当前位置:首页 >> 基础医学 >>

膝关节运动学


第四章
第二节

关节运动学
下肢运动学

二、膝关节运动学

内容提要
(一)膝关节组成和运动方向
1.膝关节的组成 2.膝关节的运动方向

(二)膝关节功能解剖
1.胫股关节的形态与运动的关系 2.胫股关节的运动特征 3.髌股关节的功能解剖 4.膝关节的半月板 5.膝关节的韧带 6.关节囊和滑囊 7. 膝关节的肌

(三)膝关节生物力学
1.膝关节的轴 2.单足站立时膝关节上的静力学分析 3.膝关节的动力学分析 4.步行时胫骨平台的反应力及辅助结构的作用 5.膝关节损伤和脱位 6.全膝关节置换术的功能锻炼

教学基本要求
? 1.掌握胫股关节的形态与运动的关系、胫股关节的 运动特征、髌股关节的功能解剖、膝关节的半月板、 膝关节的韧带、膝关节的肌、单足站立时膝关节上 的静力学分析、步行时胫骨平台的反应力及辅助结 构的作用 ? 2.熟悉膝关节组成和运动方向、膝关节囊和滑囊、 膝关节的轴、膝关节损伤和脱位 ? 3.了解膝关节的动力学分析、全膝关节关节置换术 的功能锻炼

重点和难点
?重点:胫股关节的形态与运动的关系、胫股关节的运动
特征、髌股关节的功能解剖、步行时胫骨平台的反应力及 辅助结构的作用、膝关节运动方向、膝关节的轴

?难点:单足站立时膝关节上的静力学分析、膝关节的动
力学分析

(一)膝关节的组成和运动方向
1.膝关节的组成
它是由胫股关节(内侧胫股关节面、外侧胫股关节面)和髌 股关节组成的双关节结构,这三个关节面均围在同一个关节 囊内。

2.膝关节的运动方向
膝关节在胫骨关节面三个平面内均可以发生运动,但是运动 幅度在矢状面最大,正常活动范围为0°~135°。

膝关节活动范围

(1)膝屈曲的范围依髋关节的位置而异,同时还要看是被 动还是主动。 (2)膝关节属于椭圆滑车状关节,或称屈戍关节,但实际 上膝关节的运动是非常复杂的。胫股关节的运动包括四个 轴方向的运动。此外还有髌股关节之间的运动。 A.水平轴:屈伸活动;B.垂直轴:内外旋活动;C.矢状轴: 内收外展活动;D.前后位水平移动。

膝关节的四个轴



(二)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。

1.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。

2.胫股关节的运动特征
(1)胫股关节运动范围:
A.胫股关节的运动范围在矢状面内最大,膝完全伸直到完 全屈曲的范围是0°~140°左右; B.胫股关节在横面内的活动范围,随膝完全伸直到屈曲 90°而有所增加; C.在额面内可得到同样的模式。膝完全伸直时几乎不可能 有外展或内收。当膝屈曲到30°时,该面内的运动增加, 但不论在被动外展或被动内收时,其最大运动也只有几度。 同样,由于软组织的限制功能,屈曲超过30°时,这个面 内的运动减少。

(2)胫股关节面运动: 在膝部,面关节运动发生在胫骨髁与股骨髁之 间和股骨髁与髌骨之间。在胫骨髁与股骨髁之 间,面运动同时发生在所有的三个平面上,但 在横截面和额状面上为最小。在股骨髁与髌骨 之间,面运动同时发生在额状面和横截面两个 面上。

3.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。

(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。 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。

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。

(4)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。

? ③髌股关节的运动:胫骨和股骨间的轴向旋转运动,导致 髌韧带附着处胫骨节结,出现内外侧移动,造成髌骨出现 相对于股骨的旋转运动。在正常运动时,大约有内旋6° 和外旋8°,如果运动范围增加还会增大。

4.膝关节的半月板
(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(medial meniscus)较 大,呈“C”形,前脚窄而薄,后角宽阔而稍厚; 外侧半月板(lateral meniscus)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。

