Tibiofemoral movement 1

1、文章1胫骨关节运动1：在膝盖无负载情况下，股骨和胫骨的形状和相对运动关系利用六个未负载的尸体膝关节，借助于MRI技术，确定了关节曲面和它们之间的相对运动关系。这些结论在解剖学中被证实。在内侧，股骨髁在矢状面的形状由两段弧组成，胫骨有两个成股骨平面的组成。在伸展过程中，接触面为前侧面，大约在20°接触面从前侧面转（rocks）到后侧面。在开始弯曲（？）到120°的过程中，股骨髁在前后方向的位置不变。在外侧，股骨髁可近似看成一个整体，或者说前后弧的半径相近，弧线过渡平稳。胫骨近似认为是一段平面。在弯曲过程中，股骨向后“roll”。在弯曲过程中，内侧髁无先后运动（sliding）

2、，外侧髁向后运动（rolling+sliding），此过程的混合运动可看成胫骨绕内侧股骨中心线的内旋运动。当弯曲从0°到10°时，强迫性的内旋角度为5°(2:1)。随后，至少弯曲到45°，没有明显的内旋运动产生。当弯曲到110°时，内旋角度为20°。我们所讨论的膝关节中股骨和胫骨的形状和运动，从1836年以来就利用解剖学的知识进行描述和讨论。现在，这些文字因为太多而无法全部复叙。从2002年以来的文章都被JBJS网站收录。更早些的出版物（Weber）都是德文，因此大多数都不被所知和参考。通过MRI技术，利用无重力压迫的膝关节模型，测得

3、膝关节弯曲运动、延展运动和经向旋转运动（向内、向外旋转）的范围。随后，样本被解剖，目的是与MRI影像进行验证。与单纯的解剖和X光透视相比，我们的报告提供了三个方面的优越性。第一，完整的内外侧骨头和软骨的位置和形状被获取，同时，每个弯曲增量的描述也被记录，这对描述运动非常重要。第二，当膝盖弯曲时，完整的半月板和韧带也被拍摄下来。第三、MRI技术的使用，对活人的膝盖没有任何副作用。本文中，描述了骨头在矢状面的形状和内外侧髁在弯曲过程中相对某点的位置。然后推测两块骨头自然状态下的相对转动和平移。总的来说，通过MRI技术的验证，这些知识也适用于活体膝盖。材料和方法 离胫骨和股骨连接线15cm，分别截取

4、股骨和胫骨，同时不打开关节囊而获取样本。一共有24个膝盖被影像和解剖，目的获取足够的信息并提高下文的所述的技术。其中六个膝盖被详细的影像。这些膝盖都来之平均年龄为43岁的男性。其中五个是右侧膝盖。除了软骨的纤维化外，其它的都正常。膝盖以内侧向下的姿态被固定于一块木板上。膝盖铰链所在处木板被切除，这样可以全方位观察。两个非金属的钉子同时穿过胫骨和木板的钻孔。这样通过外力，膝关节可以充分的进行延展运动，该力等同于临床检验所需的力。两个钻孔也同时穿过股骨和木板，钉子通过钻孔，从而固定股骨。这样通过手指的轻轻推压股骨的位置，实现从弯曲开始到弯曲120°。最后通过外力（大小等于实现全伸展所需的

5、力），实现股骨在弯曲90°时全外旋，以及弯曲45°、90°和120°时的内旋。试样然后被转送到MRI系统中进行扫描。矢状面、冠状面和正前面通过以下顺序参数获取，THR234ms、TE90ms、角度90°。矢状面通过内外侧的胫骨股骨部件，方向是尽可能的垂直股骨后髁的切表面（包括弯曲、伸展和经向旋转过程）。从内侧胫骨切表面开始，股骨内侧切片的平均距离为12mm，外侧切片的平均距离为59mm。图1 内外侧股骨髁在矢状面的MR影像用一个圆形模板放在后端(A-B)和前端(B-C)上（外侧有一小段圆弧很难确定）。将后端部分成为“弯曲面”，中心点为FFC；前

6、端部分成为“伸展面”，中心点为EFC。d1和d2分别为后侧胫骨切面到中心点的距离。利用醋酸盐标记圆弧的不同部位，两个观察者同时查看股骨髁的前圆和后圆(如图1所示)。有关圆心的内外观察误差分别作如下的讨论。10副照片被随机的选取；两名工作者在至少间隔一天的情况下测试三遍。所有数据的相干性达到98.9%，显示出改测量方法的高可信度。当一个尺寸被两个人测得时，标准偏差为0.77,95%的置信区间为1.51mm。测量中，我们的一些数据可能会大于该误差，但是，我们也无法定量该误差。在实际中，生物特征的精确测量是非常困难的，这是因为：平面绝非是真正的平面；圆弧也非真正的圆弧；点也很难被准确定义。因此，工程

