セラピストが知っておくべき手術の知識-人工股関節と人工膝関節-

こんにちは！
茨城県で理学療法士として働いている佐川修平です。

セラピストの皆さん、もしくは医療従事者の皆さんは、人工関節の手術をされている方に関わった経験がある方も多いと思います。

また、新人の方でもこれから担当する事になるという人も多いのではないかと思います。

私は長年、整形外科領域で働いていますが、手術も以前より間違いなく改良され、進歩しています。

そんな技術進歩が早い、手術について、そしてセラピスト含めた医療従事者が知っておいた方が良い知識をまとめて、お伝えしていこうと考え、このnoteを書く事を決めました。

以前からリハビリメディア のPOSTさんへ記事を投稿していますが、それらの記事を少し改変しながら作成させていただきました。

手術について理解できると臨床にも活かすことができると思います。そして医師との連携にももちろん繋がります。
少しでも新人セラピストたちに役立てればと思います。

それでは、早速解説していきます。

人工股関節の部品名称とセメントの有無

人工関節に用いられる、体内に埋め込まれる器具をインプラントとよびます。
大きく分けると、

・ステム
・ヘッド
・ライナー
・カップ

ステムは「大腿骨頚部」、ヘッドは「骨頭」、ライナーは「軟骨」、カップは「臼蓋」とそれぞれ役割を持ちます。ライナーはポリエチレン素材で出来ており、以前はポリエチレンが摩耗することにより骨融解などの合併症も多数報告されていましたが、技術の進歩で摩耗を大幅に減少することができるようになりました。

また、骨とインプラントを密着させる際にセメントを使用するかどうかを決める必要があります。

セメントを知らない方は、コンクリートをイメージしてください。最近ではセメントレスといって、セメントを使用しないで骨とインプラントを密着させる技術が用いられています。

インプラントの表面に特殊な加工をして、緻密骨（皮質骨）との密着性を高めるようなインプラントがあります。加工の仕方には種類があり、ポーラス加工、ファイバーメタル、trabecular metal、ハイドロキシアパタイトコーティングなど、があります。

そのほかに、カップとステムのどちらかだけセメントを用いて、もう片方はセメントレスを用いるという方法もあります。

セメントの利点として、骨の脆弱性にも対応できるなどのオールラウンダーですが、再置換術時に以前のセメントを除去する際にセメントを取りきれないなどの問題もあります（最近ではそれも解決されてきています）。

なんだか、セメントを使用した方がいいのではないかと思ってしまいますが、要は使い分けが大事だということになります。

セメントを用いると、セメントの硬化などの時間が限られてしまうのに対して、セメントレスはインプラントの設置位置を調整しやすいという点もあるため、そういった技術の面もセメントレスが普及しているのに関係しているといわれます。

アプローチ方法 

THAのアプローチ方法は多くあります。

皮切、展開（アプローチ）をして行く際に、以前は後方、もしくは後側方アプローチが主流でした。

最近は筋実質を侵襲しない前側方アプローチが多く用いられています。

前側方アプローチは、術後早期の股関節外転，外旋，伸展筋力の回復が早いといわれ、流行りのアプローチ法となっています。

脱臼に関しては前方、前側方アプローチは伸展・内転・外旋での肢位で脱臼のリスクがあります。後方、後側方では屈曲・内転・内旋が脱臼肢位となります。

・ 前方アプローチ（DAA：Direct Anterior Approach）
縫工筋と大腿筋膜張筋の筋間切開による背臥位のアプローチ

・前側方アプローチ(ALS：Anterior Lateral Supine)
中殿筋と大腿筋膜張筋の筋間切開によるアプローチ
本来は背臥位で行うが、ALA（Anterior Lateral Approach）という方法も存在し、前側方アプローチを側臥位で行う方法も存在する
近年多く用いられているOCM(Orthopädische Chirurgie München)法は側臥位で行う

・外側アプローチ(DLA：Direct Lateral Approach)
中殿筋の切開によるアプローチ方法のため、術後の関節不安定性を生じやすくなる
主に再置換術などで用いられる

