膝关节生物力学

关于膝关节生物力学第1页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三第2页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三马的膝关节向前还是向后？第3页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三膝关节在哪？第4页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三第5页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三第6页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三膝关节的功能解剖

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。第7页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三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。第8页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三第9页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三矢状面胫股关节活动范围活动膝关节从伸直到屈曲的运动范围步行0~67°上楼梯0~83°下楼梯0~90°坐下0~93°系鞋带0~106°数据来自22名受试者的平均值，左右膝之间有轻微的差异。第10页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三第11页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三膝关节在横断面的活动膝关节完全伸直时，由于股骨髁和胫骨髁的交锁，膝的旋转完全受限，这主要是因为股内侧髁比外侧髁长。当膝关节屈曲的时候，旋转的范围随之增加，在屈膝90°的时候旋转范围达到最大，外旋0~45°，内旋0~30°。当屈曲超过90°时，内旋和外旋的范围反而开始缩小，主要是因为软组织限制了旋转运动。第12页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三膝关节在额状面上的运动额状面上的外展和内收同样受到关节屈曲程度的影响。当膝关节完全伸直时，几乎阻止了额状面上的所有活动。随着膝屈曲到30°，被动外展和内收增加，但是最大也就几度的变化。当膝屈曲超过30°时，额状面的运动也因为软组织的功能限制而开始减小。第13页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三瞬时中心技术：在一张图中标出移动链节上那些点的原本位置以及位移后的位置，将这两点各自连成两条线，然后划出这两条线的垂直等分线，这两条垂直等分线的交点就是瞬时中心。瞬时中心技术是将面关节活动放在矢状面和额状面而非横断面中进行分析。可以描述关于人体两个相邻节段在相对单平面上的运动及在这些接触点位移的方向。第14页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三胫股关节的锁定机制在膝关节伸直时胫骨外旋，这个运动在膝关节屈曲时则相反。胫股关节非单纯的屈戌关节，他有螺旋线和螺旋面的运动。由于股骨内侧髁的结构导致了在屈伸膝关节时，这种胫骨相对于股骨的螺旋运动。在正常膝关节内侧髁比外侧髁长1.7cm。相比较单一的屈戌关节，这种锁定机制为处于任何位置的膝关节都提供了更多的稳定性。屈曲伸直屈曲时内旋伸直时外旋第15页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三Helfet测试（海菲特）唯一通过检查膝关节外旋作用来发现关节内损伤的试验，在判定外侧半月板损伤中准确率高。病人膝、髋关节屈曲90°坐位，且腿自由悬空，在皮肤上标记出髌骨内侧和外侧边缘。然后标记出胫骨粗隆和髌骨的中线，然后检查胫骨粗隆和髌骨的位置排列。正常的膝关节屈曲90°时，胫骨粗隆与髌骨的内半侧排列成一条直线，膝关节完全伸直时，胫骨粗隆向外侧移动，并在完全伸直时与髌骨的外半侧排列成一条直线。在正常膝关节中的旋转运动范围可能有髌骨宽度的一半，而内部紊乱的膝伸直时胫骨可能不是外旋，因为在这样的膝关节中，面关节活动已经改变，如果膝关节被动伸直，胫骨关节将受到非正常挤压，关节面就可能受到损伤。第16页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三第17页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三半月板（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(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。

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）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。第18页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三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）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。

第19页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三（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。

第20页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三关节囊和滑囊

（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。

（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。第21页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三

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。第22页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三

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。第23页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三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。第24页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三髌股关节膝关节从完全伸直到完全屈曲，髌骨在股骨髁间大约滑动7cm。屈曲大于90°时髌骨外旋，只有股骨的内侧关节面与髌骨构成关节。完全屈曲时髌骨陷入髁间沟内。接触面积随着膝关节屈曲程度的增加以及股四头肌拉力的增加而增加。第25页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三第26页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三髌股关节接触面与膝屈伸

角度的关系通常情况下，髌骨并非完全位于股骨滑车内，随膝关节屈伸，髌股关节间接触面不断发生变化。膝关节屈曲10°～20°时，髌骨下极内外侧关节面同时与股骨滑车相接触。随关节屈曲度数增加，髌骨与滑车的接触面逐渐向近侧、外侧移行。第27页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三髌股关节接触面与膝屈伸

角度的关系膝关节屈曲45°时，髌股关节接触面积达最大值。屈曲90°后，随屈曲度数进一步增加，髌骨对应股骨的内外侧接触面逐渐分离而相互独立。第28页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三髌骨的主要生物力学功能在于增加股四头肌的力臂。随着膝关节屈曲度数增加，髌股关节间的应力也加大，与此同时髌股关节间的接触面积也增大，增大的接触应力分布于较大的接触面积。第29页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三第30页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三腓肠肌紧张会限制踝关节背屈，导致运动转移到距下关节，增加足外翻角度。足外翻伴随着胫骨外旋，这样就会增加Q角和髌骨外侧轨迹。股内收肌是保持髌骨在中心位置最重要的结构。股内收肌的大部分纤维起自大收肌肌腱，因此伸膝时使内收肌紧张可以促进股内收肌的活动。第31页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三五、Q角胫骨结节中点与髌骨中点连线和髌骨中点与髂前上棘连线的夹角称为股四头肌角(Q角)。正常值为10～20°，男性平均为14°，女性为17°。若Q角大于20°可以确认膝异常。第32页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三影响Q角的因素:Q角受股骨颈倾斜度和胫骨旋转的影响，测量时取仰卧位，髋关节和膝关节充分伸直。如果膝关节轻度屈曲，因胫骨相对股骨内旋,Q角会减少。股骨内旋时，Q角增加。第33页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三一般认为由于Q角的存在，膝关节在伸直过程中，髌骨受到股四头肌牵拉的同时也产生一向外的分力。Q角越大髌骨向外的分力也越大，髌骨越不稳定，同时也造成髌股关节压力的异常分布。第34页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三六、X线1.膝关节屈曲30°侧位片上测量以下值：

