膝关节生物力学2

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1、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。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。

2、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。矢状面胫股关节活动范围活动膝关节从伸直到屈曲的运动范围步行067上楼梯083下楼梯090坐下093系鞋带0106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

3、达到最大，外旋045，内旋030。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。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

4、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。屈曲伸直屈曲时内旋伸直时外旋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

5、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。半月板（1）膝关节半月板的结构与功能 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(medi

6、al 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。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 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

7、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。（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。关节囊和滑囊 （1

8、）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。Q

9、 Q角角 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。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。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 髌股关节的对合 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 膝关节从完全伸直到完全

10、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内，随膝关节屈伸，髌股关节间接触面不断发生变化。断发生变化。膝关节屈曲膝关节屈曲10102020时，髌骨下时，髌骨下极内外侧关节面同时与股骨滑车相接触。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，髌骨与滑车的接触随关节屈曲度数增加，髌骨与滑车的接触面逐渐向近

11、侧、外侧移行。面逐渐向近侧、外侧移行。髌股关节接触面与膝屈伸 角度的关系 膝关节屈曲膝关节屈曲4545时，髌股关节接触面积达时，髌股关节接触面积达最大值。最大值。屈曲屈曲9090后，随屈曲度数进一步增后，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加，髌骨对应股骨的内外侧接触面逐渐分离而相互独立。离而相互独立。髌骨的主要生物髌骨的主要生物力学功能力学功能 在于增加股四头肌的在于增加股四头肌的力臂。随着膝关节屈力臂。随着膝关节屈曲度数增加，髌股关曲度数增加，髌股关节间的应力也加大，节间的应力也加大，与此同时髌股关节间与此同时髌股关节间的接触面积也增大，的接触面积也增大，增大的接触应力分

12、布增大的接触应力分布于较大的接触面积。于较大的接触面积。腓肠肌紧张会限制踝关节背屈，导致运动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，这样就会增加翻伴随着胫骨外旋，这样就会增加Q Q角和角和髌骨外侧轨迹。髌骨外侧轨迹。股内收肌是保持髌骨在中心位置最重要的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肌腱，因此伸膝时使内收肌紧张可以促进股内收肌的活动。股内收肌的活动。五、五、Q Q角角胫骨结节中点与髌胫骨结节中点与髌

13、骨中点连线和髌骨中骨中点连线和髌骨中点与髂前上棘连线的点与髂前上棘连线的夹角称为股四头肌角夹角称为股四头肌角(Q(Q角角)。正常值为。正常值为10102020，男性平均，男性平均为为1414，女性为，女性为1717。若若Q Q角大于角大于2020可以可以确认膝异常。确认膝异常。影响影响Q Q角的因素角的因素:Q:Q角受股骨颈倾斜度和胫骨角受股骨颈倾斜度和胫骨旋转的影响，测量时取仰卧位，髋关节和旋转的影响，测量时取仰卧位，髋关节和膝关节充分伸直。膝关节充分伸直。如果膝关节轻度屈曲，因胫骨相对股如果膝关节轻度屈曲，因胫骨相对股骨内旋骨内旋,Q,Q角会减少。角会减少。股骨内旋时，股骨内旋时，Q Q角

14、增加。角增加。一般认为由于一般认为由于Q Q角的存在，膝关节在伸直过角的存在，膝关节在伸直过程中，髌骨受到股四头肌牵拉的同时也产程中，髌骨受到股四头肌牵拉的同时也产生一向外的分力。生一向外的分力。Q Q角越大髌骨向外的分力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。关节压力的异常分布。六、六、X X线线1.1.膝关节屈曲膝关节屈曲3030侧位片侧位片上测量以下值：上测量以下值：(1)Insall(1)InsallSalvatiSalvati指指数：数：T/PT/P平均比值为平均比值为1.021.02，标准差为，标准差为0.13

