早期单髁关节置换假体设计影响了手术疗效，令术者及病人产生更多的担忧。然而，近半个世纪来，仍有无数学者一直坚守这一领域，通过认识深入和不断改进，单髁关节置换的假体设计日臻完善，尤其是近年来微创手术器械的开发，使得手术能够更加精细化，加之病人选择更加合理，手术技术也不断提高，单髁关节置换的临床效果发生了不同寻常的改变，在一定意义上与全膝关节置换技术相媲美，对于部分病人可以实现延缓或避免全膝关节置换。

理想的假体应该是恢复关节病变之前的自然状态，减少截骨，耐磨损，减少松动。这就要求，理想的胫骨假体的形状及位置均应是解剖性的，最大限度地增加假体和骨质之间的接触面积，使应力分布更均匀，防止假体松动和下沉。冠状面上设计，股骨假体与胫骨假体应拥有较大曲率、允许金属-聚乙烯之间充分接触，同时又没有过高限制性的形态。矢状面设计，形合度好会增加接触面积，从而降低引起聚乙烯磨损的应力。

根据假体设计不同，单髁关节假体系统有多种类型。胫骨假体通常分为三种基本类型，分别为全聚乙烯固定型、组合式聚乙烯+金属托固定型、活动型聚乙烯衬垫+固定金属托型。股骨假体通常按照曲率分为单曲径股骨髁假体和多曲径股骨髁假体。其中多曲径股骨髁假体，聚乙烯的凹面必须有足够大的屈曲半径才能适应股骨髁的最大半径（伸直位）。当聚乙烯凹面屈径较小的（屈曲时），就会使得使得屈曲时接触面积减小，假体之间的压力增大。因此，这种类型的活动型假体并不能模拟天然半月板的功能，也不可能减少磨损。非适配型的活动半月板假体在理论上并不优于非适配的固定负载假体。

组合式聚乙烯+金属托固定型假体的设计是聚乙烯部件下有一金属托部件。附加金属托可以有效防止聚乙烯蠕变，使应力分布更均匀，方便将来可能需要的返修，但金属托的使用需要牺牲2~3mm聚乙烯厚度，相应的胫骨截骨增多，聚乙烯厚度减少，从而耐磨性降低，增加了假体返修的风险。

活动型假体以牛津膝（Oxford）假体为代表，它的活动型衬垫可以模拟正常半月板的功能，股骨髁与衬垫关节面外形相互形合，接触应力减少，聚乙烯磨损率降低。但是活动型假体由于假体部件的复杂性，半月板衬垫脱位是其特有的并发症，手术假体安放需要特别精确，手术难度相对较高。牛津膝单髁假体是第一个活动型半月板假体，随后，在其理论基础上又出现了一些其他活动型半月板假体，如AMC膝假体（uniglide）是利用一个完全活动半月板，恢复膝关节韧带自然张力；然而，其股骨假体形状与牛津膝不同，股骨假体的半径在0°~屈曲45°都保持不变，但到股骨后髁部分减少。

牛津膝单髁关节置换假体作为活动平台单髁假体中最成功的一款假体，至今已有40多年的历史，在国内外应用最广，其发展也一直走在前列，因此本文重点围绕牛津膝单髁关节置换假体进行阐述。

1974年，牛津大学John Goodfellow医生和John O’Connor发明了活动平台牛津单髁关节假体，这就是第一代的牛津膝，由球面的金属股骨髁组件、平坦的胫骨金属平台托和中间模拟半月板的聚乙烯衬垫三部分组成。其中聚乙烯垫上方凹，下方平，使得与上方股骨髁弧形组件和下方平坦胫骨金属托组件相吻合。运动时，上下两个面完全吻合，关节活动呈非限制性，聚乙烯磨损降低。这些特点，牛津膝至今仍保留未变。起初，这个假体被用来进行双髁置换，但由于操作复杂和长期疗效欠佳，后来就被用作内侧或者外侧的单间室置换。第一代牛津膝假体初始设计时，股骨假体内表面是非球面形，有三个斜面，因此股骨截骨时需要进行3次截骨。

