會knee society所討論的主題。主要的問題是臏骨骨折和臏骨人工關節的磨損。臏骨骨折的發生多半與prosthesis的設計有關,只要設計改進,此一問題即可改善;至於patellar prosthesis的磨損,多發生在metal-back的人工臏骨關節,由於polyethylene夾在2個金屬間,極易損壞,故patellar prosthesis最好不要用matal-back。Patellar femoral joint的另一問題為patellar tracking的問題,即關節置換以後,發生subluxation,Insall針對此一間題的解決方法為置放femoral prosthesis時,故意外旋10度左右,由於股骨髁部外側較高,femoral prosthesis外旋後,patellar tracking較佳,可減少patellar subluxation的機會。

三、為後十字韌帶(PCL)要不要保留;此問題與關節置換後關節面高低位置改變有關;如果置換後關節面維持在原來位置,保留PCL為相當好的構想。但如置換後joint line上升或下降,PCL反而成為限制膝關節活動的主要原因,此問題目前仍在研究中,可望於1-2年後會有結果。

四、置換關節時,使用骨水泥固定或採用porous coating 及 press fit的 Prosthesis。Porous coating和press fit之\fs24 prosthesis從開始使用到現在,期間不過6年,效果仍很難判定;骨水泥的使用(例如:total condylarknee)到目前為止有15年以上的經驗,追蹤結果不錯, 因此 客觀上 ,使用骨水泥並無不好。

五、為Custom-made prosthesis的使用;有些情況,現有市場上的prosthesis並不能很合適的置換時,必須使用訂做的prosthesis,例如有大量骨缺失的患膝,以及原人工膝關節鬆脫的病例。對這種病例,勉強使用市售之人工膝關節,必然不理想,最好使用針對個案而設計的prosthesis。過去custom-made prosthesis之訂做,必須將病人資料送回原廠訂製,既耗時又昂貴。目前由於生物力學之發展,醫學與工學結合,電腦輔助設計製造系統(CAD- CAM system)逐漸普及,軟體與硬體均不難獲致,應是骨科發展的一個方向。

目前在HSS,最普遍使用的是posterior stabilizer knee, Dr. Insall最近有「10年的追蹤研究,共1206個病例,膝部平均的ROM可達115度,對於膝部疼痛的減輕,可達97%,成功率幾近98%,survivorship analysis比人工髖關節置換好。

(原載於台灣醫界第33卷第2期/ p 48-49)