膝关节生物力学

7.1.2.1 膝关节的运动学

膝关节的运动机构包括胫股关节和髌股关节两部分。其中，胫股关节为膝关节的运动提供了稳定的约束，主导了膝关节的运动轨迹；而髌股关节则为膝关节的屈伸传递驱动力。胫股关节虽然属于屈戊关节（即作屈伸运动的关节，又称铰链关节），但是其运动方式复杂，并非简单的铰链运动。胫股关节可在矢状面上作0～140°的屈伸，同时又在冠状面和水平面上作小幅的转动。为了描述胫股关节的运动规律，首先需要对其运动形式加以分解。

Grood和Suntay[3]提出的局部随动坐标系可以较直观的描述膝关节的运动，该方法目前已被广泛运用于人体关节运动学的研究中。如图7-2所示，假设股骨静止不动，从股骨外上髁向内上髁引一直线（临床上称为通髁线），设为轴α，将胫骨绕轴α的转动定义为屈曲。从踝关节中心向胫骨髁间隆起中心引一直线，以从远端到近端的方向为正，设为轴β，轴β的位置随着胫骨的屈伸运动而改变。将胫骨绕着轴β的转动定义为内旋。定义轴γ垂直于轴α和轴β，轴γ的位置也随着胫骨的屈伸运动而改变。将胫骨绕着轴γ的转动定义为内翻。

图7-2 胫股关节运动学

值得注意的是，胫骨在伸膝时作外旋运动，在屈膝时作内旋运动，该现象又被称为回滚运动（screw-home或roll-back）。在伸膝时，回滚运动使两交叉韧带张紧，胫股关节锁定，有助于维持膝关节的稳定；在屈膝时，回滚运动增大了股四头肌的力矩，同时规避了股骨后端与胫骨的碰撞，增大了胫股关节的屈曲角度。产生回滚运动的原因为：内侧股骨髁在胫骨髁上的运动以滑动为主，前后平动较少，而外侧股骨髁的运动则既有滚动又有滑动，外侧髁在伸膝时前移，在屈膝时后移，内外侧运动的不对称性造成了胫股关节的回滚运动。

膝关节在矢状面的屈伸运动并非简单的定轴转动。从矢状面上看，胫骨围绕着股骨髁做既滑动又滚动的复合运动。在任意时刻，胫骨的运动存在一瞬时转动中心（图7-3）。随着屈膝角度的变化，该转动中心相应地发生移动并形成一个“J”形的轨迹[4，5]。从在三维空间中，更准确地说，胫骨所作的为一螺旋运动，即胫骨围绕一瞬时转动轴作转动，并沿着该瞬时转动轴作平动，同时瞬时转动轴的位置又随着屈膝角度的变化而改变。

图7-3 膝关节在矢状面的运动示意图。胫骨的运动存在一瞬时转动中心，转动中心的位置随着膝关节屈伸而改变，并形成一个“J”形的轨迹

髌股关节主要在矢状面上作既滑又滚的运动，同时又在冠状面和水平面上作小幅的转动。与胫股关节相似，为了描述髌股关节的运动，需建立局部随动坐标系对其运动进行分解。如图7-4所示，假设股骨静止不动，从股骨外上髁向内上髁引一直线（通髁线），设为轴α，将髌骨绕轴α的转动定义为屈曲。将髌骨长轴定义为轴β，轴β的位置随着髌骨的运动而改变。将髌骨绕着轴β的转动定义为内倾。定义轴γ垂直于轴α和轴β，轴γ的位置随着膝关节屈伸运动而改变。将髌骨绕着轴γ的转动定义为内旋。在屈膝0至30°的范围内，髌骨从外侧向内侧移动。该现象是由于股骨外侧向前较凸出，将髌骨推向内侧，引入到股骨的滑车沟中（图7-5），从而将股四头肌力稳定地约束在膝关节的矢状面内，增大了该肌肉力在伸膝运动中的稳定性。

图7-4 髌股关节运动学

图7-5 髌股关节远端

从矢状面看，髌骨的运动轨迹类似于圆弧。因此，有学者提出，髌骨围绕股骨远端运动的近似旋转中心是表征髌股关节运动规律的重要特征[6，7]，该旋转中心的空间位置可作为临床上诊断髌股关节对位异常的潜在指标。研究发现，当膝关节在0～90°的范围内屈伸时，髌骨的近似旋转中心在股骨通髁线的前上方，旋转半径约为40mm左右。髌股关节的运动学规律与许多髋股关节疾病有着显著的相关性，例如髌股关节炎、髌骨高位、髌骨脱位等。同时，髌骨的瞬时旋转轴和旋转半径是影响膝关节屈伸力矩的重要因素，也是膝关节假体设计的重要依据。然而，在完整的膝关节屈伸范围内（0～135°），髌骨在空间上的瞬时旋转轴和旋转半径的变化规律却尚未见报道。

总而言之，无论是胫股关节还是髌股关节的运动都表现出了典型的内外侧不对称的特点（如上述的回滚运动、髌骨内移等），这种不对称性是与其在运动和承载中的力学需求相适应的结果。早期的膝关节假体采用内外侧对称的设计，结果改变了下肢的运动学规律和载荷的传递方式，影响了关节组织正常的力学环境，对相邻的髋关节和踝关节以及对侧的膝关节都可能造成不利的影响。此外，个体的膝关节运动学特征与ACL的损伤率也有一定的联系，膝关节外翻较严重以及前后活动度较大的个体较易发生ACL损伤。因而，深入理解膝关节运动学的机理对于关节疾病的预防、诊断、治疗和康复都有重要的意义。

7.1.2.2 膝关节的动力学

膝关节在肌群的协同作用下进行各种运动，股四头肌是其中最重要的驱动力量。股四头肌力通过髌股关节加以重新定向并增大力矩，传递到胫骨前方的结节上，为胫股关节的伸展和屈曲提供驱动和平衡的作用。从冠状面上看，髌股关节改变了股四头肌力的方向，使之垂直于胫股关节的旋转轴。如图7-6所示，股四头肌的力线与膝关节矢状面相交约15°，若直接作用于胫骨上，则会使股四头肌力的力矩损失近4%，并且会导致胫骨外翻。髌股关节的存在，将股四头肌力的方向重新矫正到了膝关节矢状面上，再通过髌韧带传递到胫骨上，从而提高了股四头肌力的功效。

从矢状面上看，髌股关节增加了股四头肌力的力矩。如图7-6（b）和（c）所示，股四头肌力作用于胫股关节的力臂定义为股四头肌力的力线到胫股关节瞬时旋转中心的距离。髌骨的存在使得该力臂增加了超过30%，并且使股四头肌力的方向向前方偏转，竖直方向分量减小，降低了胫股关节之间的负荷，大大提高了膝关节伸展的功效。

图7-6 髌股关节动力学。（a）在冠状面上，髌股关节将股四头肌力的方向调整到矢状面上；（b）在矢状面上，髌骨增加了股四头肌力的力臂；（c）去除髌骨后，股四头肌力的力臂

股四头肌力经由髌股关节传递至胫骨粗隆上，成为驱动胫股关节运动的重要力量。股四头肌力的大小影响着胫股关节的运动幅度和关节组织上的力学环境。Mesfar等人[8]的研究表明，在伸膝时，ACL上的载荷会随着股四头肌力的增大而增长，并且远远高于其他韧带上的载荷。由于ACL在膝关节内的走向为从胫骨的偏前内侧区域到股骨的偏后外侧区域，因此，由股四头肌力所导致的胫骨前移和外翻均会增加ACL上的载荷。