・後側方アプローチ(PLA：Posterior Lateral Approach)
大殿筋、中殿筋の一部、外旋六筋の筋切開による手術

・後方アプローチ(PA：Posterior Approach)
大殿筋と外旋筋を切開するアプローチ法。高齢などあまり活動性が少ない方に適応となる

大まかに分類すると５種類になりますね。
最近は前側方アプローチが多くなってきていますが、
手術の難易度なども含めて、まだまだ後側方でのアプローチが実際には多いです。

術中の脚長差の調整はどうしているの？ 

術前と術後のリハビリ時に脚長差をメジャーで測定している職場もあるかと思います。

医師も同様にレントゲンで脚長差を把握して、術中に介入をしますが、一体どこで脚長差の調整をしているのでしょうか？

主には、
 • 臼蓋の設置位置
 • ネック長
 • 頚体角
 • 骨切り位置

これらによって脚長差を調整しています！
他にももしかしたらあるかもしれませんが、自分が調べたり医師とコミュニケーションを取っていて理解しているのはこの辺りです。

詳しく解説します！

臼蓋の設置位置は、カップの設置位置も大事ですが、カップを設置する際のリーミングの深さによって調整します。

リーミングというのは骨を削る作業をいいます。

深く削れば、下肢の長さが短くなるのが想像できます。

そしてネック長はステムの頚部の部分に骨頭（ヘッド）を差し込みますが、その差し込む深さで調整することができます。

頚体角は大腿骨骨幹部軸と頚部軸のなす角度をいい、正常角度は125−130°といわれます。

正常よりも減少すると内反股、増大すると外反股を表します。

この図を見ればわかると思いますが、角度が大きくなればなるほど、骨頭の位置は上方に上がります。

ステムには様々な種類があり、頚体角も様々です。

このステムを変えることで、頚体角から脚長差の調整することができます。

また、ステムをはめこむために、大腿骨のラスピング（ステムを入れるのに穴を削ること）をする際に骨切りを行います。

骨切りは基本的に大転子と小転子を残します。

そして残しつつ、細かい調整を行います。

骨切り位置が高ければ下肢は長くなり、低ければ短くなるということになります。

臨床上の脚長差について

実際の臨床では、自覚的脚長差と他覚的脚長差に乖離がある事をよく見かけます。

つまり、術後レントゲン上では左右差がなくても、本人は長くなったと感じるなどといった感じです。

これには骨盤の傾斜や脊柱の影響が大きいですが、それだと手術で脚長差を無くしても満足度が下がってしまう可能性があります。

そのためアライメント不良で脚長差を自覚している症例に対しては術中の脚長差の調整はかなり慎重に行います。

基本、術側下肢を長めにするということはしないです。

そして、自覚的脚長差に関してはリハビリの出番になります。

骨格構造などの短縮による「構造的脚長差」と、脊柱側弯などによる「機能的脚長差」とでは、脚長差を自覚するのは圧倒的に「機能的脚長差」が原因だと報告されています。

つまりこの脚長差を改善させる、または手術の満足度をさらに上げるためにはリハビリというのは有効だということになります。

この脚長差は骨盤の側方傾斜と関係があるといわれ、股関節外転や内転可動域制限、腰椎側方可動性が主な原因と報告されています。

介入の際には是非参考にしてみてください。

人工股関節の脱臼について

THA後の初回脱臼は1–5％,再置換術で5-15％と変形性股関節症のガイドラインではいわれています。

学生の頃は、前方進入なら伸展・内転・外旋、後方進入なら屈曲・内転・内旋方向で脱臼肢位となるので気をつけましょうと教育を受けました。

この脱臼肢位がつまるところ、インプラントのカップとステムがインピンジ（カップとステムがぶつかる）をすることになり、このインピンジを無理やり助長させると脱臼となります。