1987年，为了更加精确安全的适应股骨内侧髁，降低假体植入的操作难度，第二代的牛津膝进行了相应的改进。股骨假体后髁非球面设计的关节面改为平坦的平面设计，远端关节面设计为球面形状。股骨后髁通过摆锯截骨，股骨远端利用全新设计的研磨器围绕研磨栓截骨，通过不同长度的研磨栓进行精确控制股骨远端的截骨量，更好的平衡膝关节在伸直和屈曲位置时的韧带张力，同时塑形股骨使其更加适合假体。增大研磨栓型号，即缩小研磨栓柄长度，就会增加股骨髁远端截骨厚度，这样使得术中屈伸间隙韧带平衡容易操作，便于假体安装。不过，第一代和第二代牛津膝假体的植入，手术入路同全膝关节置换一样，需要翻转髌骨。

1998年，第三代牛津膝假体问世，它仅应用于内侧间室，手术通过微创小切口即可完成假体植入。过去第一、二代牛津膝股骨假体都是单一型号，现在第三代牛津膝假体有了五个型号。过去第一、二代牛津膝胫骨平台假体不分左右，第三代牛津膝假体有左膝、右膝之分。第三代牛津膝假体操作器械也更精细微创化，微创操作，不需要外翻髌骨。半月板衬垫设计进行了改进，前外侧角增加了唇样结构，以减少撞击和旋转的风险。

2009年，最新一代的牛津膝单髁假体（图2-2-1）问世，股骨髁假体将单柱改为了双柱设计，进一步增强了抗旋转稳定性。股骨后髁延长，拥有更大的曲率半径，可以获得更高的屈曲度数。表面更加平整，边缘圆滑，减少了对周围软组织的刺激与碰撞。最新一代假体，同时改进了植入器械，使得手术操作更容易，假体植入更精确。

在2012年，推出了一套新的操作系统，称为微成形术（microplasty）（图2-2-2），使得手术操作简化，假体植入更精确。与原来的第三阶段操作系统相比，它们是一个非常重大的改进。其中关键要素包括槽内截骨导向器，胫骨截骨最小化技术，简化股骨定位，解决撞击问题。临床数据显示手术精准提高，结果更好。

活动半月板型单髁关节置换假体设计初衷在于降低聚乙烯磨损和保留关节自然运动功能。设计原则植入假体替代关节磨损面，而假体植入是通过恢复韧带和肌肉自然张力而提供限制。活动半月板衬垫顶部呈球凹形，适配股骨球形表面，底部平坦，坐于胫骨托上。这种完全适配的活动聚乙烯半月板衬垫可以容许聚乙烯和假体间接触面积最大化，均匀分散应力，降低聚乙烯磨损。这种高适配的假体还可以使前交叉韧带和内侧副韧带在膝关节屈曲活动的整个范围中保持自然生理张力。半月板衬垫在压应力下可以允许滑动和滚动，减少假体-骨界面剪切力，而后者是导致假体松动的一个重要因素。

大多数全膝关节假体和单髁关节假体的关节面设计近似于人的股骨和胫骨形态。股骨假体的金属表面是凸面的，胫骨侧聚乙烯表面是平的或浅凹面形状，这类形态不能在任何相对的位置使彼此适配，以至于只有部分关节面接触来传导负荷。

大多数股骨髁假体都是试图模拟自然解剖特征，为多中心设计，后髁半径最短。这样的话，膝屈曲时接触面比伸直时小。在屈曲时，传导界面上压力最大，上下楼时可以达到体重的6倍。负荷大小固定时，关节面的压强与接触面积呈反比；接触关节面越小，界面的压强越大。聚乙烯的磨损率随着接触面压强增加而增加，而不是如经典的磨损理论所说的成线性改变。相反，磨损率随着接触面的增加而减少（图2-2-3）。

半月板是介于股骨髁和胫骨平台之间的半月状软骨，上面凹，下面较平。具有吸收震荡、传递负荷、润滑和营养关节软骨、增加关节接触面积、维持膝关节稳定等重要功能，并可在一定程度上缓和股骨与胫骨之间的不一致性。自然膝关节半月板的存在使接触面发生了巨大改变。与不适配界面不同，有半月板存在，关节面适配，并且有更好的负荷分布。

在膝屈伸轴向旋转活动中，股骨髁在胫骨平台运动并配合着半月板运动。半月板在膝伸直时被向前拉，屈曲时被向后拉。屈膝运动的各种评估已经有研究报道：内侧移动6mm，外侧移动12mm；内侧移动5.1mm，外侧移动11.2mm；内侧前角移动7.1mm，内侧后角移动3.9mm；外侧前角移动9.5mm，外侧后角移动5.6mm。Freeman和他的团队提出膝关节是没有内移的内侧轴系统；然而Freeman的数据提示大约8mm的前后运动（图2-2-4）。

在膝屈伸轴向旋转活动中，自然半月板不仅因为股骨髁的运动在胫骨平台上改变位置，而且改变了形态以适应股骨髁曲径的改变。在伸直膝时，股骨髁下表面大的曲径使得半月板的前后支在矢状面上分开。而当屈膝时，股骨后髁的曲径变小，矢状面测量半月板数值相应变小，可能是因为屈膝时内外胫股接触面分开，使得内外半月板相对分开，并牵拉半月板的前后支更接近。

因此，半月板是关节面的组成部分，增大了接触面积，并且不会限制膝关节屈曲和水平运动。承载负荷以关节软骨能承受的均匀压力方式传导。切除半月板，或半月板功能异常，会影响关节软骨并出现相应间室骨关节炎退变。

牛津膝关节模拟半月板机械力学的优点来设计两个关节界面。半月板-股骨界面（球-臼）允许屈伸运动。半月板-胫骨界面（平面-平面）允许水平运动，并且综合在两个界面的水平和屈曲运动，可允许轴向旋转运动。非限制性的活动负荷不会阻碍软组织、肌肉以及韧带所需要的运动，可以恢复自然的运动和功能。并且界面的负荷主要是压力负荷，这种特点降低了假体松动可能。

聚乙烯半月板衬垫传导负荷的方式不同于自然半月板，但两者功能相似，这种半月板假体衬垫将不适配的界面转化为适配的界面，使负荷传导获得最大接触面而没有对关节活动限制，同时保留了生理功能而使聚乙烯磨损最小化。正因如此，牛津膝称作活动半月板假体。

聚乙烯半月板衬垫只可以模仿天然半月板的运动，但不能模仿天然半月板的顺应性。聚乙烯不能改变形态，所以不能适应多曲径髁的变化。唯一能做到在所有位置都能保持适配状态的是球-臼和平面-平面界面的这样一对假体配件。滑车间沟基底部的软骨是环形的，另一个环形是股骨后髁，所以球形股骨假体能复制除内侧髁最前方以外的其他部分。

由于活动平台单髁假体适配度高，限制性低，磨损低，实验室研究和临床随访研究证实牛津聚乙烯半月板衬垫平均磨损率为0.036mm/年，在没有撞击现象的聚乙烯衬垫平均磨损率为0.01mm/年，有撞击现象的聚乙烯平均磨损率会增高为0.054mm/年。若存在聚乙烯衬垫与骨或骨水泥发生撞击造成磨损，最常见的撞击位置发生在前方，因为伸膝时聚乙烯衬垫与股骨假体前方的骨质产生撞击。

线性磨损和蠕变不是唯一的磨损测量指标，另一种指标容积磨损。容积磨损的增加与接触面积成正比，但是在适配的关节随接触面增加而接触压力降低，这种效应将强于大面积接触的不利效应。没有撞击征的牛津膝平均关节表面容积磨损为6mm ³/年。St Georg固定平台聚乙烯的容积磨损为17.3mm ³/年。所以适配的半月板衬垫容积磨损不会造成问题。然而，伴随撞击加速的磨损，长期累积的颗粒碎屑至足够量时可能造成骨溶解。关节周围的撞击产生的碎屑可能有比较大的颗粒，它们起到第三体作用，加速了磨损，这被认为是撞击与磨损增加相关。

在非适配的关节，聚乙烯越薄磨损率越大。对单髁关节置换来说，适配度高，磨损低，在适配的关节中聚乙烯初始厚度是其磨损的独立因素，聚乙烯初始厚度最少3.5mm。事实是，在全膝置换术中，为置入一个厚的聚乙烯垫而去掉更多的骨质并不是那么重要；但在单髁关节置换术中，为保留骨量，减少截骨非常必要，但这就影响到聚乙烯垫的厚度。在固定平台聚乙烯的单髁关节置换中，聚乙烯厚度需要大于6mm才是安全的。然而在适配的假体系统，半月板衬垫厚度最薄可到3.5mm，即使3.5mm也不会比厚半月板衬垫更容易磨损。

因此基于上述，而且大量研究数据也显示，牛津膝作为完全非限制的适配的活动平台单髁假体，在没有骨面或骨水泥的撞击情况下，能够减低聚乙烯磨损。

牛津膝假体组件的关节面形态并不与自然关节面完全一样。由于病人个体差异，牛津膝假体也无法做到与每一个病人个体的关节面精确匹配。自然膝三维运动类型复杂，但由以下三条决定：①关节面形态；②连接骨的韧带排列；③应对重力和地面反应的肌肉收缩力程度和方向。在膝关节，其中第①和②条是恒定的，因而非负载膝的运动是可预测和重复的。然而，膝关节运动承担负荷时，负载活动施于肢体的力量是无限变化的，因此负载膝的运动类型也是无限变化的。

