膝关节的生物力学特点

三、膝关节的生物力学特点

了解膝关节的生物力学特点对膝关节慢性疼痛诊治是至关重要的。由于上述的解剖特点，决定了膝关节在负荷、运动及稳定等生物力学特性上的复杂性。

（一）膝关节的负荷

下肢力线图

膝关节的负荷随人体的运动和步态方式有很大的变化，膝关节站立位的静态受力（双足着地）为体重的0.43倍，而行走时可达体重的3.02倍，上楼时则可达到4.25倍。正常膝关节作用力的传递借助于半月板和关节软骨的蠕变使胫股之间的接触面增大，从而减少了单位面积的力负荷。在冠状面上，当一足站立时，人体的重力沿垂直重心线传递并经过膝关节的内侧（图示）。这一重力作用使股骨倾向胫骨内侧髁。此时，阔筋膜张肌和臀大肌通过髂胫束靠外侧力来保持平衡，这些力的和代表膝关节在此面上的总的支持力，其合力则是经过膝关节中心。力的不平衡和合力方向的改变将造成胫骨内外侧髁的受力不均，从而产生膝关节内外翻。

（二）膝关节的运动模式

1.膝关节的功能活动　膝关节的主要运动包括伸直运动、屈曲运动、旋转运动，由支配关节的神经肌肉肌腱及韧带等结构协调作用来完成。关节的力学功能是使骨骼在功能负荷下进行运动，通常是指是站立、行走、跑跳、上下楼梯或坡道等活动。功能负荷来源于站立时地面对足部的反作用力，或摆动期腿部的惯性负荷。正常膝关节作用力的传递借助于半月板和关节软骨的蠕变使胫股之间的接触面增大，从而减少了单位面积的力负荷。

2.膝关节的自由度　膝关节为改良的铰链关节，因骨性结构而拥有有限的稳定性。在人体诸关节当中，膝关节受应力最大。由于各骨面缺乏相互吻合，使得膝关节有6个自由度的活动，包括3个平面的平移（内—外，前—后和远端—近端）和3个平面旋转（内旋—外旋，屈—伸和内翻—外翻）。但膝关节活动中最主要的作用还是自主控制不断变化的屈伸运动。

膝关节多自由度活动模式

3.膝关节的活动性和稳定性　关节的活动性和稳定性由附加的关节内静态稳定结构及关节外静态和动态稳定结构控制。在过伸时，侧副韧带和交叉韧带均紧张，双侧半月板的前部被整齐的拉伸于胫骨和股骨髁之间，在屈曲开始时，膝关节解锁，股骨在胫骨上发生外旋，在开始的30°屈曲中，股骨在胫骨上后滚，在屈曲30°之后，股骨髁围绕胫骨髁上的某一点旋转。关节软骨非常光滑，关节运动时不易磨损；有弹性，能将作用力均匀分布，能够最大限度地吸收、缓冲运动时产生的震动。

（三）胫股及髌股关节力学特点

正常胫股关节间力的传递和应力分布与正常的半月板和关节软骨的功能密切相关。与膝关节软骨退变有直接关系的因素有：半月板切除或破损、创伤中关节软骨的损伤、髌下脂肪垫损害、关节内滑膜无菌性炎症刺激等。但正常关节内生物力学因素所致关节软骨的退变在没有关节内滑膜、髌下脂肪垫损害与关节外周软组织损害的无菌性炎症时是不会出现膝关节疼痛症状的。在膝关节的运动和受力相中，由于半月板随着关节活动的相对位移，以及具有黏弹特性的正常半月板和关节软骨组织的应变，使关节间的压强变化趋于缓和。此外，膝关节正常运动中，关节内侧受到的应力比外侧多50％，这一差别是人体在负重行走时，膝关节所产生的内收运动引起的，所以膝关节骨性关节炎90％病变在内侧间室，形成膝内翻的“O”形腿，仅有10％左右外侧间室发病。膝关节在水平面的旋转运动是以内侧髁为中心，这种旋转方式使得膝关节内侧间隙易于发生退变，这也是膝关节骨关节炎病变往往以内侧间隙为重，甚至出现典型的内侧单腔室骨关节炎和膝内翻畸形。同时大腿根部内收肌骨骼附着处皆存在着严重的软组织损害或变性挛缩现象。膝关节内侧应力增加，如果加上髌下脂肪垫与滑膜内存在着无菌性炎症的化学性刺激，与人体自身修复的生物学机制失去平衡，则可使关节软骨发生超常退变乃至破坏。