特に以前は、後方からのアプローチが多かったため、「しゃがむ動作や足を組む動作は止めましょう」なんていわれてきました。

もちろん今でも後方アプローチの場合は積極的に行うことはしませんが、最近は後方アプローチでも、結構深く曲げられる方もいますし、脱臼の心配は減ってきている印象です。

逆に脱臼肢位を指導しすぎると、かえって恐怖心を植え付けてしまうため注意が必要です。

脱臼が減少してきている理由としては、

・アプローチ方法
・インプラント
・ナビゲーションシステム

これらが挙げられるのではと思います。

脱臼が減少している理由

先ほども挙げたように、アプローチ方法、インプラント、ナビゲーションシステムによるものが理由になります。詳しく解説します。

まずアプローチ方法の変化についてです。以前は後方アプローチや、後側方アプローチが主流でしたが、最近では前側方アプローチが多く見受けられるようになりました。

前側方アプローチは、
・筋間切開のため侵襲が少ない（中殿筋と大腿筋膜張筋の筋間）
・仰向けでアプローチでき、両側同時に手術ができる
・下肢のアライメント（脚長差など）を確認でしながら手術が可能

などのメリットがあります。また、OCM(Orthopädische Chirurgie München)という、側臥位でおこなう、前外側アプローチも存在します。

一般的には前側方進入より後側方進入の方が脱臼率は高いといわれています。何故前側方で脱臼率が低いかというと、後方軟部組織を温存できること、前方骨・軟部インピンジメントによる脱臼の確認とその処置が容易になったからとの報告があります。

ですが報告によっては、前側方による脱臼率が高いとの報告もあります。それはカップの設置位置の異常が原因だとされていますが、これはナビゲーションシステムなどの技術により改善可能となってきています。

また、高齢者の骨盤アライメントは後傾になりやすいため、カップの前方開角が過度になりやすいことなども関係があることも考えられます。

ちなみに前方開角とは、臼蓋がどれだけ前を向いているかを表す角度になります。

つまり、前方開角が過度になれば伸展位などで容易に脱臼をしやすくなることが考えられます。

リハビリでも、これらのことから、脱臼を予防するために、骨盤アライメントもしっかりと把握する必要があります。

ですが、前側方のアプローチが増えているといっても、症例によっては適さないこともあるため、その都度医師とのコミュニケーションは必要になります。

インプラントでも、形状がインピンジを起こさない様な設計が可能となってきています。インピンジはカップとステムがぶつかることで起こるのですが、ステムの中でも特にネック部分の衝突によって引き起こされます。

最近では技術の進歩により、ネックを細くすること、ヘッドの径を大きくすることでカップとネックのインピンジを減少させることが可能となり、インピンジの減少、つまり脱臼の減少が可能となりました。

さらに以前は、インプラント（カップなど）の設置位置の異常が原因で、脱臼を引き起こすことがありましたが、ナビゲーションシステムの導入で、カップ設置位置を良好な位置に設置することが可能になりました。

ナビゲーションシステムとは、術前のCT画像を基に、適したサイズのインプラントを提案し、術中も赤外線によるモニターでインプラントを適した位置に導いてくれるという素晴らしい技術です！

また医師の術中の手元をサポートするロボティックアームなども導入されてきていますので、さらに脱臼のリスクは軽減されていくことが考えられます。

THA後の脱臼は以前より改善されてきており、今後さらなる発展が期待されます。整形外科領域で働いている身として、手術の偉大さ、技術進化のスピードを実感しています。

インプラントの技術やナビゲーションシステムによって、前側方アプローチじゃなくても脱臼の減少が可能だということがわかります。

アプローチ方法を理解して脱臼肢位に気をつけるというよりは、今後は展開する際に侵襲している部位の把握を行うことが大事になると考えます。

人工膝関節の歴史

さて今度は人工膝関節について解説していきましょう！
まずは人工膝関節の歴史からです！

医学の歴史をみてみると、今の時代が恵まれていることを実感します。

人工膝関節の歴史で最初の記録としては、1861年のFergusonの報告があります。人工膝関節形成術を行なっていますが、中間膜挿入術といい、ブタの膀胱や大腿筋膜を使用し、関節表面を置換するという手法でしたが、当然失敗となりました。

その後もナイロンストッキングや子馬の漿膜などを用いた表面置換が行われ、いずれも失敗となりました。どうやら人工関節の歴史は壮絶だったようです。対象年齢も高齢ではない場合もあり、感染もひどかったようです。

1929年に歯科用材料として開発されたバイタリウム（Vitallium）が、1937年に人工関節材料として認可され、軟部組織ではなく金属を利用する道が開きました。

