膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)運動學(xué)

1、十一 、膝關(guān)節(jié)運動學(xué),內(nèi)容提要,,,,,,,,,,,2,3,膝關(guān)節(jié)功能解剖,膝關(guān)節(jié)生物力學(xué),,,,,教學(xué)基本要求,,,,膝關(guān)節(jié)運動方向,膝關(guān)節(jié)功能解剖,膝關(guān)節(jié)生物力學(xué),,膝關(guān)節(jié)的組成和運動方向,膝關(guān)節(jié)活動范圍,,,,,（1）膝屈曲的范圍依髖關(guān)節(jié)的位置而異，同時還要看是被動還是主動。 （2）膝關(guān)節(jié)屬于橢圓滑車狀關(guān)節(jié)，或稱屈戍關(guān)節(jié)，但實際上膝關(guān)節(jié)的運動是非常復(fù)雜的。脛股關(guān)節(jié)的運動包括四個軸方向的運動。此外還有髕股關(guān)節(jié)之間的運動。 A

2、.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。,膝關(guān)節(jié)的四個軸,（二）膝關(guān)節(jié)的功能解剖,在膝關(guān)節(jié)，彎曲常伴有一個微小而顯著的轉(zhuǎn)動，但是因為來自關(guān)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(guān)節(jié)周圍的韌帶只在緊張狀態(tài)下加載，對關(guān)節(jié)起到被動支持作用。膝關(guān)節(jié)周圍的肌也是在緊張狀態(tài)下加載時對關(guān)節(jié)起到積極的支持作用。膝關(guān)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(guān)節(jié)的功能穩(wěn)定性

3、來源于韌帶的被動收縮，關(guān)節(jié)幾何結(jié)構(gòu)，肌的主動用力以及骨的承重作用。,1．脛股關(guān)節(jié)的形態(tài)與運動的關(guān)系,脛股關(guān)節(jié)分為內(nèi)側(cè)脛股關(guān)節(jié)和外側(cè)脛股關(guān)節(jié)。外側(cè)脛股關(guān)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(cè)脛股關(guān)節(jié)面則呈一種碗形的凹陷。如此，凸起的股骨關(guān)節(jié)面和凹陷的脛骨關(guān)節(jié)面彼此吻合，使膝關(guān)節(jié)得以在矢狀面上作屈伸活動；然而外側(cè)脛骨關(guān)節(jié)面的特征凹陷結(jié)構(gòu)又使得外側(cè)脛股關(guān)節(jié)面并非完全吻合，從而允許膝關(guān)節(jié)的屈伸活動也不是同軸運動而是

4、具有多個瞬時活動中心的運動。,脛股關(guān)節(jié)運動范圍,,,,,,,,,,,,,,,1,2,3,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(guān)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(dāng)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。,（2）脛股關(guān)節(jié)面運動： 在膝部，面關(guān)節(jié)運動發(fā)生在脛

5、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。,3．髕股關(guān)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(xué)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(guān)節(jié)軟骨 髕股關(guān)節(jié)軟骨是人體中最厚的軟骨。最大厚度可達7㎜。髕股

6、關(guān)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(cè)關(guān)節(jié)面，分布于內(nèi)側(cè)者約20%。關(guān)節(jié)面軟骨厚度變化特點有助于增加髕股關(guān)節(jié)面的適合性。,（3）維持髕股對合的平衡機制 髕股關(guān)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(jié)構(gòu)及其力學(xué)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

7、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(jié)節(jié)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(jié)構(gòu)：髕骨的內(nèi)外側(cè)支持帶是維持髕骨排列的靜力性平衡機制。 ②動力結(jié)構(gòu)：股四頭肌收縮時各肌肉之間的力學(xué)平衡是保持運動中髕股對合的動力結(jié)構(gòu)。,（4）髕股關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特點 ①髕股關(guān)節(jié)的對合 ②髕股關(guān)節(jié)接觸應(yīng)力 A.平地行走時，髕股關(guān)節(jié)面之間的應(yīng)力約為人體的一半；上、下樓時可