髌股关节是参与膝关节伸屈运动的重要结构，在膝关节活动中有着特殊的意义。髌骨除了传递股四头肌的拉力和承受髌韧带的张力以外，其关节面本身在膝关节屈曲运动时承受的应力和关节面上的应力分布是髌股关节生物力学研究的重点。髌骨的外侧倾斜和外侧移位是髌股对合异常的主要存在形式，其原因可能包括股骨髁的发育异常、髌骨发育异常及高位髌骨、膝外翻和Q角异常增大、内侧支持带松弛、外侧支持带挛缩等多种因素。

髌骨外位实际上是程度不同的髌骨半脱位，在伸直位时，髌骨很容易向外侧推动，在屈膝20°时，可发现髌骨中央嵴与滑车凹的最低点不呈对应关系而向外侧移位，其移位的程度对评价髌骨半脱位很有意义。因此，在屈膝20°～30°时对髌骨对合关系的评价是关节检查中对髌骨异常对合诊断的关键。研究表明，髌骨异常对合的直接结果是导致关节面应力或称髌骨接触压（patellofemoral contact force，PFCF）的分布异常。一方面，关节面局部的应力集中可致关节软骨的病损，另一方面，关节面的接触压降低和失去接触也会导致软骨的退变。由于软骨面的退变导致的软骨厚度的丧失还可导致正常软骨面的应力重新分布，导致整个软骨病损的扩展。如果髌下脂肪垫长期存在着无菌性炎症刺使髌周支持带肌力分布不均造成髌骨关节面上的应力分布不均与无菌性炎症的化学性破坏是产生髌骨关节面软骨退变的直接原因。在正常的生理情况下，膝关节由伸而屈至90°的运动过程中，髌骨接触压逐渐加大，如果髌下脂肪垫存在着无菌性炎症时，则炎性刺激也随着加重；而超过90°后又逐渐减小。由于正常髌骨关节的接触面随PFCF的增加而增大，因而，作用于髌骨关节面的应力得以分散，其压强的变化不大。

（四）膝关节的力学稳定

由于前述膝关节的骨性结构、半月板，关节囊及附属韧带结构的共同作用，膝关节可以保持静态与动态的稳定性。膝关节在完全伸直位，关节将发生扣锁，而获得最大的关节稳定性，这是因为膝处于完全伸直位时，股骨在胫骨上向内旋转；而于过度屈曲位时，股骨则向外旋转，此时将通过关节面的咬合和交叉韧带的制导作用增加关节的稳定。因而，关节的稳定更多地依赖于关节周围结构的正常、尤其是侧副韧带的平衡。膝关节前方稳定性有赖于伸膝装置的稳定，尤其是股四头肌的力量。

（五）韧带的组织结构与功能

韧带是联接骨或软骨的一种特殊致密结缔组织，其功能是支持关节，它的另一功能是各种营养成分的传输媒介和蓄积场所，也是抵抗外界蛋白，包括抗原、病毒和细菌的机械屏障。从胚胎学上来说，韧带源自多能间充质细胞，该细胞能分化为成人结缔组织的各类细胞。韧带中主要的细胞类型是成纤维细胞。成纤维细胞的超微结构包括完善的粗面内质网和高尔基复合体，它们可以合成大量的蛋白质。韧带主要包含由成纤维细胞产生的非细胞成分。成纤维细胞外周的非细胞基质包括纤维和非晶体基质，韧带中的纤维主要是Ⅰ型胶原（90％）以及少量的Ⅲ型胶原，也有网状纤维和弹性纤维。在特定的韧带中，胶原纤维一般沿张力方向分布，因此与韧带的强度有关。但其排列与肌腱纤维不近相同，可能是韧带所固有的，其中有明显的纤维翻转交错（turnover）。利用偏振光，细胞和基质的规律性波动可描述为韧带的“波褶”（crimp），而且因不同韧带的特定结构需要可能有所不同，这种“波褶”可能是缓冲韧带张力的安全机理。

韧带的组织结构：弹性纤维对在韧带松弛时恢复胶原纤维波状构型有重要作用。韧带基质相对较少，包括黏多糖（mucopolysaccharide）、透明质酸和硫酸软骨素，它们构成亲水性凝胶。当关节制动时，关节周围结缔组织的透明质酸和硫酸软骨素的水平降低。韧带正常干重的0.50％由糖胺多糖（glycosaminoglycans）组成，这些物质在维持胶原纤维、水电解质平衡的分子调控以及组织自身机械支持方面有重要作用。胶原蛋白占韧带干重的3/4，但应注意，新鲜韧带的2/3是水。韧带与组织学上称为“Sharpey”的特定结构相连。Sharpey穿透纤维，Frank认为即是连接邻近板层骨的胶原纤维，实际上，韧带通过数层的纤维软骨逐步进入骨内部韧带中的机械感受器。

（六）韧带感受器

1.感受器的类型　形态学研究发现，韧带中存在四种神经末梢：鲁菲尼终器、环层小体、类高尔基腱器末梢、游离神经末梢。鲁菲尼终器为慢适应、低阈值感受器，感受关节静态位置、内压力、运动辐度和速度。环层小体具有快适应、低阈值特点，是唯一的动态机械感受器，只在关节加速或减速时兴奋。类高尔基腱器末梢具有慢适应和高阈值特点，在关节制动时不起作用，可能因其阈值高而在关节极限运动时测量韧带张力。游离神经末梢则构成关节的伤害感受系统，正常情况下不兴奋，对异常的机械或化学刺激很敏感。韧带的神经分布：韧带内有丰富的神经组织，如前十字交叉韧带的1％～2.5％为神经组织。神经分布于韧带表面及内部，一些纤维分支伸入韧带的胶原基质中，这些纤维包括感觉神经和自主神经（如交感神经）。韧带内大部分神经沿血管分布，其功能可能与血管舒缩调节有关。十字交叉韧带神经来自胫后神经分出的关节后神经，但其他神经（如闭孔神经、隐神经、腓总神经）的分支是否参与关节后神经构成尚不明确。Zimny等指出十字交叉韧带中，环层小体和类高尔基腱器末梢较鲁菲尼终器多见，而Schutte等报道，人前十字交叉韧带神经中包括环层小体和两种鲁菲尼终器（一种类似类高尔基腱器末梢）。人前十字交叉韧带神经的大多数感受器位于近骨面，少数在韧带中部。Schultz等报道类高尔基腱器末梢主要位于前十字交叉韧带神经和后十字交叉韧带的近股骨端。但有一点很明确，感受器很少存在于前十字交叉韧带神经致密结缔组织中，而多在滑膜下和纤维层内，一些游离神经末梢存在于韧带外周。脊柱表面及内部韧带有大量神经纤维，并沿韧带左右对称分布，总的来说，神经纤维在韧带外周密度较大。利用免疫组化方法对兔腰椎体关节的感觉和自主神经观察发现：滑膜细胞层内存在屈曲状的感觉神经纤维，与血管无关联，而大部分的自主神经位于血管壁内或与之相邻。

2.感受器的生理特点　早期经典的关节冲动传入模式是大多数的冲动传入发生在关节完全伸直或屈曲状态下，而少数发生在半屈曲位置，因而认为：在关节全辐运动中，感受器不能把关节角度信息传递给中枢神经系统，所以它们与运动和位置感无关。但1980年，Ferrell报道关节后神经中发生大量的冲动传入，其中半屈曲位置冲动占很高比例，且频率较高。在关节完全伸直或屈曲时关节囊与韧带的冲动传入之比为4∶1，而半屈曲时为1∶1。20世纪50年代，Andrew等首次记录到内侧副韧带的冲动传入，韧带微小负荷有时足以引起明显的冲动传入反应，而且感受器迟迟才能适应。同一时期，Boyd报道，十字韧带中类高尔基腱器末梢的冲动传入为慢适应。Skoglund报道，十字交叉韧带感受器对旋转极为敏感，而且在适应频率和运动后即测频率差别上，其冲动传入较关节囊慢适应性冲动传入要小，因而认为：韧带感受器适于上传运动的方向，因对运动低敏感，故不适于上传运动的速度。Pope等游离前十字交叉韧带的近骨端，牵拉并探针刺激韧带，同时记录关节后神经的冲动传入（10只猫共15例），6例探针刺激敏感（最低阈值为2克），9例对前十字交叉韧带的轴向负荷有反应，部分对一般的探针刺激有反应，对负荷无反应。总之韧带中具有阈值高低不同、适应性快慢不一的大量感受器，其中半屈曲位置占很高比例。

