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2 : hljrmcbs@yeah.net ISBN R 141 :18.00 (, )

3 前 言 膝 关 节 疾 病 在 近 几 年 以 来 发 展 很 快, 随 着 新 型 的 诊 断 仪 器 的 出 现, 在 膝 关 节 疾 病 的 诊 断 上 又 有 了 长 足 的 进 步, 特 别 是 膝 关 节 镜 技 术 的 应 用 和 人 工 全 膝 关 节 表 面 最 置 换 术 的 普 及 给 膝 关 节 疾 病 的 诊 断 及 治 疗 又 翻 开 了 新 的 一 页, 以 往 不 被 认 识 的 膝 关 节 疾 病 也 进 一 步 被 明 确, 由 于 近 几 年 以 来 在 临 床 上 非 外 伤 性 膝 关 节 病 痛 逐 渐 增 多, 本 书 着 重 描 写 了 在 非 外 伤 情 况 下 膝 关 节 疾 病 的 发 生, 发 展, 转 归 以 及 诊 断 治 疗, 本 书 综 合 了 近 几 年 来 膝 关 节 外 科 的 最 新 医 疗 文 献, 对 于 一 些 近 年 来 发 展 的 新 的 检 查 方 法 及 治 疗 手 段 进 行 了 详 细 的 描 述, 希 望 对 于 广 大 读 者 能 起 到 辅 助 和 参 考 作 用 请 广 大 读 者 及 同 行 批 评 指 正 编 者

4 声 明 ( 依 附 照 国 际 惯 例 登 载 ) 医 学 是 一 门 不 断 发 展 的 科 学, 由 于 新 的 研 究 成 果 层 出 不 穷, 临 床 经 验 的 不 断 积 累, 因 此 我 们 有 必 要 了 解 治 疗 及 用 药 的 新 变 化, 本 书 的 主 编 及 编 者 根 据 他 们 可 靠 的 科 研 成 就 提 供 了 当 今 最 新 的 医 学 资 料 但 是, 由 于 人 类 存 在 着 相 关 的 个 体 管 差 异 及 临 床 医 学 的 不 断 发 展, 人 们 对 以 往 的 科 研 成 果 有 新 的 认 识 并 使 之 不 断 完 善, 因 此 本 书 的 编 者, 出 版 者 及 各 编 委 在 此 郑 重 声 明 : 本 书 所 提 供 的 所 有 资 料 都 是 准 确, 核 对 无 误 的, 完 整 及 可 靠 的, 但 是 他 们 对 因 使 用 本 书 的 资 料 而 引 起 的 任 何 医 疗 差 错 和 事 故 一 律 不 能 负 责, 我 们 鼓 励 读 者 参 照 其 他 材 料 来 证 实 本 书 资 料 的 可 靠 性

5 编 撰 者 名 单 王 友 成 孙 宏 心 王 岩 田 方 遒 付 波 马 辉 闵 红 巍 王 爱 华 菊 成 宝 魏 童 临 张 振 东 钟 佳 琪 韩 月 菊 黑 龙 江 省 医 院 黑 龙 江 省 医 院 黑 龙 江 省 医 院 黑 龙 江 省 医 院 黑 龙 江 省 医 院 黑 龙 江 省 医 院 黑 龙 江 省 医 院 黑 龙 江 省 医 院 黑 龙 江 省 宾 县 人 民 医 院 哈 尔 滨 市 第 八 医 院 黑 龙 江 省 北 安 中 医 院 黑 龙 江 省 哈 尔 滨 拖 拉 机 厂 医 院 黑 龙 江 省 医 院

6 目 录 第 一 章 膝 关 节 外 科 的 发 展 现 状 与 前 景 第 二 章 膝 关 节 的 胚 胎 发 生 与 发 育 第 三 章 膝 关 节 的 生 物 力 学 研 究 第 四 章 膝 关 节 的 解 剖 学 第 五 章 膝 关 节 的 物 理 检 查 及 影 像 学 检 测 第 六 章 膝 关 节 的 化 脓 性 感 染 及 膝 关 节 结 核 第 七 章 髌 骨 不 稳 定 第 八 章 膝 关 节 慢 性 关 节 炎 第 九 章 膝 关 节 肿 瘤 及 肿 瘤 样 病 变 第 十 章 膝 关 节 先 天 性 畸 形 第 十 一 章 关 节 镜 在 膝 关 节 疾 病 中 的 应 用 第 十 二 章 膝 关 节 人 工 关 节 置 换 术 第 十 三 章 膝 关 节 围 手 术 期 的 护 理 第 十 四 章 膝 关 节 术 后 功 能 康 复 与 治 疗 第 十 五 章 内 科 相 关 疾 病 对 膝 关 节 的 影 响

7 第 一 章 膝 关 节 外 科 发 展 现 状 与 前 景 21 世 纪 的 曙 光 普 照 大 地 之 际, 联 合 国 秘 书 长 安 南 就 世 界 卫 生 组 织 (WHO) 制 定 的 骨 与 关 节 10 年 (2000~2010 年 ) 行 动 规 划 发 表 讲 话, 他 指 出 在 全 球 范 围 内, 肌 肉 骨 伤 疾 病 已 成 为 长 期 影 响 人 类 健 康 和 引 起 生 理 功 能 障 碍 的 最 常 见 原 因, 这 是 对 人 类 社 会 以 及 健 康 保 健 系 统 严 重 的 冲 击 最 有 效 的 方 法 就 是 要 积 极 预 防 与 治 疗, 而 且 现 在 必 须 立 即 行 动 在 所 有 肌 肉 骨 骼 系 统 疾 病 之 中, 首 当 其 冲 的 是 骨 关 节 炎, 而 膝 关 节 骨 关 节 炎 又 是 全 身 骨 关 节 炎 中 发 病 率 最 高, 影 响 最 大 的 关 节 病 变 一 些 先 进 的 发 达 国 家, 例 如 美 国, 每 年 有 50 多 万 患 者 需 要 置 换 关 节, 其 中 需 要 行 膝 关 节 置 换 术 的 新 病 例 数 已 大 大 超 过 髋 关 节 置 换 数 我 国 膝 关 节 重 建 手 术 还 比 较 落 后, 究 其 原 因, 除 了 重 要 的 社 会 经 济 因 素 患 者 的 意 识 生 活 价 值 观 念 等 之 外, 还 有 医 务 人 员 的 自 身 因 素, 如 对 手 术 缺 乏 信 心, 缺 乏 真 正 意 义 上 的 培 训 与 实 践 现 就 以 下 几 个 问 题 发 表 几 点 看 法 1 早 中 期 膝 关 节 骨 关 节 炎 的 处 理 膝 关 节 骨 关 节 炎 非 手 术 治 疗 仍 旧 是 重 要 的 治 疗 手 段 之 一, 特 别 是 早 中 期 症 状 较 轻 的 患 者, 治 疗 包 括 非 类 固 醇 抗 炎 药 (NSAIDs) 关 节 内 激 素 或 透 明 质 酸 钠 注 射 物 理 疗 法 降 低 体 重 及 使 用 辅 助 支 具 等 而 软 骨 修 复 类 药 物, 如 硫 酸 软 骨 素 氨 基 葡 萄 糖 的 疗 效 尚 不 肯 定 非 手 术 治 疗 的 最 主 要 目 的 是 减 轻 疼 痛, 改 善 关 节 功 能 对 非 手 术 治 疗 无 效 病 情 处 于 中 等 度 的 病 例, 可 考 虑 膝 关 节 镜 冲 洗 清 扫 术, 特 别 对 那 些 有 游 离 体 反 复 交 锁 严 重 关 节 滑 膜 病 变 者, 可 获 得 一 定 疗 效 该 手 术 的 成 功 与 否 取 决 于 病 例 的 选 择 由 于 膝 关 节 置 换 术 良 好 的 手 术 效 果, 对 胫 骨 高 位 截 骨 术 治 疗 膝 关 节 骨 关 节 炎 的 作 用 产 生 争 议 Billings 报 道 胫 骨 高 位 截 骨 术 治 疗 膝 内 翻 的 5 年 成 功 率 达 85%,10 年 有 效 率 达 53 % 因 此, 该 手 术 对 于 年 轻 患 者, 尤 其 是 单 一 内 侧 间 隔 病 变 屈 曲 畸 形 不 明 显 者, 是 可 以 接 受 的 由 于 严 格 选 择 病 例 新 的 假 体 设 计 良 好 的 操 作 器 械, 单 髁 膝 关 节 成 形 手 术 的 效 果 有 了 很 大 的 改 观, 该 术 式 近 年 来 又 有 新 的 发 展 趋 势 Laskin 的 报 道 认 为, 实 施 该 手 术 有 4 个 问 题 必 须 明 确 :1 是 否 是 真 正 的 单 一 间 隔 病 变 ;2 如 果 是 单 一 间 隔 病 变, 还 必 须 排 除 其 他 手 术 反 指 征, 如 交 叉 韧 带 功 能 缺 损 严 重 的 关 节 滑 膜 病 变 等 ;3 了 解 固 定 的 膝 内 翻 或 屈 曲 挛 缩 畸 形 程 度, 过 度 纠 正 必 然 造 成 对 侧 间 隔 关 节 磨 损, 导 致 手 术 失 败 ;4 手 术 操 作 技 术 包 括 对 手 术 器 械 的 熟 悉 了 解, 确 保 术 后 能 获 得 正 常 的 关 节 对 线 与 排 列 该 手 术 主 要 适 合 单 髁 病 变 且 畸 形 不 严 重 的 年 轻 患 者 2 全 膝 关 节 置 换 术 的 手 术 效 果 及 适 应 证 全 膝 关 节 置 换 术 (TKR) 被 认 为 是 治 疗 终 末 期 或 严 重 的 膝 关 节 骨 关 节 炎 最 有 效 最 成 功 的 手 术 之 一 初 次 TKR 的 长 期 随 访 的 临 床 效 果 令 人 鼓 舞 Berry 报 道 1000 例 骨 水 泥 固 定 保 留 后 交 叉 韧 带 (PCL) 的 TKR 病 例, 经 10 年 的 长 期 随 访, 手 术 成 功 率 达 97.3% Emerson 等 的 平 均 11 年 随 访 资 料 显 示, 手 术 成 功 率 为 95%, 未 发 现 骨 溶 解, 股 骨 与 胫 骨 假 体 无 一 松 动, 胫 骨 聚 乙 烯 衬 垫 无 一 失 败 Ritter 报 道 了 458l 例 15 年 随 访 资 料, 手 术 成 功 率 达 98% 那 么,PCL 不 保 留 的 ( 或 称 后 稳 定 型 ) 全 膝 关 节 假 体 手 术 效 果 如 何 呢? 统 计 资 料 显 示, 该 假 体 的 手 术 效 果 也 十 分 满 意 Thadani 报 道 100 例 骨 水 泥 固 定 IB-I 型 假 体,10~12 年 随 访 示 胫 骨 假 体 松 动 率 为 1%,7% 的 患 者 发 生 髌 骨 骨 折, 未 发 现 股 骨 侧 假 体 松 动 Laskin 报 道 一 组 随 机 回 顾 性 分 析 研 究, 比 较 保 留 与 不 保 留 PCL 的 两 组 病 例, 资 料 显 示 关 节 活 动 度 上 下 楼 梯 的 能 力 膝 关 节 评 分 (HSS) 关 节 的 稳 定 性 膝 前 疼 痛 等 方 面 均 无 明 显 区 别 C1ark 也 报 道 一 组 随 机 对 照 多 中 心 病 例 资 料, 比 较 后 稳 定 型 假 体 与 保 留 PCL 假 体 的 临 床 效 果, 结 果 发 现 两 组 的 临 床 评 分 及 关 节 活 动 度 均 无 明 显 差 别

