膝关节运动学专家讲座.pptx

第四章关节运动学第四章关节运动学第二节下肢运动学第二节下肢运动学二、膝关节运动学膝关节运动学第1页（一）膝关节组成和运动方向 1膝关节组成 2膝关节运动方向（二）膝关节功效解剖 1胫股关节形态与运动关系 2胫股关节运动特征 3髌股关节功效解剖 4膝关节半月板 5膝关节韧带 6关节囊和滑囊 7.膝关节肌内容提要膝关节运动学第2页（三）膝关节生物力学 1膝关节轴 2单足站立时膝关节上静力学分析 3膝关节动力学分析 4步行时胫骨平台反应力及辅助结构作用 5膝关节损伤和脱位 6全膝关节置换术功效锻炼膝关节运动学第3页教学基本要求l1掌握胫股关节形态与运动关系、胫股关节运动特征、髌股关节功效解剖、膝关节半月板、膝关节韧带、膝关节肌、单足站立时膝关节上静力学分析、步行时胫骨平台反应力及辅助结构作用l2熟悉膝关节组成和运动方向、膝关节囊和滑囊、膝关节轴、膝关节损伤和脱位l3了解膝关节动力学分析、全膝关节关节置换术功效锻炼膝关节运动学第4页重点和难点l重点：胫股关节形态与运动关系、胫股关节运动特征、髌股关节功效解剖、步行时胫骨平台反应力及辅助结构作用、膝关节运动方向、膝关节轴 l难点：单足站立时膝关节上静力学分析、膝关节动力学分析膝关节运动学第5页（一）膝关节组成和运动方向1膝关节组成 它是由胫股关节（内侧胫股关节面、外侧胫股关节面）和髌股关节组成双关节结构，这三个关节面均围在同一个关节囊内。2膝关节运动方向 膝关节在胫骨关节面三个平面内均能够发生运动，不过运动幅度在矢状面最大，正常活动范围为0135。膝关节运动学第6页膝关节活动范围膝关节运动学第7页（1）膝屈曲范围依髋关节位置而异，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，但实际上膝关节运动是非常复杂。胫股关节运动包含四个轴方向运动。另外还有髌股关节之间运动。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。膝关节运动学第8页膝关节四个轴膝关节运动学第9页膝关节运动学第10页带带膝关节运动学第11页（二）膝关节功效解剖 在膝关节，弯曲常伴有一个微小而显著转动，不过因为来自关节周围强有力滑囊、韧带和肌作用，它又有特殊稳定性。膝关节周围韧带只在担心状态下加载，对关节起到被动支持作用。膝关节周围肌也是在担心状态下加载时对关节起到主动支持作用。膝关节周围骨起到支持作用，而且反抗压力载荷作用。所以膝关节功效稳定性起源于韧带被动收缩，关节几何结构，肌主动用力以及骨承重作用。膝关节运动学第12页1胫股关节形态与运动关系 胫股关节分为内侧胫股关节和外侧胫股关节。外侧胫股关节面前1/3为一逐步上升凹面，而后2/3则呈逐步下降凹面。内侧胫股关节面则呈一个碗形凹陷。如此，凸起股骨关节面和凹陷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，从而允许膝关节屈伸活动也不是同轴运动而是含有多个瞬时活动中心运动。膝关节运动学第13页 （1）胫股关节运动范围：A.胫股关节运动范围在矢状面内最大，膝完全伸直到完全屈曲范围是0140左右；B.胫股关节在横面内活动范围，随膝完全伸直到屈曲90而有所增加；C.在额面内可得到一样模式。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。一样，因为软组织限制功效，屈曲超出30时，这个面内运动降低。2胫股关节运动特征膝关节运动学第14页（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，面运动同时发生在全部三个平面上，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。膝关节运动学第15页3髌股关节功效解剖（1）髌骨 髌骨为膝提供两个主要生物力学功效：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接触面来改进股骨上压力分布。（2）关节软骨 髌股关节软骨是人体中最厚软骨。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%。