膝关节运动学

膝关节是承重关节，处于身体两个最长骨之间，承载力量较大。在诸如跑、跳起落地、原地转动等活动中，膝关节的功能是维持下肢的长度、吸收振动；在爬楼梯、匍匐前进和跳跃等运动中膝关节产生很大的推进力控制着下肢伸缩和运动速度。膝关节的稳定性主要靠静态约束来维持，交叉韧带和侧副韧带是限制膝关节运动的主要结构，而膝关节动态稳定性主要由横跨关节的肌肉组织提供。膝关节的损伤十分常见，常是由于力作用于股骨和胫骨的长杠杆臂而产生较大的力矩造成的。

（一）解剖学基础

膝关节由股骨下端、胫骨上端和髌骨构成，是人体最大最复杂的关节。股骨下端两个向后突出的膨大为内侧髁和外侧髁，内、外侧髁的前面、下面和后面都是光滑的关节面，两髁之间的深窝称髁间窝。髌骨是人体最大的籽骨，位于股骨下端前面，在股四头肌腱内，上宽下尖，前面粗糙，后面为关节面。胫骨上端膨大，向两侧突出，形成内侧髁和外侧髁，二髁上面各有上关节面，两上关节面之间的粗糙小隆起，称髁间隆起。髌骨与股骨的髌面相接，股骨的内、外侧髁分别与胫骨的内、外侧髁相对。股骨髁可以看作是由髌面和胫骨关节面两个独立结构组成，尽管整个股骨髁的曲面半径是变化的，但把胫骨关节面和髌骨关节面单独考虑时，每一个关节面的曲率半径又是不变的。无论在前后方向还是上下方向，股外侧髁要比内侧髁小，有利于膝关节的外翻和前后方向对齐。胫骨内、外侧关节面平台在横截面上近似为卵圆形，在额状面上近似为平面，即使半月板也考虑进去，关节面也只是略有凹陷。膝关节实际上由两个关节组成：股胫关节和髌股关节。股胫关节是人体上最大的关节，由胫骨端和股骨端组成；髌股关节由人体上最大的籽骨-髌骨和股骨滑车构成。

膝关节的关节囊薄而松弛，附着于各关节面的周缘，形成围在关节周围的一个袖套，刚好附着于股骨髁和胫骨髁的上下。关节囊的滑膜层广阔，除关节软骨及半月板的表面无滑膜覆盖外，关节内所有的结构都被覆着一层滑膜。在髌上缘，滑膜向上方呈囊状膨出约4厘米左右。称为髌上囊。于髌下部的两侧，滑膜形成皱襞，突入关节腔内，皱襞内充填以脂肪和血管，叫做翼状襞。两侧的翼状襞向上方逐渐合成一条带状的皱襞，称为髌滑膜襞，伸至股骨髁间窝的前缘。

支持带和韧带加强关节囊并成为整个关节囊的一部分，以增加关节的稳定性，主要韧带包括：①髌韧带，自髌骨向下止于胫骨粗隆。②腓侧副韧带，起自股骨外上髁，向下延伸至腓骨头，韧带表面大部分被股二头肌腱所覆盖，与外侧半月板不直接相连；③胫侧副韧带，起自股骨内上髁，向下附着于胫骨内侧髁及相邻骨体，与关节囊和内侧半月板紧密结合；其中胫侧副韧带和腓侧副韧带在伸膝时紧张，屈膝时松弛，半屈膝时最松弛，所以在半屈膝位允许膝关节作少许内旋和外旋运动。④腘斜韧带，由半膜肌腱延伸而来，起自胫骨内侧髁，斜向外上方，止于股骨外上髁，部分纤维与关节囊融合，可防止膝关节过伸；⑤交叉韧带，分为前、后两条，其中前交叉韧带起于股骨切迹后方，主要是沿着股骨纵长方向走行，其止点宽阔，沿着胫骨的前后轴走向，位置大约占到胫骨的1／3宽度，即胫骨前面到中部l／3处之间，前交叉韧带从功能上可以划分为两大块：前内侧部和后外侧部，在屈曲时前内侧部纤维承受的张力较大，在伸展时，后外侧部更紧张；后交叉韧带在股骨上的起点位于股骨压迹前部的前后轴方向，止于内外侧关节面之间的胫骨沟，横向有较大的分布跨度，后交叉韧带可以分为前外侧部和后内侧部，关节屈曲时，前外侧部纤维紧张，伸展时后内侧部纤维紧张。

