膝關節生物力學

1、膝關節的生物力學,海港康復黃俊杰,馬的膝關節向前還是向后？,,膝關節在哪？,膝關節的功能解剖,在膝關節，彎曲常伴有一個微小而顯著的轉動，但是因為來自關節周圍強有力的滑囊、韌帶和肌的作用，它又有特殊的穩定性。膝關節周圍的韌帶只在緊張狀態下加載，對關節起到被動支持作用。膝關節周圍的肌也是在緊張狀態下加載時對關節起到積極的支持作用。膝關節周圍的骨起到支持作用，并且對抗壓力載荷的作用。因此膝關節的功能穩定性來源于韌帶的被動收縮，關節幾何結構，

2、肌的主動用力以及骨的承重作用。,脛股關節的形態與運動的關系,脛股關節分為內側脛股關節和外側脛股關節。外側脛股關節面的前1/3為一逐漸上升的凹面，而后2/3則呈逐漸下降的凹面。內側脛股關節面則呈一種碗形的凹陷。如此，凸起的股骨關節面和凹陷的脛骨關節面彼此吻合，使膝關節得以在矢狀面上作屈伸活動；然而外側脛骨關節面的特征凹陷結構又使得外側脛股關節面并非完全吻合，從而允許膝關節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。,矢狀面脛股

3、關節活動范圍,膝關節在橫斷面的活動,膝關節完全伸直時，由于股骨髁和脛骨髁的交鎖，膝的旋轉完全受限，這主要是因為股內側髁比外側髁長。當膝關節屈曲的時候，旋轉的范圍隨之增加，在屈膝90°的時候旋轉范圍達到最大，外旋0~45°，內旋0~30°。當屈曲超過90°時，內旋和外旋的范圍反而開始縮小，主要是因為軟組織限制了旋轉運動。,,,膝關節在額狀面上的運動,額狀面上的外展和內收同樣受到關節屈曲程度的影響

4、。當膝關節完全伸直時，幾乎阻止了額狀面上的所有活動。隨著膝屈曲到30°，被動外展和內收增加，但是最大也就幾度的變化。當膝屈曲超過30°時，額狀面的運動也因為軟組織的功能限制而開始減小。,,,瞬時中心技術：在一張圖中標出移動鏈節上那些點的原本位置以及位移后的位置，將這兩點各自連成兩條線，然后劃出這兩條線的垂直等分線，這兩條垂直等分線的交點就是瞬時中心。瞬時中心技術是將面關節活動放在矢狀面和額狀面而非橫斷面中進行

5、分析?？梢悦枋鲫P于人體兩個相鄰節段在相對單平面上的運動及在這些接觸點位移的方向。,,脛股關節的鎖定機制在膝關節伸直時脛骨外旋，這個運動在膝關節屈曲時則相反。脛股關節非單純的屈戌關節，他有螺旋線和螺旋面的運動。由于股骨內側髁的結構導致了在屈伸膝關節時，這種脛骨相對于股骨的螺旋運動。在正常膝關節內側髁比外側髁長1.7cm。相比較單一的屈戌關節，這種鎖定機制為處于任何位置的膝關節都提供了更多的穩定性。,,,,屈曲,伸直,,,,,屈曲時

6、內旋,伸直時外旋,Helfet測試（海菲特）,唯一通過檢查膝關節外旋作用來發現關節內損傷的試驗，在判定外側半月板損傷中準確率高。病人膝、髖關節屈曲90°坐位，且腿自由懸空，在皮膚上標記出髕骨內側和外側邊緣。然后標記出脛骨粗隆和髕骨的中線，然后檢查脛骨粗隆和髕骨的位置排列。正常的膝關節屈曲90°時，脛骨粗隆與髕骨的內半側排列成一條直線，膝關節完全伸直時，脛骨粗隆向外側移動，并在完全伸直時與髕骨的外半側排列成一條直線

