全腕關節置換術后腕關節生物力學研究進展

張悅， 蔡興博， 張必歡， 王斌， 徐永清，*

1.昆明醫科大學，昆明 650000； 2. 中國人民解放軍聯勤保障部隊第九二〇醫院骨科，昆明 650032

1 人工腕關節發展概述

第1 代人工腕關節Swanson 是由德國醫生Gluck 采用象牙和硅膠制作成的鉸鏈式假體，其設計不符合腕關節生物力學機制，且硅膠容易老化、破損[1～4]。繼而出現第2 代假體，包括Volz 假體和Meuli 假體，為非鉸鏈式[5,6]，假體遠、近端柄狀物以髓內插銷的方式嵌插于掌骨與橈骨髓腔中，近端假體與橈骨形成關節窩，遠端假體的弧面與近端關節窩形成關節，可進行屈伸與輕微尺橈偏活動[7]。第2 代假體比第1 代假體更加符合人體關節的結構，但其生物力學缺陷導致術后容易出現關節脫位、假體變形等。第3 代假體包括Trispherical 假體，Biaxial 假體以及MWPⅢ型假體[6]，其安放位置采取關節面橈偏，可恢復橈腕關節的尺偏角與掌傾角，更接近生理解剖結構，使術后腕關節更接近正?；顒又行腫7]，較為符合腕關節的生物力學特性；但遠期并發癥如假體松動以及下沉等難以避免[8,9]。第4 代假體在材料和固定方式上有所改進，假體表面增加了多孔涂層，以便于骨長入，采用非骨水泥固定[10～12]；主要包括Universal 系列假體（Ⅰ、Ⅱ型）、RE-MOTION 假體和Maestro 假體。第4 代假體的中期隨訪效果明顯優于前幾代，但仍存在假體松動、下沉、斷裂、脫位等并發癥，尚缺乏遠期隨訪結果[13]。為使TWA 更加廣泛地應用于臨床，需繼續改進生物力學特性，提高TWA 術后中遠期效果，為腕關節炎外科治療提供更多的選擇。本文主要對近年TWA 術式的文獻進行綜述，以期為TWA 假體的創新提供理論依據。

2 腕關節置換術生物力學分析

2.1 全腕關節置換術后活動度

以往為改善病變腕關節的功能，多選擇腕關節融合術，但術后腕關節活動受限。隨著患者對腕關節活動度要求提高，TWA 成為外科治療的選擇之一。正常腕關節的活動度為：尺偏36°、橈偏22°、掌屈76°及背伸75°[14,15]，Ryu 等[16]指出，腕關節尺偏28°、橈偏12°、掌屈40°及背伸40°即可滿足日常生活需要。Yeoh 等[9]以Palmer 和Werner 于1984 年提出的腕關節活動范圍作為參照，回顧7 篇關于全腕關節置換術后腕關節活動度的文章，這些文章結論不一。與術前相比，全腕關節置換術后的活動范圍得到保留（表1）。有研究將ReMotion、Maestro兩種假體的活動范圍進行對比分析，兩者在腕關節掌屈-背伸、尺偏-橈偏、旋前-旋后的活動度無顯著差異[17]。Schmidt[12]對一位患者進行Maestro 全腕置換術，術后5 年隨訪，背伸從術前的20°改善到30°、尺偏從20°改善到28°、橈偏從10°改善到16°。掌屈30°不變，旋后從30°改善到80°，旋前從20°改善到80°。由此得出，Maestro 假體用于關節置換術的活動度是有明顯改善的。Badge 等[10]對85 例采用Universal Ⅱ的TWA 患者進行研究，平均隨訪53 個月后，臨床評估活動范圍較術前有所改善。從上述可得出，TWA 的第3、4 代假體對患病腕關節的活動度有所恢復，第1、2 代假體的活動度尚無遠期隨訪結果。Reigstad 等[18]回顧56 例全腕關節置換術患者隨訪平均8 年結果，活動度較術前有明顯改善。

2.2 全腕關節置換術后旋轉中心/接觸中心

旋轉中心（center of rotation，COR）位于腕關節承重面的曲率中心（純屈伸時為小曲率中心，純尺橈偏移時為大曲率中心）[19,20]（表2）。健康的腕關節掌屈-背伸時，旋轉中心位于頭狀骨近端；尺偏-橈偏時，旋轉中心向遠端偏離5～10 mm[21～24]。進行TWA 后，TWA 腕關節的旋轉中心與健康的相比存在差異。Akhbari 等[19]將6 例TWA（Freedom 假體）患者和10 例健康受試者的腕關節進行不同方向活動的對比，TWA 腕關節在掌屈-背伸、尺偏-橈偏運動時，旋轉中心位于假體橢圓球的曲率中心，TWA 的旋轉中心移動范圍（17.1 mm）大約是健康腕關節的2 倍（7.2 mm）。