肌梭系统

韧带感受器引起的区域性反射如下。

1.对α-运动神经元的影响　早期发现，只有高强度的关节冲动传入才可兴奋α-运动神经元（如电刺激值达到神经阈值2倍）。Lundberg等以猫为实验模型发现，给予关节后神经弱电刺激，1/3的α-运动神经元突触后电位被激活，但作用不明显，冲动传入强化后作用明显增强。关节的冲动传入可能通过各种反射途径（如屈曲反射传入途径、Ia和Ib中间神经元）影响骨骼运动神经元。关于自然刺激状况下，韧带感受器对α-运动神经元反射影响的认识仍很少。大量事实支持这一观点：感受器监测关节活动限度，调节肌肉兴奋性，在关节过伸及过屈时起保护作用。依据包括：①低强度电刺激引发的冲动传入不能直接引起α-神经元的明显反射。②韧带的中度负荷不能影响骨骼运动系统。③大量关节感受器的冲动传入只在关节达到或接近生理运动极限时发生。当然，这一观点易引起概念混淆，因为韧带-肌肉保护反射不能及时保护关节免受突发的损伤。

2.对γ-肌梭系统的影响　20世纪60年代至今，人们逐步认识了韧带对γ-肌梭系统的影响。大量自然/电刺激下的实验表明：关节的冲动传入对γ-运动神经元有明显影响，许多反射由韧带-肌梭途径介导。1990年，Johansson、Sojka等报道了膝关节韧带冲动传入对γ-肌梭系统反射的影响。他们以5～40牛顿的牵拉力横向牵拉完整的前十字交叉韧带、后十字交叉韧带和侧副韧带，且正弦式牵拉肌肉，同时记录2～4个膝关节周围肌肉单一性的肌梭冲动传入。结果发现，肌梭冲动传入受肌肉牵拉和韧带牵拉双相影响，前者通过静态γ运动神经元，后者则通过动态γ-运动神经元。他们又发现：58％的小腿三头肌和47％的半腱肌肌梭冲动传入对PCL后交叉韧牵拉有反应，而73％的小腿三头肌和55％的半腱肌的肌梭冲动传入对前十字交叉韧带牵拉力有反应。Johansson等发现，在5～40牛顿牵拉的标准刺激作用下，大部分肌梭的冲动传入由慢适应、低阈值感受器引起。考虑到猫韧带在负荷210～300牛顿时尚未发生断裂，因此认为这些反射不能感受伤害。总之，韧带对骨骼运动系统的直接影响不大，在低强度机械刺激下，其对γ-肌梭系统作用较明显。Johansson等提出：关节感受器通过γ-肌梭系统调控肌肉的位置和运动，这亦解释了关节感受器通过对γ-肌梭系统的影响，参与了对关节稳定性的调节。

（七）γ-肌梭系统的整合特性

就由电刺激引起的同侧后肢神经和下行途经的反射模式而言，后肢γ-运动神经元有复杂而独特的感受器外形，肌肉、皮肤、关节冲动传入引发的有效反射，以及γ-运动神经元独特的感受器形态均反映在肌梭的冲动传入水平上。肌梭冲动传入不仅受肌长度变化的影响，很大程度上也受同侧/对侧外周神经和下行途径的影响。因此，外周感受器传入的以及中枢下行的信息可能在γ-运动神经元内整合后再作用于肌梭，来调节肌肉的长度和张力。

（八）韧带冲动传入对位置和运动感觉的作用

一个世纪以来，在关节感受器对运动觉和位置觉的作用方面一直存有争议。被广泛接受的观点认为，关节和皮肤感受器参与平常运动和/或介导保护反射，而肌肉冲动传入积极参与位置和运动感觉。但一些观察者提出：这种对关节感受器冲动传入作用的认识过于简单化。他们发现相当数量的半屈曲位置，而且，利用关节内注入麻醉剂或部分关节传入神经阻滞来选择性去除关节冲动传入，直接证实了关节感受器对关节位置和运动感觉的重要作用。又因初步肌梭信号传入与位置和运动觉关系明确，所以，关节冲动传入可能通过γ-肌梭系统影响运动和位置觉。近来，Harter等发现，与未受伤的膝关节相比，前十字交叉韧带缺失的膝关节没有明显的位置觉减退，而Newberg等却发现二者差别明显，Harter等对此解释为：从前十字交叉韧带的外科重建到随访期间（平均为48周）内，其他机械感觉系统可能替代了由前十字交叉韧带损伤引起的感觉缺失（而Newberg等的观察时间为15个月）。

