膝關節(jié)生物力學運動學

關于膝關節(jié)生物力學運動學內(nèi)容提要

231膝關節(jié)組成和運動方向膝關節(jié)功能解剖膝關節(jié)生物力學第2頁,共45頁，2024年2月25日，星期天教學基本要求

膝關節(jié)運動方向膝關節(jié)功能解剖膝關節(jié)生物力學掌握膝關節(jié)的半月板、韌帶、肌、單足站立時膝關節(jié)上的靜力學分析、步行時脛骨平臺的反應力及輔助結構的作用熟悉膝關節(jié)組成和運動方向，了解膝關節(jié)的動力學分析膝關節(jié)組成Text第3頁,共45頁，2024年2月25日，星期天難點：單足站立時膝關節(jié)上的靜力學分析、膝關節(jié)的動力學分析重點：脛股關節(jié)的形態(tài)與運動的關系、脛股關節(jié)的運動特征、髕股關節(jié)的功能解剖、步行時脛骨平臺的反應力及輔助結構的作用、膝關節(jié)運動方向、膝關節(jié)的軸重點和難點第4頁,共45頁，2024年2月25日，星期天膝關節(jié)的組成和運動方向膝關節(jié)在脛骨關節(jié)面三個平面內(nèi)均可以發(fā)生運動，但是運動幅度在矢狀面最大，正常活動范圍為0°～135°。

由脛股關節(jié)（內(nèi)側脛股關節(jié)面、外側脛股關節(jié)面）和髕股關節(jié)組成的雙關節(jié)結構，這三個關節(jié)面均圍在同一個關節(jié)囊內(nèi)。

組成和運動方向第5頁,共45頁，2024年2月25日，星期天膝關節(jié)活動范圍第6頁,共45頁，2024年2月25日，星期天第7頁,共45頁，2024年2月25日，星期天第8頁,共45頁，2024年2月25日，星期天（1）膝屈曲的范圍依髖關節(jié)的位置而異，同時還要看是被動還是主動。（2）膝關節(jié)屬于橢圓滑車狀關節(jié)，或稱屈戍關節(jié)，但實際上膝關節(jié)的運動是非常復雜的。脛股關節(jié)的運動包括四個軸方向的運動。此外還有髕股關節(jié)之間的運動。A.水平軸：屈伸活動；B.垂直軸：內(nèi)外旋活動；C.矢狀軸：內(nèi)收外展活動；D.前后位水平移動。第9頁,共45頁，2024年2月25日，星期天膝關節(jié)的四個軸第10頁,共45頁，2024年2月25日，星期天（二）膝關節(jié)的功能解剖

在膝關節(jié)，彎曲常伴有一個微小而顯著的轉動，但是因為來自關節(jié)周圍強有力的滑囊、韌帶和肌的作用，它又有特殊的穩(wěn)定性。膝關節(jié)周圍的韌帶只在緊張狀態(tài)下加載，對關節(jié)起到被動支持作用。膝關節(jié)周圍的肌也是在緊張狀態(tài)下加載時對關節(jié)起到積極的支持作用。膝關節(jié)周圍的骨起到支持作用，并且對抗壓力載荷的作用。因此膝關節(jié)的功能穩(wěn)定性來源于韌帶的被動收縮，關節(jié)幾何結構，肌的主動用力以及骨的承重作用。第11頁,共45頁，2024年2月25日，星期天1．脛股關節(jié)的形態(tài)與運動的關系

脛股關節(jié)分為內(nèi)側脛股關節(jié)和外側脛股關節(jié)。外側脛股關節(jié)面的前1/3為一逐漸上升的凹面，而后2/3則呈逐漸下降的凹面。內(nèi)側脛股關節(jié)面則呈一種碗形的凹陷。如此，凸起的股骨關節(jié)面和凹陷的脛骨關節(jié)面彼此吻合，使膝關節(jié)得以在矢狀面上作屈伸活動；然而外側脛骨關節(jié)面的特征凹陷結構又使得外側脛股關節(jié)面并非完全吻合，從而允許膝關節(jié)的屈伸活動也不是同軸運動而是具有多個瞬時活動中心的運動。第12頁,共45頁，2024年2月25日，星期天脛股關節(jié)運動范圍123在矢狀面內(nèi)最大，膝完全伸直到完全屈曲的范圍是0°～140°左右脛股關節(jié)在橫面內(nèi)的活動范圍，隨膝完全伸直到屈曲90°而有所增加；膝完全伸直時幾乎不可能有外展或內(nèi)收。當膝屈曲到30°時，該面內(nèi)的運動增加，但不論在被動外展或被動內(nèi)收時，其最大運動也只有幾度。

