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膝关节翻修术中骨缺损的处理
  • 来源:亚朋生物
  • 发布时间:2018-05-22
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本文原载于《中华骨科杂志》2015年第3期

 

膝关节翻修术中骨缺损的病理机制复杂,包括机械性因素、应力遮挡、骨溶解、骨坏死、感染等因素引起的骨缺损,也包括取出假体过程中形成的医源性骨缺损[1-2]。不管是何种原因引起的骨缺损,其部位和程度都将影响翻修假体的充分固定、正确的对线和韧带的稳定性。与初次全膝关节置换(total kneearthroplastyTKA)术中骨缺损的修复目的相同,膝关节翻修术中骨缺损的修复目的也是达到精确的下肢力线、良好的关节线高度、良好的初始稳定性,从而获得即刻负重和人工关节的长期稳定[3-6]。

骨缺损的分类方法很多[7-8]。但翻修术中骨缺损的形态与初次关节置换不同,目前还没有针对翻修术中骨缺损特有的分型系统。临床上仍以Anderson 骨科研究所(AndersonOrthopedicResearch InstituteAORI)分型系统最为常用。该分型方法简单明了,实用性强,是确定骨缺损重建方法的重要参考。根据这一分型系统,对AORI 型骨缺损采用骨水泥填充或髁粒骨加压植骨进行重建;对AORI 型骨缺损采用组配式金属垫块、加压植骨或结构植骨进行重建;对AORI型骨缺损常采用定制假体或异体骨-假体组合方法进行重建[9]。近年来有学者开始使用干骺端金属填充材料,取得了良好的临床效果,为干骺端骨缺损提供了一种新的重建手段,是常规翻修和肿瘤假体翻修的重要补充[210-12]。

一、TKA 术后骨缺损的形成机制

(一)机械性因素:初次全膝关节置换时,骨丢失主要与假体设计有关[13-15]。后十字韧带替代型假体较后十字韧带保留型假体的骨切除量要多。较高限制程度的假体设计本身需要较多的截骨量,以适合假体固定的需要。铰链膝关节假体为完全限制型设计,术中需要切除较多骨质,并使用较长的髓内柄,在安装髓内柄时可引起股骨和胫骨髓腔内松质骨丢失。旋转铰链膝为高限制型设计,术后膝关节活动时产生的剪力传至柄-骨界面,使假体柄在髓腔内面做刮刀样运动,从而导致大量骨丢失。髁限制型假体亦需切除股骨远端髁间部分的骨质才能放置假体,可造成一定程度的骨丢失,但较铰链式假体少得多。表面假体安装时切除骨质少,但假体表面接触应力高,可产生假体磨损颗粒介导的骨溶解。如果TKA手术中假体安放不准确,出现对线不良或过度内翻等情况,术后必然会对人工膝关节造成载荷的过度不对称,最终导致骨性胫骨平台超负荷侧发生塌陷,假体下沉后的活塞效应又会加重局部骨吸收,从而形成恶性循环,最终导致假体失败。翻修手术过程中,原假体取出和安装新假体时不慎切除过多的骨质,是骨丢失的重要医源性因素[16-17]。

(二)应力遮挡:应力遮挡主要发生在长柄假体设计中[1318]。根据Wolff效应,TKA手术改变了宿主骨原来正常的应力分布,假体的应力载荷通过髓内柄传导至远侧骨皮质,使金属托下骨质产生应力遮挡,引起局部骨吸收或囊性变,使假体失去支撑而松动。这种骨丢失在股骨髁和胫骨平台均可发生[19]。

(三)骨溶解:膝关节置换术所产生的磨损颗粒,尤其是聚乙烯颗粒,进入假体-骨界面,刺激了巨噬细胞和成纤维细胞,使其释放出多种具有溶骨作用的细胞因子或炎症介质,引发破骨细胞对假体周围骨组织溶解,并降低骨与假体界面成骨细胞活性,引起假体周围骨丢失及假体下陷。

(四)骨坏死:TKA术后骨坏死较少见。常发生于需髌骨外侧松解的TKA术后,出现髌骨坏死,引起髌骨节段性或全部吸收,可能与术中切断膝上外侧动脉引起髌骨缺血有关。此外,严重畸形(如重度膝关节外翻畸形)患者进行表面置换时,为了平衡内外侧间隙需要广泛软组织剥离,也必然增加了股骨髁骨坏死的风险[20]。