(1)Insall—Salvati指数：T/P平均比值为1.02，标准差为0.13。Insall—Salvati指数大于1.2提示高位髌骨，小于0.8提示低位髌骨。髌骨位置与髌韧带的长度有关。第35页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三右图示Insall—Salvati法测量髌骨高度。T，肌腱长度，在肌腱深部后面测量；P，髌骨最大对角线长度。第36页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三(2)Blackburne—Peel指数：以A/B比值来确定髌骨的高度。一般情况下A/B比值为0.8(标准差0.14)；A/B比值增高，提示髌股关节异常。第37页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三右图示：Blackburne—Peel法测量髌骨长度。高度表达为A(髌股关节后最下部分与膝关节线水平的垂直长度)和B(髌骨关节面长度)之间的比值。第38页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三2.髌骨轴位片上测量以下值Merchant髌骨轴位片拍摄法。

(1)Merchant轴位片上测量滑车角与吻合角。第39页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三右下图示：Merchant髌骨轴位片拍摄法。患者平卧，膝关节在桌边屈曲45°置于一支撑物上。照相盒置于膝下30㎝皮肤上，与X线投照方向垂直，X线在水平线下与其成30°角。第40页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三右下图示：Merchant髌骨轴位片测量滑车角和吻合角。滑车角(BAC)被参考线分为二等分。第二条线(AD)从滑车沟到髌骨嵴。如果髌骨嵴顶点位于参考线外侧，角度值为正值；如果在内侧，角度值为负值。第41页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三吻合角：反应髌骨与股骨滑车的相对关系。为了反映上述关系，先画出滑车角的平分线，再在滑车角顶点与髌骨嵴的最低点之间作一连线，该两连线之间的夹角即为吻合角。如果髌骨嵴的最低点位于平分线外侧，到吻合角为正值，反之，则为负值。第42页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三滑车角：滑车顶点(即底部)与内外股骨髁最高点连线的夹角，即滑车角。高位髌骨：是指髌韧带过长引起髌骨活动时的不稳定，是髌骨软骨软化症的潜在因素。常合并有髌骨不稳定、脱位与股骨滑车发育异常。低位髌骨：是指髌韧带过短引起髌骨位置过低。也是髌骨软骨软化症的潜在因素。

第43页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三(2)Laurin轴位片上测量髌股指数髌股指数(PFI)：是内侧髌股关节间隙与外侧髌股间隙之比。正常膝关节内侧髌股关节间隙等于或稍大于外侧髌股关节间隙，即髌股指数小于或等于1.6。临床上97%髌骨疼痛病人的髌股指数大于1.6。髌股指数增大，髌骨关节内侧关节间隙加宽提示髌骨轻度倾斜。第44页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三右下图示：Laurin轴位片摄片法。患者坐于检查桌上，足部靠近边缘。X线平行于胫骨前缘，膝关节屈曲20°，患者手持照相盒置于大腿上，与X线呈90°。第45页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三右下图示：Laurin轴位片上测量髌股指数(PFI)。在此病例，PFI＞1.6，提示髌股关节异常。第46页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三5.加强股内侧肌(VMO)的方法：

(1)短弧/终末伸展范围(30°～0°)练习。右图示：在从90°→0°活动范围内，股四头肌的EMG活动情况。第47页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三(2)VMO电刺激(3)生物反馈促进

VMO(4)神经肌肉促进技术（PNF）(5)髋外旋时直腿抬高。第48页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三6.柔韧性练习7.髌骨关节松动术8.髌骨周围冷疗9.手法治疗10.中药熏洗11.针灸治疗12.电针13.患者教育第49页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三二、手术治疗手术治疗分为两个阶段：①治疗针对力线异常以及伸膝装置和髌股关节的其他畸形；②治疗软骨病变。手术治疗的适应症是所有非手术治疗无效的慢性髌股关节疼痛。再者，手术应针对病因，因此，手术前必须明确诊断。第50页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三第51页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三控制骨骼重塑过程的原则称为沃尔夫定律(wolff’slaw)

：机械应力与骨组织间存在一种生理平衡。在平衡状态，骨组织的成骨细胞和破骨细胞的活性是相同的。当应力增大时，成骨细胞活跃，引起骨质增生，承载面增大，使应力下降，达到新的平衡；当应力下降时，破骨细胞再吸收加强，骨组织量下降，使应力增加。因此骨能通过改变它的大小、形状和结构以适应力学的需要进行功能重建第52页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三所以说，wolff定律对于康复医学中提倡的内外科患者“早期离床、早期活动”的观点提供了一个理论依据。最好的防止骨质疏松的方法是在补钙的同时多做户外运动。第53页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三膝关节的构成第54页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三强壮的体系伸肌股直肌起自髂前下棘跨髋、膝双关节股神经（来自L2-4）第55页，讲稿共60页，2023年5月2日，星期三髂