膝关节内还有一个重要的结构，称为半月板，包括内侧半月板和外侧半月板。内侧半月板较大，呈“C”形，前端窄后份宽，外缘与关节囊及胫侧副韧带紧密相连；外侧半月板较小，近似“O”形。半月板的外周较厚，逐渐向中心变薄。尽管半月板只是略微加深了胫骨关节面，但它使得两个关节面变得较为适应，对股骨髁起到约束作用，同时能缓冲压力，吸收震荡，起弹性垫的作用。半月板还增大了关节窝的深度，连同股骨髁一起对胫骨作旋转运动。半月板的位置随着膝关节的运动而改变，膝关节屈曲时，半月板向后移动，内侧副韧带和半膜肌都有辅助内侧半月板向后移动的功能。在膝关节伸展时，半月板向前移动的部分原因是较大的股骨髁表面推动前角向前运动造成的。半月板向前平移量受股骨髁以及逐渐紧张的后方关节囊限制。半月板的平移使得关节面之间有最大的接触，在股骨转动过程的各个位置上能将压缩应力均匀分布在关节面上。在半屈膝旋转小腿时，一个半月板滑向前，另一个滑向后。

膝部周围的肌肉包括：(1)伸膝肌：由股直肌、股内侧肌、股外侧肌和股中间肌组成，称为股四头肌，股四头肌为一块大而有力的肌，能产生超过450kg的内力，在闭链运动中，抬高或下降身体（如从椅子上站起来、攀登、跳跃等），在步行、跑步或从跳跃着地时均需要如此大的力以防止膝部打软。 (2)屈膝肌：有很多肌肉通过膝关节屈伸轴的后面，有不同程度的屈膝作用，这些肌包括股二头肌、半腱肌和半膜肌（这三块肌总称为腘绳肌）、腓肠肌、跖肌、腘肌、股薄肌和缝匠肌。(3)旋转肌：使胫骨在股骨上内旋的肌有半腱肌、半膜肌、腘肌、股薄肌和缝匠肌；使胫骨在股骨上外旋的肌有股二头肌，阔筋膜张肌可能起协助作用。作用于膝关节的单关节包括股内侧肌、股外侧肌、股中间肌、腘肌、股二头肌短头；其余的肌则跨越髋关节和膝关节（股直肌、股薄肌、缝匠肌、半腱肌、半膜肌、股二头肌长头、阔筋膜张肌的髂胫束）或跨过膝关节和踝关节（腓肠肌）。所以髋关节和踝关节的运动或位置都会影响到膝关节的活动范围和这些肌所产生的力。膝部双关节可有以下的运动组合：①结合伸髋的屈膝：假使人俯卧或直立位伸髋再屈膝。腘绳肌必须在这两个关节同时缩短，就很困难完成此屈膝动作。在做这种运动时有些人还会诉说腘绳肌痉挛。所有的人将很快丧失其强度，缩短长度几乎耗尽。同时限制腘绳肌完成缩短的另一个因素是股直肌的限止。此时股直肌在髋、膝两处同时被延伸导致股直肌的挛缩，使骨盆前倾，造成臀部将不自然地抬高。②结合屈髋的伸膝：在仰卧或坐位时做直腿抬高（屈髋，膝保持伸直状态），在动作进行的一定范围内并无困难。随后主要的困难来自腘绳肌不能进一步延伸，部分来自股直肌肌力的减弱，因为它在髋膝两处同时缩短。若腘绳肌的收缩或痉挛限制了直腿抬高（如30°），那么在步行时每步的距离将减小，当伸髋时一侧的膝关节可完成伸直。但对侧的小腿不可能向前移动到像正常时那么远（屈髋伸膝）。此时将缩短步伐并常用屈膝行走。③结合屈髋的屈膝：当屈膝时，再屈髋可使腘绳肌在髋部延长，得到较好的长度-张力关系。当屈膝和屈髋时，屈髋肌和腘绳肌协同收缩产生功能性有用的运动。④结合伸髋的伸膝：这时最有用的结合，它发生在如坐位站起来，爬梯、跑步和跳跃等动作中。当股四头肌伸膝时，腘绳肌做伸髋动作，使腘绳肌在膝部伸长。在这运动中运用了长度-张力曲线的一个有效部分。在闭链运动中，腘绳肌和股四头肌协同收缩来提高躯干（伸膝，伸髋）或降低躯干（屈膝、屈髋）。如当一个人从坐位上站起来，股四头肌向心收缩来伸膝，股绳肌向心收缩来伸髋。当人坐下去时这两群肌离心收缩来控制屈膝（股四头肌）和屈髋（大腿后群肌）的比率。⑤结合踝跖屈的屈膝：腓肠肌能同时做这两个动作。若在这两个关节做全部的动作，那么该肌必须缩短很长的距离，肌力将迅速下降。这不是一个十分有用的运动。⑥结合踝跖屈的伸膝：股四头肌伸膝而腓肠肌（和比目鱼肌）跖屈踝关节。当股四头肌伸膝时，腓肠肌在膝部延长，这对跖屈踝关节十分有利。这种功能结合常见于抬高脚趾尖、跑步和跳跃等动作。