8 对 PCL 究 竟 保 留 与 否,Lombardi 认 为 关 键 取 决 于 交 叉 韧 带 自 身 条 件 和 关 节 畸 形 的 严 重 程 度 关 节 假 体 的 运 动 学 研 究 显 示 TKR 后 异 常 的 运 动 学 特 性 : 当 膝 关 节 屈 曲 时, 股 骨 髁 不 是 后 移 而 是 前 移 ; 伸 膝 位 时 髁 的 后 方 接 触, 出 现 一 种 反 常 的 运 动 学 特 性, 而 这 一 个 特 性 正 是 前 交 叉 韧 带 (ACL) 缺 陷 的 表 现 而 Stiehl 通 过 纤 维 内 镜 观 察 发 现,PCL 保 留 的 关 节 假 体 运 动 学 特 征 的 异 常 反 而 比 ACL PCL 都 不 保 留 者 更 为 明 显 Ranawat 比 较 两 种 不 同 设 计 的 胫 骨 假 体, 一 组 胫 骨 假 体 聚 乙 烯 衬 垫 有 金 属 底 托, 另 一 组 为 全 聚 乙 烯 组 成 的 胫 骨 假 体, 两 组 均 采 用 PCL 替 代 性 假 体 7 年 随 访 示, 有 金 属 底 托 这 一 组 出 现 高 骨 溶 解 率, 另 一 组 则 无 骨 溶 解 全 聚 乙 烯 假 体 组 显 示 96% 的 手 术 成 功 率, 而 另 一 组 仅 为 75% 因 此,Ranawat 对 含 有 金 属 底 托 的 胫 骨 假 体 的 设 计 提 出 质 疑 上 述 良 好 的 长 期 随 访 资 料 主 要 反 映 了 老 年 人 群 的 治 疗 结 果 对 于 年 轻 患 者, 特 别 是 50 岁 以 下 的 人 群,TKR 手 术 的 效 果 如 何 呢?Taylor 对 52 位 50 岁 以 下 患 者 71 例 TKR 平 均 随 访 l0 年, 结 果 表 明 手 术 成 功 率 仅 为 78%, 膝 关 节 评 分 (HSS)84 分, 治 疗 结 果 明 显 低 于 老 年 患 者 组 Lonner 等 报 道 32 例 40 岁 以 下 TKR 患 者, 随 访 时 间 为 8 年, 其 失 败 率 达 12.5% 结 论 显 而 易 见, 对 年 轻 患 者 或 是 术 后 活 动 量 较 大 的 患 者, 行 TKR 须 慎 重 近 年 来, 国 内 TKR 的 发 展 有 了 很 大 的 起 色, 不 少 单 位 已 经 积 累 了 相 当 多 的 成 功 经 验 或 失 败 教 训 如 果 想 把 这 项 致 力 于 造 福 广 大 膝 关 节 骨 关 节 炎 患 者 的 治 疗 方 法 推 向 健 康 发 展 的 轨 道, 必 须 遵 循 以 下 几 点 : (1) 术 前 计 划 术 前 测 量 十 分 必 要 我 们 还 没 有 条 件 在 手 术 前 运 用 计 算 机 模 拟 操 作, 但 是 术 前 仔 细 评 估 患 者 的 关 节 畸 形 程 度 术 前 模 板 测 量, 可 大 大 减 少 手 术 的 困 难 程 度 (2) 软 组 织 平 衡 仍 旧 是 TKR 手 术 成 功 的 关 键 我 们 在 实 践 中 似 乎 悟 出 这 样 一 种 策 略 : 软 组 织 平 衡 手 术 操 作 应 步 步 为 营 步 步 到 位, 尤 其 对 严 重 的 屈 曲 挛 缩 膝 外 翻 患 者, 更 应 小 心 谨 慎 (3) 股 骨 与 胫 骨 假 体 植 入 位 置 对 线 对 位 正 确 股 骨 与 股 骨 假 体 准 确 植 入 到 位, 特 别 是 股 骨 假 体 的 外 旋 3º 位 植 入 到 位 是 减 少 髌 股 关 节 并 发 症 的 重 要 措 施 Miura 研 究 发 现, 膝 内 翻 畸 形 病 例 股 骨 内 髁 后 侧 面 形 态 正 常, 而 膝 外 翻 病 例 股 骨 外 髁 后 髁 明 显 萎 缩 如 果 股 骨 假 体 轴 心 线 以 两 个 后 髁 间 连 线 作 基 线, 往 往 造 成 股 骨 假 体 内 旋 位 植 入, 故 以 股 骨 内 外 上 髁 连 线 作 为 衡 量 假 体 的 轴 心 线 较 正 确 与 恒 定 股 骨 假 体 内 旋 位 植 入 易 引 起 髌 前 疼 痛 髌 骨 脱 位 等 并 发 症 股 骨 假 体 的 正 确 植 入 同 样 重 要, 在 冠 状 面 上 要 求 胫 骨 假 体 中 和 位 植 入, 即 不 存 在 内 翻 位 或 外 翻 位 植 入, 而 在 矢 状 面 上 胫 骨 假 体 后 倾 (posterior slope) 控 制 在 0º~3º 过 度 的 后 倾 植 入 减 少 前 方 压 应 力, 却 增 加 了 后 方 压 应 力 另 外 应 该 注 意 的 是 胫 骨 假 体 中 线 对 准 胫 骨 结 节 中 内 1/3, 也 即 胫 骨 假 体 中 线 对 准 第 二 跖 骨 头 (4) 术 后 康 复 至 关 重 要 仅 仅 下 一 个 医 嘱 让 患 者 自 行 操 练 是 不 够 的, 医 护 人 员 康 复 医 师 和 手 术 医 师 应 共 同 努 力, 指 导 患 者 进 行 操 练 几 乎 所 有 患 者 均 能 在 术 后 2 周 扶 杖 行 走, 膝 关 节 活 动 度 达 到 90º 如 果 能 完 全 遵 循 正 确 的 操 作 步 骤, 手 术 成 功 的 可 能 性 极 大, 也 可 最 大 程 度 地 减 少 手 术 并 发 症, 获 得 满 意 的 手 术 效 果 3 活 动 - 载 荷 全 膝 关 节 假 体 TKR 的 中 长 期 临 床 随 访 结 果 十 分 满 意, 但 均 来 自 老 年 人 群 也 就 是 说,TKR 仅 仅 适 合 于 低 活 动 要 求 的 老 年 人 群, 年 轻 人 或 活 动 量 大 的 人 群 手 术 效 果 并 不 理 想, 而 造 成 手 术 失 败 的 原 因 依 旧 是 聚 乙 烯 的 磨 损 与 骨 溶 解 膝 关 节 假 体 磨 损 特 性 与 髋 关 节 假 体 不 同, 膝 关 节 假 体 聚 乙 烯 磨 损 可 分 为 两 类 第 一 类 磨 损 是 关 节 面 磨 损 80 年 代 设 计 的 假 体, 股 骨 髁 与 胫 骨 平 台 关 节 面 是 球 面 对 平 面 (round-on-flat designs) 接 触, 这 种 设 计 使 聚 乙 烯 受 到 很 大 的 接 触 应 力, 这 样 势 必 造 成 聚 乙 烯 破 坏 聚 乙 烯 分 层 破 裂 ( 髋 关 节 磨 损 是 小 颗 粒 磨 损 ) 解 决 这 一 问 题 可 采 用 股 骨 髁 与 胫 骨

9 平 台 关 节 面 完 全 匹 配 的 或 被 称 为 球 面 对 球 面 设 计, 这 样 关 节 面 的 压 力 是 减 少 了, 但 关 节 的 自 由 活 动 度 也 随 之 下 降 增 加 接 触 面 积, 减 少 旋 转 活 动, 这 对 于 关 节 的 活 动 是 不 利 的 第 二 类 磨 损 即 聚 乙 烯 磨 损, 这 在 近 年 来 越 来 越 受 到 重 视 这 类 磨 损 主 要 来 自 聚 乙 烯 的 底 部 磨 损 (undersurface wear), 即 在 聚 乙 烯 的 底 面 与 金 属 底 托 (tibial baseplate) 之 间 的 磨 损 到 目 前 为 止, 聚 乙 烯 与 金 属 底 托 之 间 的 机 械 性 连 接 达 不 到 两 物 体 之 间 能 保 证 绝 对 的 纹 丝 不 动, 也 就 是 说, 这 一 连 接 仍 使 金 属 与 聚 乙 烯 之 间 有 相 对 运 动, 而 运 动 的 结 果 即 导 致 聚 乙 烯 底 部 的 磨 损, 并 产 生 聚 乙 烯 磨 损 颗 粒 目 前 临 床 使 用 的 假 体 设 计 在 低 应 力 与 自 由 旋 转 活 动 之 间 的 冲 突 是 不 可 能 得 到 缓 解 的, 因 此 我 们 正 处 于 一 个 十 字 路 口 上 有 两 种 解 决 方 法 可 供 选 择 : 一 是 改 善 聚 乙 烯 质 量, 制 造 一 种 更 完 善 的 聚 乙 烯, 其 强 度 足 以 不 造 成 磨 损 二 是 抛 弃 目 前 的 假 体 设 计, 遵 循 一 种 新 的 设 计 理 念 活 动 - 载 荷 (mobile-bearing), 即 聚 乙 烯 底 面 与 金 属 底 托 之 间 呈 现 光 滑 平 面, 允 许 聚 乙 烯 在 金 属 底 托 表 面 上 旋 转 和 前 后 向 上 移 动 这 种 设 计 有 可 能 使 正 常 步 态 中 所 产 生 的 剪 切 力 和 扭 力 传 递 到 膝 周 围 软 组 织, 而 不 是 传 递 到 假 体 部 件 ( 金 属 底 托 与 胫 骨 聚 乙 烯 ) 之 间, 或 假 体 与 骨 组 织 之 间 的 界 面, 从 而 使 聚 乙 烯 的 磨 损 减 少 到 最 低 程 度 活 动 - 载 荷 假 体 完 全 是 按 照 一 种 新 的 设 计 理 念 发 展 而 来 的, 临 床 上 开 始 应 用 不 久, 但 也 象 其 他 新 产 品 一 样, 还 需 要 更 多 医 师 的 理 解 与 认 知, 同 时 需 要 时 间 的 验 证 4 全 膝 关 节 置 换 术 的 并 发 症 假 体 设 计 的 改 进, 手 术 操 作 技 术 的 进 步, 使 TKR 的 长 期 效 果 满 意, 但 是 并 发 症 仍 占 一 定 的 比 例, 诸 如 髌 股 关 节 的 失 败 伸 膝 装 置 功 能 不 良 胫 股 关 节 不 稳 定 假 体 周 围 骨 折 血 管 神 经 损 伤 术 后 关 节 血 肿 伤 口 愈 合 不 良 术 后 感 染 关 节 僵 硬 晚 期 假 体 磨 损 松 动, 包 括 骨 缺 损 等 其 中 很 大 一 部 分 已 见 许 多 作 者 反 复 报 道, 而 在 近 期, 髌 股 关 节 失 败 备 受 关 注, 有 金 属 衬 垫 的 髌 骨 表 面 置 换 假 体 的 设 计 已 遭 淘 汰 要 提 高 髌 股 关 节 的 成 功 率, 有 几 点 需 要 考 虑 :1 髌 骨 关 节 面 是 否 需 要 置 换, 仍 有 争 论, 资 料 显 示 髌 骨 不 置 换 同 样 可 以 获 得 良 好 效 果 ; 2 髌 骨 原 有 厚 度 要 精 确 测 量, 前 后 径 小 于 2lmm 的 髌 骨 是 否 需 置 换 应 慎 重 考 虑, 髌 骨 过 薄 过 小 易 发 生 骨 折 ;3 髌 骨 置 换 后 必 须 恢 复 到 原 先 前 后 径 ;4 髌 股 轨 迹 必 须 恢 复 正 常 ;5 股 骨 假 体 植 入 位 置 不 良 或 过 度 内 旋 可 影 响 髌 股 关 节 的 正 常 关 系 髌 骨 置 换 后 发 生 骨 折, 如 果 伸 膝 功 能 尚 可 假 体 尚 稳 定, 应 采 用 非 手 术 治 疗 Keating 报 道 177 例 髌 骨 骨 折 患 者 再 手 术, 术 后 几 乎 100% 骨 不 连 接, 有 50% 的 感 染 发 生 率 他 推 荐 对 这 类 患 者 采 用 保 守 的 非 手 术 治 疗

