膝关节运动学

重点和难点
重点：胫股关节的形态与运动的关系、胫股关节的运动
特征、髌股关节的功能解剖、步行时胫骨平台的反应力及 辅助结构的作用、膝关节运动方向、膝关节的轴
难点：单足站立时膝关节上的静力学分析、膝关节的动
力学分析
（一）膝关节的组成和运动方向
1．膝关节的组成
它是由胫股关节（内侧胫股关节面、外侧胫股关节面）和髌 股关节组成的双关节结构，这三个关节面均围在同一个关节 囊内。
③髌股关节的运动：胫骨和股骨间的轴向旋转运动，导致 髌韧带附着处胫骨节结，出现内外侧移动，造成髌骨出现 相对于股骨的旋转运动。在正常运动时，大约有内旋6° 和外旋8°，如果运动范围增加还会增大。
4．膝关节的半月板
（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）胫股关节面运动： 在膝部，面关节运动发生在胫骨髁与股骨髁之 间和股骨髁与髌骨之间。在胫骨髁与股骨髁之 间，面运动同时发生在所有的三个平面上，但 在横截面和额状面上为最小。在股骨髁与髌骨 之间，面运动同时发生在额状面和横截面两个 面上。
3．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。
2．膝关节的运动方向
膝关节在胫骨关节面三个平面内均可以发生运动，但是运动 幅度在矢状面最大，正常活动范围为0°～135°。
膝关节活动范围
（1）膝屈曲的范围依髋关节的位置而异，同时还要看是被 动还是主动。 （2）膝关节属于椭圆滑车状关节，或称屈戍关节，但实际 上膝关节的运动是非常复杂的。胫股关节的运动包括四个 轴方向的运动。此外还有髌股关节之间的运动。 A.水平轴：屈伸活动；B.垂直轴：内外旋活动；C.矢状轴： 内收外展活动；D.前后位水平移动。
1．膝关节的轴
（1）力学轴：从股骨头中心到踝骨中心的连线，在髁间结 节穿过膝，使髋、膝、踝三关节中心的轴，偏离垂直方向 约3 º 。 （2）解剖轴：为贯穿股骨干的直线，由近端向远端偏离力 学轴约6 º ，而髌骨解剖轴与下肢力学轴一致，二轴与膝关 节相交时形成170 º ～175 º 的钝角，称为膝部的生理外翻 角，正常时地心引力经过膝关节中心，重量均分在膝关节 内侧和外侧的结构上。
第四章
第二节
关节运动学
下肢运动学
二、膝关节运动学
内容提要
（一）膝关节组成和运动方向
1．膝关节的组成 2．膝关节的运动方向
（二）膝关节功能解剖
1．胫股关节的形态与运动的关系 2．胫股关节的运动特征 3．髌股关节的功能解剖 4．膝关节的半月板 5．膝关节的韧带 6．关节囊和滑囊 7. 膝关节的肌
（三）膝关节生物力学
正常膝和畸形膝胫骨和股骨的负重
1．膝关节的轴 2．单足站立时膝关节上的静力学分析 3．膝关节的动力学分析 4．步行时胫骨平台的反应力及辅助结构的作用 5．膝关节损伤和脱位 6．全膝关节置换术的功能锻炼
教学基本要求
1．掌握胫股关节的形态与运动的关系、胫股关节的 运动特征、髌股关节的功能解剖、膝关节的半月板、 膝关节的韧带、膝关节的肌、单足站立时膝关节上 的静力学分析、步行时胫骨平台的反应力及辅助结 构的作用 2．熟悉膝关节组成和运动方向、膝关节囊和滑囊、 膝关节的轴、膝关节损伤和脱位 3．了解膝关节的动力学分析、全膝关节关节置换术 的功能锻炼
7．膝关节的肌
包绕膝关节的肌有：股四头肌、缝匠肌、股二头肌、半腱 肌、半膜肌、股薄肌和腓肠肌等等。
膝关节的肌
（三）膝关节的生物力学
膝关节传递载荷，参与运动，吸收震动，承受压力，为小 腿活动提供力偶。膝关节是两个相互独立且相互抵消的统 一：1）要求膝关节在承受体重和有关杠杆力的作用情况下， 在全伸展位时有较大的稳定性。2）要求在一定程度的屈曲 下具有很大的活动性，为了跑动以及足对不平整地面的适 应。 膝关节是最适合作为生物力学分析关节作用的关节。
1．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。