5.膝关节的韧带
(1)有关节囊外韧带和关节囊内韧带。即:髌韧带 (patellar ligament) 、腓侧副韧带(fibular collateral ligment)、胫侧副韧带(tibial collateral ligament)、腘斜 韧带(oblique popliteal ligament)、膝交叉韧带(cruciate ligaments of knee)。 (2)众多韧带附着,以保证膝关节运动的稳定性。 (3)侧副韧带在膝关节完全伸直时被拉紧,关节只有处于 这种状态时才易损伤。当膝关节被猛烈外展时,可导致胫 侧副韧带部分或全部被撕裂,而过大的内收力量则可以导 致腓侧副韧带损伤。 (4)在严重的内收或外展损伤时,交叉韧带可以与侧副韧 带一起被撕断。前交叉韧带可以在膝关节猛烈过伸或胫骨 向前脱位时被撕断。后交叉韧带则在后脱位时被撕断。假 如两条交叉韧带都被撕断,膝关节就会出现不正常的前后 移动;如果仅仅是向前移动的范围增大,表示前交叉韧带 断裂或松弛,如向后移动的范围增大,则表示后交叉韧带 断裂或松弛。

膝关节韧带

6.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。

7.膝关节的肌
包绕膝关节的肌有:股四头肌、缝匠肌、股二头肌、半腱 肌、半膜肌、股薄肌和腓肠肌等等。

膝关节的肌

(三)膝关节的生物力学
膝关节传递载荷,参与运动,吸收震动,承受压力,为小 腿活动提供力偶。膝关节是两个相互独立且相互抵消的统 一:1)要求膝关节在承受体重和有关杠杆力的作用情况下, 在全伸展位时有较大的稳定性。2)要求在一定程度的屈曲 下具有很大的活动性,为了跑动以及足对不平整地面的适 应。 膝关节是最适合作为生物力学分析关节作用的关节。

1.膝关节的轴
(1)力学轴:从股骨头中心到踝骨中心的连线,在髁间结 节穿过膝,使髋、膝、踝三关节中心的轴,偏离垂直方向 约3 ? 。 (2)解剖轴:为贯穿股骨干的直线,由近端向远端偏离力 学轴约6 ? ,而髌骨解剖轴与下肢力学轴一致,二轴与膝关 节相交时形成170 ? ~175 ? 的钝角,称为膝部的生理外翻 角,正常时地心引力经过膝关节中心,重量均分在膝关节 内侧和外侧的结构上。

2.单足站立时膝关节的静力学分析
单足站立时,重力线与负重肢的负重线(在膝以下 与下肢力学轴重合)落在膝关节上的一个接触点上, 膝关节外侧力与重力平衡,关节重力为二者合力的 结果。此时,作为臀大肌和阔筋膜张肌的肌腱增厚 愈合而成的髂胫束起到重要的承重作用,它使髋关 节外展,膝关节伸直,在额状面上为主要对抗重力 的因素。

(1)胫股关节的静力学分析
例:登楼梯时一腿上举,采用分离体法来估算另一负重腿 胫股关节上关节反力的最小值。

a b

作用在被设计为自由体 的下肢上的三个共面力

力的三角形

作用在绕胫股关节转动 中心的两个主要力矩

把小腿作为分离体与身体其它部分分开,画出爬梯状态下的 分离体图。从作用在分离体上所有的力中,定出三个主要共 面力,即:①地面反力(与体重相等)。②股四头肌通过髌 腱施加的拉力。③胫骨平台上的关节反力(即体重加肌作用 力的反力)。 (1) 因为下肢处于平衡状态,故所有三个力的作用线必相 交于一点。由于小腿处于平衡,加上关节反力J时,三角形 必须闭合。 在这个例子中,髌腱力(P)是体重的3.2倍,关节反力 (J)为体重的4.1倍。可以看出,主要肌力对于关节反力值 的影响远远大于由体重产生的地面反力。 (2)因为下肢处于平衡状态,力矩和必须为零。
Σ M=0 在这个例子中,逆时针方向的力矩被定义为正,则: W×a-P×b=0 W×a=P×b 力臂a和b的值能都从解剖样本或软组织X光相片上测量到,W的大小 能从每个人的体重获得,那么P的大小就能从力矩平衡方程中得到: P=(W×a)/b