（二）膝部运动学和动力学

前面讲到膝关节实际上由两个关节组成：股胫关节和髌股关节，因此膝部的运动学和动力学主要与这两个关节有关。股胫关节在三个解剖轴上有六个自由度。在每一个轴（纵轴、前后轴和横向轴），胫骨相对于股骨既可以平移也可以旋转，由此形成了六个成对运动：屈／伸、内／外翻和内／外旋转；关节压缩／拉离、前后轴向平移以及横向平移。尽管这一复合关节远不是一个单纯的滑车关节，但它在矢状面上的转动（屈伸）是膝关节临床和运动学研究的重点

膝关节在矢状面上，屈伸弧线很大程度上受个体化的韧带松弛状态以及身体习惯影响。在正常人群，膝关节伸展幅度从接近于0°左右到过伸20°不一。膝关节屈曲从125°~165°不一。统计上，膝关节运动的正常功能范围是从过伸3~4°左右到140°屈曲。在额状面胫骨相对于股骨的转动称之为内翻和外翻，正常膝关节的外翻和内翻角度随关节屈曲程度以及病人韧带状态变化。被动试验中的正常膝关节，胫骨在膝关节伸展最大时外翻、内翻幅度最小，膝关节屈曲约30°时外翻和内翻最大。一般规律是：由于在关节屈曲时，外侧副韧带较为松弛，部分内侧副韧带依然维持紧张状态，因此，内翻要比外翻的角度大。外翻应力造成的关节向内移位约为l~10mm，平均为4mm，内翻应力造成的关节向外侧移位约为2mm~14mm，平均为6mm。随意速度步行时，足跟着地瞬间外翻程度最大；在摆动期，内翻运动最大。步行时膝关节平均总的内外翻转动度数为11°，正常膝关节无论在被动或主动运动中，胫骨相对于股骨髁没有显著的横向平移运动。水平面上，膝关节充分伸展时，胫骨相对于股骨的内、外旋幅度最小。在被动试验中，胫骨内旋量随着关节屈曲程度增大而逐渐增大，关节屈曲到90°~120°时，达到最大值。膝关节屈曲超过10°~20°范围后，旋转才比较显著。膝关节的最大外旋量变化范围在0°~45°；而最大的内旋变化范围在0°~25°。正常行走的摆动时相，胫骨有一定程度的内旋；而在支撑时相是外旋。使用骨钉测量，正常步态下胫骨旋转量在4°~13°，平均为8°

在正常膝关节，胫骨相对于股骨在前后方向的平移量在膝关节充分伸展时最小，随着膝关节屈曲程度增大，螺旋锁定机构打开，平移量也增大。当膝关节屈曲30°，前面的约束都放松了，胫骨从正中位置向前的平移量最大。当膝关节屈曲90°时，向后的平移量最大。以上观察结果支持30°屈曲位的前交叉韧带抽屉试验（Lachman试验）和90°屈曲位的后交叉韧带试验（向后牵拉试验）。膝关节从充分伸展位变为屈曲时，胫骨和股骨的关节表面接触点同时向后运动，但滚动和滑动的比率在整个关节屈曲范围内是变化的，因而造成两关节面的平移量差异。向前滑移的股骨髁缩小了继续向后滚动的效果，否则，股骨髁就会从胫骨的后面滑出。在最初的15°屈曲范围，滚动与滑动的比值大约是1：2，滚动特别显著；此后，滑动变得越来越显著在屈曲范围的末段滚动与滑动的比率达1：4。以上结果的临床意义是膝关节屈曲是以关节的滚动为主，同时伴随着负重量的变化，在膝关节深屈时关节的滑动极为显著。

 