7、科学中的精确不适用于自然学科中。粗略测得内外侧股骨的圆弧半径和圆弧角（如图2）。延伸至股骨头后侧的圆弧也被测得，该圆弧在全弯曲时与半月板后角接触，与胫骨从不接触。图2 矢状面的影像M：Medial compartment，内侧部分；L：Lateral compartment，外侧部分EF：Extension facet，伸展面； FF：Flexion facet，弯曲面AHF：Anterior horn facet，前角面； PHF：Posterior horn facet，后角面TAF：（Lateral）tibial Articular facet，胫骨关节面内外侧的胫骨关节面被分割成如图2

8、所示的区域（如图2所示），本文测量了EF和FF两个面的角度及相应的长度。通过在胫骨内外侧软骨的标记点上画一条线，从而测量出股骨后髁中心圆的圆心到胫骨后侧切面的距离（图1中的d1）。第二条线垂直于第一条线，且第二条线切于胫骨的后端表层，d1就是基于第二条线测量而得。距离d1根据放大倍数进行纠正。类似的结论及方法用于股骨内侧髁前圆距离（图1中的d2）。在外侧股骨髁，定义了前弧线上的一段弧，在全伸展运动时，该圆弧的终点是半月板的后端。该段圆弧很难找到，但是也不确定，因为他很小。当一个膝盖伸展5°时，另一个后圆弧出现到达前角。因此该段圆弧的中心未知（图2）。测量原则：测量股骨和胫骨运动的原则

9、被Weber和Weber建议。两个“轮”（图3）由两个圆弧及中心点A和B构成。白棒与A、B点固定。当弧a和弧b接触平面时，弧进行转动运动，因此这根白棒表示几何轴心（虚拟的轴线）。当圆弧c和圆弧d接触平面时，几何轴线转到C和D的连线（黑棒）。图 3 两个轮子被刚性棒连接的示意图刚体（两个轮子加上两个棒）运动可由轮心A、B、C、D相对平面的位置表征。例如，当沿CD转动时，B则会相对平面上升。在MRI影像中，轮子（wheel）由股骨和胫骨的接触面表征。两个轮子都向后运动，表示股骨的“roll-back”，一个轮子向后运动表示绕某一轴线旋转。（图3，上图，沿轴线E旋转）。结果 解剖和MRI结果的一直性

10、（图2）利用MRI，在矢状面，内外侧的骨头和软骨可以同时被观察。内外侧的切片位置和放大倍数都已知。因此，在组织结构未受损的情况下，骨头在矢状面的形状和尺寸、彼此之间的相对位置、股骨圆弧的圆心位置、接触面的大小和位置均可以获得。我们可以确信地说，MRI就是对解剖结果的真实再现。本文的数据就是基于MRI而得。骨头的形状（图4）内侧股骨髁：和胫骨在一起被描述，内侧股骨髁表面在矢状面上的形状由两端圆弧组成：前端面（伸展面EF）和后端面（屈曲面FF）。这两个面在他们连接点处没有相切，因此，在相邻的半径处产生一个11°的“kink angle”4。后端面的圆弧至股骨的后端部分（PHF）在全弯曲时

11、与半月板后角接触，不与胫骨接触。前弧的前端点终止于一个与半月板前角有关的凹陷内。内侧胫骨髁：由前端面（伸展面EF）和一个大致的平面组成，其中前端面相对于后端向前并向上倾斜11°。前端面平均长17mm。平面（屈曲面FF）长度为10mm，且当弯曲角为20±10°至120°时与股骨接触。水平面的后面部分（PHF）长度为15mm，只和半月板的后角接触。在EF的前面，胫骨曲面向下倾斜直到和内半月板的前角相连（称为AHF）。图4内外股骨和胫骨的尺寸和角度示意图（数值根据不同的膝关节而不同，但比值关系可值得参考）外侧股骨髁：和内侧股骨髁相似，外侧股骨髁的FF比内侧股骨

12、髁的FF小1mm，但都有相近的包络弧长（110V114）。在四个被测的膝盖中，当全伸展时，在FF和前角之间有一小段圆弧（类比内侧，称该弧为EF）。但是它非常的段，以至于不能算一个圆弧。但有两个膝盖模型中，该圆弧出现了。因此，外侧圆弧小于内侧圆弧6mm。在股骨全弯曲的情况下，在FF的后侧只与半月板的后角接触。在EF的前侧，前角在伸展时，有一个凹陷，该处凹槽比内侧的明显。外侧胫骨髁：中部24mm的圆弧（胫骨圆弧面TAF）与股骨接触。如果切片靠近接触区域的外侧，该段则相对较平。在TAF的前侧，有段面（AHF）向下倾斜目的是调节外侧半月板的前角在伸展时与股骨的凹槽适应。PHF也向下倾斜并当弯曲大于90