非负载膝的运动类型是高度有序的。在一项对12个尸体的非负载膝研究中，只保留完整的韧带和关节表面，进行被动屈伸运动。屈曲时股骨外旋22°，伸直时内旋同样角度。在每次试验中，胫骨和股骨都有其单一的特定运动路径，屈曲角度与轴向旋转直接相关（锁扣机制）。这种运动类型很容易被实施的负荷或扭矩干扰，但负荷去除后，胫骨和股骨又恢复到其运动类型。

前交叉韧带是限制胫骨前移的主要因素（限制胫骨内旋的次要因素），后交叉韧带是限制胫骨后移的主要因素（限制胫骨外旋的次要因素）。侧副韧带是限制内外翻以及内旋（内侧副韧带）、外旋（外侧副韧带）的主要因素。

与韧带不同，没有某一特定的运动限制是由关节面形态特征决定，关节表面的功能主要在于相互支撑使韧带保持合适的张力。我们可以看到人工关节即使不能与自然膝关节形态精确一致，如果具有了相互支撑使韧带保持合适的张力功能，也可以恢复正常的运动。

屈膝时，股骨接触点从股骨髁的远端移向股骨后髁。然而，胫骨平台的接触面却因半月板而变化不明显。放射学很难理想地实现此研究，因为软骨是透明的，MRI不能精确到接触点，结果并不可靠，不过接触面的精确细节可通过VDU监测器捕获。负载使得软骨表面及半月板变形产生了接触面而不是接触点。在两个间室中圆的股骨髁与平的胫骨平台最接近的点称作接触点。Feiks在尸体上研究关节表面的点与骨干的关系，然后利用骨的运动数据，进行了接触点位置的计算机重建。他发现屈曲120°时，内侧接触点后移了7.8mm，外侧接触点后移了12.1mm。这种运动在屈曲过程中持续产生。

解剖学上膝关节属于屈戍关节，早期经典的瞬时旋转轴心理论指出，膝关节屈伸时，在股骨髁上许多曲率半径的中心点，实际上是不同角度下的横轴位置。因此，膝关节面的瞬间运动轴线是不固定的，目前人工膝关节假体的股骨表面也多为多半径设计。Iwaki等分析了尸体非负荷膝MRI的矢状面。外侧髁的中心呈环形移向后方，然后呈直线向后移19mm以适应外侧平台。两个交叉的环形与股骨内髁的显像相符，两个交叉的直线与（凹形）内侧胫骨平台相符。在-5°~5°屈曲过程中，内髁前环的中心保持不变，在5°~120°屈曲过程中，内髁后环的中心向后移动3mm。然而，Iwaki等发现内髁屈曲，接触面从前关节面移动到后关节面来接触胫骨平台时，内髁中心出现了8mm的中断。他们解释股骨内髁向后移动是由于在胫骨平台摆动而不是滚动。然而，这种中断现象是因为他们使用双环（股骨内髁）和双线（胫骨内侧平台）来描述关节，在每一对的交汇点处出现中断。Rehder测量了内侧髁和外侧髁的矢状面，每个髁都使用了连续的环形，精确到0.2mm，他没有观察到形态的中断现象。如果假定的中断忽略，在屈曲到125°的过程中，股骨内髁的后移不论是摆动或滚动，都大于8mm。髁中心的运动与关节接触点的运动不同。内侧平台是凹面，外侧平台是凸面，各自的半径大约70mm。两个股骨髁的半径大约是20mm。从小环与大的凹面或凸面接触的几何学分析，很容易看到内髁中心的运动比接触点的运动少30%，而外髁中心的运动比接触点的运动多30%。内髁中心平均后移7.1mm（包括中断现象），外髁中心平均后移23.5mm。在非负载膝，尽可能排除内在和外在因素的影响，被动运动主要由关节面形态和韧带状况决定，而且这种运动的特点是恒定的和可重复的：屈伸与旋转耦合，并且在屈曲时接触面后移（后滚），内侧接触面移动比外侧少。因此，在人为的非负荷的情况下的自然膝的正常类型的运动可以由假体复制。