その後1940年代から金属を用いた関節表面形成用の器具が多く誕生することになります。ですがバイオメカニクスを無視した、傷んでいるところを取り替えるという考えは、他の膝関節周囲組織を無視していることになり、多くのものは成績が良くありませんでした。人工関節に金属を利用することが可能になる以前から、象牙などを用いた人工関節も存在してきていました。

人工関節が進歩するにつれて、よりバイオメカニクスに近づいていきます。

初期の人工関節は蝶番型のような屈曲、伸展のみしか動かせないものから、回旋を許容するものと、バイオメカニクス視点の進化を遂げていきます。

そして、デザインでバイオメカニクスを再構築しようとする手法の間でCR（Cruciate Retaining）型とPS（Posterior-Stabilized）型の２大機種が確立されました。

現在ではUKA（Unicompartmental Knee Arthroplasty）や両十字靭帯温存の人工関節も増えてきており、CS（Cruciate Substituting）型やmobile bearingなどの新しいものもみられてきています。

それでも術後の長期成績がまだわからず、それを考えるとやはりCR型とPS型はいまだに２大巨頭だといわれてもいます。

人工膝関節の主要部品

人工膝関節置換術は英語で「Total Knee Arthroplasty」や「Total Knee Replacement」といわれ、それぞれTKAやTKRといわれます。

まず人工膝関節の構造について解説します。主に4つに分かれており、
・大腿骨コンポーネント
・ インサート
・脛骨ベースプレート
・膝蓋骨コンポーネント

それぞれ分けられています。

特に、大腿骨コンポーネントとインサートは形状が膝関節の構造に近づくように工夫されています。

これは人工関節タイプ、CR型かPS型によっても形状が変わります。

レントゲンでは、インサートと膝蓋骨コンポーネントはうつらないことで有名ですね。つまり、大腿骨コンポーネントと脛骨ベースプレートしか普段は見ていないことになります。

膝蓋骨コンポーネントは骨棘がある場合、軟骨摩耗が強い場合などでは置換することがあります。

基本人工関節の手術を行う人は、置換が適応になる場合の方が多いかと思いますが、関節面のみ綺麗にして、置換しない場合もあるようで、医師によって考え方が違うようです。

膝のバイオメカニクスと人工関節

主に人工膝関節は以下のバイオメカニクスに合わせて設計されています。
・ Roll back
・Medial pivot motion
・ Screw home movement

屈曲に伴って大腿骨と脛骨の接触点が後方移動することをRoll backといい、正常膝での可動域を確保し、大腿四頭筋のレバーアームの増加と作用効率の向上に重要です。
このRoll backは後十字靭帯が役割を担っているといわれます。

また、膝の手術の際には内側と外側のコンパートメントに分けて考えることが多く、内側コンパートメントは大腿骨と脛骨の構造上、拘束性が高いという特徴があります。

半月板も同様に内側半月板は動きが少ないですね。

外側は大腿骨外顆の曲率半径が大きく、脛骨外側は凸面形状であり、拘束性が低いという特徴があります。この拘束性の違いによってMedial Pivot Motionが起こります。つまり、屈曲時の脛骨内側を軸とした回旋が起こります。

そして、理学療法士が大好きなscrew home movementも大事な膝のバイオメカニクスの一つであり、人工関節にもしっかりと考えられて作られています。

これらのバイオメカニクスの研究が進むにつれて、CR型やPS型以外にも様々な機種が出てきています。ですが、長期成績が不明確なこともあり、やはり今でもCR型とPS型の２大巨頭となっているのが現状です。

人工膝関節のデザイン

２大巨頭のCR型とPS型について簡単に説明します。

CR型とPS型の大きな違いは後十字靭帯があるかないかです。

CR型はPCL残存していることが条件になります。

PS型はPCLが残存していなくてもPost-cum機構というものによって膝のRoll-backを可能にしています。

変形が重度な場合、十字靭帯は損傷していることが多いため、変形が強ければPS型で手術を行います。変形が軽度でも靭帯が変性していることもあるため判断は難しいですが、生体本来の組織を残存させることに元々の膝の構造と機能を用いることができるというのがCR型の利点です。