第13頁,共45頁，2024年2月25日，星期天（2）脛股關節(jié)面運動：在膝部，面關節(jié)運動發(fā)生在脛骨髁與股骨髁之間和股骨髁與髕骨之間。在脛骨髁與股骨髁之間，面運動同時發(fā)生在所有的三個平面上，但在橫截面和額狀面上為最小。在股骨髁與髕骨之間，面運動同時發(fā)生在額狀面和橫截面兩個面上。第14頁,共45頁，2024年2月25日，星期天3．髕股關節(jié)的功能解剖

（1）髕骨

髕骨為膝提供兩個重要的生物力學功能：它在整個運動范圍內(nèi)借延長股四頭肌力臂幫助膝伸直；并以增加髕骨與股骨間的接觸面來改善股骨上的壓力分布。（2）關節(jié)軟骨

髕股關節(jié)軟骨是人體中最厚的軟骨。最大厚度可達7㎜。髕股關節(jié)軟骨厚度并非均勻一致，軟骨最厚的部分位于骨嵴處。60%位于髕骨的外側關節(jié)面，分布于內(nèi)側者約20%。關節(jié)面軟骨厚度變化特點有助于增加髕股關節(jié)面的適合性。

第15頁,共45頁，2024年2月25日，星期天（3）維持髕股對合的平衡機制髕股關節(jié)穩(wěn)定性的影響因素很多，包括伸膝裝置、支持帶、肌力、股脛角和股脛間的Screw-home機制、Q角、髕骨位置、髁間槽發(fā)育程度、外力等，因此，良好的髕股周圍結構及其力學平衡，對維持髕股的正常排列和穩(wěn)定具有重要的作用。

Q角：是股四頭肌肌力線和髕韌帶力線的夾角，即從髂前上棘到髕骨中點的連線為股四頭肌肌力線，髕骨中點至脛骨結節(jié)最高點連線為髕韌帶力線，兩線所形成的夾角為Q角。第16頁,共45頁，2024年2月25日，星期天

①靜力結構：髕骨的內(nèi)外側支持帶是維持髕骨排列的靜力性平衡機制。

②動力結構：股四頭肌收縮時各肌肉之間的力學平衡是保持運動中髕股對合的動力結構。第17頁,共45頁，2024年2月25日，星期天（4）髕股關節(jié)的生物力學特點

①髕股關節(jié)的對合②髕股關節(jié)接觸應力

A.平地行走時，髕股關節(jié)面之間的應力約為人體的一半；上、下樓時可達體重的3.3倍。B.由于“腱股接觸”的參與，有效地增大了接觸面積，分擔了髕股關節(jié)的接觸壓力，關節(jié)面的壓強變化不大，對保護關節(jié)軟骨的正常應力有重要意義。第18頁,共45頁，2024年2月25日，星期天③髕股關節(jié)的運動：脛骨和股骨間的軸向旋轉運動，導致髕韌帶附著處脛骨節(jié)結，出現(xiàn)內(nèi)外側移動，造成髕骨出現(xiàn)相對于股骨的旋轉運動。在正常運動時，大約有內(nèi)旋6°和外旋8°，如果運動范圍增加還會增大。第19頁,共45頁，2024年2月25日，星期天4．膝關節(jié)的半月板膝關節(jié)半月板的結構半月板分別稱為內(nèi)、外側半月板。內(nèi)側半月板較大，呈“C”形，前腳窄而薄，后角寬闊而稍厚；外側半月板較小，近似“O”形，前、后角的距離很接近，外側緣亦與關節(jié)囊相連。膝關節(jié)半月板的功能A．傳導負載B．維持穩(wěn)定C．減輕震蕩第20頁,共45頁，2024年2月25日，星期天第21頁,共45頁，2024年2月25日，星期天（2）半月板運動的影響因素橫韌帶對半月板運動有限制作用。內(nèi)外側半月板與脛骨及關節(jié)囊的附著以及與半月板橫韌帶之間形成的環(huán)狀結構又限制了半月板有過度外移。