13、°时，PHF与半月板后角接触。在弯曲过程中，股骨和胫骨的相对运动当弯曲至某一角度时，股骨中心的位置如图5所示。图5 内外侧股骨胫骨在弯曲（-5、20、110°）过程的相对位置内侧组件：在120-30°时，股骨的FF和胫骨的FF接触。在这段过程中，股骨的弧面中心（FFC）在接触面的上面。相对胫骨而言，点FFC在垂直方向没有位移。在120-110°的过程中，FFC在水平方向向前移动了2mm，但在这以后，没有移动位移。因此，此过程中的，相对股骨绕FFC转动时，胫骨运动几乎是滑动。从10°到全伸展的过程中，股骨的EF和胫骨的EF接触，相对30到12&#

14、176;的位置，相当胫骨接触面向前移动了8mm。股骨的FFC相对胫骨没有运动。股骨绕EFC的转动，股骨和胫骨的相对运动是完全滑动的。我们发现，从10°到全伸展过程中，FFC升高了2mm，这个结果在以前的文章中也有提醒。从30°到10°过程中，在髁没有前后方向的移动情况下，旋转中心从股骨的FF转到EF。至于从哪个角度开始旋转中心开始转换，我们不得而知。这是因为股骨和胫骨的FF和EF的测角依赖于接触表面，而我们没有足够的多的MR图像去显示角度的微量变化。也就是说，在无载荷的膝关节内，内侧股骨髁从全伸展到110°间没有移动变形。但在110°到120&

15、#176;之间，内侧股骨髁向后移动2mm（有一定的误差）；在10°到30°之间，髁从FF移到EF的时候，发生了“rock”现象。外侧组件：内侧组件的运动和外侧组件的运动完全不同。在110°到120°股骨同时与胫骨及半月板后角接触，在这段接触过程中，股骨的FFC比90°的位置下降1mm。从90°到10°，股骨的FF与胫骨FF接触。从10°到全伸展（-5°）的过程中，EF与胫骨FF接触。在整个的120°到-5°的过程中，通过转动和滑动比为1.7:1，股骨的FFC相对于胫骨向前移动了19mm

16、。在120°到45°，这个位移为15mm；从45°到-5°，这个位移为4mm；在10°到5°的过程中，胫骨与股骨的接触面从股骨的FF转到股骨的EF，这导致FFC在从10°到-5°的过程中，FFC向上移动1mm。整个髁在10°到-5°的过程中向前移动2mm。（这是因为弧的运动为纯滑动）在整个弯曲过程中，二个组件的关系内外侧的FFC连线（实线部分）从-5°和120°过程中的变化情况如图6所示。从-5°到5°，股骨的EF接触胫骨；EFC的连线为虚线所示的位置（与

17、FFC分开显示）。在全伸展到-5°的过程中，因为内侧股骨髁绕着EFC转动，因此FFC在向上向后方向大约移动了2mm（斜线），这仅仅是股骨髁的转动，而不是平动。同样的现象在外侧也可以看到。因此，如果FFCs被用作股骨前后移动的参考点，在描述全伸展的过程中，该误差必须被考虑，这在图6a中已经被考虑。图6b是没有考虑误差，这是方便和其他的文献研究作为一个对比参考。图6 6a中，实线表示白棒（FFC连线），虚线宝石黑帮（EFC连线）从FFCS连接的几何轴中，我们可以看到，弯曲伴随着20°的股骨外旋（胫骨内旋），其中5°发生在-5°到5°（end rot

18、ation或 screw-home）之间。从5°到45°，会有很小的旋转发生和股骨位于脚长线的右侧。在45°到90°的一些点，我们股骨会再次外旋，但我们没有观察到。图6表明，在-5°到45°，一些旋转发生在穿过内侧胫骨髁的外侧边线上，这些旋转的是否发生，主要取决于股骨绕EFCs旋转而引起的EFCS的移动。（图6a和6b之间的对比）在外力的作用下，二者沿轴线旋转的情况图7中的线4显示的是在没有负载且弯曲90°（图6）的情况下，股骨髁的位置。（参考线neutral自然弯曲）图7 在外力作用下（内外旋），当弯曲45、90和120°情况下，白棒的位置线5显示的股骨髁在90°被外旋：内侧股骨髁向前移动时；外侧股骨髁向后移动（接近120°弯曲的位置）。线2显示的股骨髁在90°被内旋：内侧股骨髁向后移动；外侧股骨髁向前移动（微微在90°的下面）。股骨在45°内旋（线1）和90°内旋（线2）的两条线相互平行且与脚的长轴线垂直。在-5°到45