7、。在正常膝關節中的旋轉運動范圍可能有髕骨寬度的一半，而內部紊亂的膝伸直時脛骨可能不是外旋，因為在這樣的膝關節中，面關節活動已經改變，如果膝關節被動伸直，脛骨關節將受到非正常擠壓，關節面就可能受到損傷。,,半月板（1）膝關節半月板的結構與功能 ①半月板是墊在膝關節股骨與脛骨之間半月形的纖維軟骨盤，其邊緣較厚，中間很薄，上面凹陷，下面平坦，填充在兩側的脛骨髁上。分別稱為內、外側半月板。 內側半月板(medial menis

8、cus)較大，呈“C”形，前腳窄而薄，后角寬闊而稍厚； 外側半月板(lateral meniscus)較小，近似“O”形，前、后角的距離很接近，外側緣亦與關節囊相連。 ②功能：A．傳導負載：減少膝關節活動時，接觸面不吻合，使接觸面積增大，壓力分布均勻。B．維持穩定：加深脛骨髁關節面，并在前后移動中，始終使膝關節的接觸面積最大。C．減輕震蕩：起到一定的緩沖作用，能吸收一定的負荷震蕩。（2）半月板運動的影響因素 橫韌帶對半月

9、板運動有限制作用。 內外側半月板與脛骨及關節囊的附著 以及與半月板橫韌帶之間形成的環狀 結構又限制了半月板有過度外移。,髕股關節的功能解剖,（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）關節軟骨 髕股關節軟骨是人體中最厚的軟骨。最大厚度可達7㎜。髕股關節軟骨厚度并非均勻一致，軟骨最厚的部分位于骨嵴處。6

10、0%位于髕骨的外側關節面，分布于內側者約20%。關節面軟骨厚度變化特點有助于增加髕股關節面的適合性。,（3）維持髕股對合的平衡機制 髕股關節穩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定具有重要的作用。,關節囊和滑囊,（1）膝關節的關節囊薄而松弛，有很多隱窩，附于各關節面的周緣，周圍與

11、韌帶相連接。 （2） 膝關節周圍有許多的滑膜囊，膝關節囊的滑膜層是全身關節中最寬闊最復雜的，附著于該關節各骨的關節面周緣，覆蓋關節內除了關節軟骨和半月板以外的所有結構?；の挥谙リP節囊的內面，起自關節軟骨邊緣，然后反折于關節囊內。 （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。當關節處于半屈位置時，滑液處于最

12、小張力壓迫下。當受傷或得病時，關節腔中充盈過多的液體，半屈膝體位可以減少關節腔中的張力，有利于減少疼痛。,,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最高點連線為髕韌帶力線，兩線所形成的夾角為Q角。,①靜力結構：髕骨的內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。,髕股關節的生物力學特

13、點 ①髕股關節的對合 ②髕股關節接觸應力 A.平地行走時，髕股關節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，分擔了髕股關節的接觸壓力，關節面的壓強變化不大，對保護關節軟骨的正常應力有重要意義。,髕股關節,膝關節從完全伸直到完全屈曲，髕骨在股骨髁間大約滑動7cm。屈曲大于90°時髕骨外旋，只有股骨的內側關節面與髕骨構成關節。

14、完全屈曲時髕骨陷入髁間溝內。接觸面積隨著膝關節屈曲程度的增加以及股四頭肌拉力的增加而增加。,髕股關節接觸面與膝屈伸 角度的關系,通常情況下，髕骨并非完全位于股骨滑車內，隨膝關節屈伸，髕股關節間接觸面不斷發生變化。 膝關節屈曲10°～20°時，髕骨下極內外側關節面同時與股骨滑車相接觸。隨關節屈曲度數增加，髕骨與滑車的接觸面逐漸向近側、外側移行。,髕股關節接觸面與膝屈伸 角