10 第 二 章 膝 关 节 的 组 织 胚 胎 学 一 股 骨 下 端 的 骨 化 过 程 股 骨 下 端 的 次 级 骨 化 中 心 早 在 胚 胎 第 9 月 即 出 现, 一 般 为 一 个, 但 可 为 不 等 大 两 个 ( 图 2-1) 其 规 律 是, 骨 化 中 心 出 现 愈 早, 愈 合 也 愈 迟 股 骨 下 端 骨 骺 至 19~21 岁 时 始 与 骨 干 愈 合, 这 个 骨 骺 对 于 下 肢 的 生 长 有 关 股 骨 下 端 骺 线 横 行, 前 面 在 滑 车 的 上 缘, 后 面 在 髁 间 线 之 间, 内 侧 至 收 肌 结 节, 恰 好 将 股 骨 两 髁 两 下 髁 髌 面 及 髁 间 窝 与 骨 干 分 开 ( 图 2-2) 虽 然 骺 线 在 侧 面 距 关 节 囊 尚 有 一 段 距 离, 但 前 面 与 后 面 皆 在 关 节 囊 内, 因 此 干 骺 端 前 后 面 的 感 染 易 波 及 膝 关 节 而 侧 面 不 易 波 及, 股 骨 下 端 还 可 出 现 分 离 并 向 前 滑 脱 在 年 幼 患 者, 对 膝 关 节 即 使 去 除 不 多, 亦 会 影 响 骨 骼 的 生 长 骨 骼 在 此 处 生 长 迅 速, 股 骨 下 端 常 是 感 染 及 肿 瘤 好 发 处 股 骨 下 端 骨 骺, 男 女 性 均 在 出 生 时 即 出 现 其 愈 合, 在 男 性 为 17~22 岁, 女 性 为 16 岁 另 据 报 告, 股 骨 下 端 骨 骺 出 现, 男 性 为 自 出 生 至 5 月, 女 性 为 自 出 生 至 4 月 其 愈 合, 男 性 为 17~20 岁, 女 性 为 15~18 岁 二 胫 骨 上 端 的 骨 化 过 程 胫 骨 上 端 的 骨 化 中 心 出 现 很 早, 约 在 出 生 以 前, 但 迟 至 20 岁, 始 与 骨 干 愈 合 据 报 告, 胫 骨 上 端 骨 骺, 男 女 性 均 在 出 生 时 即 出 现 其 愈 合, 男 性 为 17~22 岁, 女 性 为 16 岁 另 据 报 告, 胫 骨 上 端 骨 骺 出 现, 在 男 性 自 出 生 至 2 月, 女 性 自 出 生 至 1 月 其 愈 合 男 性 为 17~20 岁, 女 性 为 15~18 岁 随 年 龄 增 长 骨 干 逐 渐 变 得 缩 窄 ( 图 2-3) 胫 骨 上 端 骨 化 中 心 经 过 骨 化 形 成 两 髁 及 胫 骨 粗 隆 胫 骨 上 端 骺 软 骨 板 距 关 节 面 甚 近, 骺 的 前 部 伸 向 下 方 如 小 舌, 包 括 胫 骨 粗 隆, 内 侧 在 半 膜 肌 腱 沟 之 下, 外 例 横 过 腓 骨 关 节 小 面 与 股 骨 下 端 相 似, 胫 骨 上 端 骺 线 附 近 亦 常 为 恶 性 肿 瘤 发 生 处 胫 骨 粗 隆 最 初 由 一 舌 状 软 骨 形 成, 自 胫 骨 上 端 的 骨 骺 向 前 下 方 延 伸, 通 常 有 一 个 骨 化 中 心, 于 11~12 岁 时 出 现, 但 可 发 生 节 裂 18~19 岁 时 与 干 骺 端 愈 合 ( 图 2-4) ( 一 ) 胫 骨 上 端 畸 形 变 异 胫 骨 粗 隆 在 发 育 过 程 中, 可 有 若 干 变 异, 如 舌 状 软 骨 方 向 异 常, 两 则 不 对 称, 附 加 骨 化 中 心

11 及 骨 骺 中 心 分 离 等 胫 骨 平 台 及 胫 骨 髁 间 结 节 可 有 很 多 变 异 有 的 胫 骨 平 台 扁 平, 胫 骨 髁 间 结 节 仅 稍 突 出, 发 育 不 全 或 甚 至 不 发 育 ; 相 反, 有 的 胫 骨 髁 间 结 节 过 度 发 育, 突 出 明 显 ; 还 有 的 较 胫 骨 髁 略 高, 与 一 般 胫 骨 髁 周 围 稍 高 相 反, 胫 骨 髁 周 围 反 而 低 下 ( 图 2-5) 胫 骨 髁 间 结 节 对 下 倾 胫 骨 髁 的 相 对 高 度 甚 为 重 要, 关 节 面 距 中 央 区 下 倾 愈 大, 股 骨 髁 与 胫 骨 髁 间 结 节 的 关 系 愈 密 切, 胫 骨 髁 间 结 节 过 分 隆 起, 胫 骨 髁 间 结 节 与 股 骨 内 髁 多 次 重 复 撞 击, 常 为 引 起 剥 脱 性 骨 软 骨 病 的 原 因 ( 二 ) 胫 骨 粗 隆 骨 软 骨 病 在 18~19 岁 以 下 的 少 年, 胫 骨 粗 隆 尚 未 发 育 完 全, 股 四 头 肌 强 力 收 缩 时, 可 能 将 胫 骨 粗 隆 撕 脱 胫 骨 粗 隆 如 发 育 不 良, 可 引 起 胫 骨 粗 隆 骨 软 骨 病 或 Osgood-Schlatter 氏 病, 胫 骨 粗 隆 骨 骺 往 往 变 形 碎 裂, 失 去 正 常 的 骨 小 梁 ( 图 2-6) 此 病 原 来 是 指 髌 韧 带 抵 止 处 的 病 变,x 线 像 表 现 胫 骨 粗 隆 与 骨 干 分 离 及 髌 韧 带 有 钙 化 现 象, 整 个 胫 骨 粗 隆 较 对 侧 为 大, 偶 亦 可 见 到 骨 折 撕 裂, 大 部 分 病 例 中 找 不 到 缺 血 炎 症 内 分 泌 失 调 或 血 管 变 化 证 据 在 此 病, 髌 韧 带 肥 厚 肿 胀 胫 骨 粗 隆 结 构 紊 乱 或 密 度 增 加 胫 骨 粗 隆 的 舌 状 突 起 可 表 现 多 节 段 断 裂, 亦 可 表 现 为 前 上 缘 的 局 限 性 碎 裂 碎 裂 的 骨 片 不 一 定 坏 死, 撕 脱 后 仍 可 接 受 髌 韧 带 或 周 围 软 组 织 的 营 养, 体 积 反 而 增 大, 同 时 碎 裂 的 骨 片 可 被 髌 韧 带 牵 引 发 生 移 位,

12 形 成 髌 韧 带 内 的 骨 化, 有 时 股 骨 粗 隆 的 前 上 缘 尚 可 见 到 较 钝 的 牵 引 骨 质 增 生 胫 骨 粗 隆 碎 裂 方 式 的 不 同 可 能 与 其 愈 合 程 度 髌 韧 带 附 着 部 位 受 伤 方 式 及 活 动 习 惯 有 关 胫 骨 粗 隆 骨 软 骨 病 的 发 病 原 因, 有 人 认 为 系 外 伤 引 起, 有 人 则 认 为 与 发 育 障 碍 有 关 髌 韧 带 抵 止 于 胫 骨 粗 隆 的 部 分 断 裂 后, 其 两 旁 至 膝 关 节 的 韧 带 扩 张 部 仍 可 保 持 足 够 的 伸 直 功 能 有 的 作 者 将 此 病 命 名 为 假 性 骨 软 骨 病, 因 真 性 骨 软 骨 病 仅 发 生 于 压 力 性 骨 骺, 胫 骨 粗 隆 系 牵 引 骨 骺, 不 致 发 生 还 有 的 作 者 则 认 为, 本 病 主 要 是 外 伤 后 的 修 复 性 反 应 ( 三 ) 胫 骨 内 髁 骨 软 骨 病 亦 称 Blount 氏 病, 多 发 生 于 婴 儿 或 儿 童 严 重 者, 胫 骨 内 侧 髁 增 大, 暂 时 骨 化 区 内 侧 半 受 压 迫, 胫 骨 干 向 内 弯 曲, 呈 膝 内 翻 x 线 像 显 示 胫 骨 内 侧 髁 向 内 下 后 方 倾 斜, 呈 鸟 嘴 状, 邻 近 骨 骺 的 内 侧 干 骺 端 向 内 突 出, 骺 板 内 侧 凹 陷, 干 骺 端 内 侧 附 近 骨 质 可 因 坏 死 或 软 骨 岛 构 成 斑 点 状 密 度 不 匀 阴 影 或 不 规 则 的 钙 化 三 髌 骨 的 骨 化 过 程 对 髌 骨 的 发 生 有 不 同 意 见, 有 人 认 为 它 的 胚 基 由 股 四 头 肌 腱 发 生 ; 有 的 则 认 为 无 关 ; 也 有 的 认 为 它 更 可 能 为 关 节 周 围 结 构 而 非 肌 腱 内 籽 骨 Anderson 认 为 髌 骨 在 伸 肌 腱 后 面 的 胚 基 最 先 形 成, 随 后 发 生 肌 腱, 这 与 豌 豆 骨 以 及 手 指 籽 骨 的 发 生 相 同, 同 时 尚 可 解 释 在 髌 股 骨 间 的 中 间 带 为 非 胚 基 性 在 冠 臀 长 20mm 的 胚 胎, 此 区 为 致 密 胚 基 组 织, 其 近 侧 融 于 股 骨 原 基, 当 髌 骨 原 基 出 现 时, 此 组 织 在 髌 股 骨 间 形 成 中 间 带, 它 开 始 很 疏 松, 以 后 致 密 冠 臀 长 8lmm 时, 髌 骨 与 髌 下 组 织 明 显 分 界 根 据 Anderson 的 研 究, 软 骨 性 髌 骨 早 在 冠 臀 长 23mm 时 即 出 现, 而 根 据 Gray 及 Gardner 的 研 究, 髌 骨 前 软 骨 阶 段 约 在 冠 臀 长 28mm(8 周 半 ) 出 部, 软 骨 性 髌 骨 则 在 冠 臀 长 37~39 mm 时 出 现 出 生 时 髌 骨 完 全 为 透 明 软 骨 构 成,2~5 岁 时 始 出 现 骨 化 中 心,17~18 岁 骨 化 完 成, 髌 骨 一 般 只 有 一 个 骨 化 中 心, 但 有 时 可 以 有 个 或 数 个 次 级 骨 化 中 心, 在 10~14 岁 时 出 现, 次 级 骨 化 中 心 一 般 在 15 岁 左 右 即 愈 合 张 乃 恕 报 告, 髌 骨 骨 化 中 心 出 现, 在 男 性 为 3 5 岁, 女 性 为 2~4 岁 ( 一 ) 髌 骨 的 畸 形 变 异 如 髌 骨 两 个 骨 化 中 心 不 愈 合, 即 形 成 二 分 髌 骨 (Bipartite pate11a), 多 余 的 髌 骨 一 般 在 髌 骨 的 上 外 角, 两 者 的 分 界 线 向 下 向 外, 其 相 对 面 平 滑 而 致 密 ( 图 2-7) 髌 骨 有 时 分 成 两 个 以 上, 也 有 时 髌 骨 呈 半 月 形 缺 损,x 线 像 显 示 有 骨 质 缺 损 髌 骨 尚 可 出 现 裂 缝, 或 作 矢 状 位, 位 于 内 缘 ; 或 作 额 状 位, 髌 骨 分 成 前 后 两 个 凹 形 盘, 其 间 的 裂 缝 宽 度 可 达 数 毫 米 所 有 这 些 畸 形 变 异 均 无 外 伤 史, 一 般 多 不 显 症 状, 仅 当 多 余 的 关 节 面 与 主 髌 骨 不 在 一 平 面 时, 才 引 起 症 状 在 x 线 像 下, 如 与 髌 骨 骨 折 不 易 鉴 别 时, 应 照 对 侧 膝 关 节 像 髌 骨 骨 化 中 心 不 愈 合 多 两 侧 同 时 发 生, 其 表 面 光 滑 髌 骨 有 时 先 天 发 育 不 全 或 甚 至 缺 如, 有 这 种 畸 形 时, 伸 膝 时 膝 部 平 坦, 屈 曲 时 则 成 角 发 育 不 全 的 髌 骨 一 般 位 置 较 高, 位 于 膝 外 侧, 股 骨 内

13 侧 髁 及 胫 骨 粗 隆 突 出, 患 者 有 时 尚 有 膝 外 翻 畸 形 ( 二 ) 先 天 性 髌 骨 发 育 不 全 亦 称 Turner 氏 综 合 征 或 指 甲 - 髌 骨 综 合 征 ( 遗 传 性 指 甲 - 骨 发 育 不 良 症 ), 有 明 显 家 族 性 和 遗 传 性 病 理 改 变 为 : 1. 指 甲 发 育 不 全 多 发 生 在 拇 指, 严 重 者 拇 指 指 甲 全 部 缺 如, 纵 裂 或 半 边 萎 缩 ; 有 时 食 指 指 甲 亦 可 缺 如, 小 指 发 病 者 极 少, 足 趾 偶 被 累 及, 尚 可 看 到 指 甲 脱 色 2. 膝 发 育 不 良 最 常 见 的 改 变 是 髌 骨 缺 如 或 发 育 不 全 髌 骨 可 呈 卵 圆 形 三 角 形 或 不 规 则 形, 向 外 侧 移 位 或 半 脱 位, 股 骨 外 侧 髁 常 发 育 不 良, 股 骨 内 侧 髁 大 而 突 出, 胫 骨 内 缘 向 上 内 斜 行, 胫 骨 平 台 向 内 下 倾 斜 患 者 尚 有 膝 外 翻 胫 骨 外 旋, 胫 骨 粗 隆 明 显 突 出 3. 肘 发 育 不 良 肘 外 侧 部 包 括 骨 外 上 髁, 肱 骨 小 头 及 桡 骨 头 发 育 不 全, 外 偏 角 增 大, 有 时 桡 骨 头 变 大, 呈 蕈 状, 可 能 发 生 半 脱 位 或 完 全 脱 位, 肘 关 节 活 动 有 时 受 限, 前 臂 旋 转 差, 肘 部 强 直 4. 骨 盆 发 育 不 良 髂 嵴 外 翻, 髂 骨 冀 后 外 侧 圆 锥 形 突 起, 出 现 所 谓 髂 角 这 种 综 合 征 为 遗 传 性 疾 病, 常 伴 有 广 泛 肌 肉 及 结 缔 组 织 发 育 不 全 或 合 并 其 他 畸 形 ( 三 ) 髌 骨 下 端 骨 软 骨 病 (Larson-Johannson 氏 病 ) Mc Wally 曾 解 剖 大 批 尸 体 的 髌 骨, 发 现 髌 骨 极 少 具 有 骨 髓, 如 有, 一 般 位 于 髌 骨 下 端 髌 韧 带 附 着 处 髌 骨 的 血 供 采 自 膝 关 节 血 管 网, 其 骨 骺 部 分 的 血 供 与 初 级 骨 化 中 心 的 血 供 于 骺 板 处 并 无 联 系, 当 骺 韧 带 附 着 点 ( 即 次 级 骨 化 中 心 ) 的 血 供 因 损 伤 或 其 他 原 因 受 到 障 碍 时, 骨 骺 就 可 产 生 骨 软 骨 病 样 变 化 所 谓 Larsen Johannson 氏 病 即 髌 骨 下 极 次 级 骨 化 中 心 的 骨 软 骨 病 此 种 情 况 往 往 与 胫 骨 粗 隆 骨 软 骨 病 并 存, 病 理 可 能 相 同 因 解 剖 上 髌 骨 下 极 及 胫 骨 粗 隆 是 髌 韧 带 附 着 的 两 端, 在 体 育 活 动 或 剧 烈 运 动 中, 经 常 同 时 承 受 拉 力 之 故 四 半 月 板 的 种 系 发 生 从 种 系 发 生 上 来 看, 半 月 板 系 晚 近 发 生 的 结 构, 直 到 人 类, 半 月 板 才 发 展 完 善 人 类 的 半 月 板 较 一 切 低 等 脊 椎 动 物 为 宽, 这 显 然 与 人 类 直 立 负 重 膝 关 节 完 全 伸 直 有 关 灵 长 类 如 猩 猩, 虽 然 接 近 半 直 立, 但 半 月 板 仍 较 人 类 相 对 为 窄 许 多 爬 虫 类 如 蜥 蜴 类 及 鸟 类 的 半 月 板 多 作 盘 状, 短 尾 猴 的 半 月 板 为 圆 圈 形, 但 一 般 哺 乳 动 物 不 具 外 侧 盘 状 半 月 板 动 物 的 外 侧 半 月 板 后 部 借 半 月 板 股 骨 韧 带 连 于 股 骨 内 侧 髁 的 外 侧 面 动 物 的 膝 关 节 功 能 位 是 屈 曲 位, 需 要 活 动 性 较 大 的 外 侧 半 月 板, 其 后 部 不 与 胫 骨 相 连 半 月 板 的 胚 胎 发 生 在 胚 胎 发 生 上, 膝 关 节 由 股 骨 与 胫 骨 之 间 两 个 原 始 中 胚 叶 细 胞 板 分 化 而 成 发 生 过 程 中, 该 板 的 周 围 细 胞 分 化 为 关 节 囊 和 韧 带, 而 其 中 心 组 织 则 分 化 为 一 个 横 的 裂 缝, 其 间 隔 组 织 就 形 成 关 节 囊 内 的 半 月 板 在 冠 臀 长 40mm 的 胚 胎 上, 膝 关 节 为 伸 向 关 节 的 中 胚 叶 块 分 成 四 部 分, 以 后 此 中 胚 叶 块 在 中 线 与 原 始 交 叉 韧 带 形 成 的 矢 状 隔 相 遇 并 穿 过 它, 此 时 股 骨 雏 形 与 半 月 板 上 面 已 被 分 开 在 冠 臀 长 60mm 的 胚 胎 上, 股 骨 下 端 与 胫 骨 上 端 已 清 楚 形 成 胚 胎 第 4 月 时, 半 月 板 的 组 织 更 呈 纤 维 软 骨 性 胚 胎 第 5 月 时, 位 于 半 月 板 的 中 央 部 分 软 化 第 5 月 末, 在 膝 交 叉 韧 带 的 两 侧, 出 现 半 月 板 的 裂 隙, 内 侧 较 外 侧 为 大 出 生 时, 半 月 板 覆 盖 胫 骨 髁 与 股 骨 髁 相 对 面 的 大 部, 如 同 成 人, 两 骨 关 节 面 直 接 相 接 触 区 在 内 侧 较 外 侧 为 大, 以 后 半 月 板 的 中 央 间 隙 逐 渐 增 大, 直 至 两 骨 关 节 面 接 触 区 如 正 常 成 人 比 例 4 岁 时, 半 月 板 永 久 结 构 形 成 半 月 板 最 初 在 外 形 上 如 同 衬 垫, 以 后 作 半 环 状 Kaplan 研 究 从 40 天 胚 胎 到 新 生 儿 的 半 月 板, 无 论 在 内 外 侧, 均 未 发 现 盘 状 半 月 板,

14 因 此 不 认 为 盘 状 半 月 板 系 由 于 发 生 障 碍 所 致 Ross 对 胎 儿 进 行 解 剖, 发 现 早 在 胚 胎 第 10 周, 半 月 板 的 形 状 即 与 成 人 相 似, 在 以 后 胚 胎 发 生 过 程 中, 始 终 与 成 人 相 同 在 早 期 发 生 过 程 中, 在 股 胫 骨 软 骨 膜 之 间 存 在 有 未 分 化 的 间 充 质 板, 当 关 节 腔 隙 发 生 时, 间 充 质 板 的 中 央 部 被 吸 收 从 一 开 始, 软 骨 的 分 化 即 与 成 人 的 形 状 基 本 相 同 胚 胎 发 生 很 难 证 明 这 种 假 设, 即 末 分 化 的 间 充 质, 最 初 为 一 完 全 的 纤 维 软 骨 盘, 以 后 其 中 央 部 分 吸 收, 发 展 为 成 人 半 月 板 形 状 五 膝 关 节 的 种 系 发 生 在 两 栖 类 爬 虫 类 低 等 哺 乳 类 及 类 人 猿 腘 肌 及 腘 肌 腱 为 两 个 独 立 结 构, 分 别 发 生, 以 后 始 相 连 在 两 栖 类 爬 虫 类 及 鸟 类, 膝 关 节 有 分 开 的 股 胫 及 股 腓 关 节, 具 有 一 共 同 关 节 腔 与 高 等 哺 乳 动 物 相 同, 股 胫 关 节 有 两 个 关 节 盘, 但 在 股 腓 关 节 间 亦 有 一 个 关 节 盘 在 低 等 动 物, 腘 肌 起 于 腓 骨 头, 而 不 起 于 股 骨 股 腓 关 节 间 的 关 节 盘 位 于 腓 骨 头 及 股 骨 髁 之 间, 为 两 个 韧 带 所 维 持, 一 为 关 节 盘 股 骨 韧 带, 连 接 关 节 盘 及 股 骨, 另 一 为 关 节 盘 腓 骨 韧 带, 连 接 关 节 盘 及 腓 骨 附 着 于 腓 骨 头 的 关 节 盘 腓 骨 韧 带, 相 当 于 腘 肌 的 起 点 在 低 等 动 物, 腓 骨 头 为 腘 肌 的 仅 有 起 点 在 进 化 过 程 中, 腓 骨 头 失 去 与 股 骨 的 接 触 而 形 成 胫 腓 关 节 随 着 腓 骨 头 的 下 降, 腓 骨 头 尖 的 骨 髓 可 在 腘 肌 的 起 点 保 留, 在 腘 肌 内 形 成 一 小 骨 股 腓 关 节 的 消 失 使 连 接 关 节 盘 与 股 腓 骨 的 两 韧 带 ( 关 节 盘 股 骨 韧 带 及 关 节 盘 腓 骨 韧 带 ) 保 持 不 变, 但 关 节 盘 本 身 发 生 改 变, 由 纤 维 软 骨 变 为 肌 腱, 而 后 形 成 由 股 骨 伸 展 至 腓 骨 及 腘 肌 的 腘 肌 腱 在 一 些 种 系, 腘 肌 借 一 附 加 腱 附 着 于 腓 骨 头, 如 同 腓 骨 头 在 其 下 降 时 将 腘 肌 的 起 点 牵 下 一 样 ; 在 另 一 些 种 系, 股 腓 关 节 消 失, 但 股 腓 关 节 盘 及 连 接 关 节 盘 与 股 腓 骨 的 两 韧 带 仍 存 在 袋 鼠 的 膝 关 节 存 在 有 股 腓 关 节 盘, 在 腘 肌 及 腓 骨 头 连 接 处, 腓 骨 头 尖 骨 骺 缺 如, 关 节 盘 股 骨 韧 带 及 关 节 盘 腓 骨 韧 带 存 在 股 腓 关 节 盘 及 两 个 韧 带 虽 然 很 小, 但 直 接 连 于 腘 肌, 可 视 为 股 腓 关 节 盘 及 其 韧 带 转 变 为 腘 肌 腱 的 进 化 中 间 阶 段 膝 关 节 尚 有 一 大 而 长 的 小 豆 骨, 借 一 明 显 的 腓 肠 肌 外 侧 头 小 豆 骨 股 骨 韧 带 及 小 豆 骨 腓 骨 韧 带 连 于 腓 骨 随 小 豆 骨 股 骨 韧 带 的 退 化, 小 豆 骨 及 股 骨 髁 直 接 接 触, 此 结 构 遂 与 人 类 小 豆 骨 腓 骨 韧 带 相 当 表 面 上 看, 腓 肠 肌 的 功 能 及 大 小 与 小 豆 骨 腓 骨 韧 带 的 保 存 有 一 些 重 要 关 系 在 袋 鼠, 韧 带 坚 强, 跳 跃 功 能 需 要 较 强 的 腓 肠 肌 及 小 豆 骨 腓 骨 韧 带, 使 膝 关 节 在 高 处 跳 下 强 力 伸 直 时 维 持 其 稳 定 小 豆 骨 腓 骨 韧 带 为 一 退 化 性 结 构, 仅 在 小 豆 骨 存 在 时 才 存 在 小 豆 骨 缺 如 时, 外 短 韧 带 相 当 于 小 豆 骨 腓 骨 韧 带, 腘 弓 状 韧 带 的 外 例 弓, 仅 表 示 此 区 后 关 节 囊 加 强, 该 处 腘 肌 附 着 于 外 例 半 月 板 的 冠 状 韧 带, 而 腘 肌 腱 由 膝 关 节 穿 出, 与 外 侧 半 月 板 游 离, 但 在 前 面 贴 连 于 关 节 囊 小 豆 骨 腓 骨 韧 带 在 功 能 上 与 膝 关 节 稳 定 有 关, 当 腓 肠 肌 外 侧 头 因 膝 伸 直 而 伸 张 时, 它 为 维 持 膝 关 节 外 侧 稳 定 的 第 四 个 韧 带, 其 它 三 个 为 腓 侧 副 韧 带 髂 胫 束 腘 肌 腱 及 腘 肌 作 膝 关 节 外 侧 显 露 时, 如 x 线 像 显 示 有 小 豆 骨, 则 股 二 头 肌 附 着 点 及 腓 肠 肌 间 将 有 小 豆 骨 腓 骨 韧 带 存 在, 在 股 二 头 肌 腱 之 前 及 小 豆 骨 腓 骨 韧 带 前 2cm 为 腓 侧 副 韧 带 小 豆 骨 腓 骨 韧 带 附 着 于 腓 骨 头 的 位 置 相 当 于 腘 肌 腱 由 腓 骨 头 转 向 膝 关 节 后 方 之 点, 腓 侧 副 韧 带 在 靠 近 股 骨 起 点 处 呈 锐 角, 越 过 腘 肌 腱 Meжyтa 发 现 人 类 膝 关 节 的 结 构 和 四 足 哺 乳 动 物 非 常 相 似, 例 如 : 人 类 和 四 足 动 物 膝 关 节 的 内 侧 部 分 均 发 育 强 大, 股 骨 内 侧 髁 较 外 侧 髁 大, 同 时 向 后 下 凸 出 ; 股 骨 内 外 侧 髁 几 乎 完 全 为 宽 广 的 位 于 后 面 的 髁 间 窝 所 分 开 ; 与 此 相 应, 胫 骨 内 侧 髁 亦 较 外 侧 髁 大, 胫 骨 内 外 侧 髁 关 节 面 几 乎 占 据 全 部 近 侧 端 的 骨 面 在 血 管 分 布 方 面, 也 明 显 看 到 内 侧 血 管 孔 的 数 目 较 外 侧 为 多, 而 且 血 管 孔 在 外 侧 髁 多 半 集 中 在 一 点 在 内 侧 髁 除 韧 带 及 肌 腱 附 着 点 以 外, 大 致 平 均 地 分 布 在 整 个 表 面

