膝关节生物力学

膝关节生物力学
膝关节是人体最大、最复杂的关节。

为膝关节提供结构稳定性的关节囊和韧带特别容易受到大力矩的伤害，这些力矩可以通过作用在下肢长杠杆臂上的力产生，因此膝关节不灵活也就不足为奇了。

最常受伤的关节之一。

膝关节损伤，例如ACL 断裂，可能导致严重残疾，因为这种损伤可能会改变正常的膝关节生物力学，从而改变运动。

膝关节生物力学知识为理解损伤和关节疾病提供了重要的框架。

膝关节可能看起来像一个简单的铰链关节，屈伸旋转是股骨和胫骨之间唯一的明显运动。

然而，膝关节的运动特性很复杂，需要完整的6 个自由度（三个平移和三个旋转）才能完整地描述耦合或同时发生的关节运动
膝关节旋转和平移的坐标系
屈伸旋转围绕固定的股骨轴。

内-外旋转围绕固定的胫骨轴。

外展-内收是关于垂直于股骨轴和胫骨轴的轴。

关节平移沿三个坐标轴中的每一个发生。

十字连杆模型。

该模型包括两个交叉条，代表前交叉韧带和后交叉韧带（ACL、PCL）。

剩下的两个条形代表韧带的胫骨和股骨附着点。

IC，关节旋转的瞬时中心。

膝关节韧带的主要功能是稳定膝关节，控制正常的运动学，并防止可能损坏关节面的异常位移和旋转。

韧带是最重要的静态稳定器，主要由 I 型胶原蛋白组成，该成分可抵抗沿韧带长度产生的拉伸载荷；
胫骨相对于股骨的内旋。

内旋使股骨髁骑在胫骨上，在十字韧带中产生张力并在关节表面产生压缩力。

C，胫股关节面之间产生的压力；T，沿前交叉韧带发展的拉伸载荷。

十字韧带作为膝关节的被动稳定具有多种功能。

十字韧带通过正常的生物力学引导膝关节，如四连杆模型所示。

前交叉韧带和后交叉韧带是胫骨相对于股骨的相应前后平移的主要约束，并且在负重屈曲过程中具有相互关系。

伴随相应的前后剪切载荷发生的胫骨内外旋转耦合部分由十字韧带控制，应被视为临床检查的一个重要方面。

此外，十字韧带作为膝关节内翻-外翻运动的辅助约束。

半月板
半月板损伤被认为是运动员最常见的损伤。

半月板最初被认为是对胫股关节没有显着功能的退化结构。

弯月面被认为是一种消耗性结
构。

这种观点促使许多骨科医生通过完全去除半月板来治疗半月板撕裂。

在1948 年，Fairbank 就提出了半月板的负荷传递功能，并假设完整的半月板切除术经常导致胫股关节间隙变窄、股骨髁变平和骨赘形成。

在 1960 年代末和 1970 年代进行的长期随访研究中，几位研究人员证实了费尔班克的观察结果，报告称在进行完整的半月板切除术后结果不满意的发生率很高。

直到1970 年代中期，几项生物力学研究才通过测量半月板的载荷传递功能来证实临床观察结果。

这些研究预测，在负重活动期间，30% 到99% 的通过胫股关节传递的负荷会通过半月板。

半月板已被证明为胫股关节提供了更高的几何一致性（从而优化了接触应力）并有效地分担了胫股压缩载荷的传输髌股关节
将股四头肌产生的张力传递到髌腱
增加伸肌机构的杠杆臂
髌骨切除术将伸展力降低 30%
正常膝关节中，髌股关节接触面积经过优化设计，以通过接触面积的相应增加来响应随着膝关节屈曲而产生的 PFJR 负荷的增加。

这种机制有助于分布接触力，同时最大限度地减少髌股关节接触应力。

•
•髌股关节反作用力
o下楼梯时体重增加 2-3 倍
o深蹲时可增加体重的 7 倍
“滑动”关节
髌骨在完全屈曲时向远端移动 7 厘米
股骨和髌骨之间的最大接触是在屈曲 45 度时
不同膝关节屈曲角度的髌股关节接触区域。

髌骨作为杠杆和垫片的机械功能，以增加髌腱力矩臂。

左图，当膝盖接近伸展位置时，与股四头肌收缩产生的力值( F Quads )相比，髌骨机构的杠杆作用在髌腱( F PT ) 中产生更大的力值。

右，膝关节处于屈曲位置，髌骨的杠杆作用减弱，髌腱产生的力值小于股四头肌产生的力值。

胫股关节
•胫股关节反作用力
o攀爬时力学增加体重的 4 倍
o步行时力学增加体重的 3 倍
活动范围
•3 度过度伸展至 155 度屈曲
•大腿与小腿的接触通常是完全屈曲的限制因素
•正常步态需要 0 到 70 度的活动范围
•
•当膝盖弯曲时，股骨上的瞬时旋转中心向后移动螺旋归巢机制：胫骨在最后15度伸展时外旋5度原因：内侧胫骨平台关节面大于外侧胫骨平台
所以，到底哪种运动伤膝盖？
走路、骑车，都是一半的体重
上楼大概3.3倍体重，下楼5倍体重慢跑、蹲起，大概7倍体重
深蹲--20倍体重！。