腕關節假體的接觸中心（center of contact，COC）主要局限于腕關節組件的凸面橈側和橈關節組件的凹面尺側[25]。了解假體的接觸模式，可以清楚關節接觸面的應力分布，提高關節的穩定性以及耐磨性。目前對COR 的研究較少。Akhbari等[25]對Freedom 假體的研究表明，在腕關節中立位時，TWA 的接觸中心在腕關節橈側組件的尺側和背側。腕關節從完全伸直到完全屈曲的過程中，COC 在腕部組件從背側向掌側和從橈側向尺側移動；腕關節從完全尺偏到橈偏的過程中，COC在橈側組件上是從掌側向背側和尺側向橈側移動的。他們的發現與之前Grosland 等[26]的有限元分析預測是一致的。Steinbrück 等[27]對7 例冰凍尸體進行全膝關節置換術，結果表明全膝關節置換術后髕骨壓力分布有明顯改變，這是導致全膝關節置換術并發癥的主要原因之一。因此，減小關節置換術后關節面的壓力分布有利于提高關節的穩定性以及持久性。全髖關節置換術后髖關節COR 的改變會影響承重腿的體重以及肌張力，任何異常的改變會造成骨盆失衡，從而造成關節置換術失敗[28]。由此推測，腕關節假體COR 的改變亦會導致腕關節失衡，從而引起腕關節穩定性減弱，重建正常腕關節COR 很有必要。研究證明，被置換的關節對健康關節活動功能的復刻是關節置換術至關重要的環節[28～32]。迄今為止，TWA 能否還原健康腕關節的運動功能還存在爭議。

2.3 全腕關節置換術后腕關節抗疲勞性能

疲勞實驗指在實驗操作臺上對安裝假體的上肢進行頻率1 Hz、20～200 N 正弦波形拉伸載荷運動，在對其施加3000 次以上載荷時，假體會出現松動[33,34]。相當于模擬人正常腕關節的掌屈-背伸，尺偏-橈偏運動。長期日?；顒雍?，假體是否出現松動是需要考慮的問題之一。TWA 術后遠期會發生腕關節不穩定，如假體組件脫位或松動等并發癥，導致手術失敗[35]。對TWA 前后的腕關節進行X 線掃描，TWA 假體在近期或遠期均會出現假體組件松動的情況[18,36]?；仡?05 個TWA病例，平均隨訪2.3～7.3 年，Biaxial 假體松動發生率達69%，而Remotion、Universal Ⅱ及Maestro 這些第4 代假體松動發生率分別為30%、0 和0[9]。Nydick 等[37]回顧23 例TWA（Maestro 假體），在平均28 個月的隨訪中未發現假體松動，可能因為第4代假體改進了材料以及固定方式，因此增強了假體的遠期穩定性。

3 總結與展望

全腕關節置換術可減輕患者疼痛，并獲得一定的主動活動度，提高生活質量[38,39]。但對第3、4 代假體的遠期隨訪結果表明仍存在少量假體松動、下沉等問題。在TWA 的臨床應用中，不斷有學者提出相關改進意見，如假體組件的固定方式、橢圓形的關節以及是否截骨等[40]。為提高TWA 術后患者的生活質量，延長假體的使用期限，需要進一步研究改進假體松動、下沉等問題。

目前行TWA 手術的多為類風濕性腕關節炎、退行性腕關節炎晚期患者，多存在疼痛癥狀，且腕關節活動明顯受限。研究表明，TWA 對術后腕關節的活動度、旋轉中心等具有恢復作用，人工腕關節可一定程度還原其腕關節功能，但活動度及穩定性尚不及正常腕關節。傳統的腕關節置換術通常會限制手腕在一個平面上移動，給周圍的關節帶來壓力。由Scott Wolfe 和Joseph J. Crisco III 設計的Kinemat X 全腕關節假體，能夠同時左右和上下移動，使患者恢復更廣泛的運動范圍，如投擲球，錘釘子或倒水杯等。該假體已獲美國食品和藥物管理局批準，可為全腕關節假體設計提供新思路。