膝关节运动中有个重要的机制是螺旋扣锁机制，它是指膝关节最后的伸展阶段，胫骨相对于股骨作斜向转动。造成这一现象的部分原因是内侧髁较大，外侧髁较小引起的转动半径差异。由于内侧髁比外侧髁大些，内侧髁的极限屈接触点到极限伸接触点之间的距离大约要比外侧髁同一运动距离大17mm。在胫骨从屈曲变为伸展过程中，股骨内侧关节面行走的距离较大，因此胫骨就向外转动。螺旋扣锁机制使膝关节在伸展结束时刻将交叉韧带拉紧，锁定了膝关节。在这一位置上，胫骨相对于股骨的一切运动都降低到最小程度，这是膝关节的最稳定姿态。

下肢在步行中将地面反作用力通过胫骨传递。为了限制膝关节相反方向的运动，外部力产生的力矩在一定程度上是由肌肉反作用力平衡的，如果关节反作用力方向与关节面不垂直，胫骨相对于股骨的平移就会发生，假如没有其它被动软组织约束时就会产生关节剪切力。正是韧带、关节的反作用力负荷与肌肉力联合一起抵抗着外加负荷，限制膝关节的运动。

膝关节做弧线运动时通过膝关节的作用力大小是不断变化的，在不同专项运动形式完成同样的膝关节运动中，作用于膝关节力的数值也有很大差异。如果作用于下肢的外加负荷在膝关节处产生一个屈曲力矩，这一转动作用力将会由股四头肌收缩平衡。这一现象会出现在步行、奔跑期间的支撑启动时相，此时的地面支撑反作用力在膝关节后方。肌肉的动态活动总是与静态的韧带约束关联着。一个明显的例子是这种肌肉-韧带相互作用是膝关节屈、伸肌群影响胫骨前后平移的效果。膝关节向前平移受股四头肌影响较大，当股四头肌收缩伸展膝关节时，肌力线是沿着肌键止点到达胫骨的。在某一角度时，肌腱作用力垂直于胫骨关节平面此时不会产生平移力，这一角度称之为临界角。股四头肌的临界角大约是屈曲70°~80°。膝关节屈曲小于临界角度后，股四头肌收缩就会产生一个向前的力向量，牵拉胫骨向前平移。这一作用力是由前交叉韧带张力中平行于胫骨关节面的分量以及关节接触力平衡的。同样，当膝关节主动屈曲时，腘肌和股薄肌施加一个向后指向的作用力以平衡后交叉韧带牵拉产生的平移。

髌股关节主要通过参与伸肌机构起到稳定膝关节的作用。髌骨能增加相对于转动中心的力臂，这种对横跨关节的作用力转化方式增大了伸肌群的机械利益。髌骨在滑车沟内的稳定性是由骨、韧带和肌肉等成分保证的。

髌骨是股四头肌肌腱的籽骨，它一方面提高了股四头肌的功能杠杆臂长度，同时又能改变股四头肌机构的拉力方向。去除髌骨的人体在对抗自身重力完成膝关节充分伸展动作中，股四头肌力量比正常情况下增大了15％~30％。髌骨与股骨滑车槽相关节，当膝关节从完全伸展位置变为完全屈曲位置时，髌骨大约滑移了7cm距离。此外人类的髌股关节有很大的解剖结构变异，只有膝关节屈曲超过20°，髌股关节才会出现明显的关节面接触，膝关节屈曲程度继续增大时，滑车的两缘才会将髌骨“夹紧”。骨性结构异常的个体，如髌骨变形、平直的滑车槽或外侧髁发育不全都容易造成髌骨不稳定。

髌骨增大股四头肌力臂的作用随膝关节屈曲程度而改变。当膝关节完全伸展，髌骨完全位于内髁切迹中时，它仅能增大股四头肌力臂10％左右。当膝关节开始时刻伸展，直到屈曲角度为45°时，髌骨加长股四头肌力臂的贡献可达30％左右。膝关节从屈曲45°到完全伸展位置，髌骨对股四头肌力臂的贡献又逐渐减小。研究结果表明：在膝关节伸展到最后15°范围内，所需要的股四头肌力量较大。

 

不同膝关节屈曲角度下的髌骨关节面和滑车关节面最大接触力位置不断变化，在运动的开始，接触区在髌骨的远侧1/3。当屈膝接近90，关节面移向基底部覆盖了髌骨的近侧1/2。在屈膝120，产生二个区域的接触和压力，即髌骨关节和股四头肌腱和股骨之间。

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