8、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(dān)了髕股關(guān)節(jié)的接觸壓力，關(guān)節(jié)面的壓強變化不大，對保護關(guān)節(jié)軟骨的正常應(yīng)力有重要意義。,③髕股關(guān)節(jié)的運動：脛骨和股骨間的軸向旋轉(zhuǎn)運動，導(dǎo)致髕韌帶附著處脛骨節(jié)結(jié)，出現(xiàn)內(nèi)外側(cè)移動，造成髕骨出現(xiàn)相對于股骨的旋轉(zhuǎn)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。,,4．膝關(guān)節(jié)的半月板,,,（2）半月板運動的影響因素

9、橫韌帶對半月板運動有限制作用。 內(nèi)外側(cè)半月板與脛骨及關(guān)節(jié)囊的附著 以及與半月板橫韌帶之間形成的環(huán)狀 結(jié)構(gòu)又限制了半月板有過度外移。,5．膝關(guān)節(jié)的韌帶,（1）有關(guān)節(jié)囊外韌帶和關(guān)節(jié)囊內(nèi)韌帶。即：髕韌帶（patellar ligament） 、腓側(cè)副韌帶（fibular collateral ligment）、脛側(cè)副韌帶（tibial collateral ligament）、腘斜韌帶(oblique popliteal liga

10、ment)、膝交叉韌帶（cruciate ligaments of knee）。 （2）眾多韌帶附著，以保證膝關(guān)節(jié)運動的穩(wěn)定性。 （3）側(cè)副韌帶在膝關(guān)節(jié)完全伸直時被拉緊，關(guān)節(jié)只有處于這種狀態(tài)時才易損傷。當(dāng)膝關(guān)節(jié)被猛烈外展時，可導(dǎo)致脛側(cè)副韌帶部分或全部被撕裂，而過大的內(nèi)收力量則可以導(dǎo)致腓側(cè)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(cè)副韌帶一起被撕斷。前交叉韌帶可以在膝關(guān)節(jié)猛烈過伸或脛骨向前脫位時被撕斷。

11、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(guān)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。,膝關(guān)節(jié)韌帶,6．關(guān)節(jié)囊和滑囊,（1）膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)囊薄而松弛，有很多隱窩，附于各關(guān)節(jié)面的周緣，周圍與韌帶相連接。 （2） 膝關(guān)節(jié)周圍有許多的滑膜囊，膝關(guān)節(jié)囊的滑膜層是全身關(guān)節(jié)中最寬闊最復(fù)雜的，附著于該關(guān)節(jié)各骨的關(guān)節(jié)面周緣，覆蓋關(guān)節(jié)內(nèi)除了關(guān)節(jié)軟骨

12、和半月板以外的所有結(jié)構(gòu)?；の挥谙リP(guān)節(jié)囊的內(nèi)面，起自關(guān)節(jié)軟骨邊緣，然后反折于關(guān)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(guān)節(jié)面。在伸時，腓腸肌和腘肌囊受擠壓，滑液受力驅(qū)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(dāng)關(guān)節(jié)處于半屈位置時，滑液處于最小張力壓迫下。當(dāng)受傷或得病時，關(guān)節(jié)腔中充盈過多的液體，半屈膝體位可以減少關(guān)節(jié)腔中的張力，有利于減少疼痛。,7．膝關(guān)節(jié)的肌,包繞膝關(guān)節(jié)的肌有：股四頭

13、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(guān)節(jié)的肌,膝關(guān)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(guān)節(jié)是兩個相互獨立且相互抵消的統(tǒng)一：1）要求膝關(guān)節(jié)在承受體重和有關(guān)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(yīng)。 膝關(guān)節(jié)是最適合作為生物力學(xué)分析關(guān)節(jié)作用的關(guān)節(jié)。,（三）膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué),1．膝關(guān)節(jié)的軸（1）力學(xué)軸

14、：從股骨頭中心到踝骨中心的連線，在髁間結(jié)節(jié)穿過膝，使髖、膝、踝三關(guān)節(jié)中心的軸，偏離垂直方向約3 º。（2）解剖軸：為貫穿股骨干的直線，由近端向遠端偏離力學(xué)軸約6 º，而髕骨解剖軸與下肢力學(xué)軸一致，二軸與膝關(guān)節(jié)相交時形成170 º～175 º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(guān)節(jié)中心，重量均分在膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)和外側(cè)的結(jié)構(gòu)上。,2．單足站立時膝關(guān)節(jié)的靜力學(xué)分析,單足站立時，重力線與負重肢

15、的負重線（在膝以下與下肢力學(xué)軸重合）落在膝關(guān)節(jié)上的一個接觸點上，膝關(guān)節(jié)外側(cè)力與重力平衡，關(guān)節(jié)重力為二者合力的結(jié)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(guān)節(jié)外展，膝關(guān)節(jié)伸直，在額狀面上為主要對抗重力的因素。,（1）脛股關(guān)節(jié)的靜力學(xué)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(guān)節(jié)上關(guān)節(jié)反力的最小值。,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

16、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(guān)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(guān)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(guān)節(jié)反力（J）為體重的4.1倍。可以看出，主要肌力對于關(guān)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

17、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=0 W×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,（2）膝關(guān)節(jié)的受力 ①脛

18、骨和股骨的負重：膝關(guān)節(jié)單腿站立時，膝關(guān)節(jié)承受的壓力約為體重的2倍。行走時膝關(guān)節(jié)承受的壓力約為體重的3～4倍，膝關(guān)節(jié)承受力的峰值在屈膝20°，但膝關(guān)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(cè)髁的受力是基本相同的，當(dāng)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(cè)受力明顯增加，膝關(guān)節(jié)向外側(cè)移位，承重力線內(nèi)移，壓迫內(nèi)側(cè)脛骨平臺軟骨，使軟骨慢性損傷，并使腓側(cè)副韌帶上的應(yīng)力漸進性

19、增加，膝軸變?yōu)閮A斜，常伴有小腿和足的內(nèi)旋。同時外側(cè)韌帶張力明顯增加，在行走時出現(xiàn)關(guān)節(jié)的擺動移位，導(dǎo)致關(guān)節(jié)退化。 當(dāng)發(fā)生膝外翻時，膝關(guān)節(jié)向內(nèi)側(cè)移位，承重力線外移，壓迫外側(cè)脛骨平臺軟骨，持續(xù)超負荷會導(dǎo)致軟骨的損壞，同時脛側(cè)副韌帶上的應(yīng)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(yīng)的變化。,正常膝和畸形膝脛骨和股骨的負重,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

20、的多。,髕股關(guān)節(jié)所受壓力,3．膝關(guān)節(jié)的動力學(xué)分析,（1）脛股關(guān)節(jié)的動力學(xué)分析 從運動角度分析脛股關(guān)節(jié)。在做動力分析時所要考慮的主要的力是肌—體重—結(jié)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(guān)節(jié)力矩。 下面以踢足球的活動為例，說明應(yīng)用動力分析來計算某一特定瞬時脛股關(guān)節(jié)上的關(guān)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

21、的數(shù)據(jù)表，小腿慣性質(zhì)量矩定為0.35N?ms2。根據(jù)力矩等于質(zhì)量慣性矩乘以角加速度的公式（T=Ia）即可以算出脛股關(guān)節(jié)上的力矩。即T=0.35 N?ms2*453 r/s2=158.5 N?ms2,在定出力矩為158.5 N?ms2后再測出從人的髕腱到脛股關(guān)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(guān)節(jié)上的肌力：158.5 N?m=F*0.05mF=158.5N?m/0.054m通過進一步運算

22、是踢球運動時由股四頭肌施加的最大力值是3170N?，F(xiàn)在可以做靜力分析來確定脛股關(guān)節(jié)上關(guān)節(jié)反力的值。這個關(guān)節(jié)上主要的力確定為髕腱力（P），小腿重力（T）和關(guān)節(jié)反力（J）。髕腱力（P）和小腿重力（T）是已知矢量。關(guān)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。,（2）髕股關(guān)節(jié)的動力學(xué)分析在髕股關(guān)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(guān)節(jié)

