膝关节生物力学

• 膝关节从完全伸直 到完全屈曲，髌骨 在股骨髁间大约滑 动7cm。 • 屈曲大于90°时髌 骨外旋，只有股骨 的内侧关节面与髌 骨构成关节。 • 完全屈曲时髌骨陷 入髁间沟内。 • 接触面积随着膝关 节屈曲程度的增加 以及股四头肌拉力 的增加而增加。
髌股关节接触面与膝屈伸 角度的关系
• 通常情况下，髌骨并非完全位于股骨滑车 内，随膝关节屈伸，髌股关节间接触面不 断发生变化。 • 膝关节屈曲10°～20°时，髌骨下 极内外侧关节面同时与股骨滑车相接触。 随关节屈曲度数增加，髌骨与滑车的接触 面逐渐向近侧、外侧移行。
膝关节的生物力学
海港康复 黄俊杰
马的膝关节向前还是向后？
膝关节在哪？
膝关节的功能解剖
在膝关节，弯曲常伴有一个微小而显著的转动， 但是因为来自关节周围强有力的滑囊、韧带和肌 的作用，它又有特殊的稳定性。膝关节周围的韧 带只在紧张状态下加载，对关节起到被动支持作 用。膝关节周围的肌也是在紧张状态下加载时对 关节起到积极的支持作用。膝关节周围的骨起到 支持作用，并且对抗压力载荷的作用。因此膝关 节的功能稳定性来源于韧带的被动收缩，关节几 何结构，肌的主动用力以及骨的承重作用。
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伸直
屈曲
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屈曲时内 旋
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胫股关节的锁定机制 在膝关节伸直时胫骨 外旋，这个运动在膝 关节屈曲时则相反。 胫股关节非单纯的屈 戌关节，他有螺旋线 和螺旋面的运动。由 于股骨内侧髁的结构 导致了在屈伸膝关节 时，这种胫骨相对于 股骨的螺旋运动。 在正常膝关节内侧髁 比外侧髁长1.7cm。 相比较单一的屈戌关 节，这种锁定机制为 处于任何位置的膝关 节都提供了更多的稳 定性。
2.髌骨轴位片上测量以下值
–Merchant髌骨轴位片拍摄法。
(1)Merchant轴位片上测量滑车角与吻合角。
• 右下图示：Merchant髌骨轴位片拍摄法。 患者平卧，膝关节在桌边屈曲45°置于一 支撑物上。照相盒置于膝下30㎝皮肤上， 与X线投照方向垂直，X线在水平线下与其 成30°角。
• 右下图示：Merchant髌骨轴位片测量滑车 角和吻合角。滑车角(BAC)被参考线分为二 等分。第二条线(AD)从滑车沟到髌骨嵴。 如果髌骨嵴顶点位于参考线外侧，角度值为 正值；如果在内侧，角度值为负值。
横韧带对半月板运动有限制作用。 内外侧半月板与胫骨及关节囊的 附着 以及与半月板横韧带之间形成的 环状 结构又限制了半月板有过度外移。
髌股关节的功能解剖
（1）髌骨
髌骨为膝提供两个重要的生物力学功能：它在整个运动范 围内借延长股四头肌力臂帮助膝伸直；并以增加髌骨与股 骨间的接触面来改善股骨上的压力分布。
关节囊和滑囊
（1）膝关节的关节囊薄而松弛，有很多隐窝，附于各关节 面的周缘，周围与韧带相连接。 （2） 膝关节周围有许多的滑膜囊，膝关节囊的滑膜层是 全身关节中最宽阔最复杂的，附着于该关节各骨的关节面 周缘，覆盖关节内除了关节软骨和半月板以外的所有结构。 滑膜位于膝关节囊的内面，起自关节软骨边缘，然后反折 于关节囊内。 （3）在膝屈伸时，滑液从一个凹室流入另一个凹室来润滑 关节面。在伸时，腓肠肌和腘肌囊受挤压，滑液受力驱使 向前运动。在屈时，髌上囊在前群肌肉中受张力而被压缩， 滑液受力向后运动。当关节处于半屈位置时，滑液处于最 小张力压迫下。当受伤或得病时，关节腔中充盈过多的液 体，半屈膝体位可以减少关节腔中的张力，有利于减少疼 痛。
(2)Blackburne—Peel 指数： 以A/B比值来确定髌 骨的高度。一般情况 下 A/B比值为0.8(标 准差0.14)；A/B比值 增高，提示髌股关节 异常。
• 右图示： Blackburne—Peel法 测量髌骨长度。高度 表达为A(髌股关节后 最下部分与膝关节线 水平的垂直长度)和 B(髌骨关节面长度) 之间的比值。