关节面软骨厚度改变特点有利于增加髌股关节面适合性。膝关节运动学第16页（3）维持髌股对合平衡机制 髌股关节稳定性影响原因很多，包含伸膝装置、支持带、肌力、股胫角和股胫间Screw-home机制、Q角、髌骨位置、髁间槽发育程度、外力等，所以，良好髌股周围结构及其力学平衡，对维持髌股正常排列和稳定含有主要作用。Q Q角角：是股四头肌肌力线和髌韧带力线夹角，即从髂前上棘到髌骨中点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，两线所形成夹角为Q角。膝关节运动学第17页 静力结构：髌骨内外侧支持带是维持髌骨排列静力性平衡机制。动力结构：股四头肌收缩时各肌肉之间力学平衡是保持运动中髌股对合动力结构。膝关节运动学第18页（4）髌股关节生物力学特点 髌股关节对合 髌股关节接触应力 A.平地行走时，髌股关节面之间应力约为人体二分之一；上、下楼时可达体重3.3倍。B.因为“腱股接触”参加，有效地增大了接触面积，分担了髌股关节接触压力，关节面压强改变不大，对保护关节软骨正常应力有主要意义。膝关节运动学第19页l髌股关节运动：胫骨和股骨间轴向旋转运动，造成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旋转运动。在正常运动时，大约有内旋6和外旋8，假如运动范围增加还会增大。膝关节运动学第20页4膝关节半月板 （1）膝关节半月板结构与功效 半月板是垫在膝关节股骨与胫骨之间半月形纤维软骨盘，其边缘较厚，中间很薄，上面凹陷，下面平坦，填充在两侧胫骨髁上。分别称为内、外侧半月板。内侧半月板(medial meniscus)较大，呈“C”形，前脚窄而薄，后角宽敞而稍厚；外侧半月板(lateral meniscus)较小，近似“O”形，前、后角距离很靠近，外侧缘亦与关节囊相连。功效：A传导负载：降低膝关节活动时，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，一直使膝关节接触面积最大。C减轻震荡：起到一定缓冲作用，能吸收一定负荷震荡。膝关节运动学第21页（2）半月板运动影响原因 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附着 以及与半月板横韧带之间形成环状 结构又限制了半月板有过分外移。膝关节运动学第22页5膝关节韧带 （1）相关节囊外韧带和关节囊内韧带。即：髌韧带（patellar ligament）、腓侧副韧带（fibular collateral ligment）、胫侧副韧带（tibial collateral ligament）、腘斜韧带(oblique popliteal ligament)、膝交叉韧带（cruciate ligaments of knee）。（2）众多韧带附着，以确保膝关节运动稳定性。（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，可造成胫侧副韧带部分或全部被撕裂，而过大内收力量则能够造成腓侧副韧带损伤。（4）在严重内收或外展损伤时，交叉韧带能够与侧副韧带一起被撕断。前交叉韧带能够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前后移动；假如仅仅是向前移动范围增大，表示前交叉韧带断裂或松弛，如向后移动范围增大，则表示后交叉韧带断裂或松弛。膝关节运动学第23页膝关节韧带膝关节运动学第24页6关节囊和滑囊 （1）膝关节关节囊薄而松弛，有很多隐窝，附于各关节面周缘，周围与韧带相连接。（2）膝关节周围有许多滑膜囊，膝关节囊滑膜层是全身关节中最宽敞最复杂，附着于该关节各骨关节面周缘，覆盖关节内除了关节软骨和半月板以外全部结构。滑膜位于膝关节囊内面，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，关节腔中充盈过多液体，半屈膝体位能够降低关节腔中张力，有利于降低疼痛。膝关节运动学第25页7膝关节肌 包绕膝关节肌有：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。