(五)感染:TKA术后急性感染引起急性炎症反应,富含炎性细胞因子的脓液可引起快速的骨丢失。而低毒性病原菌(如表皮葡萄球菌)感染则是一个隐匿的过程,仅表现为X线片上假体周围骨质进行性丢失。感染需要二期翻修者,在取出假体时可引起机械性骨丢失,在使用骨水泥间隔体时也可因压缩和摩擦导致股骨和胫骨的机械性骨丢失[21-23]。

二、骨缺损的评估和处理原则

骨缺损的评估主要依据X线影像和翻修术中所见[24]。根据分型标准不同,其治疗原则也不同。

ClatworthyGross7]及Gross25]把骨缺损分为包容性和非包容性两类。包容性骨缺损是指未累及外周皮质的骨缺损。小的包容性缺损可单纯以骨水泥填充或辅以螺钉固定;大的包容性骨缺损则需结构植骨,并依据骨缺损的部位和大小选用结构植骨和(或)特殊假体等。非包容性骨缺损是指累及外周皮质的骨缺损,可依据骨丢失的部位和大小选用结构植骨和(或)合适的假体进行处理。EnghAmmeen8]认为,对深度小于1.5 cm 的局限性骨缺损,只累及单侧胫骨平台或单个股骨髁,可用小的自体或同种异体结构植骨或金属垫块等方法处理;对深度1.5~4 cm的胫骨骨缺损可选用传统翻修系统,并选择加厚垫片等方法;若胫骨骨缺损深度大于4 cm,则需结构植骨或定制式假体;对深度大于1 cm的股骨骨缺损应采用结构植骨或金属垫块等方法修复。

Anderson提出的AORI分型系统临床常用,以术前X线表现进行骨缺损的评估[24]。该分类依据干骺端骨缺损的形态变化分为三型(1)。

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型又分为F1T1型:干骺端及以上部位完整,虽然存在骨缺损,但不影响假体的稳定性;型分为F2T2型:干骺端存在骨缺损,累及一侧为2A型,累及双侧为2B型;型分为F3T3型:骨缺损导致干骺端缺失,侧副韧带及髌韧带的附着点缺如。从解剖学角度,股骨侧骨缺损以外上髁为参考,骨缺损在外上髁以下为型骨缺损,骨缺损累及外上髁以上部位为型骨缺损。胫骨侧骨缺损以腓骨头为参考点,骨缺损在腓骨头以上为型骨缺损,骨缺损在腓骨头以下为型骨缺损。型骨缺损者,无膝关节畸形或膝不稳定;型骨缺损者存在膝内外翻畸形;型骨缺损者存在韧带组织缺损,因此伴膝关节不稳定。

型骨缺损:未涉及干骺端,骨缺损微小,无膝关节畸形或膝关节不稳定,也不危及翻修假体的稳定性。X线片表现为假体无下陷,假体下无溶骨征象,股骨轮廓及关节线正常,胫骨假体在腓骨头和完整的干骺端以上。型骨缺损深度小于5 mm常用骨水泥单纯填充方法处理;如果缺损深度为5~10 mm,且缺损面积小于股骨髁或胫骨平台的50%,可采用骨水泥加螺钉固定技术;对缺损深度>10 mm的情况是否采用骨水泥技术尚存在争议,目前可选择金属垫块、异体结构植骨或打压植骨。

型骨缺损:指干骺端骨丢失。一般发生于单侧股骨髁和(或)胫骨平台,常存在膝内外翻畸形。X 线片表现为关节线上抬,股骨髁轮廓模糊,胫骨假体在腓骨头水平或以下胫骨密度减低。可采用骨水泥、垫块或植骨等方法进行处理,尽量恢复正常关节线水平。术中选用带髓内柄的假体,目的是减轻骨与植入物界面的应力集中,从而获得可靠的初始稳定性,有时也可辅以骨水泥、自体或同种异体植骨方法。在翻修时需切除坏死或硬化骨,并清创至有活力的松质骨。但清创不可过度,应尽可能保留松质骨,特别在使用垫块时应保证有50%的宿主骨接触,以免发生假体下沉。

