膝关节生物力学

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。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。

膝关节的运动模式并非一个简单的屈伸运动，而是一个兼有屈伸、滚动、滑动、侧移和轴位旋转的复杂的多自由度的运动模式。在矢状面，膝关节的伸屈运动并非围绕着同一个旋转中心，而是根据运动的过程产生多个瞬时旋转中心。当接触面的质点速度方向切于关节面时，运动的阻力最小，并可在根据接触面的垂线上求出瞬时旋转中心，如瞬时中心不在此线上，膝关节将出现滑动运动。在正常的膝关节上，任何瞬时中心的速度方向将切于关节接触面，在膝关节由伸而屈的过程中，连续标出每个运动的瞬时旋转中心，则会在股骨髁上形成一个“J”形轨迹。

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。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，以及具有粘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。

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章义。髂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线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°度时对髌股对线关系的评价是关节检查中对髌股异常对线诊断的关键。髌股异常对线的直接结果是导致关节面应力或称髌股接触压的分布异常。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。据此，可以认为髌股对线异常所致髌股接触压的分布不均是导致软骨病变的潜在病因。同样，髌股对线异常也是导致TKA术后髌骨并发症的主要原因。

髂骨关节面上的应力分布不均是产生髌股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，髌股接触压逐渐加大，而超过90°后又逐渐减小。由于正常髌股关节的接触面随髌股接触压的增加而增大，因而，作用于髌股关节面的应力得以分散，其压强的变化不大。在膝关节置换时，髂骨与股骨滑车的在不同位相上的匹配度是假体设计上的重要指标，通过合理的假体设计、髌骨内置和股骨假体的外旋位安装可使髌骨假体更容易与滑车相匹配。

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。

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