第22頁,共45頁，2024年2月25日，星期天5．膝關節(jié)的韌帶

（1）有關節(jié)囊外韌帶和關節(jié)囊內(nèi)韌帶。即：髕韌帶（patellarligament）、腓側副韌帶（fibularcollateralligment）、脛側副韌帶（tibialcollateralligament）、腘斜韌帶(obliquepoplitealligament)、膝交叉韌帶（cruciateligamentsofknee）。（2）眾多韌帶附著，以保證膝關節(jié)運動的穩(wěn)定性。（3）側副韌帶在膝關節(jié)完全伸直時被拉緊，關節(jié)只有處于這種狀態(tài)時才易損傷。當膝關節(jié)被猛烈外展時，可導致脛側副韌帶部分或全部被撕裂，而過大的內(nèi)收力量則可以導致腓側副韌帶損傷。（4）在嚴重的內(nèi)收或外展損傷時，交叉韌帶可以與側副韌帶一起被撕斷。前交叉韌帶可以在膝關節(jié)猛烈過伸或脛骨向前脫位時被撕斷。后交叉韌帶則在后脫位時被撕斷。假如兩條交叉韌帶都被撕斷，膝關節(jié)就會出現(xiàn)不正常的前后移動；如果僅僅是向前移動的范圍增大，表示前交叉韌帶斷裂或松弛，如向后移動的范圍增大，則表示后交叉韌帶斷裂或松弛。第23頁,共45頁，2024年2月25日，星期天膝關節(jié)韌帶第24頁,共45頁，2024年2月25日，星期天6．關節(jié)囊和滑囊

（1）膝關節(jié)的關節(jié)囊薄而松弛，有很多隱窩，附于各關節(jié)面的周緣，周圍與韌帶相連接。（2）膝關節(jié)周圍有許多的滑膜囊，膝關節(jié)囊的滑膜層是全身關節(jié)中最寬闊最復雜的，附著于該關節(jié)各骨的關節(jié)面周緣，覆蓋關節(jié)內(nèi)除了關節(jié)軟骨和半月板以外的所有結構?；の挥谙リP節(jié)囊的內(nèi)面，起自關節(jié)軟骨邊緣，然后反折于關節(jié)囊內(nèi)。

（3）在膝屈伸時，滑液從一個凹室流入另一個凹室來潤滑關節(jié)面。在伸時，腓腸肌和腘肌囊受擠壓，滑液受力驅使向前運動。在屈時，髕上囊在前群肌肉中受張力而被壓縮，滑液受力向后運動。當關節(jié)處于半屈位置時，滑液處于最小張力壓迫下。當受傷或得病時，關節(jié)腔中充盈過多的液體，半屈膝體位可以減少關節(jié)腔中的張力，有利于減少疼痛。第25頁,共45頁，2024年2月25日，星期天7．膝關節(jié)的肌

包繞膝關節(jié)的肌有：股四頭肌、縫匠肌、股二頭肌、半腱肌、半膜肌、股薄肌和腓腸肌等等。膝關節(jié)的肌第26頁,共45頁，2024年2月25日，星期天

膝關節(jié)傳遞載荷，參與運動，吸收震動，承受壓力，為小腿活動提供力偶。膝關節(jié)是兩個相互獨立且相互抵消的統(tǒng)一：1）要求膝關節(jié)在承受體重和有關杠桿力的作用情況下，在全伸展位時有較大的穩(wěn)定性。2）要求在一定程度的屈曲下具有很大的活動性，為了跑動以及足對不平整地面的適應。

膝關節(jié)是最適合作為生物力學分析關節(jié)作用的關節(jié)。（三）膝關節(jié)的生物力學第27頁,共45頁，2024年2月25日，星期天1．膝關節(jié)的軸（1）力學軸：從股骨頭中心到踝骨中心的連線，在髁間結節(jié)穿過膝，使髖、膝、踝三關節(jié)中心的軸，偏離垂直方向約3o。（2）解剖軸：為貫穿股骨干的直線，由近端向遠端偏離力學軸約6o，而髕骨解剖軸與下肢力學軸一致，二軸與膝關節(jié)相交時形成170o～175o的鈍角，稱為膝部的生理外翻角，正常時地心引力經(jīng)過膝關節(jié)中心，重量均分在膝關節(jié)內(nèi)側和外側的結構上。

第28頁,共45頁，2024年2月25日，星期天2．單足站立時膝關節(jié)的靜力學分析

單足站立時，重力線與負重肢的負重線（在膝以下與下肢力學軸重合）落在膝關節(jié)上的一個接觸點上，膝關節(jié)外側力與重力平衡，關節(jié)重力為二者合力的結果。此時，作為臀大肌和闊筋膜張肌的肌腱增厚愈合而成的髂脛束起到重要的承重作用，它使髖關節(jié)外展，膝關節(jié)伸直，在額狀面上為主要對抗重力的因素。第29頁,共45頁，2024年2月25日，星期天（1）脛股關節(jié)的靜力學分析

