第十章 膝关节运动学

第十章膝关节运动学 丁浩 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 内容提要 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 概述 膝关节是人体最大 结构组成和功能最复杂的滑车关节范围髌骨上缘上方2横指到胫骨结节高度组成股骨内外髁胫骨内外髁髌骨功能屈伸运动 活动度0 135 旋转运动 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 一 膝关节运动 膝关节的四个轴 二 膝关节的结构 膝关节 由股骨内外侧踝和胫骨内外侧踝以及前方的髌骨组成 关节又由关节面 关节囊 关节腔组成 关节囊宽阔而松弛韧带发达 其中 位于关节囊前臂的髌韧带尤为强大 在关节囊内 有膝交叉韧带和关节半月板 膝交叉韧带连接股骨和胫骨 分前交叉韧带和后交叉韧带 前交叉韧带可阻止胫骨向前移位 后交叉韧带可限制胫骨向后移位 关节半月板 由纤维软骨构成 共有两块 内测半月板成C形 外侧半月板呈O形 内外侧半月板分别位于股骨和胫骨的同名踝之间 半月板的上面微凸 下面平坦 可使股 胫两骨的关节面更为适应 从而增强关节的灵活性和稳固性 膝关节囊 膝关节囊较薄而松弛 附着于各骨关节软骨的周缘 关节囊的周围有韧带加固 前方的叫髌韧带 是股四头肌肌腱的延续 髌骨为该肌腱内的籽骨 从髌骨下端延伸至胫骨粗隆 在髌韧带的两侧 有髌内 外侧支持带 为股内侧肌和股外侧肌腱膜的下延 并与膝关节囊相编织 后方有腘斜韧带加强 由半膜肌的腱纤维部分编入关节囊所形成 内侧有胫侧副韧带 为扁带状 起自内收肌结节 向下放散编织于关节囊纤维层 外侧为腓侧副韧带 是独立于关节囊外的圆形纤维束 起自股骨外上髁 止于腓骨小头 关节囊的滑膜层广阔 除关节软骨及半月板的表面无滑膜覆盖外 关节内所有的结构都被覆着一层滑膜 在髌上缘 滑膜向上方呈囊状膨出约4厘米左右 称为髌上囊 于髌下部的两侧 滑膜形成皱襞 突入关节腔内 皱襞内充填以脂肪和血管 叫做翼状襞 两侧的翼状襞向上方逐渐合成一条带状的皱襞 称为髌滑膜襞 伸至股骨髁间窝的前缘 膝关节囊和滑囊 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 膝关节囊和滑囊 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 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 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 medialmeniscus 较大 呈 C 形 前脚窄而薄 后角宽阔而稍厚 外侧半月板 lateralmeniscus 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 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 腓侧副韧带 胫侧副韧带 腘斜韧带 膝交叉韧带 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 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 膝关节的肌肉 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 使膝关节运动的肌主要是 1 屈曲 股二头肌 半腱肌 半膜肌 腘肌 及股薄肌 缝匠肌 腓肠肌等 2 伸展 股四头肌 3 内旋 股薄肌 半腱肌 半膜肌 腘肌 4 外旋 股二头肌 胫骨平台的定义 构成膝关节基本结构的骨是大腿股骨的下端和小腿胫骨的上端 股骨下端可以看成是关节头 胫骨上端构成关节窝 组成膝关节基本结构的两块骨所形成的关节头和窝不典型 特别是胫骨构成的关节窝很浅近似于一个平面 俗称胫骨平台 这一结构有助于膝关节的灵活性 但稳定性较差 膝关节的特点 关节囊广阔而松弛 各部厚薄不一 髌韧带 胫 腓侧副韧带 前交叉韧带 防止胫骨前移 后交叉韧带 防止胫骨后移 内 外侧半月板 内C外O 加深了深度 增强稳固性 缓冲作用 关节囊的滑膜层附着于各关节软骨周缘 翼状襞 滑膜囊 髌上囊 润滑作用 膝关节辅助结构的作用 其主要作用是增加膝关节的稳定性 侧副韧带防止小腿在膝关节处向左右侧方移动的作用 保证人体运动时膝关节只能沿屈伸方向发力 运动 前后交叉韧带其主要功能是在运动中当小腿固定时防止大腿在膝关节处前后移动 使膝关节在运动中前后保持稳定 膝关节辅助结构的作用 