15、度的關系,膝關節屈曲45°時，髕股關節接觸面積達最大值。 屈曲90°后，隨屈曲度數進一步增加，髕骨對應股骨的內外側接觸面逐漸分離而相互獨立。,,髕骨的主要生物力學功能在于增加股四頭肌的力臂。隨著膝關節屈曲度數增加，髕股關節間的應力也加大，與此同時髕股關節間的接觸面積也增大，增大的接觸應力分布于較大的接觸面積。,,,腓腸肌緊張會限制踝關節背屈，導致運動轉移到距下關節，增加足外翻角度。足外翻伴隨著脛骨外旋

16、，這樣就會增加Q角和髕骨外側軌跡。股內收肌是保持髕骨在中心位置最重要的結構。股內收肌的大部分纖維起自大收肌肌腱，因此伸膝時使內收肌緊張可以促進股內收肌的活動。,五、Q角脛骨結節中點與髕骨中點連線和髕骨中點與髂前上棘連線的夾角稱為股四頭肌角(Q角)。正常值為10～20°，男性平均為14°，女性為17°。若Q角大于20°可以確認膝異常。,影響Q角的因素:Q角受股骨頸傾斜度和脛骨旋轉的影響，測量時

17、取仰臥位，髖關節和膝關節充分伸直。 如果膝關節輕度屈曲，因脛骨相對股骨內旋,Q角會減少。 股骨內旋時，Q角增加。,一般認為由于Q角的存在，膝關節在伸直過程中，髕骨受到股四頭肌牽拉的同時也產生一向外的分力。Q角越大髕骨向外的分力也越大，髕骨越不穩定，同時也造成髕股關節壓力的異常分布。,六、X線1.膝關節屈曲30°側位片上測量以下值： (1)Insall—Salvati指數：T/P平均比值為1.02，標

18、準差為0.13。Insall—Salvati指數大于1.2提示高位髕骨，小于0.8提示低位髕骨。髕骨位置與髕韌帶的長度有關。,右圖示Insall—Salvati法測量髕骨高度。T，肌腱長度，在肌腱深部后面測量；P，髕骨最大對角線長度。,(2)Blackburne—Peel指數： 以A/B比值來確定髕骨的高度。一般情況下 A/B比值為0.8(標準差0.14)；A/B比值增高，提示髕股關節異常。,右圖示：Blackburne—Peel法

19、測量髕骨長度。高度表達為A(髕股關節后最下部分與膝關節線水平的垂直長度)和B(髕骨關節面長度)之間的比值。,2.髕骨軸位片上測量以下值Merchant髕骨軸位片拍攝法。 (1)Merchant軸位片上測量滑車角與吻合角。,右下圖示：Merchant髕骨軸位片拍攝法?；颊咂脚P，膝關節在桌邊屈曲45°置于一支撐物上。照相盒置于膝下30㎝皮膚上，與X線投照方向垂直，X線在水平線下與其成30°角。,右下圖示：Merch

20、ant髕骨軸位片測量滑車角和吻合角?；嚱?BAC)被參考線分為二等分。第二條線(AD)從滑車溝到髕骨嵴。如果髕骨嵴頂點位于參考線外側，角度值為正值；如果在內側，角度值為負值。,吻合角：反應髕骨與股骨滑車的相對關系。為了反映上述關系，先畫出滑車角的平分線，再在滑車角頂點與髕骨嵴的最低點之間作一連線，該兩連線之間的夾角即為吻合角。如果髕骨嵴的最低點位于平分線外側，到吻合角為正值，反之，則為負值。,滑車角：滑車頂點(即底部)與內外股骨髁最高

21、點連線的夾角，即滑車角。高位髕骨：是指髕韌帶過長引起髕骨活動時的不穩定，是髕骨軟骨軟化癥的潛在因素。常合并有髕骨不穩定、脫位與股骨滑車發育異常。低位髕骨：是指髕韌帶過短引起髕骨位置過低。也是髕骨軟骨軟化癥的潛在因素。,(2) Laurin軸位片上測量髕股指數髕股指數(PFI)：是內側髕股關節間隙與外側髕股間隙之比。正常膝關節內側髕股關節間隙等于或稍大于外側髕股關節間隙，即髕股指數小于或等于1.6。臨床上97%髕骨疼痛病人的髕股指數