15 人 类 膝 关 节 的 结 构 取 决 于 下 列 事 实 : 站 立 时, 力 线 经 胫 骨 至 跟 结 节, 在 膝 关 节, 力 线 离 开 矢 状 面 而 偏 向 内 侧, 大 约 通 过 股 骨 内 侧 髁 正 中, 因 此 膝 关 节 的 内 侧 负 荷 较 大, 股 骨 及 胫 骨 内 侧 髁 增 强 在 身 体 力 线 通 过 内 侧 的 某 些 动 物, 其 内 侧 髁 比 外 侧 髁 几 乎 大 两 倍, 但 在 人 类 这 种 差 别 并 不 很 显 著 膝 关 节 内 外 侧 的 负 荷 不 同, 不 仅 决 定 了 膝 关 节 两 个 髁 的 体 积, 而 且 也 决 定 其 营 养 情 况, 四 足 动 物 膝 关 节 内 侧 的 血 供 就 比 较 丰 富 人 类 膝 关 节 在 结 构 上 有 许 多 特 点, 这 些 特 点 是 直 立 步 行 后 所 引 起 的, 表 现 在 下 列 几 方 面 : 1 静 止 状 态 下, 直 立 的 下 肢 处 于 最 大 伸 直 位, 此 时 两 骨 间 的 角 度 接 近 180º, 身 体 的 力 线 与 膝 关 节 长 轴 平 面 一 致, 在 动 物, 这 个 角 度 从 来 没 有 达 到 180º;2 下 肢 伸 直 时, 股 骨 下 关 节 面 和 胫 骨 上 关 节 面 支 持 部 分 位 于 关 节 面 的 正 中, 而 不 像 动 物 那 样 移 向 后 方 ;3 胫 骨 体 不 向 前 外 弯 曲, 它 的 上 端 不 向 后 倾 斜 ;4 膝 关 节 的 侧 副 韧 带 附 着 于 股 骨 上 髁 的 后 都, 此 时 支 持 身 体 的 力 线 位 于 关 节 后 方, 以 加 强 伸 直 膝 关 节 的 固 定 ;5 人 类 的 股 髌 及 股 胫 关 节 的 关 节 面 及 滑 膜 腔 是 完 整 的 结 构, 某 些 四 足 动 物 的 髌 骨 和 股 骨 髌 面 以 及 股 骨 和 胫 骨 间 的 关 节 是 完 全 独 立 的, 关 节 的 滑 膜 腔 也 完 全 独 立 存 在 6 在 血 管 供 应 方 面, 人 类 的 膝 关 节 如 同 四 足 动 物 一 样, 由 三 个 主 干 即 股 动 脉 腘 动 脉 及 胫 前 动 脉 的 分 支 供 给, 人 类 的 旋 股 外 侧 动 脉 降 支 膝 最 上 动 脉 发 自 股 动 脉, 而 内 外 侧 膝 关 节 动 脉 则 发 自 腘 动 脉, 并 参 与 膝 关 节 的 血 供 人 类 与 四 足 动 物 的 腘 动 脉 发 至 膝 关 节 的 分 支 大 致 相 同, 但 四 足 动 物 没 有 人 类 固 有 的 腓 动 脉 人 类 与 动 物 膝 关 节 的 静 脉, 同 样 沿 着 三 个 主 干, 即 股 静 脉 腘 静 脉 及 胫 前 静 脉 回 流 此 外, 人 类 的 大 隐 静 脉 和 膝 下 内 静 脉 的 深 支 有 很 多 吻 合, 而 在 四 足 动 物, 腘 静 脉 和 小 隐 静 脉 之 间 则 存 在 大 量 吻 合 六 膝 关 节 的 胚 胎 发 生 关 于 膝 关 节 的 胚 胎 发 生 存 在 不 同 看 法,Anderson 认 为, 髌 骨 如 同 膝 关 节 其 他 骨 一 样, 也 自 胚 基 发 生, 其 前 面 的 股 四 头 肌 腱 为 以 后 发 生 的 半 月 板 及 膝 交 叉 韧 带 为 胚 基 衍 生 物 半 月 板 原 基 为 半 月 状 结 构, 胚 胎 从 冠 臀 长 23mm 起 含 软 骨 性 质, 从 30mm 起 含 胶 元 纤 维 关 节 腔 在 胚 胎 冠 臀 长 为 35~41mm 时 分 为 三 个 腔 隙, 一 个 股 髌 腔 隙 及 两 个 股 胫 腔 隙, 以 后 直 至 冠 臀 长 46mm, 三 个 腔 隙 始 汇 合 在 关 节 腔 形 成 以 前, 在 中 间 带 的 三 层 及 疏 松 髌 下 组 织 中 有 大 量 硫 酸 软 骨 素 A C 形 成 冠 臀 长 46mm 长 时, 在 胫 腓 关 节 出 现 一 个 中 央 关 节 腔 Anderson 认 为, 周 围 一 般 间 叶 组 织 对 胚 基 不 参 与 膝 交 叉 韧 带 在 冠 臀 长 20mm 时 不 明 显, 在 23mm 时 相 当 于 韧 带 处 胚 基 出 现 致 密 堆 积 的 细 胞, 非 由 关 节 囊 衍 化 膝 关 节 内 各 结 构 出 现 时 期 如 下 表 ( 表 2-1): 表 2-1 膝 关 节 内 各 结 构 出 现 时 期 结 构 出 现 时 期 ( 胚 胎 冠 臀 长 ) (mm) 软 骨 性 髌 骨 三 层 的 中 间 带 膝 交 叉 韧 带 髌 下 组 织 的 血 管 半 月 板 内 软 骨 性 基 质 半 月 报 内 胶 原 纤 维 中 央 关 节 腔 20~23 21~23 22~23 22~23 23~24 29~30 35~41 参 考 文 献

16 1. 杜 炎 青 译 : 医 用 胚 胎 学,138 页, 山 东 科 学 技 术 出 版 社, Dickason JM et al. A serious of the discoid medial menisci, Clin Orthop and Related research, 168:75, 1982.

17 第 三 章 膝 关 节 的 生 物 力 学 第 一 节 生 物 力 学 的 一 般 概 念 和 内 容 一 生 物 力 学 概 念 以 力 学 的 原 理 概 念 来 研 究 生 物 体 的 机 能, 同 时 运 用 数 学 演 算 力 学 公 式 考 察 机 体 静 态 和 动 态 时 存 在 的 力 学 机 理, 以 解 释 生 物 体 正 常 和 异 常 的 解 剖 与 生 理 现 象 即 称 生 物 力 学 生 物 力 学 应 用 于 医 学 领 域, 以 人 体 为 主 要 研 究 对 象, 用 它 来 研 究 人 体 维 持 平 衡 和 运 动 情 况, 可 知 道 不 同 组 织 结 构 之 间 主 动 和 被 动 的 相 互 关 系 后 所 发 生 的 力 学 机 理 对 于 临 床 骨 科 来 说, 可 使 医 师 们 深 入 地 了 解 运 动 系 统 一 一 骨 骼 与 肌 肉 疾 病 产 生 的 力 学 方 面 的 原 因, 同 时 根 据 运 动 器 官 的 力 学 性 能, 决 定 正 确 的 治 疗 方 法, 设 计 合 理 的 假 体 进 行 弥 补 和 替 代 二 生 物 力 学 研 究 范 围 生 物 力 学 是 力 学 原 理 深 入 到 医 学 学 科 中 的 应 用, 当 前 发 展 很 迅 速, 多 数 临 床 医 生 对 它 了 解 甚 少, 尤 其 是 该 学 科 研 究 中 广 泛 应 用 的 力 学 公 式 和 复 杂 的 数 学 运 算 过 程 较 难 理 解 生 物 力 学 研 究 范 围 广 泛, 就 其 基 本 内 容 可 以 简 述 如 下 : 1. 人 体 平 衡 和 稳 定 性 的 维 持 人 体 区 别 于 动 物 的 特 点 之 一 是 可 以 稳 妥 地 站 立 与 维 持 姿 势 的 平 衡 当 身 体 直 立 时, 重 力 线 通 过 躯 体 落 着 地 点 由 头 颅 躯 干 四 肢 等 部 分 的 位 置 来 决 定 自 然 站 立, 重 力 线 通 过 枢 椎 齿 状 突, 经 髋 关 节 膝 关 节 与 踝 关 节 前 落 在 足 部 中 1/3 之 内 ( 图 3-a) 肢 体 活 动 后, 上 述 关 节 位 置 相 对 变 化, 则 身 体 直 立 姿 势 可 遭 到 破 坏 身 体 的 重 心 是 维 持 平 衡 和 稳 定 的 条 件 之 一 因 不 同 年 龄 性 别 和 体 型 的 个 体 差 异, 身 体 重 心 位 置 不 同 无 论 是 处 于 静 态 还 是 动 态 的 状 况 下, 重 心 的 位 置 对 人 体 活 动 的 影 响 都 很 重 要 决 定 身 体 平 衡 和 稳 定 条 件 之 二 是 支 撑 面 人 体 的 重 量 由 躯 干 传 于 两 足, 两 足 底 所 包 括 的 地 面 即 为 支 撑 面 支 撑 面 越 大 重 心 位 置 低 躯 干 越 稳 定 ; 如 果 人 体 取 下 蹲 位, 两 腿 分 开, 增 加 支 撑 面, 稳 定 性 能 也 增 加 ( 图 3-b) 有 人 计 算 人 体 重 心 如 上 移 达 肘 部 水 平, 只 需 正 常 站 立 时 的 1/10 作 用 力, 即 可 使 身 体 失 去 平 衡 而 倾 倒 2. 静 态 分 析 静 态 分 析 着 重 研 究 人 体 在 安 静 非 活 动 状 态 下 人 体 重 力 线 重 心 位 置 和 它 们 变 化 所 引 起 的 稳 定 性 问 题 ; 同 时 研 究 关 节 受 力 大 小 及 接 触 面 的 关 系, 关 节 固 定 的 条 件 包 括 肌 肉 活 动, 韧 带 紧 张 性 张 力 和 拉 力 可

18 活 动 部 位 组 织 的 力 的 平 衡 等 情 况 人 体 自 然 安 静 站 立, 各 负 重 关 节 接 触 面 最 大, 并 紧 密 嵌 合 (close 一 packed), 体 现 了 锁 固 状 态 (closing apperance) 此 时 关 节 囊 被 拉 紧, 关 节 周 围 韧 带 肌 腱 相 当 紧 张, 而 作 用 于 关 节 活 动 的 肌 肉 收 缩 处 低 张 的 收 缩 状 态 关 节 固 定 状 态 为 交 锁 作 用 的 结 果, 相 应 负 重 关 节 都 处 于 轻 度 过 伸 位, 产 生 过 伸 扭 力 (extension torgue) 的 作 用 由 于 扭 力 的 作 用, 关 节 相 应 两 部 分 轻 度 交 角 而 嵌 合, 如 髋 关 节 过 伸 可 使 扭 力 向 后, 膝 关 节 过 伸 则 扭 力 向 前, 加 上 踝 关 节 的 扭 力 的 联 合 作 用 使 重 力 线 稳 固 地 落 在 支 撑 面 内 ( 参 考 图 3-a) 扭 力 距 数 值 为 关 节 轴 与 重 力 线 之 间 的 距 离 ( 垂 直 距 离 ) 与 重 力 的 乘 积 人 体 安 静 的 站 立, 不 是 处 于 固 定 的 绝 对 平 衡 之 中, 而 是 相 对 的, 本 身 有 不 停 的 前 后 摆 动 这 种 轻 微 的 姿 势 摆 动 是 韧 带 和 肌 肉 张 力 的 微 小 变 化 所 造 成 的 如 上 所 述, 站 立 时 下 肢 髋 膝 踝 三 关 节 呈 交 锁 状 态, 体 重 负 荷 使 关 节 呈 轻 度 过 伸 但 是 过 伸 往 往 造 成 重 心 后 移, 髋 膝 关 节 等 屈 肌 ( 如 髂 腰 肌 腓 肠 肌 等 ) 与 韧 带 ( 包 括 侧 副 韧 带 交 锁 韧 带 ) 产 生 反 应 性 活 动 收 缩 张 力, 有 限 制 关 节 过 伸 的 作 用, 从 而 防 止 重 心 的 后 移 关 节 的 这 种 过 伸 和 限 制 过 伸 之 间 的 动 态 平 衡 维 持 了 安 静 的 直 立 姿 态 安 静 站 立 时, 体 重 通 过 下 肢 落 于 足 部, 经 重 力 传 送 作 用 在 跟 骨 与 第 l~5 蹠 骨 小 头 站 立 时, 足 弓 内 部 肌 肉 基 本 上 不 活 动 如 纯 粹 以 骨 骼 负 重 计 算, 足 跟 骨 负 载 体 重 的 80%, 其 余 20% 由 蹠 骨 小 头 负 荷 实 际 上, 跟 腱 的 收 缩 力 可 以 减 轻 跟 骨 的 负 荷, 使 重 力 经 肌 腱 筋 膜 张 力 传 导, 将 负 荷 转 达 到 蹠 骨 小 头, 从 而 使 跟 骨 和 蹠 骨 小 头 负 重 各 半 由 此 可 见, 人 体 在 维 持 平 衡 和 静 立 位 时, 小 腿 和 足 ( 包 括 肌 肉 骨 与 关 节 ) 起 了 甚 为 重 要 的 作 用 3. 动 态 分 析 人 体 的 动 态 力 学 分 析 与 临 床 医 学 的 关 系 密 切, 因 为 临 床 见 到 的 运 动 系 统 损 伤 与 恢 复 运 动 机 能 制 造 假 肢 和 安 装 假 肢 等 都 需 要 以 正 常 骨 与 关 节 的 力 学 分 析 为 依 据 人 体 动 态 分 析 进 展 迅 速, 目 前 已 确 立 一 专 门 学 科 来 研 究, 称 作 运 动 学 (kinematrics) 运 动 学 研 究 人 体 的 活 动, 活 动 范 围 行 为 及 活 动 的 径 线 与 曲 纺, 以 力 学 的 原 理 观 察 分 析 和 归 纳, 并 通 过 数 学 运 算 加 以 总 结 它 的 实 际 内 容 包 括 : 人 体 行 走 活 动, 上 下 和 跑 跳 运 动 以 及 各 种 活 动 姿 态 的 研 究 人 体 行 走 时, 从 一 侧 足 跟 着 地 到 该 足 再 次 着 地 为 一 个 步 态 周 期 它 经 历 踩 地 负 重 和 离 地 摆 动 两 个 步 相, 分 别 称 作 站 立 相 ( 支 撑 期 ) 和 摆 动 相 ( 摆 动 期 ) 行 走 活 动 靠 着 肌 力 和 地 面 阻 力 的 作 用 使 人 体 向 前 移 动, 实 质 上 这 是 人 体 平 衡 破 坏 和 恢 复 的 交 替 出 现 行 走 时, 站 立 相 身 体 重 心 由 足 跟 转 移 到 足 趾 特 别 是 拇 趾 此 时 膝 直 伸 和 踝 关 节 背 屈 距 骨 下 有 轻 度 内 翻, 股 骨 胫 骨 连 同 距 骨 稍 有 内 旋, 整 个 下 肢 关 节 交 锁 嵌 合 随 着 足 的 蹠 屈 和 外 翻 产 生 有 力 的 一 蹬, 人 体 移 动 向 前 这 一 连 串 活 动, 由 臀 大 肌 股 部 肌 小 腿 肌 与 足 内 在 肌 的 协 调 收 缩 进 行 的 在 摆 动 相 中, 因 对 侧 足 着 地, 摆 动 的 腿 之 髋 膝 等 关 节 屈 曲, 踝 关 节 背 伸, 肢 体 处 于 完 全 腾 空 阶 段, 随 后 着 地, 关 节 又 直 伸 恢 复 行 走 初 起 步 状 态 上 下 运 动 的 特 点 : 支 撑 期 持 续 时 间 较 长 肌 肉 收 缩 活 动 较 剧 向 上 运 动, 各 关 节 伸 肌 收 缩 力 增 强 ; 向 下 运 动, 屈 肌 力 量 相 应 增 加 跑 活 动 特 点 : 站 立 相 和 摆 动 相 的 交 替 加 快, 有 两 腿 同 时 离 地 的 腾 空 阶 段, 而 代 替 了 行 走 时 双 腿 同 时 支 撑 阶 段 跑 时 使 用 的 肌 肉 与 行 走 时, 上 下 楼 梯 相 同, 只 是 收 缩 活 动 快 而 有 力 跳 跃 活 动 特 点 : 肌 肉 收 缩 更 强 有 力, 整 个 过 程 可 分 为, 1 准 备 阶 段 2 起 跳 阶 段 3 腾 空 阶 段 4 着 地 阶 段, 四 阶 段 具 有 各 自 的 特 征 4. 此 外, 关 节 软 骨 骨 肌 腱 与 韧 带 肌 肉 等 组 织 大 体 与 细 微 结 构 的 生 物 力 学 性 状 功 能 活 动 中 力 学 性 质 变 化 及 运 动 系 统 病 理 现 象 的 力 学 原 理 等 均 属 于 生 物 力 学 研 究 之 范 畴 近 年 来, 对 人 工 假 胶 义 肢 的 力 学 研 究, 使 人 工 关 节 置 换 等 治 疗 达 到 了 卓 有 成 效 的 阶 段, 都 是 生 物 力 学 研 究 的 显 著 成 就 三 生 物 力 学 应 用 的 基 本 力 学 原 理

19 肌 肉 骨 路 系 统 解 剖 与 生 理 的 正 常 与 异 常 情 况 应 用 生 物 力 学 解 释, 常 使 用 一 些 概 念 性 的 力 学 专 用 名 词 和 定 律 这 些 名 词 及 含 义 ( 包 括 简 单 公 式 定 律 ) 是 熟 识 和 理 解 生 物 力 学 的 基 础 掌 握 了 这 些 基 本 概 念, 或 许 可 以 便 临 床 医 生 避 开 繁 琐 复 杂 的 力 学 数 理 演 算, 领 会 生 物 力 学 的 分 析 方 法 1. 重 力 中 心 (center of gravity) 任 何 占 有 空 间 具 有 一 定 质 量 的 物 体 均 存 在 着 重 力 中 心 ; 人 体 的 重 力 中 心 即 重 心 在 正 常 站 立 位 时 位 于 第 二 骶 椎 前, 身 体 各 部 分 也 具 有 其 重 心 与 重 心 位 置 ( 图 3-c) 人 体 运 动 时, 改 变 躯 体 和 肢 体 位 置, 其 重 心 位 置 不 变 2. 支 撑 面 (base of support) 重 心 落 在 支 撑 地 面 上 的 作 用 面 积 称 为 支 撑 面 支 撑 面 的 大 小 决 定 了 静 态 或 动 态 的 稳 定 性 ( 图 3-b) 3. 压 应 力 (compressive stress) 应 变 (strain) 与 弹 性 模 量 (elastic modulus) 小 腿 与 足 负 重 时, 骨 与 软 骨 在 体 重 负 荷 作 用 下 受 到 挤 压 (compression), 产 生 压 力 在 压 力 作 用

20 下 软 骨 变 形 明 显, 坚 硬 的 骨 路 也 产 生 微 小 的 形 变, 以 适 应 负 荷 状 态 ( 图 3-d) 压 力 作 用 下 的 截 面 积 除 以 负 荷, 得 单 位 截 面 积 的 压 力 即 称 压 应 力, 压 应 力 单 位 常 用 牛 顿 / 平 方 米 (N/m 2 ), 通 常 讨 论 人 工 材 料 内 部 机 械 应 力 也 使 用 这 单 位 名 称 为 了 反 映 骨 组 织 在 压 应 力 下 的 变 形 程 度, 用 应 变 表 示 计 算 方 法 是 原 长 度 除 以 形 变 量, 用 百 分 比 表 示 应 力 产 生 应 变, 两 者 关 系 密 切 这 个 关 系 可 引 入 弹 性 模 量 概 念, 数 值 为 应 力 / 应 变 所 得, 可 以 说 明 不 同 组 织 的 形 变 率 也 即 材 料 的 强 度 弹 性 模 量 越 高, 产 生 应 变 所 需 应 力 越 大 4. 张 力 (tension) 张 力 与 压 力 属 同 一 概 念, 都 是 直 接 施 加 于 物 体 上 的 作 用 力, 所 不 同 的 是 作 用 方 向 相 反 如 果 在 小 腿 与 足 部 作 牵 引, 则 骨 与 软 组 织 均 受 张 力 作 用 ( 牵 张 力 )( 图 3-e) 使 用 应 力 ( 张 应 力 ) 应 变 弹 性 模 量 也 可 表 示 其 张 力 变 化 情 况, 计 算 方 法 与 压 应 力 等 相 同 大 多 数 材 料 张 力 与 压 力 的 弹 性 模 量 相 等, 但 软 组 织 的 张 力 的 弹 性 模 量 大 于 压 力 弹 性 模 量, 而 骨 骼 则 相 反 5. 剪 力 (shear) 剪 力 产 生 于 作 用 力 的 不 同 方 向 上, 与 物 体 移 动 方 向 不 一 致, 可 垂 直 也 可 成 角 例 如 斜 面 骨 折, 骨 在 重 力 负 荷 下 压 力 向 下, 在 断 端 产 生 沿 斜 面 滑 动 的 作 用 力 即 是 剪 力 剪 力 的 计 算 决 定 于 作 用 力 大 小 与 成 角 度 数 关 于 剪 力 可 以 同 样 引 伸 入 应 力 应 变 和 弹 性 模 量 的 概 念 ( 图 3-f) 6. 应 力 集 中 (stress concentration) 应 力 集 中 可 明 显 地 产 生 在 骨 与 关 节 病 理 性 变 化 情 况 下 膝 关 节 半 月 板 的 弹 性 模 量 远 较 胫 骨 平 台 骨 组 织 低, 如 果 半 月 板 变 性, 失 去 原 来 较 大 的 应 变 功 能, 则 在 膝 关 节 产 生 应 力 集 中 ( 在 某 些 点 上 ) 现 象, 容 易 发 生 关 节 的 退 行 性 变 7. 弯 曲 (bending) 在 物 体 上 施 加 偏 心 力 或 弯 曲 力 矩 使 物 体 长 轴 弯 曲 如 足 弓 在 行 走 时 产 生 弯 曲, 此 时 凹 侧 ( 跖 侧 ) 受 牵 拉 为 张 力, 凸 侧 ( 背 侧 ) 受 挤 压 为 压 力 ( 图 3-g) 足 弓 复 原 时 牵 拉 与 挤 压 受 力 位 置 对 调 弯 曲 受 力 时 离 中 位 轴 越 远, 所 受 应 力 越 大 ( 无 论 是 张 应 力 还 是 压 应 力 ) 8. 向 量 (vector) 与 力 的 效 应 作 用 力 大 小 和 方 向 可 用 图 解 表 示, 容 易 解 答 力 与 分 力 的 图 解 表 示 即 为 向 量 ( 见 图 3-f) 作 用 力 的 分 解 和 合 成 (resolution of forees) 使 施 力 方 向 大 小 与 分 力 不 一 致, 须 具 体 计 算 力 的 向 量 和 效 应, 受 力 学 定 律 约 束 9. 旋 转 活 动 (rotary motion) 与 水 平 活 动 (translatory motlon) 旋 转 活 动 是 关 节 活 动 的 一 种 方 式 在 踝 关 节, 胫 骨 在 距 骨 上 活 动 即 是 一 种 转 动 运 动 水 平 活 动, 如 股 骨 髁 在 胫 骨 平 台 上 的 滑 动 10. 内 力 (internal forces) 外 力 (external forces) 与 活 动 轴 (axis motion) 内 力 常 指 体 内 肌 肉 收 缩 产 生 的 力 ; 而 外 力 指 的 是 外 界 施 加 于 身 体 上 的 作 用 力 各 部 位 肢 体 与 肢 体 不 同 部 位 的 活 动 都 可 以 在 关 节 内 找 到 一 个 活 动 轴, 用 它 可 以 反 映 肢 体 活 动 范 围 和 运 动 方 式 11. 定 点 (a fixed point) 无 论 身 体 哪 一 部 分 的 活 动, 总 可 以 寻 找 一 个 固 定 点, 作 为 运 动 的 支 点 定 点 对 运 动 的 分 析 说 明 运 动 的 形 式 都 很 重 要 12. 牛 顿 定 律 (Newton law) 在 生 物 力 学 中 较 为 常 用 的 牛 顿 定 律 有 : (1) 惯 性 (inertia) 物 体 在 没 有 外 力 的 作 用 下 总 保 持 静 止 或 匀 速 运 动 状 态 (2) 牛 顿 第 一 定 律 作 用 于 一 个 物 体 诸 力 的 合 力 为 0 时, 物 体 可 静 止 不 移 动 人 体 维 持 稳 定 自 然 站 立 位 时, 肌 肉 收 缩 合 力 应 等 于 0 (3) 牛 顿 第 二 定 律 作 用 与 反 作 用 力 数 值 相 等, 方 向 相 反 如 要 维 持 一 个 姿 势 和 肢 体 位 置, 在 一 个 力 的 作 用 下 必 存 在 另 一 个 与 它 等 值 但 方 向 相 反 的 力 四 生 物 力 学 在 骨 骼 中 的 实 用 价 值 生 物 力 学 综 合 了 发 生 于 生 物 体 上 的 力 学 知 识, 对 解 决 临 床 问 题, 尤 其 是 骨 科 领 域 中 的 实