(2)膝关节的受力
①胫骨和股骨的负重:膝关节单腿站立时,膝关节承受的压 力约为体重的2倍。行走时膝关节承受的压力约为体重的3~ 4倍,膝关节承受力的峰值在屈膝20°,但膝关节主要承受 力是在0°~40°范围内。 在正常伸膝条件下,胫骨内外侧髁的受力是基本相同的,当 出现膝内外翻畸形时,则受力完全不同。发生膝内翻时,出 现内侧受力明显增加,膝关节向外侧移位,承重力线内移, 压迫内侧胫骨平台软骨,使软骨慢性损伤,并使腓侧副韧带 上的应力渐进性增加,膝轴变为倾斜,常伴有小腿和足的内 旋。同时外侧韧带张力明显增加,在行走时出现关节的摆动 移位,导致关节退化。 当发生膝外翻时,膝关节向内侧移位,承重力线外移,压迫 外侧胫骨平台软骨,持续超负荷会导致软骨的损坏,同时胫 侧副韧带上的应力逐渐增加,严重者造成髌骨向外移位,伸 膝时牵拉股四头肌。膝轴、小腿和足也会发生相应的变化。

正常膝和畸形膝胫骨和股骨的负重

②髌骨股骨的受力 髌骨的受力在伸直位和屈曲位是不同的,伸直位受的压力 较伸直位小的多。

髌股关节所受压力

3.膝关节的动力学分析
(1)胫股关节的动力学分析 从运动角度分析胫股关节。在做动力分析时所要考虑的主 要的力是肌—体重—结缔组织及外加载荷所产生,在做动 力分析时较常用的是关节力矩。 ? 下面以踢足球的活动为例,说明应用动力分析来计算某一 特定瞬时胫股关节上的关节反力。 ? 取一张膝和小腿的频闪摄影图,求出足踢球瞬时的最大角 加速度,这一瞬时小腿几乎垂直。从片子上可以计算出最 大角加速度是453r/s2。根据人体测量的数据表,小腿惯 性质量矩定为0.35N?ms2。根据力矩等于质量惯性矩乘以 角加速度的公式(T=Ia)即可以算出胫股关节上的力矩。 ? 即T=0.35 N?ms2*453 r/s2=158.5 N?ms2

? 在定出力矩为158.5 N?ms2后再测出从人的髌腱到胫股关 节瞬时中心的垂直距离为0.05m,利用力矩等于力乘距离 的公式即可算出髌腱作用在关节上的肌力: ? 158.5 N?m=F*0.05m ? F=158.5N?m/0.054m ? 通过进一步运算是踢球运动时由股四头肌施加的最大力值 是3170N。现在可以做静力分析来确定胫股关节上关节反 力的值。这个关节上主要的力确定为髌腱力(P),小腿 重力(T)和关节反力(J)。髌腱力(P)和小腿重力(T) 是已知矢量。关节反力(J)的大小、方向和作用线未知。 用三个共面力的分离体法解出力(J),可以发现此力只 稍低于髌腱力。