15、0.13。InsallInsallSalvatiSalvati指数指数大于大于1.21.2提示高位髌骨，提示高位髌骨，小于小于0.80.8提示低位髌骨。提示低位髌骨。髌骨位置与髌韧带的长髌骨位置与髌韧带的长度有关。度有关。右图示右图示InsallInsallSalvatiSalvati法测量髌骨高法测量髌骨高度。度。T T，肌腱长度，在，肌腱长度，在肌腱深部后面测量；肌腱深部后面测量；P P，髌骨最大对角线长度。髌骨最大对角线长度。(2)Blackburne(2)BlackburnePeelPeel指数：指数：以以A/BA/B比值来确定髌比值来确定髌骨的高度。一般情况骨的高度。一般情况下下 A

16、/BA/B比值为比值为0.8(0.8(标标准差准差0.14)0.14)；A/BA/B比值比值增高，提示髌股关节增高，提示髌股关节异常。异常。右图示：右图示：BlackburneBlackburnePeelPeel法法测量髌骨长度。高度测量髌骨长度。高度表达为表达为A(A(髌股关节后髌股关节后最下部分与膝关节线最下部分与膝关节线水平的垂直长度水平的垂直长度)和和B(B(髌骨关节面长度髌骨关节面长度)之间的比值。之间的比值。2.2.髌骨轴位片上测量以下值髌骨轴位片上测量以下值MerchantMerchant髌骨轴位片拍摄法。髌骨轴位片拍摄法。(1)Merchant(1)Merchant轴位片上测量

17、滑车角与吻合角。轴位片上测量滑车角与吻合角。右下图示：右下图示：MerchantMerchant髌骨轴位片拍摄法。髌骨轴位片拍摄法。患者平卧，膝关节在桌边屈曲患者平卧，膝关节在桌边屈曲4545置于一置于一支撑物上。照相盒置于膝下支撑物上。照相盒置于膝下3030皮肤上，皮肤上，与与X X线投照方向垂直，线投照方向垂直，X X线在水平线下与其线在水平线下与其成成3030角。角。右下图示：右下图示：MerchantMerchant髌骨轴位片测量滑车髌骨轴位片测量滑车角和吻合角。滑车角角和吻合角。滑车角(BAC)(BAC)被参考线分为二被参考线分为二等分。第二条线等分。第二条线(AD)(AD)从滑车沟

18、到髌骨嵴。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。为正值；如果在内侧，角度值为负值。吻合角：反应髌骨与股骨滑车的相对关系。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，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。角为正值，反之，则为负

19、值。滑车角：滑车顶点滑车角：滑车顶点(即底部即底部)与内外股骨髁与内外股骨髁最高点连线的夹角，即滑车角。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、脱位与股骨滑素。常合并有髌骨不稳定、脱位与股骨滑车发育异常。车发育异常。低位髌骨：是指髌韧带过短引起髌骨位置低位髌骨：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。过低。也是髌骨软骨软化症的潜在因素。(2)Laurin(2)Laurin轴位片上测量髌股指数轴位片上测量髌股指数 髌股指

20、数髌股指数(PFI)(PFI)：是内侧髌股关节间隙与：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，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即髌股指数小于或等于1.61.6。临床上。临床上97%97%髌髌骨疼痛病人的髌股指数大于骨疼痛病人的髌股指数大于1.61.6。髌股指数增大，髌骨关节内侧关节间隙加髌股指数增大，髌骨关节内侧关节间隙加宽提示髌骨轻度倾斜。宽提示髌骨轻度倾斜。右下图示：右下图示：LaurinLaurin轴位片摄片法。患者坐轴位片摄片法。患者坐于检查桌上，足部靠近边缘。于检查桌上

21、，足部靠近边缘。X X线平行于线平行于胫骨前缘，膝关节屈曲胫骨前缘，膝关节屈曲2020，患者手持照，患者手持照相盒置于大腿上，与相盒置于大腿上，与X X线呈线呈9090。右下图示：右下图示：LaurinLaurin轴位片上测量髌股指轴位片上测量髌股指数数(PFI)(PFI)。在此病例，。在此病例，PFIPFI1.61.6，提示，提示髌股关节异常。髌股关节异常。5.5.加强股内侧肌加强股内侧肌(VMO)(VMO)的方法：的方法：(1)(1)短弧短弧/终末终末伸展范围伸展范围(30(300 0)练习。练习。右图示：在右图示：在从从909000活动活动范围内，股四头范围内，股四头肌的肌的EMGEMG