型骨缺损:累及股骨髁和(或)胫骨平台的大部分,可伴有双侧侧副韧带或髌韧带撕脱,常伴膝关节不稳。X 线片表现为股骨部件移动或陷至股骨上髁水平,胫骨假体移动或下沉。常由严重的骨溶解、多次翻修导致的医源性骨丢失或铰链式假体术后并发股骨髁上骨折等原因所致。由于韧带功能丢失,因此需用加厚金属垫块或同种异体植骨重建,选用高限制型假体,多使用髓内延长柄。对前后不稳定者,最好选择铰链膝关节假体。

三、骨缺损的修复方法

(一)骨水泥充填技术

骨水泥充填的方法适合于较小的AORI型骨缺损且活动量较少的患者。包括单纯骨水泥技术和骨水泥+螺钉技术。单纯骨水泥填充,技术上要求彻底清理骨缺损处,骨水泥在面团期时填塞骨缺损,使其尽可能填塞入缺损各角落缝隙中,从而达到与宿主骨界面的紧密嵌合。采用骨水泥+螺钉技术时,将骨缺损处彻底清理,将螺钉固定在宿主骨上,钉帽不超过截骨后的关节平台骨面;再将骨水泥混合,在面团期填塞骨缺损,包裹螺钉。Ritter等[26]和Ritter27]采用这种方法重建胫骨平台骨缺损,其缺损厚度达9 mm,术后3年无松动。骨水泥充填技术去除骨质较少,使用常规假体翻修,节省了使用翻修假体的费用,具有一定的实用价值(2)。

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(二)骨移植技术

1.打压植骨

打压植骨技术可用于膝关节翻修术中包容性或非包容性骨缺损的修复[28-29],主要适用于AORI~型骨缺损的重建。接受翻修术的病例骨缺损范围和程度一般较严重,取出假体和骨水泥时特别注意保留骨量,所获得自体骨量少且多为硬化骨。因此翻修时打压植骨多使用异体颗粒骨。打压植骨的优点为:保留宿主骨的骨量,修复大范围的简单或复杂骨缺损。打压植骨技术的不足是:手术耗时长,重建技术要求高(特别是应用大的mesh网笼时),存在传播疾病的潜在可能。单纯打压植骨:对于包容性骨缺损多采用单纯打压植骨。打压植骨与结构植骨的区别是打压植骨所制作的颗粒骨移植材料可以迅速而完全的再血管化。Mesh金属网笼+打压植骨:非包容性骨缺损可使用mesh金属网笼内打压植骨的方法进行重建,股骨重建通常比胫骨重建要困难。van Loon等[30]于2000年报告1例采用打压植骨治疗的61岁女性患者,骨缺损为F2BT2B型。股骨侧采用异体颗粒骨打压植骨,胫骨侧应用mesh网笼内打压植骨方法修复。虽然术后4年患者因疼痛进行了关节融合,但病理学和X线显示股骨侧的打压植骨得到了很好的整合(3)。分析其失败原因可能是因为胫骨侧较大的骨缺损应用mesh 网笼内打压植骨方法重建后不稳定。Lotke 等[31]于2006年报告了42例较大的不规则骨缺损采用mesh网笼内打压植骨的方法,随访2~7年,膝关节屈曲平均11°,美国膝关节协会评分(Knee Society ScoreKSS)评分89分,临床疗效令人鼓舞。

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2.结构植骨

膝关节翻修时,异体结构骨主要用于AORI型骨缺损的重建。术者除应当具备高超的手术技术和丰富的复杂膝关节置换经验外,还应该做好认真细致的术前计划。结构植骨可以用来修复皮质骨缺损。该技术的优点包括:(1)能够制作成任意大小和形状,适应不同几何形状的骨缺损;(2)对翻修假体具有良好的支撑作用;(3)异体骨和宿主骨之间可达到长期的生物性整合。不足包括:(1)对异体骨的剪裁使手术时间延长;(2)异体骨来源有限;(3)在骨整合过程完成前,由于骨吸收和疲劳骨折等因素,存在不愈合和延迟愈合的风险;(4)存在移植材料的吸收和感染问题;(5)有传播疾病的潜在可能;(6)异体骨的初始稳定性可能不足。异体结构骨修复骨缺损的早期临床结果较好,初始稳定性和早期愈合率都较高。EnghAmmeen5]报告49例胫骨严重骨缺损病例,采用结构植骨39例,结果表明异体结构植骨能有效重建胫骨骨缺损,翻修后的关节初始稳定性较好,平均95个月的随访中没有发现与结构植骨相关的移植材料断裂和感染等情况。异体结构骨取材部位包括股骨髁、胫骨平台及股骨头。如果移植材料较大,通常不会出现完全的再血管化。异体股骨头可用来修复股骨髁和胫骨平台骨缺损[32-34],主要用于巨大的空腔型骨缺损,修整成形后通过压配方式固定(4)。

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(三)金属填充技术

1.组配式技术

组配式技术是指金属填充物与假体及髓内柄的组装,其填充物包含各种型号,适合不同大小的骨缺损重建。

1)金属垫块:组配式金属垫块主要适用于AORI 型非包容性骨缺损厚度达2 cm者。应用金属组件修复骨缺损具有操作简便,临床效果可靠的特点[35]。金属垫块可以是多孔的或实心的,形状有楔形或柱形,金属垫块与关节假体之间可以通过螺钉连接,也可通过骨水泥固定。有学者认为骨水泥固定可以避免金属之间的磨损而推荐骨水泥固定;也有学者主张垫块和假体之间先用骨水泥,然后再用螺钉加固的方法。股骨侧缺损常发生在股骨髁的后部和远端,因此金属垫块通常被置于股骨髁后部和远端。对胫骨侧骨缺损可选择楔形或柱形垫块进行重建,以适应不同的缺损外形。文献报道其优良率达84%~98%。楔形垫块应用于骨缺损形态类似楔形的情况下,可更多地保存宿主骨量。截骨要求精确,截骨面与垫块必须匹配。接触界面间除压应力外,还存在剪切力,因此楔形的角度不应超过15°。柱形金属垫块与楔形垫块相比具有截骨量增加的缺点,但手术操作简便,力学效果更接近于正常(5)。金属垫块有各种不同的形状和大小,因此广泛适用于非包容性骨缺损和各种不同形状的骨缺损,能提供良好的初始力学稳定性。与异体结构骨移植相比手术时间明显缩短,感染和相关并发症的风险也明显下降[36]。但长期研究发现,使用金属垫块后会出现应力遮挡现象而导致失败,与骨移植相比金属垫块失败再翻修会产生更大的骨缺损。

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2SROOM:胫骨平台假体外形为袖套状[37],设计为组配式,与中央柄体结合,主要用于重建胫骨中央巨大的包容性骨缺损[38](6)。

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2.非组配式技术

非组配式技术是指将金属填充物放在骨缺损处,为假体安装提供有效的力学支撑,通过与宿主骨的整合替代结构植骨的技术。其材料具有良好的生物相容性,常用钽金属骨小梁材料。金属钽具有良好的生物相容性和抗腐蚀特性,多孔结构具有较高的机械强度和较小的硬度,与骨组织相似,金属表面具有高磨擦特点。多孔钽金属cone可用于股骨和胫骨干骺端骨缺损的重建,能加工成不同大小和形状。金属和宿主骨界面间不用骨水泥固定,因而有利于骨长入[1-21239]。Cone是近年来开发的一种新型干骺端金属替代物,为翻修术中AORI 型骨缺损提供了一种新的处理方法[2101240]。VillanuevaMartinez等[10]对21例膝关节翻修患者进行骨缺损重建,共使用29个多孔钽金属cone5例为感染、16例为无菌性松动,F314膝、F2B3膝、T2A3膝、T2B3膝、T35膝,股骨10例、胫骨3例、股骨+胫骨8例,旋转铰链膝(RHKZimmer,美国)10例、髁限制假体(LCCKZimmer,美国)11例。平均随访36个月,除1例因感染取出外,其他效果满意,均有整合证据。KSS膝关节评分优12例、良5例、可3例、差1例。这一结果表明钽金属cone在重建股骨或胫骨巨大骨缺损时可提供良好的力学支撑,有利于内植物与骨界面之间的整合。另外,在cone和宿主骨界面间用移植骨颗粒进行填充,可以代替结构植骨。该技术的优点为:(1)为假体提供机械性支撑;(2)具有长期的生物学固定潜能;(3)降低重建难度;(4)避免因异体骨移植而引起的疾病传播[41](7)。但cone临床应用时间短,所获经验不足,在需要取出假体时操作难度相对较大。