(2)髌股关节的动力学分析 ? 在髌股关节中,随着膝的屈曲,股四头肌肌力增加。在放 松竖直站立时,要求股四头肌肌力最小以平衡髌股关节的 小的弯曲力矩,因为膝关节以上的身体重心几乎就在髌股 关节转动中心的上方。然而,当膝关节屈曲增加,重心从 转动中心向远移动,因此极大地增加了弯曲力矩,由股四 头肌肌力来平衡。当股四头肌肌力增加时,髌股关节的反 作用力也增加。即:膝屈曲越大,股四头肌的力值越大, 因此髌股关节反作用力值越高。在膝屈曲到90°的过程中 产生更高的髌股关节反力。在膝屈曲90°时,此力达到体 重的2.5~3倍。膝屈曲整个过程中,髌股关节反力始终比 股四头肌力大。 ? 股四头肌收缩和体重都使髌股关节受力,在这种情况下, 膝屈曲度直接影响股四头肌的力值,它是通过改变髌腱力 和股四头肌腱力之间的夹角来实现的。这两个分力之间的 角随着膝的弯曲急剧变大,增加了髌股关节反作用力的大 小,它是两个分力的合力。从理论上来讲,即使股四头肌 肌力保持不变,随着膝关节屈,髌股关节的反作用力也是 增加的。

35° Q 35°

P 膝屈5° J

80°

Q 80°

膝屈90°

P

J

A

B

? 当膝关节伸时,髌骨下面的部分搁置在股骨上。当 膝屈曲到90?时,髌骨和股骨之间的接触面积头盖 形的增加,它的大小也稍微有些增加。在某种程度 上,随着膝关节的屈曲,这个接触面积的增加补偿 了增大的髌股关节反作用力。 ? 在某种情况下,股四头肌肌力髌股关节周围的力矩 很高,尤其是膝关节屈曲时。

4.步行时胫骨平台的反应力及辅助结构的作用
(1)步行时胫骨平台的反应力 ①胫骨平台的定义
构成膝关节基本结构的骨是大腿股骨的下端和小腿胫骨的上端,股 骨下端可以看成是关节头,胫骨上端构成关节窝。组成膝关节基本结 构的两块骨所形成的关节头和窝不典型,特别是胫骨构成的关节窝很 浅近似于一个平面(俗称胫骨平台),这一结构有助于膝关节的灵活性, 但稳定性较差。

②膝关节的受力特点

膝关节内侧髁较外侧髁接触面积大;高负 荷下半月板承担胫股关节总压力的一半,而低负荷下胫股关节压力分 布较不确定,可很少或没有股骨胫骨间的负荷直接接触传递。
步态周期中,关节反作用力从内 侧胫骨平台移动到外侧胫骨平台。

③步行时胫骨平台的反应力

(2)膝关节辅助结构的作用
其主要作用是增加膝关节的稳定性。 ①侧副韧带 防止小腿在膝关节处向左右侧方移动的作用,保 证人体运动时膝关节只能沿屈伸方向发力(运动) 。 ②十字交叉韧带 其主要功能是在运动中当小腿固定时防止大
腿在膝关节处前后移动,使膝关节在运动中前后保持稳定。

③半月板 增加膝关节的稳定并有减轻运动时关节头和窝之间撞
击的作用。

④脂肪垫
作用。

它促进膝关节滑液的分泌,减轻运动中膝关节震动的

⑤髌骨 对膝关节有一定的保护作用并有增加伸膝关节肌力矩的
作用。

5.膝关节损伤和脱位
膝关节内侧副韧带损伤在体力劳动和体育运动中较常见。

膝关节脱位比较少见,好发于青壮年。膝关节伸直时,无 侧方及旋转活动。当屈曲或半屈位时,可有轻度侧方及旋 转活动。因为膝关节内外有坚强的韧带结构维护其稳定性, 故只有在遭受强大暴力造成脱位时,才会并发韧带、半月 板的损伤,也可发生骨折乃至神经、血管的损伤。

6.全膝关节置换术的功能锻炼
? 全膝关节置换术适合于老年性或退变性骨关节炎、创伤性 骨关节炎、类风湿关节炎等疾病。它是用人工生物材料替 代已有明显病损的膝关节表面的骨与软骨,从而达到消除 病痛、缓解症状和矫正畸形,恢复与改善膝关节功能的作 用。 ? 关节功能的恢复,除了自身手术效果外,术后以及出院后 的关节功能锻炼甚为重要。


相关文章:
更多相关标签: