膝關節生物力學

膝關節的負荷隨人體的運動和步態方式有很大的變化，膝關節站立位的靜態受力(雙足着地)為體重的0.43倍，而行走時可達體重的3.02倍，上樓時則可達到4.25倍。正常膝關節作用力的傳遞藉助於半月板和關節軟骨的蠕變使脛股之間的接觸面增大，從而減少了單位面積的力負荷。在冠狀面上，當一足站立時，人體的重力沿垂直重心線傳遞並經過膝關節的內側。這一重力作用使股骨傾向脛骨內側髁。此時，闊筋膜張肌和臀大肌通過髂脛束靠外側力來保持平衡，這些力的和代表膝關節在此面上的總的支持力，其合力則是經過膝關節中心。

膝關節的運動模式並非一個簡單的屈伸運動，而是一個兼有屈伸、滾動、滑動、側移和軸位旋轉的複雜的多自由度的運動模式。在矢狀面，膝關節的伸屈運動並非圍繞着同一個旋轉中心，而是根據運動的過程產生多個瞬時旋轉中心。當接觸面的質點速度方向切於關節面時，運動的阻力最小，並可在根據接觸面的垂線上求出瞬時旋轉中心，如瞬時中心不在此線上，膝關節將出現滑動運動。在正常的膝關節上，任何瞬時中心的速度方向將切於關節接觸面，在膝關節由伸而屈的過程中，連續標出每個運動的瞬時旋轉中心，則會在股骨髁上形成一個“J”形軌跡。

正常脛股關節間力的傳遞和應力分佈與正常的半月板和關節軟骨的功能密切相關。在膝關節的運動和受力相中，由於半月板隨着關節活動的相對位移，以及具有粘彈特性的正常半月板和關節軟骨組織的應變，使關節間的壓強變化趨於緩和。此外，膝關節在水平面的旋轉運動是以內側髁為中心，這種旋轉方式使得膝關節內側間隙易於發生退變，這也是膝關節骨關節炎病變往往以內側間隙為重，甚至出現典型的內側單腔室骨關節炎和膝內翻畸形。

髕股關節是參與膝關節伸屈運動的重要結構，在膝關節活動中有着特殊的章義。髂骨除了傳遞股四頭肌的拉力和承受髕韌帶的張力以外，其關節面本身在膝關節屈曲運動時承受的應力和關節面上的應力分佈是髕股關節生物力學研究的重點。髕骨的外側傾斜和外側移位是髕股對線異常的主要存在形式，其原因可能包括股骨髁的發育異常、髕骨發育異常及高位髕骨、膝外翻和Q角異常增大、內側支持帶鬆弛、外側支持帶攣縮等多種因素。

髕骨外位實際上是程度不同的髕骨半脱位，在伸直位時，髕骨很容易向外側推動，在屈膝20°時，可發現髕骨中央嵴與滑車凹的最低點不呈對應關係而向外側移位，其移位的程度對評價髕骨半脱位很有意義。因此，在屈膝20°～30°度時對髕股對線關係的評價是關節檢查中對髕股異常對線診斷的關鍵。髕股異常對線的直接結果是導致關節面應力或稱髕股接觸壓的分佈異常。一方面，關節面局部的應力集中可致關節軟骨的病損，另一方面，關節面的接觸壓降低和失去接觸也會導致軟骨的退變。由於軟骨面的退變導致的軟骨厚度的喪失還可導致正常軟骨面的應力重新分佈，導致整個軟骨病損的擴展。據此，可以認為髕股對線異常所致髕股接觸壓的分佈不均是導致軟骨病變的潛在病因。同樣，髕股對線異常也是導致TKA術後髕骨併發症的主要原因。

髂骨關節面上的應力分佈不均是產生髕股關節面軟骨退變的直接原因。在正常的生理情況下，膝關節由伸而屈至90°的運動過程中，髕股接觸壓逐漸加大，而超過90°後又逐漸減小。由於正常髕股關節的接觸面隨髕股接觸壓的增加而增大，因而，作用於髕股關節面的應力得以分散，其壓強的變化不大。在膝關節置換時，髂骨與股骨滑車的在不同位相上的匹配度是假體設計上的重要指標，通過合理的假體設計、髕骨內置和股骨假體的外旋位安裝可使髕骨假體更容易與滑車相匹配。

由於前述膝關節的骨性結構、半月板，關節囊及附屬韌帶結構的共同作用，膝關節可以保持靜態與動態的穩定性。膝關節在完全伸直位，關節將發生扣鎖，而獲得最大的關節穩定性，這是因為膝處於完全伸直位時，股骨在脛骨上向內旋轉；而於過度屈曲位時，股骨則向外旋轉，此時將通過關節面的咬合和交叉韌帶的制導作用增加關節的穩定。