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(四)异体骨-假体组合

有关异体骨-假体组合修复翻修术中骨缺损的临床应用文献报道较少[42-46]。其适应证与肿瘤假体相同,为严重的节段性骨缺损(AORI 型)。型骨缺损累及胫骨平台和单侧或双侧股骨髁,伴随胫骨结节或上髁部骨丢失。异体骨-假体组合的优势为:(1)异体骨-假体组合所使用的异体骨可与宿主骨进行整合;(2)可减少作用在假体上的旋转应力;(3)异体骨可为侧副韧带提供附着部位。其不足包括:(1)很难获得与宿主骨完全匹配的异体骨;(2)比铰链假体的技术难度高;(3)存在异体骨骨折的潜在风险(8)。Clatworthy等[47]对应用异体骨-假体组合重建翻修术中骨缺损的技术进行了阐述。术前选取与远端股骨或近端胫骨大小和形态相近的新鲜冷冻异体骨,选择长柄假体通过骨水泥固定于异体骨中,柄体远端应超过异体骨和宿主骨交界处至少两个皮质骨直径的长度。如果患者有上髁存留,应截下并固定在异体骨上,以最大限度地增加侧副韧带的稳定性。为了增加异体骨和宿主骨之间的旋转稳定性,将异体骨与宿主骨交界处制成阶梯状,阶梯应足够长,并环箍两根线缆以加强固定。注意避免使用钢板和螺钉固定,因为在异体骨上钻孔会增加该部位骨折的风险。安装试模应在屈曲位进行,逐渐伸直,并逐渐短缩异体骨,直至能够完全伸直为止。假体的固定包括骨水泥或紧密压配两种固定方式,如采用骨水泥固定,应避免异体骨和宿主骨之间有骨水泥进入,以免干扰骨整合。最后在异体骨和宿主骨的界面处植入自体骨或异体骨颗粒以促进愈合。

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翻修术中应用肿瘤假体或异体骨-假体组合进行巨大骨缺损重建的文献报道很少,目前尚无统一的标准供选择。多数学者主张对年轻、预期寿命较长的患者可选择异体骨-假体组合方法,而对年老、身体虚弱使手术风险增加或预期寿命较短的患者建议使用肿瘤假体进行重建[48]。

(五)定制假体

膝关节翻修术中常常遇到巨大的节段性骨缺损(AORI型)[49]。型骨缺损者稳定关节的韧带附着部常缺如,因此应选择定制假体(肿瘤假体)[50-51]。此外,假体周围感染或无法重建的假体周围骨折患者也可选择定制假体进行修复。Back等[50]报告了30例应用定制假体进行膝关节翻修的随访结果,平均随访58个月疗效令人满意(其中因巨大骨缺损进行翻修者5膝)。定制假体起初用于肿瘤切除的保肢重建术,应用量较小。随着经验的不断积累,肿瘤假体的应用范围已经扩展到了膝关节多次翻修病例。为了提供足够的稳定性,定制假体设计上采用了铰链技术,用骨水泥固定或生物学固定,术后可早期负重。但定制假体价格昂贵,在应用时需要对关节对侧进行截骨,因此当假体失败再翻修时选择方法非常有限,髌腱止点的重建较困难。定制假体一旦失败,如果不能使用另一种型号的肿瘤假体,就只有选择截肢[52-53]。应用定制假体时,股骨部件要适度外旋安放,以适合髌骨滑动轨迹,减少对步态的干扰;同时要维持正常的关节线高度,以免因高位或低位髌骨引起关节活动受限。安装胫骨假体时,髌韧带止点的重建较为困难,通常将髌韧带先缝合于胫骨骨膜,再锚钉在假体的多孔长入固定界面上[9]。