矢状面胫股关节活动范围
活动
步行 上楼梯
膝关节从伸直到屈曲的运动范围
0~67° 0~83°
下楼梯
坐下 系鞋带
0~90°
0~93° 0~106°
数据来自22名受试者的平均值，左右膝之间有轻微 的差异。
膝关节在横断面的活动
• 膝关节完全伸直时，由于 股骨髁和胫骨髁的交锁， 膝的旋转完全受限，这主 要是因为股内侧髁比外侧 髁长。 • 当膝关节屈曲的时候，旋 转的范围随之增加，在屈 膝90°的时候旋转范围达 到最大，外旋0~45°，内 旋0~30°。 • 当屈曲超过90°时，内旋 和外旋的范围反而开始缩 小，主要是因为软组织限 制了旋转运动。
六、X线
1.膝关节屈曲30°侧位片 上测量以下值： (1)Insall—Salvati指 数：T/P平均比值为 1.02，标准差为0.13。 Insall—Salvati指数 大于1.2提示高位髌骨， 小于0.8提示低位髌骨。 髌骨位置与髌韧带的长 度有关。
• 右图示Insall— Salvati法测量髌骨高 度。T，肌腱长度，在 肌腱深部后面测量；P， 髌骨最大对角线长度。
膝关节在额状面上的运动
• 额状面上的外展和内收同 样受到关节屈曲程度的影 响。 • 当膝关节完全伸直时，几 乎阻止了额状面上的所有 活动。 • 随着膝屈曲到30°，被动 外展和内收增加，但是最 大也就几度的变化。 • 当膝屈曲超过30°时，额 状面的运动也因为软组织 的功能限制而开始减小。
• 瞬时中心技术：在一 张图中标出移动链节 上那些点的原本位置 以及位移后的位置， 将这两点各自连成两 条线，然后划出这两 条线的垂直等分线， 这两条垂直等分线的 交点就是瞬时中心。 • 瞬时中心技术是将面 关节活动放在矢状面 和额状面而非横断面 中进行分析。可以描 述关于人体两个相邻 节段在相对单平面上 的运动及在这些接触 点位移的方向。
胫股关节的形态与运动的关系
胫股关节分为内侧胫股关节和外侧胫股关节。 外侧胫股关节面的前1/3为一逐渐上升的凹面， 而后2/3则呈逐渐下降的凹面。内侧胫股关节面 则呈一种碗形的凹陷。如此，凸起的股骨关节 面和凹陷的胫骨关节面彼此吻合，使膝关节得 以在矢状面上作屈伸活动；然而外侧胫骨关节 面的特征凹陷结构又使得外侧胫股关节面并非 完全吻合，从而允许膝关节的屈伸活动也不是 同轴运动而是具有多个瞬时活动中心的运动。
半月板 （1）膝关节半月板的结构与功能 ①半月板是垫在膝关节股骨与胫骨之 间半月形的纤维软骨盘，其边缘较 厚，中间很薄，上面凹陷，下面平 坦，填充在两侧的胫骨髁上。分别 称为内、外侧半月板。 内侧半月 板(medial meniscus)较大，呈“C” 形，前脚窄而薄，后角宽阔而稍厚； 外侧半月板(lateral meniscus)较 小，近似“O”形，前、后角的距离 很接近，外侧缘亦与关节囊相连。 ②功能：A．传导负载：减少膝关节 活动时，接触面不吻合，使接触面 积增大，压力分布均匀。B．维持稳 定：加深胫骨髁关节面，并在前后 移动中，始终使膝关节的接触面积 最大。C．减轻震荡：起到一定的缓 冲作用，能吸收一定的负荷震荡。 （2）半月板运动的影响因素
Q角 是股四头肌肌 力线和髌韧带力 线的夹角，即从 髂前上棘到髌骨 中点的连线为股 四头肌肌力线， 髌骨中点至胫骨 结节最高点连线 为髌韧带力线， 两线所形成的夹 角为Q角。
①静力结构：髌骨的内外侧支持带是维持髌骨排列的静力 性平衡机制。 ②动力结构：股四头肌收缩时各肌肉之间的力学平衡是保 持运动中髌股对合的动力结构。
髌股关节的生物力学特点 ①髌股关节的对合 ②髌股关节接触应力 A.平地行走时，髌股关节面之间的应力约为人 体的一半；上、下楼时可达体重的3.3倍。 B.由于“腱股接触”的参与，有效地增大了接触 面积，分担了髌股关节的接触压力，关节面的压 强变化不大，对保护关节软骨的正常应力有重要 意义。
髌股关节
（2）关节软骨
髌股关节软骨是人体中最厚的软骨。最大厚度可达7㎜。 髌股关节软骨厚度并非均匀一致，软骨最厚的部分位于骨 嵴处。60%位于髌骨的外侧关节面，分布于内侧者约20%。 关节面软骨厚度变化特点有助于增加髌股关节面的适合性。
（3）维持髌股对合的平衡机制
髌股关节稳定性的影响因素很多，包括伸膝装置、支持带、 肌力、股胫角和股胫间的Screw-home机制、Q角、髌骨位 置、髁间槽发育程度、外力等，因此，良好的髌股周围结 构及其力学平衡，对维持髌股的正常排列和稳定具有重要 的作用。
• 腓肠肌紧张会限制踝关节背屈，导致运动 转移到距下关节，增加足外翻角度。足外 翻伴随着胫骨外旋，这样就会增加Q角和 髌骨外侧轨迹。 • 股内收肌是保持髌骨在中心位置最重要的 结构。股内收肌的大部分纤维起自大收肌 肌腱，因此伸膝时使内收肌紧张可以促进 股内收肌的活动。
五、Q角
–胫骨结节中点与髌 骨中点连线和髌骨中 点与髂前上棘连线的 夹角称为股四头肌角 (Q角)。正常值为 10～20°，男性平均 为14°，女性为17°。 –若Q角大于20°可以 确认膝异常。
伸直时外旋
Helfet测试（海菲特）
• 唯一通过检查膝关节外旋作用来发现关节内损伤的试验， 在判定外侧半月板损伤中准确率高。 • 病人膝、髋关节屈曲90°坐位，且腿自由悬空，在皮肤上 标记出髌骨内侧和外侧边缘。然后标记出胫骨粗隆和髌骨 的中线，然后检查胫骨粗隆和髌骨的位置排列。 • 正常的膝关节屈曲90°时，胫骨粗隆与髌骨的内半侧排列 成一条直线，膝关节完全伸直时，胫骨粗隆向外侧移动， 并在完全伸直时与髌骨的外半侧排列成一条直线。 • 在正常膝关节中的旋转运动范围可能有髌骨宽度的一半， 而内部紊乱的膝伸直时胫骨可能不是外旋，因为在这样的 膝关节中，面关节活动已经改变，如果膝关节被动伸直， 胫骨关节将受到非正常挤压，关节面就可能受到损伤。
(2) Laurin轴位片上测量髌股指数 • 髌股指数(PFI)：是内侧髌股关节间隙与 外侧髌股间隙之比。正常膝关节内侧髌股 关节间隙等于或稍大于外侧髌股关节间隙， 即髌股指数小于或等于1.6。临床上97%髌 骨疼痛病人的髌股指数大于1.6。 • 髌股指数增大，髌骨关节内侧关节间隙加 宽提示髌骨轻度倾斜。
• 影响Q角的因素:Q角受股骨颈倾斜度和胫骨 旋转的影响，测量时取仰卧位，髋关节和 膝关节充分伸直。
如果膝关节轻度屈曲，因胫骨相对股 骨内旋,Q角会减少。 股骨内旋时，Q角增加。
• 一般认为由于Q角的存在，膝关节在伸直过 程中，髌骨受到股四头肌牵拉的同时也产 生一向外的分力。Q角越大髌骨向外的分力 也越大，髌骨越不稳定，同时也造成髌股 关节压力的异常分布。
• 右下图示：Laurin轴位片摄片法。患者坐 于检查桌上，足部靠近边缘。X线平行于 胫骨前缘，膝关节屈曲20°，患者手持照 相盒置于大腿上，与X线呈90°。
• 右下图示：Laurin轴位片上测量髌股指 数(PFI)。在此病例， PFI＞1.6，提示 髌股关节异常。
5.加强股内侧肌 (VMO)的方法： (1)短弧/终末 伸展范围(30°～ 0°)练习。 右图示：在 从90°→0°活动 范围内，股四头 肌的EMG活动情况。
• 吻合角：反应髌骨与股骨滑车的相对关系。 为了反映上述关系，先画出滑车角的平分线， 再在滑车角顶点与髌骨嵴的最低点之间作一 连线，该两连线之间的夹角即为吻合角。如 果髌骨嵴的最低点位于平分线外侧，到吻合 角为正值，反之，则为负值。
• 滑车角：滑车顶点(即底部)与内外股骨髁 最高点连线的夹角，即滑车角。 • 高位髌骨：是指髌韧带过长引起髌骨活动 时的不稳定，是髌骨软骨软化症的潜在因 素。常合并有髌骨不稳定、脱位与股骨滑 车发育异常。 • 低位髌骨：是指髌韧带过短引起髌骨位置 过低。也是髌骨软骨软化症的潜在因素。
髌股关节接触面与膝屈伸 角度的关系
• 膝关节屈曲45°时，髌股关节接百度文库面积达 最大值。
• 屈曲90°后，随屈曲度数进一步增 加，髌骨对应股骨的内外侧接触面逐渐分 离而相互独立。
髌骨的主要生物 力学功能 • 在于增加股四头肌的 力臂。随着膝关节屈 曲度数增加，髌股关 节间的应力也加大， 与此同时髌股关节间 的接触面积也增大， 增大的接触应力分布 于较大的接触面积。