全腕关节置换术后腕关节生物力学研究进展

张悦， 蔡兴博， 张必欢， 王斌， 徐永清，*

1.昆明医科大学，昆明 650000； 2. 中国人民解放军联勤保障部队第九二〇医院骨科，昆明 650032

1 人工腕关节发展概述

第1 代人工腕关节Swanson 是由德国医生Gluck 采用象牙和硅胶制作成的铰链式假体，其设计不符合腕关节生物力学机制，且硅胶容易老化、破损[1～4]。继而出现第2 代假体，包括Volz 假体和Meuli 假体，为非铰链式[5,6]，假体远、近端柄状物以髓内插销的方式嵌插于掌骨与桡骨髓腔中，近端假体与桡骨形成关节窝，远端假体的弧面与近端关节窝形成关节，可进行屈伸与轻微尺桡偏活动[7]。第2 代假体比第1 代假体更加符合人体关节的结构，但其生物力学缺陷导致术后容易出现关节脱位、假体变形等。第3 代假体包括Trispherical 假体，Biaxial 假体以及MWPⅢ型假体[6]，其安放位置采取关节面桡偏，可恢复桡腕关节的尺偏角与掌倾角，更接近生理解剖结构，使术后腕关节更接近正常活动中心[7]，较为符合腕关节的生物力学特性；但远期并发症如假体松动以及下沉等难以避免[8,9]。第4 代假体在材料和固定方式上有所改进，假体表面增加了多孔涂层，以便于骨长入，采用非骨水泥固定[10～12]；主要包括Universal 系列假体（Ⅰ、Ⅱ型）、RE-MOTION 假体和Maestro 假体。第4 代假体的中期随访效果明显优于前几代，但仍存在假体松动、下沉、断裂、脱位等并发症，尚缺乏远期随访结果[13]。为使TWA 更加广泛地应用于临床，需继续改进生物力学特性，提高TWA 术后中远期效果，为腕关节炎外科治疗提供更多的选择。本文主要对近年TWA 术式的文献进行综述，以期为TWA 假体的创新提供理论依据。

2 腕关节置换术生物力学分析

2.1 全腕关节置换术后活动度

以往为改善病变腕关节的功能，多选择腕关节融合术，但术后腕关节活动受限。随着患者对腕关节活动度要求提高，TWA 成为外科治疗的选择之一。正常腕关节的活动度为：尺偏36°、桡偏22°、掌屈76°及背伸75°[14,15]，Ryu 等[16]指出，腕关节尺偏28°、桡偏12°、掌屈40°及背伸40°即可满足日常生活需要。Yeoh 等[9]以Palmer 和Werner 于1984 年提出的腕关节活动范围作为参照，回顾7 篇关于全腕关节置换术后腕关节活动度的文章，这些文章结论不一。与术前相比，全腕关节置换术后的活动范围得到保留（表1）。有研究将ReMotion、Maestro两种假体的活动范围进行对比分析，两者在腕关节掌屈-背伸、尺偏-桡偏、旋前-旋后的活动度无显著差异[17]。Schmidt[12]对一位患者进行Maestro 全腕置换术，术后5 年随访，背伸从术前的20°改善到30°、尺偏从20°改善到28°、桡偏从10°改善到16°。掌屈30°不变，旋后从30°改善到80°，旋前从20°改善到80°。由此得出，Maestro 假体用于关节置换术的活动度是有明显改善的。Badge 等[10]对85 例采用Universal Ⅱ的TWA 患者进行研究，平均随访53 个月后，临床评估活动范围较术前有所改善。从上述可得出，TWA 的第3、4 代假体对患病腕关节的活动度有所恢复，第1、2 代假体的活动度尚无远期随访结果。Reigstad 等[18]回顾56 例全腕关节置换术患者随访平均8 年结果，活动度较术前有明显改善。

2.2 全腕关节置换术后旋转中心/接触中心

旋转中心（center of rotation，COR）位于腕关节承重面的曲率中心（纯屈伸时为小曲率中心，纯尺桡偏移时为大曲率中心）[19,20]（表2）。健康的腕关节掌屈-背伸时，旋转中心位于头状骨近端；尺偏-桡偏时，旋转中心向远端偏离5～10 mm[21～24]。进行TWA 后，TWA 腕关节的旋转中心与健康的相比存在差异。Akhbari 等[19]将6 例TWA（Freedom 假体）患者和10 例健康受试者的腕关节进行不同方向活动的对比，TWA 腕关节在掌屈-背伸、尺偏-桡偏运动时，旋转中心位于假体椭圆球的曲率中心，TWA 的旋转中心移动范围（17.1 mm）大约是健康腕关节的2 倍（7.2 mm）。