四、假体的选择

(一)假体类型的选择

为了解决膝关节翻修术中复杂骨缺损的处理问题,近年来的膝关节假体在设计上不断完善,形成了不同的家族系统。同一系统使用同一套切骨工具,假体为组配式设计,操作方便,节省了手术时间,为顺利完成翻修手术及获得可靠的临床结果提供了可能。同一系统包括了不同的限制性假体类型,型号齐全,术中可根据具体情况来进行选择,达到了事半功倍的效果。由于假体的使用寿命与假体的限制性是一对矛盾,因此在提供可靠稳定性的情况下应尽量选择限制性低的假体。在膝关节翻修术中,由于后十字韧带常常损伤缺如,因此多数需要选择后十字韧带替代型假体。如果侧副韧带完整,当后十字韧带替代型表面假体不能提供足够的稳定性时,可通过加厚垫片的方法来解决。对存在侧副韧带损伤而引起冠状面不稳定或者屈伸间隙不平衡,通过软组织平衡、调整假体大小和关节线高度仍无法解决者,可选择髁限制型假体。而对后关节囊严重缺失导致的膝关节前后不稳或无法控制膝关节反屈时,应选择旋转铰链膝关节假体[54-55]。

(二)髓内延长柄的使用

1.使用目的和原则

翻修术中大多数病例都需要使用延长柄。应用髓内延长柄的目的是减轻股骨髁部或胫骨平台部已经损坏的骨质界面应力。延长柄的应用分散了对骨缺损部位的负荷,降低了松动的发生率,从而延长假体的使用寿命。较大的节段性骨缺损,因股骨髁部或胫骨平台的有效机械支撑作用遭到破坏,需要通过植骨、垫块、SRoomcone等重建方法来处理,此时必须使用髓内延长柄。此外,当使用高限制型假体时,股骨侧和胫骨侧也需要使用髓内延长柄以分散应力[56-57]。

2.髓内延长柄的固定方式

髓内延长柄的固定方式包括骨水泥固定和非骨水泥压配固定两种方式[58-59]。非骨水泥固定的前提条件为骨干皮质的支持结构良好,干骺端的骨量充分,这样才能为假体提供良好的固定界面。非骨水泥固定方式的优点为:操作方便,假体分不同型号,与不同型号的扩髓工具匹配,与骨干皮质达到很好的压配,有助于下肢对线的重建。如需要再翻修时,非骨水泥固定髓内柄取出容易。不足之处为:对髓腔畸形患者,髓腔不能与柄体相适应,有可能引起下肢力线不良。非骨水泥柄虽可分散应力,但初始稳定性不足,有可能引起柄体末端部位疼痛[42-46]。骨水泥固定方式能很好地分担界面应力,提供长期稳定。骨水泥柄对髓腔畸形患者也适合。但由于不是紧密压配,有引起力线不良的风险。取出骨水泥柄会非常困难,取出时可引起更多的骨缺损,因此在不影响稳定的情况下应尽量选择较短的髓内柄,以方便取出。对于髓腔较大者,因不利于紧密压配,最好选择骨水泥固定方式;对于干骺端骨质硬化或破坏者,通过骨水泥固定延长柄可加强固定。

综上所述,膝关节翻修术中骨缺损非常常见,表现各种各样,加之患者的个体差异,很难进行随机的对照研究。目前的研究报告多为小样本的回顾性分析。骨缺损处理方法的选择有赖于缺损的大小和形状、患者年龄、预期寿命、关节活动度、术者经验及偏爱及可获得的内植物种类等[45]。根据不同骨缺损类型选择骨水泥填充、骨移植、金属充填、定制假体或异体骨-假体组合等方法进行重建。选择合适的假体类型,合理使用髓内柄,是获得良好的临床效果的必要条件。当然,不论采用何种方法进行骨缺损重建,都必须注意在取出假体时要尽量保留宿主骨的骨量,残存骨质对缺损的修复起到一定的作用。修复术中恢复关节线高度同样至关重要,因为正确的关节线水平是判断骨缺损程度、确定重建方法的前提,也是有效维持侧副韧带张力和平衡屈伸间隙的重要条件。关节线高度异常,必然导致髌骨高度的异常。不论是高位髌骨,还是低位髌骨,均会影响髌骨的滑动轨迹。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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