半月板增加膝关节的稳定并有减轻运动时关节头和窝之间撞击的作用 脂肪垫它促进膝关节滑液的分泌 减轻运动中膝关节震动的作用 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 三 膝关节运动功能分析 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 是髋 膝 踝三关节中心的轴 偏离垂直方向约3 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 而髌骨解剖轴与下肢力学轴一致 二轴在膝关节相交时形成170 175 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 膝关节的运动 屈和伸 额状轴 屈膝状态下 轻度的旋内 旋外 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 膝关节的受力 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 膝关节的受力 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 正常膝和畸形膝胫骨和股骨的负重 2 髌骨股骨的受力髌骨的受力在伸直位和屈曲位是不同的 伸直位受的压力较屈曲位小的多 髌股关节所受压力 髌骨 对膝关节有一定的保护作用并有增加伸膝关节肌力矩的作用 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 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 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 胫股关节的运动特征 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 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 维持髌股对合的平衡机制 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 从股骨的结构可观察到 股骨内 外上髁的大小不同 内侧大于外侧 因此 当膝盖做出弯曲 伸直 股骨与胫骨之间会被相对的带出一个旋转的动作 此生物力学机制 称之为 screw homemechanism 旋返机制 也有人称为螺旋归位机转 如果此机制出现问题时 旋转的角度不够或是过大 股四头肌的肌肉用力方式就有可能出现变化因而造成肌肉张力不平衡 也是造成髌骨股骨疼痛症候群的主要原因之一 髌骨股骨疼痛症候群 PFPS Patellofemoralpainsyndrome PFPS造成疼痛的位置 会位在膝盖的前侧 通常是上楼或是下楼会更痛 当股外侧肌与股内侧肌的肌肉张力不平衡 太紧绷或是无力 会造成髌骨的滑动不顺 即有可能造成疼痛 就是所谓的PFPS 髌股关节的生物力学特点 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 髌股关节的生物力学特点 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 膝屈曲越大 股四头肌的力值越大 因此髌股关节反作用力值越高 在膝屈曲到90 的过程中产生更高的髌股关节反力 在膝屈曲90 时 此力达到体重的2 5 3倍 膝屈曲整个过程中 髌股关节反力始终比股四头肌力大 当膝关节伸时 髌骨下面的部分搁置在股骨上 当膝屈曲到90 时 髌骨和股骨之间的接触面积头盖形的增加 它的大小也稍微有些增加 在某种程度上 随着膝关节的屈曲 这个接触面积的增加补偿了增大的髌股关节反作用力 在某种情况下 股四头肌肌力髌股关节周围的力矩很高 尤其是膝关节屈曲时 步行时胫骨平台的反应力及辅助结构的作用 胫骨平台的定义构成膝关节基本结构的骨是大腿股骨的下端和小腿胫骨的上端 股骨下端可以看成是关节头 胫骨上端构成关节窝 组成膝关节基本结构的两块骨所形成的关节头和窝不典型 特别是胫骨构成的关节窝很浅近似于一个平面 俗称胫骨平台 这一结构有助于膝关节的灵活性 但稳定性较差 膝关节的受力特点膝关节内侧髁较外侧髁接触面积大 高负荷下半月板承担胫股关节总压力的一半 而低负荷下胫股关节压力分布较不确定 可很少或没有股骨胫骨间的负荷直接接触传递 步行时胫骨平台的反应力步态周期中 关节反作用力从内侧胫骨平台移动到外侧胫骨平台 膝关节损伤 膝关节韧带损伤在体力劳动和体育运动中较常见 膝关节脱位比较少见 好发于青壮年 膝关节伸