膝关节运动学0.ppt

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膝关节运动学,人体运动学,

（一）组成和运动方向,

（二）功能解剖,（三）生物力学,复习,膝关节运动,膝关节骨性关节炎,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,1）构成：

髌韧带腓侧副韧带胫侧副韧带腘斜韧带,膝关节,2）囊外韧带,股骨下端胫骨上端髌骨,3）囊内,前、后交叉韧带内、外侧半月板,4）运动：

屈伸旋内、旋外,

（一）膝关节的组成和运动方向,1组成由胫股关节（内侧胫股关节面、外侧胫股关节面）、髌股关节组成的双关节结构，三个关节面围在同一关节囊内。

2运动方向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0135。

膝关节组成,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）膝关节的运动非常复杂。

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。

膝关节四个轴,1）膝关节的屈伸运动,膝关节屈伸时，伴有扣锁运动。

膝关节伸直30时扣锁运动开始，并导致胫骨外旋，在伸直10时达到最大限度的旋转，此后旋转的程度降低，直到完全伸直为止，此时关节被锁紧。

2）膝关节旋转运动,膝关节伸直时不能旋转，屈曲90约有+/-30活动范围。

这种旋转运动是伴随膝关节屈伸活动进行的，是不随意运动。

3）膝关节内收外展运动,膝关节内收外展活动极小，随着屈曲，外展与内收活动也有所增加，在充分伸直时仅约2，充分屈曲时可增加到8。

4）膝关节前后平移,屈膝时，股骨在胫骨上向后滑动，伸膝时向前滑动。

膝关节水平面内的运动及内外旋受到矢状面位置的影响。

最大伸展时，旋转运动受到胫骨和股骨节间互锁的制约。

弯曲达90时旋转幅度最大。

弯曲大于90，由于软组织制约，幅度下降。

（二）膝关节的功能解剖,膝关节周围韧带和周围肌在紧张状态下对关节起到积极的支持作用。

膝关节周围骨起到支持、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,胫股关节分内侧胫股关节和外侧胫股关节。

外侧胫股关节面前1/3为逐渐上升的凹面，后2/3则呈逐渐下降的凹面。

内侧胫股关节面则呈碗形凹陷。

凸起的股骨关节面和凹陷的胫骨关节面彼此吻合，使膝关节在矢状面上能作屈伸活动；而外侧胫骨关节面特征凹陷结构又使外侧胫股关节面并非完全吻合，允许膝关节屈伸活动不是同轴运动而是具多个瞬时活动中心的运动。

（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0140左右；B.胫股关节在横面内的旋转活动，随膝完全伸直到屈曲90而有所增加；C.在额状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胫股关节的运动特征,

（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，软骨最厚部分位于骨嵴处。

60%位于髌骨外侧关节面，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膝关节周围很多因素均影响髌股关节的稳定性，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。

国人正常Q角为11-18，Q角随屈膝角度而变化，反映了股四头肌-髌韧带力线在骨骼髁间沟引导下的肌力线关系。

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。

动力结构：

股四头肌内侧头和外侧头收缩时的力学平衡是保持运动中髌股对合的动力结构。

髌股关节的对合,（4）髌股关节的生物力学特点,膝关节伸直时，髌股关节面是分离的，接触自屈膝15开始，屈膝30以内，髌股关节尚未进入髁间沟内，易脱位。

屈膝超过30，髌骨进入股骨髁间沟内，相对稳定。

屈膝80以上，形成“腱股接触”。

A.平地行走时，髌股关节面之间的应力约为人体一半；上、下楼时可达体重的3.3倍。

B.深度屈膝时，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。

髌股关节接触应力,胫骨和股骨间的轴向旋转运动，导致髌韧带附着处胫骨结节，出现内外侧移动，造成髌骨出现相对于股骨的旋转运动。

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。

髌股关节的运动,4膝关节的半月板,

（1）膝关节半月板的结构与功能,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。

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，外侧缘与关节囊相连。

半月板功能：

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。

半月板由膝关节血管支获得血运。

其周边部血运丰富，中、内1/3在成年后为少血管区或无血管区。

（2）半月板的血液供应,内外侧半月板与胫骨及关节囊的附着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。