（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。 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。
（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。
5．膝关节的韧带
（1）有关节囊外韧带和关节囊内韧带。即：髌韧带 （patellar ligament） 、腓侧副韧带（fibular collateral ligment）、胫侧副韧带（tibial collateral ligament）、腘斜 韧带(oblique popliteal ligament)、膝交叉韧带（cruciate ligaments of knee）。 （2）众多韧带附着，以保证膝关节运动的稳定性。 （3）侧副韧带在膝关节完全伸直时被拉紧，关节只有处于 这种状态时才易损伤。当膝关节被猛烈外展时，可导致胫 侧副韧带部分或全部被撕裂，而过大的内收力量则可以导 致腓侧副韧带损伤。 （4）在严重的内收或外展损伤时，交叉韧带可以与侧副韧 带一起被撕断。前交叉韧带可以在膝关节猛烈过伸或胫骨 向前脱位时被撕断。后交叉韧带则在后脱位时被撕断。假 如两条交叉韧带都被撕断，膝关节就会出现不正常的前后 移动；如果仅仅是向前移动的范围增大，表示前交叉韧带 断裂或松弛，如向后移动的范围增大，则表示后交叉韧带 断裂或松弛。
2．胫股关节的运动特征
（1）胫股关节运动范围：
A.胫股关节的运动范围在矢状面内最大，膝完全伸直到完 全屈曲的范围是0°～140°左右； B.胫股关节在横面内的活动范围，随膝完全伸直到屈曲 90°而有所增加； C.在额面内可得到同样的模式。膝完全伸直时几乎不可能 有外展或内收。当膝屈曲到30°时，该面内的运动增加， 但不论在被动外展或被动内收时，其最大运动也只有几度。 同样，由于软组织的限制功能，屈曲超过30°时，这个面 内的运动减少。
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。
（4）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。
2．单足站立时膝关节的静力学分析
单足站立时，重力线与负重肢的负重线（在膝以下 与下肢力学轴重合）落在膝关节上的一个接触点上， 膝关节外侧力与重力平衡，关节重力为二者合力的 结果。此时，作为臀大肌和阔筋膜张肌的肌腱增厚 愈合而成的髂胫束起到重要的承重作用，它使髋关 节外展，膝关节伸直，在额状面上为主要对抗重力 的因素。
Σ M=0 在这个例子中，逆时针方向的力矩被定义为正，则： W×a-P×b=0 W×a=P×b 力臂a和b的值能都从解剖样本或软组织X光相片上测量到，W的大小 能从每个人的体重获得，那么P的大小就能从力矩平衡方程中得到： P=（W×a）/b
（2）膝关节的受力
①胫骨和股骨的负重：膝关节单腿站立时，膝关节承受的压 力约为体重的2倍。行走时膝关节承受的压力约为体重的3～ 4倍，膝关节承受力的峰值在屈膝20°，但膝关节主要承受 力是在0°～40°范围内。 在正常伸膝条件下，胫骨内外侧髁的受力是基本相同的，当 出现膝内外翻畸形时，则受力完全不同。发生膝内翻时，出 现内侧受力明显增加，膝关节向外侧移位，承重力线内移， 压迫内侧胫骨平台软骨，使软骨慢性损伤，并使腓侧副韧带 上的应力渐进性增加，膝轴变为倾斜，常伴有小腿和足的内 旋。同时外侧韧带张力明显增加，在行走时出现关节的摆动 移位，导致关节退化。 当发生膝外翻时，膝关节向内侧移位，承重力线外移，压迫 外侧胫骨平台软骨，持续超负荷会导致软骨的损坏，同时胫 侧副韧带上的应力逐渐增加，严重者造成髌骨向外移位，伸 膝时牵拉股四头肌。膝轴、小腿和足也会发生相应的变化。
膝关
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。