膝关节生物力学运动学

关于膝关节生物力学运动学内容提要

231膝关节组成和运动方向膝关节功能解剖膝关节生物力学第2页,共45页，2024年2月25日，星期天教学基本要求

膝关节运动方向膝关节功能解剖膝关节生物力学掌握膝关节的半月板、韧带、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熟悉膝关节组成和运动方向，了解膝关节的动力学分析膝关节组成Text第3页,共45页，2024年2月25日，星期天难点：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、膝关节的轴重点和难点第4页,共45页，2024年2月25日，星期天膝关节的组成和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°。

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。

组成和运动方向第5页,共45页，2024年2月25日，星期天膝关节活动范围第6页,共45页，2024年2月25日，星期天第7页,共45页，2024年2月25日，星期天第8页,共45页，2024年2月25日，星期天（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。第9页,共45页，2024年2月25日，星期天膝关节的四个轴第10页,共45页，2024年2月25日，星期天（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。第11页,共45页，2024年2月25日，星期天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。第12页,共45页，2024年2月25日，星期天胫股关节运动范围123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；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。

第13页,共45页，2024年2月25日，星期天（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。第14页,共45页，2024年2月25日，星期天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。

第15页,共45页，2024年2月25日，星期天（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。第16页,共45页，2024年2月25日，星期天

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17页,共45页，2024年2月25日，星期天（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。第18页,共45页，2024年2月25日，星期天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。第19页,共45页，2024年2月25日，星期天4．膝关节的半月板膝关节半月板的结构半月板分别称为内、外侧半月板。内侧半月板较大，呈“C”形，前脚窄而薄，后角宽阔而稍厚；外侧半月板较小，近似“O”形，前、后角的距离很接近，外侧缘亦与关节囊相连。膝关节半月板的功能A．传导负载B．维持稳定C．减轻震荡第20页,共45页，2024年2月25日，星期天第21页,共45页，2024年2月25日，星期天（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22页,共45页，2024年2月25日，星期天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（patellarligament）、腓侧副韧带（fibularcollateralligment）、胫侧副韧带（tibialcollateralligament）、腘斜韧带(obliquepoplitealligament)、膝交叉韧带（cruciateligamentsofknee）。（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。第23页,共45页，2024年2月25日，星期天膝关节韧带第24页,共45页，2024年2月25日，星期天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。第25页,共45页，2024年2月25日，星期天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。膝关节的肌第26页,共45页，2024年2月25日，星期天

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。（三）膝关节的生物力学第27页,共45页，2024年2月25日，星期天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3º。（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6º，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170º～175º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。

第28页,共45页，2024年2月25日，星期天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。第29页,共45页，2024年2月25日，星期天（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。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ab作用在绕胫股关节转动中心的两个主要力矩第30页,共45页，2024年2月25日，星期天

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。ΣM=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=0W×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

第31页,共45页，2024年2月25日，星期天（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。第32页,共45页，2024年2月25日，星期天正常膝和畸形膝胫骨和股骨的负重第33页,共45页，2024年2月25日，星期天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，伸直位受的压力较屈曲位小的多。髌股关节所受压力第34页,共45页，2024年2月25日，星期天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，求出踢足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=0.35N•ms2*453r/s2=158.5N•ms2第35页,共45页，2024年2月25日，星期天在定出力矩为158.5N•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：158.5N•m=F*0.05mF=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。第36页,共45页，2024年2月25日，星期天（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。第37页,共45页，2024年2月25日，星期天35°35°PQJ80°80°PQJ膝屈90°膝屈5°AB第38页,共45页，2024年2月25日，星期天当膝关节伸时，髌骨下面的部分搁置在股骨上。当膝屈曲到90º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。

第39页,共45页，2024年2月25日，星期天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。③步行时胫骨平台的反应力步态周期中，关节反作用力从内侧胫骨平台移动到外侧胫骨平台。第40页,共45页，2024年2月25日，星期天（2）膝关节辅助结构的