23、的小的彎曲力矩，因為膝關(guān)節(jié)以上的身體重心幾乎就在髕股關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動中心的上方。然而，當(dāng)膝關(guān)節(jié)屈曲增加，重心從轉(zhuǎn)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(dāng)股四頭肌肌力增加時，髕股關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)節(jié)反力始終比股四頭肌力

24、大。股四頭肌收縮和體重都使髕股關(guān)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(guān)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(guān)節(jié)屈，髕股關(guān)節(jié)的反作用力也是增加的。,當(dāng)膝關(guān)節(jié)伸時，髕骨下面的部分擱置在股骨上。當(dāng)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

25、有些增加。在某種程度上，隨著膝關(guān)節(jié)的屈曲，這個接觸面積的增加補償了增大的髕股關(guān)節(jié)反作用力。在某種情況下，股四頭肌肌力髕股關(guān)節(jié)周圍的力矩很高，尤其是膝關(guān)節(jié)屈曲時。,4．步行時脛骨平臺的反應(yīng)力及輔助結(jié)構(gòu)的作用,（1）步行時脛骨平臺的反應(yīng)力 ①脛骨平臺的定義 構(gòu)成膝關(guān)節(jié)基本結(jié)構(gòu)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(guān)節(jié)頭，脛骨上端構(gòu)成關(guān)節(jié)窩。組成膝關(guān)節(jié)基本結(jié)構(gòu)的兩塊骨所形成的關(guān)節(jié)頭和窩不典型，特別是脛骨構(gòu)成的關(guān)節(jié)

26、窩很淺近似于一個平面(俗稱脛骨平臺)，這一結(jié)構(gòu)有助于膝關(guān)節(jié)的靈活性，但穩(wěn)定性較差。 ②膝關(guān)節(jié)的受力特點 膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)髁較外側(cè)髁接觸面積大；高負荷下半月板承擔(dān)脛股關(guān)節(jié)總壓力的一半，而低負荷下脛股關(guān)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(yīng)力 步態(tài)周期中，關(guān)節(jié)反作用力從內(nèi)側(cè)脛骨平臺移動到外側(cè)脛骨平臺。,（2）膝關(guān)節(jié)輔助結(jié)構(gòu)的作用 其主要作用是增加膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。 ①側(cè)

27、副韌帶 防止小腿在膝關(guān)節(jié)處向左右側(cè)方移動的作用，保證人體運動時膝關(guān)節(jié)只能沿屈伸方向發(fā)力(運動) 。 ②十字交叉韌帶 其主要功能是在運動中當(dāng)小腿固定時防止大腿在膝關(guān)節(jié)處前后移動，使膝關(guān)節(jié)在運動中前后保持穩(wěn)定。 ③半月板 增加膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定并有減輕運動時關(guān)節(jié)頭和窩之間撞擊的作用。 ④脂肪墊 它促進膝關(guān)節(jié)滑液的分泌，減輕運動中膝關(guān)節(jié)震動的作用。 ⑤髕骨 對膝關(guān)節(jié)有一定的保護作用并有增加伸膝關(guān)節(jié)肌力矩的作用。,5．膝關(guān)節(jié)損傷和脫

28、位,膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)副韌帶損傷在體力勞動和體育運動中較常見。 膝關(guān)節(jié)脫位比較少見，好發(fā)于青壯年。膝關(guān)節(jié)伸直時，無側(cè)方及旋轉(zhuǎn)活動。當(dāng)屈曲或半屈位時，可有輕度側(cè)方及旋轉(zhuǎn)活動。因為膝關(guān)節(jié)內(nèi)外有堅強的韌帶結(jié)構(gòu)維護其穩(wěn)定性，故只有在遭受強大暴力造成脫位時，才會并發(fā)韌帶、半月板的損傷，也可發(fā)生骨折乃至神經(jīng)、血管的損傷。,6．全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的功能鍛煉,全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)適合于老年性或退變性骨關(guān)節(jié)炎、創(chuàng)傷性骨關(guān)節(jié)炎、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎等疾病。它是用人工生物材料替