腕关节假体的接触中心（center of contact，COC）主要局限于腕关节组件的凸面桡侧和桡关节组件的凹面尺侧[25]。了解假体的接触模式，可以清楚关节接触面的应力分布，提高关节的稳定性以及耐磨性。目前对COR 的研究较少。Akhbari等[25]对Freedom 假体的研究表明，在腕关节中立位时，TWA 的接触中心在腕关节桡侧组件的尺侧和背侧。腕关节从完全伸直到完全屈曲的过程中，COC 在腕部组件从背侧向掌侧和从桡侧向尺侧移动；腕关节从完全尺偏到桡偏的过程中，COC在桡侧组件上是从掌侧向背侧和尺侧向桡侧移动的。他们的发现与之前Grosland 等[26]的有限元分析预测是一致的。Steinbrück 等[27]对7 例冰冻尸体进行全膝关节置换术，结果表明全膝关节置换术后髌骨压力分布有明显改变，这是导致全膝关节置换术并发症的主要原因之一。因此，减小关节置换术后关节面的压力分布有利于提高关节的稳定性以及持久性。全髋关节置换术后髋关节COR 的改变会影响承重腿的体重以及肌张力，任何异常的改变会造成骨盆失衡，从而造成关节置换术失败[28]。由此推测，腕关节假体COR 的改变亦会导致腕关节失衡，从而引起腕关节稳定性减弱，重建正常腕关节COR 很有必要。研究证明，被置换的关节对健康关节活动功能的复刻是关节置换术至关重要的环节[28～32]。迄今为止，TWA 能否还原健康腕关节的运动功能还存在争议。

2.3 全腕关节置换术后腕关节抗疲劳性能

疲劳实验指在实验操作台上对安装假体的上肢进行频率1 Hz、20～200 N 正弦波形拉伸载荷运动，在对其施加3000 次以上载荷时，假体会出现松动[33,34]。相当于模拟人正常腕关节的掌屈-背伸，尺偏-桡偏运动。长期日常活动后，假体是否出现松动是需要考虑的问题之一。TWA 术后远期会发生腕关节不稳定，如假体组件脱位或松动等并发症，导致手术失败[35]。对TWA 前后的腕关节进行X 线扫描，TWA 假体在近期或远期均会出现假体组件松动的情况[18,36]。回顾405 个TWA病例，平均随访2.3～7.3 年，Biaxial 假体松动发生率达69%，而Remotion、Universal Ⅱ及Maestro 这些第4 代假体松动发生率分别为30%、0 和0[9]。Nydick 等[37]回顾23 例TWA（Maestro 假体），在平均28 个月的随访中未发现假体松动，可能因为第4代假体改进了材料以及固定方式，因此增强了假体的远期稳定性。

3 总结与展望

全腕关节置换术可减轻患者疼痛，并获得一定的主动活动度，提高生活质量[38,39]。但对第3、4 代假体的远期随访结果表明仍存在少量假体松动、下沉等问题。在TWA 的临床应用中，不断有学者提出相关改进意见，如假体组件的固定方式、椭圆形的关节以及是否截骨等[40]。为提高TWA 术后患者的生活质量，延长假体的使用期限，需要进一步研究改进假体松动、下沉等问题。

目前行TWA 手术的多为类风湿性腕关节炎、退行性腕关节炎晚期患者，多存在疼痛症状，且腕关节活动明显受限。研究表明，TWA 对术后腕关节的活动度、旋转中心等具有恢复作用，人工腕关节可一定程度还原其腕关节功能，但活动度及稳定性尚不及正常腕关节。传统的腕关节置换术通常会限制手腕在一个平面上移动，给周围的关节带来压力。由Scott Wolfe 和Joseph J. Crisco III 设计的Kinemat X 全腕关节假体，能够同时左右和上下移动，使患者恢复更广泛的运动范围，如投掷球，锤钉子或倒水杯等。该假体已获美国食品和药物管理局批准，可为全腕关节假体设计提供新思路。