ですが、上記のように靭帯の状態を確実に把握することが難しいのでCR型を選択しても、後十字靭帯が後から状態が悪くなってしまうこともあります。

なので、変形の状態によってCR型かPS型を変える必要があります。よくどちらが優れているかとう論争がありますが、以前よりどんどん改良されてきているので今後どうなっていくのかわかりません。

もしかしたらいいとこ取りで、統合したりするかもしれませんね。
それぞれの簡単な特徴を挙げます。

●CR型
 • 後十字靭帯が荷重伝達を分担することによる骨・インプラント境界での応力の低減
• 後十字靭帯は膝関節の最大の靭帯であり、膝関節の後方安定性に寄与
• 後十字靭帯は屈曲に伴って緊張し、膝関節のRollback motionを誘発
 • 温存した後十字靭帯は関節固有位置覚に関与

●PS型
 • 大腿骨Camに屈曲するにつれて脛骨上のPostが組み込まれ、CamはPostを誘導して人工的なRollback motionを誘発
 • 後十字靭帯を切除するためにflexion spaceを確保する事ができ、人工的なRollback motionを得られるために、可動域も良好で手術主義への依存度が少ない
 • CamとPostを収納するために顆間の骨切除が必要であり、小さな大腿骨には相対的な骨切除量が大きくなる
 • Camとpostがimpingementすることで、ポリエチレン摩耗やPost破損が報告されている
リハビリを行う際にはCR型かPS型どちらなのかを把握することが大事になります。

人工膝関節単顆置換術について

膝の人工関節の手術には、人工膝関節単顆置換術(Unicompartmental Knee Arthroplasty:UKA)というものもあります。

基本的には、変形や骨壊死が適応になり、関節リウマチや結晶性関節症などのように両側のコンパートメントに影響を及ぼす可能性がある疾患はまず除外します。ですが、変形なども必ずしも両側に変形を及ぼさないとは限らないので、難しいところになります。

もちろんTKAより侵襲は少ないため、可動域も良好ですが、TKAへの置換の可能性は決して少なくありません。

靭帯も後十字靭帯はもちろんですが、前十字靭帯も残存している必要があります。

人工膝関節の皮切について

人工膝関節の手術の際の大まかの流れは、
・皮切
・関節進入
・骨切り
・インプラント設置
このように大まかな流れがありますが、今回は皮切について解説します。まず大前提として、皮切がLanger’s line（ランゲルの線）と一致すると、膝関節屈曲に伴う皮膚の緊張が低下し創治癒に有利といわれています。

このランゲル線を意識して手術は皮切を行います。

人工膝関節の皮切にはいくつか種類があり、正中切開（皮切）、内側弓状切開や外側弓状切開などと、日本では呼ばれています。

正中切開は欧米でよく用いられていますが、膝をつくことが多い日本人ではあまり好まれないため、弓状切開をよく用いられます。

内側と外側どちらも用いられますが、膝前面の皮膚は主に内側の血行から栄養されていて、微小動脈網がdeep fasciaを穿通して皮膚を栄養します。

創部の治癒や術後感染予防の点のことからも外側弓状の方が良いといわれています。

また、膝蓋骨周囲の感覚枝を伸ばす、伏在神経膝蓋下枝も内側には存在するため、リスクをなるべく回避するためにもやはり外側弓状の方が都合が良いことがわかります。

よく手術後に感覚異常を訴える症例がいますが、こういったことが関係していることを頭に入れておく必要がありそうです。

展開方法（関節内進入法）

TKAの手術は皮膚の切開から始まり、脂肪、筋、関節包へと内部に進入していきます。

その後、膝蓋骨を反転させて、大腿骨と脛骨の骨切りを行い、インプラントを設置していきます。

手術の際に、皮切を行い、そこから深部へ侵入していく際、つまり展開方法にも皮切と同様に種類があります。

基本的には、この進入法に皮切も合わせる必要があります。

主に内側からの進入法と外側からの進入法に分けられますが、内側からの展開が多いです。

何故かというと変形性膝関節症は内反変形が多いため、内側からの展開が多くなります。

今回は内側からの展開で有名な３つの方法を紹介します。

●Medial parapetellar approach
展開を大きくすることができ、最もよく用いられている方法になります。
・ 大腿四頭筋の内縁、内側広筋の筋腱移行部で切開
・ 大腿四頭筋の内側1/3を縦割する方法

