正常膝关节的生物力学

　　膝关节属于一种铰链关节，主要用来承受身体的重量，是人体内最大的，也可能是最复杂的一个关节。它由胫骨、股骨和髌骨三个部分所组成，有两个关节结构，含有胫股关节和髌股关节。I~,T n--J作弯曲、伸直运动外，还允许部分的内外旋转，内外翻，由于膝关节承受较大的应力，并处于身体两个最长的杠杆臂之间，所以特别容易受伤。在膝关节，关节面的运动发生于胫骨髁和股骨髁之间，以及于股骨髁和髌骨之间。在胫股关节面的活动同时发生于三个面上，但运动主要是在矢状面上、水平面和冠状面上的运动极小。髌股关节面的运动可同时发生于两个面上，以冠状面的运动最大。膝关节的铰链结构是由股骨髁和胫骨平台上的浅窝所形成，胫骨髁间隆起介于胫骨平台之间将胫骨平台分隔为二。胫骨内髁比外髁大，且受力也较大。胫骨的顶端有两个半月形的纤维软骨，称为内侧半月板和外侧半月板。此二半月板可随胫骨向前和向后滑动而增加接触面积，增加胫股关节的接触面积，将关节应力均匀地分布在胫骨平台上。髌骨位于膝关节前方，主要作用是增加股四头肌的力臂，使肌力得到最充分的发挥。髌骨关节面的构造使其与股骨间的关节面达到最大的接触面积，使髌股关节面间的应力分布均匀。

　　膝关节的稳定由周围软组织来维持，包含前十字韧带、后十字韧带、内侧副韧带、外侧副韧带和周围的关节囊。前十字韧带的作用是防止胫骨相对于股骨向前位移，后十字韧带的作用是防止胫骨相对于股骨向后位移。膝关节两侧有内侧副韧带和外侧副韧带。内侧副韧带由股骨内髁连到胫骨内髁，而其深层与半月板的外层结合。外侧副韧带由股骨外髁而至腓骨小头。此两侧副韧带主要提供膝关节两侧的稳定。除此之外，关节内部还有许多滑液囊可分泌润滑液，维持关节的正常功能。

　　正常膝关节的股骨髁与胫骨平台的接触是球形，胫股关节由完全伸直至完全弯曲，股骨大部分均在胫骨上滑动，但胫股关节不是一个单纯的屈戍关节，而有螺旋形活动。

　　胫骨在屈伸时的螺旋活动起缘股骨内髁的形状。正常膝关节的内髁比外髁长1．7cm。胫骨自完全屈曲至完全伸直时活动，它按股骨内髁的曲线先下沉，然后上升，同时外旋。

　　自完全伸直至完全屈曲时的活动，运动方向同上述相反，这种旋紧功能可使膝在任何部位产生最大的稳定力，使膝关节的稳定度比一般简单的枢纽关节为高。胫股关节最大运动范围在矢状平面上由伸直至完全弯曲共约140。。在横截面的运动为内、外旋转，因为股骨内侧髁较外髁为长，当膝关节完全伸直时，旋转几乎完全被胫骨与股骨髁的组合装置所完全限制；当膝关节弯曲时转动范围即可增加，当弯曲90。时达到最大值：即内旋可达30。，外旋则可达45。，当弯曲超过90。后，因为软组织限制的关系，旋转范围则降低。胫股关节在冠状面的运动为内收、外展，也受关节弯曲程度影响，完全伸直时即排除了所有在此平面的运动；当弯曲达30。时，被动的外展和内收可增加；当弯曲超过30。后，同样因为软组织限制的关系而降低活动度，内收和外展平均约为ll。。髌股关节主要为滑动运动，自完全伸直至完全屈曲，髌骨在股骨髁处向下滑动约7cm。股骨的内髁与外髁在完全伸直和90。屈曲时，均与髌骨接连。超过90。，髌骨乃外旋，只有股骨内髁与髌骨连接。在完全屈曲时，髌骨乃沉人髁间沟内。髌骨有两项重要的膝关节生物力学功能。一是在整个运动范围内，产生股四头肌的向前变位，协助膝的伸直；并可增加股四头肌的杠杆力臂。二是通过增加髌腱与股骨之间的接触面，使挤压应力的分布更均匀。

　　膝关节中胫股关节是由股骨和胫骨髁承受压应力，韧带和关节囊传递张应力并通过关节整合为压应力。利用静力平衡的关系可以发现膝关节周围的肌力对于关节作用力有很大的影响，在两个关节面上，可达体重的数倍。胫股关节在站立期中的受力最大约达体重的2～4倍。在步态周期中，关节作用力系由内侧转移到外侧平台，在站立期初期作用力达最大值，主要落于内侧胫骨平台，最大接触力量有3．06倍体重，外侧胫骨平台的最大接触力有1．25倍体重，膝关节受力总和约为4．3l倍体重，外髁与内髁之接触比为l：2．5。

　　在髌股关节内，膝屈曲也会影响关节的反应力，膝屈曲越大，形成的关节反应力也越大。膝于伸直时，髌骨可在整个运动范围内有助于延长股四头肌的杠杆力臂，使挤压应力能在股骨上广泛分散。人体步态中，股四头肌肌力随膝弯曲而改变，髌股骨关节之作用力也随之改变。膝弯曲也影响髌骨肌腱与股四头肌韧带间的夹角。夹角越小造成两边张力之合力越大，增加髌股骨关节面的作用力。在步态周期中，髌股骨关节作用力最大约0．7～1．3倍体重。日常生活中随弯曲的增加，作用力可达2．5～3倍体重，下楼梯则约3．3倍。