（3）半月板运动的影响因素,外力：

压迫、旋转、外展和内收、屈曲和伸直,（4）膝关节半月板损伤机制,机制：

主要是间接暴力，多见于膝关节屈伸过程中同时又有膝的扭转及外翻。

预后：

边缘部损伤预后较好，中医中药治疗有一定效果。

内侧缘无血管区损伤应尽早手术。

预防：

做好准备运动，增强膝关节周围肌力量，保持正确的膝关节姿势和用力顺序。

5膝关节的韧带,囊外韧带囊内韧带,髌韧带,腓侧副韧带,胫侧副韧带,两侧副韧带在伸膝时紧张，屈膝时松弛，故在伸膝时易损伤。

伸膝时膝关节猛烈外展，可致胫侧副韧带部分或全部撕裂，而过度内收则可导致腓侧副韧带损伤。

前后交叉韧带,前交叉韧带在伸膝时最紧张，防止胫骨前移和膝关节过伸，后交叉韧带在屈膝时最紧张，防止胫骨后移。

6关节囊和滑膜囊,膝关节的关节囊薄而松弛，滑膜层反折形成滑膜囊和滑膜襞。

滑膜囊多位于肌腱和骨之间，减少运动时两者间的摩擦；滑膜襞充填于关节腔内，使关节更为适合。

7膝关节周围肌,

（1）伸膝肌,股四头肌,股四头肌非常强大，能产生超过450KG的内力,

（2）屈膝肌,腘绳肌：

股二头肌、半腱肌、半膜肌,腓肠肌：

跖屈踝关节和屈膝关节。

近固定时，足跖屈，屈小腿；远固定时，拉大腿向后，协助伸膝。

（3）旋转膝关节肌,内旋肌：

半腱肌、半膜肌、股薄肌、腘肌、缝匠肌,外旋肌：

股二头肌,（4）作用于膝关节的单关节肌和多关节肌,单关节肌多关节肌,双关节肌如在两个关节同时缩短，将很快丧失其肌力。

一般来说，一个关节延长，另一个关节运动，以保持良好的长度-力关系。

1）结合伸髋的屈膝,腘绳肌,常伴有股直肌痉挛，骨盆前倾，臀部不自觉地抬高。

2）结合屈髋的伸膝,股直肌,直腿抬高限制在一定的范围内。

行走时，影响步伐的大小。

3）结合屈髋的屈膝,腘绳肌,屈髋时，腘绳肌在髋部延长，得到较好的长度-张力关系。

4）结合伸髋的伸膝,股四头肌伸膝时，腘绳肌伸髋，两者协同。

闭链运动中，腘绳肌和股四头肌协同收缩来提高躯干或降低躯干。

5）结合踝跖屈的屈膝,腓肠肌,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。

常见于抬高脚趾尖、跑步和跳跃动作。

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。

（三）膝关节的生物力学,

（1）力学轴：

从股骨头中心到踝踝骨中心的连线，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。

1膝关节的轴,

（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170175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。

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。

（1）胫股关节的静力学分析,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：

地面反力（W与体重相等）。

股四头肌通过髌腱施加的拉力（P）。

胫骨平台上的关节反力（J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。

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,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。

作用在绕胫股关节转动中心的两个主要力矩,

（2）因为下肢处于平衡状态，力矩和必须为零。

M=0在这个例子中，逆时针方向的力矩被定义为正，则：

Wa-Pb=0Wa=Pb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=（Wa）/b,绕膝胫骨关节转动中心力矩的分析,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34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040范围内。

（2）膝关节的受力,正常膝和畸形膝胫骨和股骨的负重,正常伸膝条件下，胫骨内外侧髁的受力是基本相同的，当膝内外翻畸形时，则受力完全不同。

膝内翻时，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，膝轴倾斜，常伴有小腿和足内旋。

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。

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

髌股关节所受压力,膝关节屈曲15时髌骨所受的压力约为111牛顿，在屈曲110时约为4003牛顿。

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0.35Nms2。

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=0.35Nms2*453r/s2=158.5Nms2,在定出力矩为158.5Nms2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：

158.5Nm=F*0.05mF=158.5Nm/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2.53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。

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,胫骨平台的定义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。

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。

步行时胫骨平台的反应力步行周期中，关节反作用力从内侧胫骨平台移到外侧胫骨平台。

（1）步行时胫骨平台的反应力,其主要功能是保持膝关节的稳定性。

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）。

十字交叉韧带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。

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。

脂肪垫它促进膝关节滑液的分泌，减轻运动中膝关节震动的作用。

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。

（2）膝关节辅助结构的作用,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。