これらの二つがあり、後述が古典的な方法と呼ばれています。手技が簡易で関節を観察できますが、血行を阻害する可能性があり、他のアプローチを推奨されています。

ですが、手技の難易度の問題もあるため、このアプローチを使用することが多いそうです。

展開が良いため、肥満や再置換など難渋症例も可能なアプローチになります。

●Midvastus approach
　・内側広筋斜走線維から付着部、膝蓋骨内側へと切開

血行の温存、大腿四頭筋の筋力の早期改善、早期のリハビリテーションが可能といわれますが、大腿神経の内側広筋斜走線維へと入る枝を損傷させる可能性があります。

　●Subvastus approach
　・内側広筋の下縁から膝蓋骨内側へと切開
　
内側広筋や血行を温存することができるという利点がありますが、展開が大きく出来ないため、大きな展開を必要とする難渋症例には使用できないという問題点もあります。

以上これらの３つが有名な展開方法になります。
Lateral parapatellar approachというものもありますが、これは外側からのアプローチ、つまり外反変形などのような手術に対して行うことが基本になります。膝蓋骨外側の上下を外側支帯、外側広筋を切開して侵入します。

Subvastus approachが一番いいじゃないかと思いますが、
手術を助けてくれるナビゲーションシステムなどが対応していなかったり、手術難易度が上がるなどの理由でやはり全体的には少ないといわれます。

軟部組織バランス

人工膝関節の手術では軟部組織バランスの獲得は非常に重要です。

術中の軟部組織バランスと骨切りによって術後の膝関節安定性、支持性、無痛性、可動性などの機能に直結するといっても過言ではありません。

軟部組織バランスを調整する際には、屈曲と伸展時の軟部組織伸長具合のバランスを整える必要がありますが、その際には軟部組織を剥離することで調整します。

この軟部組織の剥離は、変形の仕方によって剥離する部位が変わり、術後のリハビリテーションにも影響を及ぼします。
変形別の剥離部位は以下のようになります。

◯内反変形

変形の程度によって剥離部位を変えます。
拘縮が強ければ、下の項目が対象になってきます。

・内側関節包、MCL深層の剥離。内側骨棘の切除
・joint line 5-6cm遠位までMCL浅層を骨膜下に剥離。後方関節包、半膜様筋腱付着物剥離
・鵞足前方の骨膜下剥離。後内側関節包をPCLまで全て剥離
・MCLを大腿骨から剥離

◯屈曲拘縮
・MCL剥離
・後方関節包内側は大腿骨側、脛骨側を骨膜下に、外側は大腿骨側のみを剥がす
・大腿骨後方の骨棘除去が重要となる

高度な変形ではPCLの切離が必要な場合も多く、posterior stabilized typeを選択することが多くなります。

当然ながら術前の屈曲拘縮は術後の伸展制限につながりやすくなります。術中では制限は残らないように行いますが、術前屈曲拘縮が20°以上の症例は術後の屈曲拘縮が増悪するものが多いともいわれています。

◯外反変形
・LCL,popliteus（膝窩筋）の大腿骨付着部での骨膜下剥離。外側関節包の剥離
・後外側関節包、外側腓腹筋腱付着部の剥離
・関節面より10cm近位での腸脛靭帯切離
・大腿二頭筋腱のZ延長。腓骨神経に注意

展開方法や軟部組織バランスなどの把握は、術後の可動域改善のためには重要な情報です。
これらの剥離部位と隣り合う筋との、筋間の滑走不全などは当然起こりやすいはずなので、リハビリでの徒手的な介入が必要な場面も出てくるかもしれません。展開方法でも同様の事が考えられます。

さいごに

いかがでしたでしょうか。
手術を理解すると、介入の幅が増えると思います。
今後もさらに、要望があれば今回の記事をさらにアップデートを重ねようと思います。

どうぞよろしくお願い致します！

参考文献

・平川和男他：セメントとセメントレスの適応と使い分け.臨整外.42巻.7号.2007

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