22、大于1.6。髕股指數增大，髕骨關節內側關節間隙加寬提示髕骨輕度傾斜。,右下圖示：Laurin軸位片攝片法?；颊咦跈z查桌上，足部靠近邊緣。X線平行于脛骨前緣，膝關節屈曲20°，患者手持照相盒置于大腿上，與X線呈90°。,右下圖示：Laurin軸位片上測量髕股指數(PFI)。在此病例， PFI＞1.6，提示髕股關節異常。,5.加強股內側肌(VMO)的方法： (1)短弧/終末伸展范圍(30°～0&#

23、176;)練習。 右圖示：在從90°→0°活動范圍內，股四頭肌的EMG活動情況。,(2)VMO電刺激(3)生物反饋促進 VMO(4)神經肌肉促進 技術（PNF）(5)髖外旋時直腿 抬高。,6.柔韌性練習7.髕骨關節松動術8.髕骨周圍冷療9.手法治療10.中藥熏洗11.針灸治療12.電針13.患者教育,二、手術治療 手術治療分為兩個階段：①治療針對力線異常以

24、及伸膝裝置和髕股關節的其他畸形；②治療軟骨病變。手術治療的適應癥是所有非手術治療無效的慢性髕股關節疼痛。再者，手術應針對病因，因此，手術前必須明確診斷。,,,控制骨骼重塑過程的原則稱為沃爾夫定律(wolff’s law) ：,機械應力與骨組織間存在一種生理平衡。在平衡狀態，骨組織的成骨細胞和破骨細胞的活性是相同的。當應力增大時，成骨細胞活躍，引起骨質增生，承載面增大，使應力下降，達到新的平衡；當應力下降時，破骨細胞再吸收加強，骨組織量下

25、降，使應力增加。因此骨能通過改變它的大小、形狀和結構以適應力學的需要進行功能重建,,所以說，wolff定律對于康復醫學中提倡的內外科患者“早期離床、早期活動”的觀點提供了一個理論依據。最好的防止骨質疏松的方法是在補鈣的同時多做戶外運動。,膝關節的構成,,強壯的體系 伸肌股直肌起自髂前下棘跨髖、膝雙關節 股神經（來自L2-4）,髂脛束,髂脛束髂脛束(iliotibial tract):是包

26、繞大腿的深筋膜——闊筋膜的外側增厚部分。起自髂嵴前份的外側緣,其上分為兩層,包裹闊筋膜張肌,并與之緊密結合不宜分離.下部的縱行纖維明顯增厚呈扁帶狀,后緣于臀大肌肌腱相延續.髂脛束下端附著于脛骨外側髁、腓骨頭和膝關節囊。臨床上常用髂脛束作為體壁缺損、薄弱部或膝關節交叉韌帶損傷等修補重建的材料。 髂脛束緊張會增加屈膝過程中對髕骨的外側牽拉。,髂脛束,,股內側肌斜頭,,,腘肌斜位于腘窩底，起自股骨外側髁的外側面上緣，移行為肌腱后穿過腘肌腱

27、裂孔，止于脛骨的比目肌線以上的骨面(脛骨后側的三角區域)。受脛神經（L4-S2）支配．作用：屈膝關節并使小腿旋內。與前交叉韌帶一起防止股骨向前移位。下坡奔跑以及過度內旋可以增加股骨前向位移，并增加肌、肌腱的應力。其通過腘腓韌帶與腓骨小頭后方相連接，并共同組成腘肌腱復合體。兩者協同作用防止脛骨外旋，在對抗脛后移、內翻上也有輔助作用。,,鵝足鵝足滑囊位于縫匠肌、股薄肌及半腱肌的聯合腱止點與脛骨內側副韌帶之間，由于三個肌腱有致密的纖維