21 际 问 题 具 有 重 要 意 义 l. 经 过 力 学 分 析, 可 以 进 一 步 明 确 运 动 系 统, 诸 如 骨 软 骨 肌 腱 韧 带 与 肌 肉 的 物 理 性 质, 加 深 对 运 动 系 统 各 组 织 解 剖 和 生 理 功 能 的 了 解 2. 揭 示 人 体 维 持 静 态 与 动 态 各 种 姿 势 的 机 理, 分 析 身 体 各 部 位 运 动 与 受 力 情 况, 进 一 步 明 确 人 体 结 构 形 态 与 功 能 的 统 一 3. 运 用 力 学 分 析 方 法, 进 一 步 解 释 运 动 系 统 疾 病 产 生 的 病 理 机 理 和 结 构 变 化, 指 导 临 床 治 疗 实 践 4. 在 明 确 运 动 系 统 解 剖 与 生 理 的 力 学 原 理 基 础 上 指 导 人 工 生 物 材 料 的 研 究, 尤 其 对 人 工 假 体 义 肢 安 装 和 肢 体 疾 病 康 复 操 练, 有 直 接 指 导 意 义 5. 掌 握 了 骨 与 关 节 的 力 学 数 据, 无 疑 对 病 变 严 重 程 度 估 计 与 疗 效 评 定 增 加 了 一 种 有 效 可 靠 的 客 观 指 标 在 本 章 中, 我 们 将 从 讨 论 膝 关 节 各 主 要 组 成 部 分 的 材 料 学 特 点 入 手, 进 而 分 析 膝 关 节 的 运 动 特 征, 再 了 解 膝 关 节 的 受 力 情 况 及 其 稳 定 性 的 维 持 希 望 骨 科 医 生 在 阅 读 此 章 之 后, 能 对 膝 关 节 的 材 料 学 运 动 学 和 动 力 学 的 基 本 概 念 有 一 个 整 体 认 识, 从 而 对 临 床 工 作 有 所 助 益 第 二 节 膝 关 节 的 材 料 学 构 成 膝 关 节 的 材 料 包 括 有 骨 关 节 软 骨 软 组 织 ( 韧 带 半 月 板 关 节 囊 脂 肪 垫 等 ) 以 及 关 节 液 这 些 材 料 的 组 成 成 分 不 同, 结 构 特 征 不 同, 力 学 性 能 必 然 存 在 很 大 差 异 而 这 些 差 异 恰 恰 是 与 其 各 自 的 生 理 功 能 相 适 应 的 一 基 本 概 念 从 生 物 材 料 学 的 角 度 来 看, 上 述 构 成 膝 关 节 的 材 料 都 属 于 生 物 粘 弹 性 体 其 中 除 了 关 节 液 属 于 粘 弹 性 流 体 外, 其 他 材 料 均 属 于 粘 弹 性 固 体 粘 弹 性 是 一 个 复 杂 的 材 料 学 概 念 但 用 一 个 简 单 的 例 子, 可 以 帮 助 我 们 建 立 初 步 的 印 象 : 取 一 团 未 经 交 联 处 理 的 聚 硅 酮 ( 一 种 粘 弹 性 高 分 子 材 料 ), 用 双 手 将 其 慢 慢 扯 开 ( 低 频 状 态 ), 聚 硅 酮 可 像 面 团 一 样 被 分 开, 并 拉 出 长 丝 ( 粘 性 ); 如 果 用 双 手 迅 速 将 聚 硅 酮 揉 成 一 团, 并 将 其 掷 向 地 面 ( 高 频 状 态 ), 则 聚 硅 酮 团 可 保 持 其 形 状 并 像 皮 球 一 样 弹 起 ( 弹 性 ); 倘 若 重 新 将 这 个 皮 球 置 于 手 掌 ( 或 平 面 ) 上, 片 刻 之 后 它 便 又 会 软 瘫 下 去 在 膝 关 节, 脂 肪 垫 的 运 动 特 征 与 此 极 为 类 似 : 低 速 运 动 时, 柔 软 的 脂 肪 垫 呈 顺 应 性 变 形 填 充 于 关 节 腔 内 ; 高 速 运 动 时 ( 急 速 起 动 或 急 停 ), 脂 肪 垫 因 受 到 周 围 筋 膜 的 快 速 牵 张 和 膝 内 压 突 然 增 高 的 挤 压 作 用 而 形 成 较 硬 的 弹 性 垫 脂 肪 垫 的 这 种 特 性 对 运 动 的 缓 冲 及 关 节 的 稳 定 性 有 重 要 意 义 由 此 可 见, 粘 弹 性 是 一 类 材 料 的 属 性 ( 行 为 ), 此 类 材 料 的 力 学 性 质 呈 明 显 的 时 间 依 赖 性 和 过 程 依 赖 性 换 句 话 说, 其 力 学 性 质 与 诸 如 先 前 加 载 和 延 伸 的 历 史 加 载 速 度 以 及 加 载 持 续 的 时 间 等 因 素 有 关 粘 弹 性 材 料 不 同 于 弹 性 材 料, 其 力 学 行 为 不 服 从 虎 克 定 律, 即 其 应 力 与 应 变 不 成 线 性 关 系 ( 图 3-la) 一 般 来 说, 粘 弹 性 具 有 以 下 三 个 特 点 : 1. 应 力 松 弛 (relaxation) 指 当 物 体 发 生 应 变 时, 若 应 变 保 持 一 定, 则 相 应 的 应 力 将 随 时 间 的 增 加 而 下 降 ( 图 3-1b) 2. 蠕 变 (creep) 指 当 应 力 保 持 一 定 时, 物 体 的 应 变 随 时 间 的 增 加 而 增 大 ( 图 3 一 lc) 3. 滞 后 (hysteresis) 若 对 物 体 作 循 环 性 加 载 和 卸 载, 则 加 载 时 的 载 荷 - 变 形 曲 线 ( 或 应 力 应 变 曲 线 ) 与 卸 载 时 的 载 荷 - 变 形 曲 线 ( 或 应 力 - 应 变 曲 线 ) 不 相 重 合 对 一 次 加 载 - 卸 载 过 程 而 言, 加 载 曲 线 和 卸 载 曲 线 构 成 一 个 封 闭 的 环 ( 滞 后 环 hysteresis loop)( 图 3-ld) 粘 弹 性 物 体 的 材 料 学 特 性 是 颇 为 复 杂 的 本 章 不 准 备 深 入 叙 述 粘 弹 性 理 论, 仅 对 与 临 床 关 系 密 切 的 材 料 学 特 征 作 一 介 绍, 并 列 举 某 些 实 验 结 果 供 临 床 参 考

22 二 骨 组 织 的 材 料 学 特 征 骨 是 由 胶 原 纤 维 和 羟 磷 灰 石 组 成 的 复 合 材 料, 具 有 优 异 的 力 学 性 能 骨 的 几 何 形 状 纤 维 与 基 质 的 联 结 纤 维 联 结 点 的 构 造 等 因 素 都 会 对 骨 的 力 学 性 能 产 生 影 响 骨 的 形 态 是 长 期 自 然 进 化 的 结 果, 且 符 合 功 能 适 应 性 原 理, 即 自 然 进 化 的 趋 向 是 用 最 小 的 结 构 材 料 来 承 受 最 大 的 外 力 长 骨 骨 皮 质 的 离 心 性 排 列 和 松 质 骨 的 三 维 桁 架 结 构 等 都 是 这 种 功 能 适 应 性 的 结 果 骨 区 别 于 其 他 工 程 材 料 的 一 个 最 大 的 特 点 在 于 它 是 一 个 有 生 命 的 器 官, 在 活 体 内 不 断 地 进 行 着 新 陈 代 谢 应 力 对 骨 的 改 建 生 长 和 吸 收 起 着 调 节 作 用 应 力 过 高 或 过 低 都 会 使 骨 逐 渐 萎 缩 除 了 应 力 的 影 响 外, 骨 的 再 造 还 与 压 电 效 应 钙 的 生 化 活 性 以 及 内 分 泌 的 调 节 机 制 等 有 关 表 3-l 给 出 人 体 骨 的 某 些 力 学 性 能 测 试 数 据 由 于 在 膝 关 节 的 正 常 生 理 运 动 中, 骨 的 变 形 相 对 很 小, 从 而 在 作 力 学 分 析 时, 一 般 将 膝 关 节 的 骨 视 为 刚 体 ( 指 受 力 时 不 变 形 的 物 体 ), 以 便 简 化 分 析 与 计 算 过 程