膝关节肌膝关节运动学第26页 膝关节传递载荷，参加运动，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统一：1）要求膝关节在承受体重和相关杠杆力作用情况下，在全伸展位时有较大稳定性。2）要求在一定程度屈曲下含有很大活动性，为了跑动以及足对不平整地面适应。膝关节是最适合作为生物力学分析关节作用关节。（三）膝关节生物力学 膝关节运动学第27页 1膝关节轴（1）力学轴：从股骨头中心到踝骨中心连线，在髁间结节穿过膝，使髋、膝、踝三关节中心轴，偏离垂直方向约3。（2）解剖轴：为贯通股骨干直线，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170 175 钝角，称为膝部生理外翻角，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结构上。膝关节运动学第28页2单足站立时膝关节静力学分析 单足站立时，重力线与负重肢负重线（在膝以下与下肢力学轴重合）落在膝关节上一个接触点上，膝关节外侧力与重力平衡，关节重力为二者协力结果。此时，作为臀大肌和阔筋膜张肌肌腱增厚愈合而成髂胫束起到主要承重作用，它使髋关节外展，膝关节伸直，在额状面上为主要反抗重力原因。膝关节运动学第29页（1）胫股关节静力学分析 例：登楼梯时一腿上举，采取分离体法来估算另一负重腿胫股关节上关节反力最小值。作用在被设计为自由体下肢上三个共面力力三角形ab作用在绕胫股关节转动中心两个主要力矩膝关节运动学第30页 把小腿作为分离体与身体其它部分分开，画出爬梯状态下分离体图。从作用在分离体上全部力中，定出三个主要共面力，即：地面反力（与体重相等）。股四头肌经过髌腱施加拉力。胫骨平台上关节反力（即体重加肌作用力反力）。（1）因为下肢处于平衡状态，故全部三个力作用线必相交于一点。因为小腿处于平衡，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3.2倍，关节反力（J）为体重4.1倍。能够看出，主要肌力对于关节反力值影响远远大于由体重产生地面反力。（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，逆时针方向力矩被定义为正，则：Wa-Pb=0 Wa=Pb 力臂a和b值能都从解剖样本或软组织X光相片上测量到，W大小能从每个人体重取得，那么P大小就能从力矩平衡方程中得到：P=（Wa）/b 膝关节运动学第31页（2）膝关节受力 胫骨和股骨负重：膝关节单腿站立时，膝关节承受压力约为体重2倍。行走时膝关节承受压力约为体重34倍，膝关节承受力峰值在屈膝20，但膝关节主要承受力是在040范围内。在正常伸膝条件下，胫骨内外侧髁受力是基本相同，当出现膝内外翻畸形时，则受力完全不一样。发生膝内翻时，出现内侧受力显著增加，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，并使腓侧副韧带上应力渐进性增加，膝轴变为倾斜，常伴有小腿和足内旋。同时外侧韧带张力显著增加，在行走时出现关节摆动移位，造成关节退化。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，连续超负荷会造成软骨损坏，同时胫侧副韧带上应力逐步增加，严重者造成髌骨向外移位，伸膝时牵拉股四头肌。膝轴、小腿和足也会发生对应改变。膝关节运动学第32页正常膝和畸形膝胫骨和股骨负重膝关节运动学第33页髌骨股骨受力 髌骨受力在伸直位和屈曲位是不一样，伸直位受压力较伸直位小多。髌股关节所受压力髌股关节所受压力膝关节运动学第34页3膝关节动力学分析（1）胫股关节动力学分析 从运动角度分析胫股关节。在做动力分析时所要考虑主要力是肌体重结缔组织及外加载荷所产生,在做动力分析时较惯用是关节力矩。l下面以踢足球活动为例，说明应用动力分析来计算某一特定瞬时胫股关节上关节反力。l取一张膝和小腿频闪摄影图，求出足踢球瞬时最大角加速度，这一瞬时小腿几乎垂直。从片子上能够计算出最大角加速度是453r/s2。依据人体测量数据表，小腿惯性质量矩定为0.35Nms2。依据力矩等于质量惯性矩乘以角加速度公式（T=Ia）即能够算出胫股关节上力矩。