22、活动情况。活动情况。(2)VMO(2)VMO电刺激电刺激(3)(3)生物反馈促进生物反馈促进 VMOVMO(4)(4)神经肌肉促进神经肌肉促进 技术（技术（PNFPNF）(5)(5)髋外旋时直腿髋外旋时直腿 抬高。抬高。6.6.柔韧性练习柔韧性练习7.7.髌骨关节松动术髌骨关节松动术8.8.髌骨周围冷疗髌骨周围冷疗9.9.手法治疗手法治疗10.10.中药熏洗中药熏洗11.11.针灸治疗针灸治疗12.12.电针电针13.13.患者教育患者教育二、手术治疗二、手术治疗 手术治疗分为两个阶段：治疗针手术治疗分为两个阶段：治疗针对力线异常以及伸膝装置和髌股关节的其对力线异常以及伸膝装置和髌股关节的其他

23、畸形；治疗软骨病变。手术治疗的适他畸形；治疗软骨病变。手术治疗的适应症是所有非手术治疗无效的慢性髌股关应症是所有非手术治疗无效的慢性髌股关节疼痛。再者，手术应针对病因，因此，节疼痛。再者，手术应针对病因，因此，手术前必须明确诊断手术前必须明确诊断。控制骨骼重塑过程的原则称为沃尔夫定沃尔夫定律律(wolffs law)：机械应力与骨组织间存在一种生理平衡。在平衡状态，骨组织的成骨细胞和破骨细胞的活性是相同的。当应力增大时，成骨细胞活跃，引起骨质增生，承载面增大，使应力下降，达到新的平衡；当应力下降时，破骨细胞再吸收加强，骨组织量下降，使应力增加。因此骨能通过改变它的大小、形状和结构以适应力学的需

24、要进行功能重建 所以说，wolff定律对于康复医学中提倡的内外科患者“早期离床、早期活动”的观点提供了一个理论依据。最好的防止骨质疏松的方法是在补钙的同时多做户外运动。膝关节的构成 强壮的体系 伸肌 股直肌起自髂前下棘 跨髋、膝双关节 股神经（来自L2-4）髂胫束 髂胫束髂胫束(iliotibial tract):是包绕大腿的深筋膜阔筋膜的外侧增厚部分。起自髂嵴前份的外侧缘,其上分为两层,包裹阔筋膜张肌,并与之紧密结合不宜分离.下部的纵行纤维明显增厚呈扁带状,后缘于臀大肌肌腱相延续.髂胫束下端附着于胫骨外侧髁、腓骨头和膝关节囊。临床上常用髂胫束作为体壁缺损、薄弱部或膝关节交叉韧带损伤等修补重建

25、的材料。髂胫束紧张会增加屈膝过程中髂胫束紧张会增加屈膝过程中对髌骨的外侧牵拉。对髌骨的外侧牵拉。髂胫束 股内侧肌斜头 腘肌斜位于腘窝底，起自股骨外侧髁的外侧面上缘，移行为肌腱后穿过腘肌腱裂孔，止于胫骨的比目肌线以上的骨面(胫骨后侧的三角区域)。受胫神经（L4-S2）支配作用：屈膝关节并使小腿旋内。与前交叉韧带一起防止股骨向前移位。下坡奔跑以及过度内旋可以增加股骨前向位移，并增加肌、肌腱的应力。其通过腘腓韧带与腓骨小头后方相连接，并共同组成腘肌腱腘肌腱复合体复合体。两者协同作用防止胫骨外旋，在对抗胫后移、内翻上也有辅助作用。鹅足鹅足滑囊位于缝匠肌、股薄肌及半腱肌的联合腱止点与胫骨内侧副韧带之间，由于三个肌腱有致密的纤维膜相连，形同鹅足而得名。局部经常的反复小创伤，例如骑马、骑牲口等常是本病的病因。鹅足滑囊炎（anserina bursitis）主要表现为膝关节内侧疼痛，局部有肿块，