实验研究表明，牛津膝植入的尸体标本中，膝伸直时，聚乙烯垫向前移动，如果阻止聚乙烯垫移动，伸直也被阻止。另有研究，麻醉状态的病人，唯一推进内侧半月板前移的力量是关节面的压力和韧带张力，在伸膝时两者起协同作用。牛津第三代单髁置换术中，在消除肌肉张力的情况下，聚乙烯垫的运动类似非负荷的自然膝。在长时期的放射学研究中，至少在置换5年内，聚乙烯垫的运动继续保持相同的趋势，平均的移动范围大约是术中的一半，并且数据离散度更大。

非负荷状态下，关节形态和韧带长度不会改变，此时膝的运动可以预测。但当实施明显的负荷时，关节形态和韧带长度都会发生改变，韧带受牵张，关节表面在压力下凹陷，运动的约束装置发生改变，膝关节的运动类型也就发生了改变。

Walker等研究了尸体膝接触点的运动，对标本实施负荷，股骨干置入了髓内钉来传导重量，并通过缝合股四头肌以产生张力对抗。他们发现膝关节屈曲前45°，胫骨的运动接触点在内侧后移13mm，在外侧后移14mm，再继续屈曲，就没有后移了。在是否存在负荷以及是否存在组织畸形情况下，运动类型也不同。Kurosawa和Walker研究股骨髁的运动，屈曲到75°，股骨内髁的中心平均前移4.5mm，继续屈曲到120°，股骨内髁的中心平均后移2.3mm。股骨外髁的中心在屈曲时始终后移，平均后移17mm。内外髁中心运动的差异致使股骨外旋20.2°。

髌腱角（patellar tendon angle，PTA）指矢状面上髌腱与胫骨长轴的夹角。因为PTA在膝关节中央，几乎不受轴向旋转影响，可以作为矢状面动力学的间接测量指标。屈曲时髌腱以胫骨结节的止点为中心向后旋转。在尸体研究中，OUKA术后屈曲时，正常类型的PTA得到恢复。而在非限制的固定负荷的TKA（前交叉韧带切除），高屈曲时，股骨向前半脱位，导致PTA增加，正常的后滚消失。在后稳定型TKA，切断前后交叉韧带，屈曲时PTA正常，因为假体的Cam设计恢复了正常后滚。Price等使用动态透视观察5例OUKA术后1年和5例OUKA术后10年的PTA，测量结果分别与5例TKA和5例志愿者的PTA进行比较，没有看到OUKA与正常膝的明显差异，而TKA矢状面的机制受到明显影响。

Price等动态透视观察半月板衬垫在主动屈伸运动以及爬楼运动的情况，主动运动的数据与被动运动有很大差异。术后半年，半月板衬垫在被动屈曲的后移运动与半年前手术麻醉时测量的数据相似，但是在主动屈曲到25°时，半月板衬垫移向前方，然后再继续屈曲到100°时，半月板衬垫基本保持不动。然而在爬楼时，屈曲到75°时，半月板衬垫移向前方，然后再继续屈曲时，半月板衬垫后移。所以半月板衬垫移动与活动类型有关。

Jafferson和Whittle评估了一组内侧OUKA病人的步态。采用7个行走步态参数（速度、节律、跨越长度、矢状面与冠状面角度、矢状面和外展时间），根据年龄和性别与正常志愿者进行对照比较。试验组中7个参数都恢复到正常范围。Jones等人对单髁置换及全膝置换术后病人与正常人步态的对照研究，结果显示，与TKA相比，UKA术后的步态更接近于生理状态，拥有更高的最快步速。

负荷情况下，膝关节运动没有单一的类型，很难来确认术前与术后的比较是有效的。施加负荷的类型仅限于能产生可重复的简单运动，例如直腿抬高、爬楼等。

尸体研究关节解剖特征（关节面的形态和韧带的状态），在内在或外在负荷下进行骨骼间运动，这些负荷可以加强或逆转非负载关节的接触类型，结果显示关节面的形态容许而不是决定接触面的位置。关节面形态的主要功能是保持韧带合适的张力，也就是说，只要韧带完整，在任何耦合下关节接触面正常运动功能都能实现。

PTA及步态分析研究的证据是圆形的股骨髁假体与平的胫骨平台假体可以替代自然膝内侧间室。需要强调的是，OUKA的半月板负载设计不同于固定平台的UKA假体，前者的球-平面接触设计可以容许股骨髁很匹配的前后移动。由于OUKA半月板衬垫的磨损微小，因而可以长期维持关节稳定。