l即T=0.35 Nms2*453 r/s2=158.5 Nms2膝关节运动学第35页l在定出力矩为158.5 Nms2后再测出从人髌腱到胫股关节瞬时中心垂直距离为0.05m，利用力矩等于力乘距离公式即可算出髌腱作用在关节上肌力：l158.5 Nm=F*0.05mlF=158.5Nm/0.054ml经过深入运算是踢球运动时由股四头肌施加最大力值是3170N。现在能够做静力分析来确定胫股关节上关节反力值。这个关节上主要力确定为髌腱力（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）大小、方向和作用线未知。用三个共面力分离体法解出力（J），能够发觉此力只稍低于髌腱力。膝关节运动学第36页（2）髌股关节动力学分析l在髌股关节中，伴随膝屈曲，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小弯曲力矩，因为膝关节以上身体重心几乎就在髌股关节转动中心上方。然而，当膝关节屈曲增加，重心从转动中心向远移动，所以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，髌股关节反作用力也增加。即：膝屈曲越大，股四头肌力值越大，所以髌股关节反作用力值越高。在膝屈曲到90过程中产生更高髌股关节反力。在膝屈曲90时，此力到达体重2.53倍。膝屈曲整个过程中，髌股关节反力一直比股四头肌力大。l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力值，它是经过改变髌腱力和股四头肌腱力之间夹角来实现。这两个分力之间角伴随膝弯曲急剧变大，增加了髌股关节反作用力大小，它是两个分力协力。从理论上来讲，即使股四头肌肌力保持不变，伴随膝关节屈，髌股关节反作用力也是增加。膝关节运动学第37页3535PQJ8080PQJ膝屈90膝屈5AB膝关节运动学第38页l当膝关节伸时，髌骨下面部分搁置在股骨上。当膝屈曲到90时，髌骨和股骨之间接触面积头盖形增加，它大小也稍微有些增加。在某种程度上，伴随膝关节屈曲，这个接触面积增加赔偿了增大髌股关节反作用力。l在某种情况下，股四头肌肌力髌股关节周围力矩很高，尤其是膝关节屈曲时。膝关节运动学第39页4步行时胫骨平台反应力及辅助结构作用（1）步行时胫骨平台反应力 胫骨平台定义 组成膝关节基本结构骨是大腿股骨下端和小腿胫骨上端，股骨下端能够看成是关节头，胫骨上端组成关节窝。组成膝关节基本结构两块骨所形成关节头和窝不经典，尤其是胫骨组成关节窝很浅近似于一个平面(俗称胫骨平台)，这一结构有利于膝关节灵活性，但稳定性较差。膝关节受力特点 膝关节内侧髁较外侧髁接触面积大；高负荷下半月板负担胫股关节总压力二分之一，而低负荷下胫股关节压力分布较不确定，可极少或没有股骨胫骨间负荷直接接触传递。步行时胫骨平台反应力 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。膝关节运动学第40页（2）膝关节辅助结构作用 其主要作用是增加膝关节稳定性。侧副韧带 预防小腿在膝关节处向左右侧方移动作用，确保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 其主要功效是在运动中当小腿固定时预防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 增加膝关节稳定并有减轻运动时关节头和窝之间撞击作用。脂肪垫 它促进膝关节滑液分泌，减轻运动中膝关节震动作用。髌骨 对膝关节有一定保护作用并有增加伸膝关节肌力矩作用。膝关节运动学第41页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、半月板损伤，也可发生骨折乃至神经、血管损伤。膝关节运动学第42页6全膝关节置换术功效锻炼 l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换已经有显著病损膝关节表面骨与软骨，从而到达消除病痛、缓解症状和矫正畸形，恢复与改进膝关节功效作用。l关节功效恢复，除了本身手术效果外，术后以及出院后关节功效锻炼甚为主要。膝关节运动学第43页