人工关节置换术是20世纪外科领域最为成功的手术之一，它不仅能有效解除病人关节的疼痛，还能最大限度地恢复关节的活动能力，提高病人生活质量，让各种晚期骨关节疾病的病人拥有较高质量的生活。经过几十年的发展，人工关节外科技术日臻成熟、完善，已成为治疗严重骨关节疾病的最有效的方法。
通常人们对人工关节置换手术会怀有恐惧心理，认为人工关节置换就是将关节全部切除，装上不锈钢关节，术后肢体如同机器人一般，生硬而不自然。实际上这种想法是不正确的，因为他们对人工关节并不了解。
什么是人工关节置换术？所谓人工关节置换，从专业的角度讲，就是应用生物相容性好、机械强度高、耐磨性强的高分子聚乙烯、钴铬钼合金、陶瓷等人工材料制成关节头和关节面，替代原来的病变关节。由此可以看出，人工关节置换只是将已磨损破坏的关节面切除，置入人工关节，使其恢复正常平滑的关节面，如同口腔科医生装“牙套”一样。
人工关节种类繁多，几乎全身活动的关节均可被置换，如人工髋关节、人工膝关节、人工肘关节、人工肩关节、人工指（趾）关节及人工椎体等。但目前技术最成熟同时应用最多的是人工髋关节和人工膝关节，这两个手术几乎占全部人工关节置换病例的90%。
一、髋关节和人工髋关节的构造
髋关节位置很深，很稳固，是全身最典型、最完善的球窝关节（图1-1）。它由两部分组成：一个窝（髋臼）和一个球（股骨头），所以称为球窝关节（杵臼关节）。髋臼呈倒杯型，可容纳2/3的股骨头，增加了髋关节的稳定性。股骨头是球窝关节结构中凸出的部分，位于股骨（大腿骨）的顶部。髋臼和股骨头的表面均覆盖着几毫米厚的极光滑的关节软骨。此外，髋关节的周围还有丰富的肌肉、韧带和关节囊包裹，使得关节非常稳定。
图1-1 正常髋关节
1．股骨头；2．髋臼窝；3．股骨大粗隆；4．股骨小粗隆；5．股骨
髋关节以负重为主，同时由于关节软骨非常光滑，加上有关节液的润滑，所以活动非常灵活。它的活动包括前屈、后展、外展、内收、外旋和内旋等六个方向。在日常生活中，许多下肢的活动均需要髋关节的活动范围达到一定程度才能完成。如穿鞋子或袜子时，需要髋关节屈曲范围达到118°，外展22°，内收6°，内旋5°，外旋24°。如果髋关节的活动范围由于各种原因达不到上述阈值，则病人不能自行穿鞋袜。表1-1列举了部分日常生活活动中髋关节的活动范围阈值。
表1-1 日常活动中髋关节的活动范围阈值（度）
（引自：Chao 1990）
如果关节面毛糙，甚至髋臼、股骨头有破坏，导致关节的变形，则不仅降低了髋关节的活动性能，而且也会引起炎性反应，出现髋关节的疼痛及活动障碍。
人工髋关节模仿髋关节球窝关节的活动，其假体由3个部分组成（如图1-2）：①柄，安装在股骨（大腿骨）内，通常是由金属制成。它可插入人体股骨（大腿骨）的上半段髓腔内，与股骨紧紧地结合在一起；②球（或称头），代替股骨头的球形部分，由陶瓷或金属制成；③罩杯和伴随的内衬，与骨盆部结合，代替磨损的髋关节窝。罩杯由金属制成，而内衬则由聚乙烯、陶瓷或金属塑料制成。需要时，人工髋关节可以再次调换。
图1-2 人工髋关节
人工髋关节假体必须紧密地固定在病人的髋臼和股骨（大腿骨）内。固定的方法通常有两种：一种是骨水泥固定，就是用骨水泥（一种有机化合物）把假体与自体骨紧密地结合在一起。临床资料表明，骨水泥对人工关节假体置入后早期有着良好的固定作用，早、中期的失败率和翻修率也比较低。但是由于骨水泥机械性能差，容易疲劳碎裂，对股骨近端应力遮挡大，假体周围可发生较多的骨溶解和无菌性松动等。因此，骨水泥一般不适于年轻或活动量大的病人。另一种是生物固定，就是将经过特殊处理的金属柄插入股骨腔内，自体骨会紧密长入把它固定住。目前，常用的假体表面覆盖有羟基磷灰石，认为它能与人体骨组织长在一起，即达到所谓的生物学固定。这两种方法都有上千万例的经验，非常可靠。
二、膝关节和人工膝关节的构造
膝关节（图1-3）由三块骨头组成：股骨、髌骨和胫骨。股骨（大腿骨）的下段为两个凸起的圆形隆起，如飞机双轮，构成膝关节的上面部分；胫骨（小腿骨）上段构成膝关节的下面部分；呈扁圆形的髌骨（膝盖骨），构成膝关节的前面部分。膝关节通过股骨与髋关节相连，同时又通过胫骨与踝关节相连。
图1-3 正常膝关节
在膝关节内，股骨下端与胫骨上端组成一对关节，称为胫股关节。股骨下端前方与髌骨组成一对关节，称为髌股关节。同髋关节一样，位于关节面的股骨和胫骨表面也覆盖着几毫米厚极光滑的关节软骨，关节的周围被一层叫滑膜的组织封闭，它能分泌一种特殊的液体来润滑关节。由于关节液的润滑作用，使膝关节活动非常灵活。在股骨面与胫骨面之间还垫有一块半月状的纤维软骨组织，称为半月板，它在股骨与胫骨之间起衬垫作用。
另外，还有一种由肌肉、韧带和肌腱组成的复合体，它像弯曲的钢丝一样，给膝关节以支持、力量和可活动性。因而，关节既有坚固的稳定性，同时又能够做均匀平滑的运动。
这些结构构成了身体中最大、最复杂、最有用的关节，即膝关节。
膝关节最重要的功能是它的屈伸运动，正是由于这项功能，使得我们能够走路、跑步、屈身、旋转、蹲下和完成一些其他复杂运动。同时，膝关节是人体最重要的承重关节。在站立时，它负载着人体的重量。当举重者完成从腰部的第一高度将杠铃举到胸部的第二高度，再超过头顶的第三高度时，注意观察他的膝关节，我们就会了解人体运动时膝关节的弯曲性和承重性等功能，是如何使其成为我们身体中最重要的关节的，但是，假如没有关节软骨，上述活动将难以完成。
骨关节病、损伤、关节负重不当或类风湿关节炎等多种原因，都可以引起膝关节的关节软骨面磨损、破坏，导致关节的疼痛及关节活动受到限制。
目前人工膝关节假体种类繁多。按固定方式分为骨水泥型、非骨水泥型；按限制程度又分为限制型、非限制型。总体来说，人工全膝关节假体由三部分组成（图1-4）：一是股骨假体，它由最坚固、最光滑的金属制成，可紧密而坚固地与经过特殊截骨后的股骨下端结合，构成股骨关节面；第二部分是胫骨平台假体，包括两部分，上面是一层非常耐磨而光滑的超高分子聚乙烯制成的关节面，下面是一个精密的带柄的金属盘托住它，金属盘的柄可插入胫骨（小腿骨）上端的髓腔内并与胫骨紧密结合。第三部分是髌骨假体，它呈圆盘状由超高分子聚乙烯构成，它的作用是取代髌骨关节面与髌骨紧密结合在一起。
图1-4 人工膝关节
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