韧带冲动传导与位置和运动感觉关系

（九）韧带冲动传入对肌强度的调节作用

1.慢保护反射　普遍认为：关节感觉末梢对关节周围肌肉具有保护反射作用。但Pope认为这种反射在保护关节免受外界突发伤害方面过于迟缓。他们对典型的滑雪伤进行了分析：最快的痛觉纤维传导速度为30米每秒，仅从内侧副韧带到脊髓的冲动传入便历时近30毫秒，因而人们低估了从韧带负荷到感受痛觉的时间（原认为12.90毫秒）。因为当信号传至皮质时痛觉早已被感知，他们转而计算内侧副韧带负荷与韧带撕裂之间的时差，结果为34毫秒，而韧带-肌肉保护反射需时89毫秒。

2.通过γ-肌梭系统控制肌强度　肌肉强度包括：①固有强度。②反射介导强度。反射介导强度由α-运动神经元的兴奋性决定，后者又受下行指令及自源/异源反射的影响。在调节肌强度方面特别重要的因素是由肌梭冲动传入介导的反射。Akazawa等提示：运动状态下，肌梭敏感性发生改变，借以调节肌梭运动神经元的活动。韧带感受器通过γ-运动神经元、多形式的反射参与肌张力及肌肉间共济作用的调节，对关节生理稳定性起重要作用。另外，肌肉固有强度也是肌肉前反射和下行指令长期作用的结果，并在自然运动中发生变化，构成机体对外界损伤的第一道防线。既然关节冲动传入与调控反射介导的肌强度有明显关系，那么其对肌肉固有强度亦很重要。单纯的保护反射对突发伤害而言过于迟缓，因而可以确信：韧带冲动传入在控制关节周围肌肉作用方面，主要是通过反射介导的肌强度来调控肌肉的固有强度。韧带中低阈值机械感受器直接引发的反射性骨骼运动只发生在高水平机械刺激状态下，由弱牵拉力激发的对γ-肌梭系统反射的影响可极大作用于初级肌梭的冲动传入。因此，可确信韧带除了机械作用外，作为感受器，可通过γ-肌梭系统参与关节周围肌强度的调节，借以调整关节稳定性。

（十）韧带损伤后的生物力学变化

韧带的应力-应变曲线显示，韧带具有可复性的弹性区域和不可复性的“临界点”（yieldpoint）。1500牛顿（N）的负荷可使人前十字交叉韧带损伤，这时韧带已被拉长了静息长度的近60％。因为其他多种因素的影响，很难测出韧带强度的物种相关性差异。与48～86岁人体韧带相比，灵长类前十字交叉韧带在与纤维走行平行的略高一些的外力负荷的作用下便发生损伤，青年人的标本显示其韧带强度是灵长类的两倍。大量研究证实，年轻者的韧带较强健，而且在损伤方式上有所不同。Noyes报道，年轻者趋于发生韧带内自身物质的损伤，老年人趋于发生韧带胫骨附着处撕脱伤，但组织学表明韧带附着处骨皮质厚度及骨小梁骨质降低，因此，韧带本身不易受到损伤，但随后的牵拉分析揭示：韧带本身发生损伤的牵位阈值较年轻人低。韧带损伤与施加外力的频率有关，负荷较大，极度拉长时，前十字交叉韧带易发生损伤，而且快速率变形（deformation）较慢速率消耗更多能量，在慢速率变形中胫骨附着端是最薄弱的一点，易于发生撕脱性骨折。对于较快速率而言，越是接近生理状况，撕脱性骨折和韧带内撕裂伤的发生率越接近。快速率负荷引起的撕脱性骨折，通常产生较大的骨碎片，这与临床观察相一致：前十字交叉韧带的完全损伤，通常并发胫骨撕脱性骨折，少数并发股骨撕脱性骨折。对于韧带、韧带-骨界面、骨三者何为最薄弱的环节争议较大。答案由多因素决定，包括物种和所研究的特定韧带、载荷频率、韧带制备过程、年龄和标本存活水平以及损伤机理。Kennedy等测量马膝关节有关的不同韧带的强度，发现前十字交叉韧带和胫侧副韧带在快、慢速率运动中具有大致同等的张力强度，而后十字交叉韧带是上二者的两倍，这可以解释：尽管不同的韧带其损伤机理各不相同，但后十字交叉韧带撕裂伤的发生率明显偏低，显微镜下和液体流变学证实的韧带损伤仍可在外观上大体完整。