例：登樓梯時一腿上舉，采用分離體法來估算另一負重腿脛股關節(jié)上關節(jié)反力的最小值。作用在被設計為自由體的下肢上的三個共面力力的三角形ab作用在繞脛股關節(jié)轉動中心的兩個主要力矩第30頁,共45頁，2024年2月25日，星期天

把小腿作為分離體與身體其它部分分開，畫出爬梯狀態(tài)下的分離體圖。從作用在分離體上所有的力中，定出三個主要共面力，即：①地面反力（與體重相等）②股四頭肌通過髕腱施加的拉力③脛骨平臺上的關節(jié)反力（即體重加肌作用力的反力）。

（1）因為下肢處于平衡狀態(tài)，故所有三個力的作用線必相交于一點。由于小腿處于平衡，加上關節(jié)反力J時，三角形必須閉合。在這個例子中，髕腱力（P）是體重的3.2倍，關節(jié)反力（J）為體重的4.1倍?？梢钥闯?，主要肌力對于關節(jié)反力值的影響遠遠大于由體重產(chǎn)生的地面反力。

（2）因為下肢處于平衡狀態(tài)，力矩和必須為零。ΣM=0在這個例子中，逆時針方向的力矩被定義為正，則：W×a-P×b=0W×a=P×b力臂a和b的值能都從解剖樣本或軟組織X光相片上測量到，W的大小能從每個人的體重獲得，那么P的大小就能從力矩平衡方程中得到：P=（W×a）/b

第31頁,共45頁，2024年2月25日，星期天（2）膝關節(jié)的受力

①脛骨和股骨的負重：膝關節(jié)單腿站立時，膝關節(jié)承受的壓力約為體重的2倍。行走時膝關節(jié)承受的壓力約為體重的3～4倍，膝關節(jié)承受力的峰值在屈膝20°，但膝關節(jié)主要承受力是在0°～40°范圍內(nèi)。在正常伸膝條件下，脛骨內(nèi)外側髁的受力是基本相同的，當出現(xiàn)膝內(nèi)外翻畸形時，則受力完全不同。發(fā)生膝內(nèi)翻時，出現(xiàn)內(nèi)側受力明顯增加，膝關節(jié)向外側移位，承重力線內(nèi)移，壓迫內(nèi)側脛骨平臺軟骨，使軟骨慢性損傷，并使腓側副韌帶上的應力漸進性增加，膝軸變?yōu)閮A斜，常伴有小腿和足的內(nèi)旋。同時外側韌帶張力明顯增加，在行走時出現(xiàn)關節(jié)的擺動移位，導致關節(jié)退化。當發(fā)生膝外翻時，膝關節(jié)向內(nèi)側移位，承重力線外移，壓迫外側脛骨平臺軟骨，持續(xù)超負荷會導致軟骨的損壞，同時脛側副韌帶上的應力逐漸增加，嚴重者造成髕骨向外移位，伸膝時牽拉股四頭肌。膝軸、小腿和足也會發(fā)生相應的變化。第32頁,共45頁，2024年2月25日，星期天正常膝和畸形膝脛骨和股骨的負重第33頁,共45頁，2024年2月25日，星期天②髕骨股骨的受力髕骨的受力在伸直位和屈曲位是不同的，伸直位受的壓力較屈曲位小的多。髕股關節(jié)所受壓力第34頁,共45頁，2024年2月25日，星期天3．膝關節(jié)的動力學分析

（1）脛股關節(jié)的動力學分析

從運動角度分析脛股關節(jié)。在做動力分析時所要考慮的主要的力是肌—體重—結締組織及外加載荷所產(chǎn)生,在做動力分析時較常用的是關節(jié)力矩。下面以踢足球的活動為例，說明應用動力分析來計算某一特定瞬時脛股關節(jié)上的關節(jié)反力。取一張膝和小腿的頻閃攝影圖，求出踢足球瞬時的最大角加速度，這一瞬時小腿幾乎垂直。從片子上可以計算出最大角加速度是453r/s2。根據(jù)人體測量的數(shù)據(jù)表，小腿慣性質量矩定為0.35N?ms2。根據(jù)力矩等于質量慣性矩乘以角加速度的公式（T=Ia）即可以算出脛股關節(jié)上的力矩。即T=0.35N?ms2*453r/s2=158.5N?ms2第35頁,共45頁，2024年2月25日，星期天在定出力矩為158.5N?ms2后再測出從人的髕腱到脛股關節(jié)瞬時中心的垂直距離為0.05m，利用力矩等于力乘距離的公式即可算出髕腱作用在關節(jié)上的肌力：158.5N?m=F*0.05mF=158.5N?m/0.054m通過進一步運算是踢球運動時由股四頭肌施加的最大力值是3170N。現(xiàn)在可以做靜力分析來確定脛股關節(jié)上關節(jié)反力的值。這個關節(jié)上主要的力確定為髕腱力（P），小腿重力（T）和關節(jié)反力（J）。髕腱力（P）和小腿重力（T）是已知矢量。關節(jié)反力（J）的大小、方向和作用線未知。用三個共面力的分離體法解出力（J），可以發(fā)現(xiàn)此力只稍低于髕腱力。第36頁,共45頁，2024年2月25日，星期天（2）髕股關節(jié)的動力學分析在髕股關節(jié)中，隨著膝的屈曲，股四頭肌肌力增加。在放松豎直站立時，要求股四頭肌肌力最小以平衡髕股關節(jié)的小的彎曲力矩，因為膝關節(jié)以上的身體重心幾乎就在髕股關節(jié)轉動中心的上方。然而，當膝關節(jié)屈曲增加，重心從轉動中心向遠移動，因此極大地增加了彎曲力矩，由股四頭肌肌力來平衡。當股四頭肌肌力增加時，髕股關節(jié)的反作用力也增加。即：膝屈曲越大，股四頭肌的力值越大，因此髕股關節(jié)反作用力值越高。在膝屈曲到90°的過程中產(chǎn)生更高的髕股關節(jié)反力。在膝屈曲90°時，此力達到體重的2.5～3倍。膝屈曲整個過程中，髕股關節(jié)反力始終比股四頭肌力大。股四頭肌收縮和體重都使髕股關節(jié)受力，在這種情況下，膝屈曲度直接影響股四頭肌的力值，它是通過改變髕腱力和股四頭肌腱力之間的夾角來實現(xiàn)的。這兩個分力之間的角隨著膝的彎曲急劇變大，增加了髕股關節(jié)反作用力的大小，它是兩個分力的合力。從理論上來講，即使股四頭肌肌力保持不變，隨著膝關節(jié)屈，髕股關節(jié)的反作用力也是增加的。第37頁,共45頁，2024年2月25日，星期天35°35°PQJ80°80°PQJ膝屈90°膝屈5°AB第38頁,共45頁，2024年2月25日，星期天當膝關節(jié)伸時，髕骨下面的部分擱置在股骨上。當膝屈曲到90o時，髕骨和股骨之間的接觸面積頭蓋形的增加，它的大小也稍微有些增加。在某種程度上，隨著膝關節(jié)的屈曲，這個接觸面積的增加補償了增大的髕股關節(jié)反作用力。在某種情況下，股四頭肌肌力髕股關節(jié)周圍的力矩很高，尤其是膝關節(jié)屈曲時。

第39頁,共45頁，2024年2月25日，星期天4．步行時脛骨平臺的反應力及輔助結構的作用

（1）步行時脛骨平臺的反應力

①脛骨平臺的定義

構成膝關節(jié)基本結構的骨是大腿股骨的下端和小腿脛骨的上端，股骨下端可以看成是關節(jié)頭，脛骨上端構成關節(jié)窩。組成膝關節(jié)基本結構的兩塊骨所形成的關節(jié)頭和窩不典型，特別是脛骨構成的關節(jié)窩很淺近似于一個平面(俗稱脛骨平臺)，這一結構有助于膝關節(jié)的靈活性，但穩(wěn)定性較差。②膝關節(jié)的受力特點膝關節(jié)內(nèi)側髁較外側髁接觸面積大；高負荷下半月板承擔脛股關節(jié)總壓力的一半，而低負荷下脛股關節(jié)壓力分布較不確定，可很少或沒有股骨脛骨間的負荷直接接觸傳遞。③步行時脛骨平臺的反應力步態(tài)周期中，關節(jié)反作用力從內(nèi)側脛骨平臺移動到外側脛骨平臺。第40頁,共45頁，2024年2月25日，星期天（2）膝關節(jié)輔助結構的