23 表 3 一 1 人 体 骨 的 力 学 性 能 ( 皮 质 骨, 湿 润 )* 力 学 性 能 股 骨 胫 骨 肱 骨 桡 骨 拉 伸 强 度 极 限 (MPa) 124± ± ± ±1.4 最 大 伸 长 %) 拉 伸 弹 性 模 量 (GPa) 压 缩 强 度 极 限 (MPa) 170± 最 大 压 缩 (%) 1.85± 剪 切 强 度 极 限 (MPa) 54± 扭 转 弹 性 模 量 (GPa) *: 转 引 自 : 冯 元 贞, 生 物 力 学 北 京 : 科 学 出 版 社, 1983; 三 关 节 软 骨 和 半 月 板 的 材 料 学 特 征 关 节 软 骨 和 半 月 板 的 材 料 组 成 包 括 有 固 态 物 质 ( 占 湿 重 的 20%~40%) 及 水 ( 占 湿 重 的 60%~80 %) 固 态 物 质 中, 胶 原 纤 维 约 占 总 量 的 60%, 蛋 白 粘 多 糖 占 40%, 还 有 占 不 到 2% 的 软 骨 细 胞 这 一 组 织 结 构 应 视 为 一 种 双 相 性 材 料 : 一 个 多 孔 的 有 通 透 性 的 且 由 纤 维 增 强 的 固 体 相 和 一 个 自 由 流 动 的 液 体 相 实 验 证 实 水 分 与 离 子 可 在 流 体 静 压 或 渗 透 压 梯 度 的 作 用 下 在 整 个 多 孔 通 透 的 固 体 相 中 流 动 水 与 离 子 亦 可 由 于 软 骨 组 织 承 受 压 缩 或 拉 伸 载 荷 而 在 组 织 中 流 动 液 体 在 组 织 内 流 动 可 对 固 体 基 质 产 生 巨 大 的 摩 擦 阻 力 这 种 由 一 相 向 另 一 相 传 递 载 荷 的 方 式 深 深 地 影 响 着 组 织 的 力 学 性 能 实 际 上, 这 正 是 理 解 关 节 软 骨 和 半 月 板 在 膝 关 节 中 的 功 用 的 最 基 本 要 点 在 关 节 软 骨, 大 多 数 胶 原 纤 维 是 II 型 胶 原 纤 维 相 对 于 I 型 胶 原 纤 维 而 言 ( 后 者 是 肌 腱 韧 带 半 月 板 骨 及 皮 肤 的 主 要 组 成 成 分 ),II 型 胶 原 纤 维 更 细, 从 而 也 就 更 易 于 分 布 于 较 宽 阔 的 范 围 内 由 于 胶 原 纤 维 的 长 细 比 ( 长 度 / 直 径 ) 很 大, 它 们 很 少 或 几 乎 不 提 供 抗 压 强 度 然 而, 无 论 是 I 型 还 是 II 型 胶 原 纤 维, 均 有 良 好 的 抗 拉 ( 张 ) 性 能 蛋 白 粘 多 糖 的 基 本 结 构 单 位 是 氨 基 葡 萄 糖 多 糖 (GAG) 蛋 白 粘 多 糖 有 很 强 的 亲 水 性, 因 此 在 水 溶 液 中 占 有 很 大 的 溶 解 范 围 这 一 特 点 又 因 GAG 分 子 总 是 带 负 电 荷 而 变 得 更 为 突 出, 这 导 致 以 下 重 要 结 果 : (1) 正 离 子 云 如 Na + Ca 2+ 被 吸 引 来 以 便 中 和 这 些 负 电 荷 ; (2) 相 邻 的 GAG 链 因 带 电 相 同 而 相 互 排 斥, 从 而 使 分 子 在 组 织 内 能 保 持 坚 挺 伸 直 构 型 ; (3) 带 有 许 多 小 离 子 的 GAG 浓 缩 液 试 图 通 过 渗 透 作 用 而 进 行 自 我 稀 释 这 种 浓 度 梯 度 是 导 致 软 骨 外 的 水 分 扩 散 进 入 组 织 内 的 动 力 然 而 由 于 胶 原 纤 维 网 的 存 在, 限 制 了 蛋 白 粘 多 糖 过 分 膨 胀, 也 使 得 基 质 受 到 渗 透 性 膨 胀 压 ( 约 为 0.35MPa) 所 以, 即 使 没 有 外 界 压 力 作 用 于 软 骨, 胶 原 纤 维 也 会 由 于 这 一 蛋 白 粘 多 糖 膨 胀 压 的 作 用 而 处 于 紧 张 状 态 向 软 骨 表 面 加 压 时, 软 骨 会 立 即 发 生 变 形 这 一 变 形 主 要 是 由 于 蛋 白 粘 多 糖 分 布 区 的 形 状 改 变 引 起 的 此 外, 由 于 这 一 外 界 压 力 的 影 响, 使 软 骨 内 的 内 压 超 过 膨 胀 压, 导 致 液 体 流 出 组 织 同 时, 因 水 分 丧 失 使 得 蛋 白 粘 多 糖 溶 液 的 浓 度 增 加, 从 而 复 又 增 加 其 膨 胀 压 这 个 过 程 继 续 下 去, 直 到 最 后 膨 胀 压 与 外 界 压 力 相 等 为 止 在 此 过 程 中, 液 体 流 出 的 速 度, 受 组 织 的 压 力 差 和 通 透 性 控 制 通 透 性 是 指 由 多 孔 性 物 质 构 成 的 固 态 基 质, 对 于 通 过 它 的 水 所 产 生 的 摩 擦 阻 力 它 有 两 个 主 要 的 力 学 意 义 :1 当 作 用 于 材 料 一 侧 的 压 力 大 于 另 一 侧 的 压 力 时, 由 于 压 力 梯 度 的 作 用, 多 孔 材 料 基 质 内 的 水 分 可 被 推 出 ;2 当 外 界 压 力 作 用 于 材 料 两 侧 时, 由 于 材 料 受 压 变 形, 内 部 压 力 升 高, 亦 可 驱 使 内 部 的 水 分 外 出 对 于 软 骨 来 说, 其 组 织 的 通 透 性 取 决 于 蛋 自 粘 多 糖 和 胶 原 蛋 白 分 子 这 两 者 分 布 范 围 的 大 小 及 复 杂 程 度 一 方 面, 随 着 GAG 浓 度 增 加, 软 骨 的 通 透 性 降 低 ; 另 一 方 面, 随 着 压 力 和 变 形 的 加 大, 软 骨 的 通 透 性 也 会 降 低 由 此 看 来, 软 骨 具

24 有 一 种 力 学 的 反 馈 调 节 机 制, 以 防 止 其 中 的 液 体 过 多 外 流 这 个 生 物 力 学 调 节 系 统, 对 于 组 织 的 营 养 供 应 关 节 的 润 滑 负 载 及 抗 磨 损 性 能 具 有 重 要 意 义 在 病 理 情 况 下, 由 于 机 械 压 力 和 / 或 异 常 酶 的 作 用, 胶 原 - 蛋 白 粘 多 糖 基 质 的 连 续 性 受 到 破 坏, 胶 原 纤 维 网 出 现 缺 损, 加 之 蛋 白 粘 多 糖 大 分 子 损 失 ( 如 骨 性 关 节 炎 者 ), 软 骨 的 通 透 性 可 较 正 常 时 增 大 关 节 软 骨 对 载 荷 呈 现 一 种 粘 弹 性 响 应 蠕 变 和 应 力 松 弛 是 软 骨 对 载 荷 的 典 型 力 学 反 应 因 此, 关 节 软 骨 的 材 料 特 性 在 很 大 程 度 上 取 决 于 加 载 的 速 度 及 负 载 持 续 的 时 间 图 3-2 显 示 了 一 条 典 型 的 变 形 - 时 间 曲 线 在 这 个 实 验 中, 对 髌 骨 软 骨 施 加 10N 的 载 荷, 持 续 约 5 分 钟 在 这 5 分 钟 内, 液 体 被 从 关 节 软 骨 中 挤 出, 变 形 接 近 于 最 大 变 形 5 分 钟 后 卸 载, 软 骨 不 能 立 即 回 复 到 其 原 始 厚 度, 而 需 要 时 间 逐 渐 恢 复 另 一 个 类 似 的 实 验 ( 图 3-3) 则 显 示 出 加 载 持 续 时 间 的 重 要 性 令 关 节 软 骨 承 受 一 常 量 载 荷 (5N)1 分 钟, 则 其 可 在 承 载 后 1 分 钟 内 回 复 到 其 原 始 形 态 ; 倘 若 负 载 时 间 持 续 2 分 钟, 则 卸 载 4 分 钟 后 软 骨 尚 未 恢 复 到 原 始 形 态 一 般 而 论, 负 载 时 间 越 长, 恢 复 也 就 越 慢 这 是 由 于 在 迅 速 加 载 并 迅 速 卸 载 的 情 况 下 ( 如 在 跳 跃 时 ), 没 有 足 够 的 时 间 让 软 骨 组 织 析 出 液 体, 软 骨 表 现 出 一 种 弹 性 单 相 材 料 的 性 质 而 当 持 续 负 载 时, 软 骨 内 的 液 体 被 挤 出, 组 织 变 形 不 断 增 加 ; 一 旦 解 除 载 荷, 也 需 要 一 个 相 当 的 时 间 使 液 体 得 以 重 新 扩 散 到 组 织 内, 以 恢 复 软 骨 原 有 的 形 状 表 3-2 列 出 关 节 软 骨 的 若 干 物 理 性 质 近 年 来 对 关 节 软 骨 物 理 性 质 的 探 讨 渐 趋 深 入, 对 其 抗 压 抗 拉 以 及 抗 剪 切 等 性 能 都 分 别 作 了 研 究 ; 同 时 还 提 出 了 关 节 软 骨 的 三 相 膨 胀 理 论 等 某 些 形 态 学 研 究 手 段 的 进 步 ( 如 冷 冻 扫 描 电 镜 法 ) 也 为 研 究 软 骨 的 受 力 变 形 及 弹 性 恢 复 现 象 提 供 了 新 的 可 能 读 者 可 参 阅 有 关 文 献 从 表 3-2 个 我 们 看 到, 关 节 软 骨 的 摩 擦 系 数 极 低 到 目 前 为 止, 尚 无 任 何 一 种 人 造 固 体 材 料 能 获 得 比 关 节 软 骨 更 低 的 摩 擦 系 数 相 比 较 而 言, 洁 净 的 金 属 表 面 摩 擦 系 数 为 0.5~2 或 更 高 ; 经 油 润 滑 的 金 届 表 面 的 摩 擦 系 数 为 0.3~0.5; 聚 四 氟 乙 烯 覆 盖 的 表 面 为 0.05~0.1 可 见, 滑 膜 关 节 的 优 越 性 是 十 分 惊 人 的 关 节 软 骨 之 间 如 此 之 低 的 摩 擦 系 数, 是 在 关 节 滑 液 的 润 滑 作 用 下 实 现 的

25 从 工 程 学 观 点 来 看, 润 滑 只 有 两 个 基 本 类 型 : 界 面 润 滑 和 液 膜 润 滑 界 面 润 滑 取 决 于 物 体 表 面 对 与 其 接 触 的 单 层 润 滑 分 子 的 化 学 吸 附 作 用 在 作 相 对 运 动 时, 各 组 件 的 相 对 面 上 都 有 相 互 滑 动 的 润 滑 分 子 的 保 护, 以 防 止 原 本 粗 糙 不 平 的 表 面 发 生 附 着 和 固 着 界 面 润 滑 基 本 上 与 润 滑 剂 的 物 理 性 质 ( 如 粘 度 ) 以 及 组 件 的 物 理 性 质 ( 如 刚 度 ) 无 关 已 有 实 验 证 明, 关 节 滑 液 在 关 节 承 载 时, 可 起 到 关 节 软 骨 的 界 面 润 滑 剂 的 作 用, 其 润 滑 能 力 与 滑 液 的 粘 度 无 关 在 负 载 较 重 的 情 况 下, 滑 液 在 关 节 面 上 的 化 学 吸 附 作 用 对 润 滑 起 主 要 作 用 但 是 当 负 载 较 轻 或 负 载 量 值 不 定 且 有 波 动, 而 关 节 面 相 对 运 动 速 度 又 较 高 时, 关 节 则 很 可 能 在 第 二 类 润 滑 机 制 即 液 膜 润 滑 形 式 的 作 用 下 进 行 运 动 在 液 膜 润 滑 作 用 时, 起 润 滑 作 用 的 是 一 层 厚 得 多 的 液 膜 ( 与 界 面 润 滑 时 润 滑 剂 分 子 的 大 小 相 比 较 而 言 ), 致 使 二 组 件 的 相 对 面 间 有 相 当 大 的 间 隙 这 样, 相 对 面 的 负 载 就 可 通 过 液 膜 的 压 力 得 到 支 持 当 组 件 不 作 相 对 运 动 时, 如 像 流 体 静 力 学 润 滑 那 样, 液 膜 内 压 可 由 一 外 在 的 压 力 供 应 装 置 提 供 如 果 相 对 面 处 于 相 切 的 运 动 状 态, 运 动 形 式 使 液 体 聚 成 楔 形, 液 体 由 于 内 摩 擦 产 生 较 高 的 液 内 压, 致 使 液 体 能 挤 入 两 面 间 的 间 隙, 这 就 是 所 谓 的 流 体 动 力 学 润 滑 如 果 相 对 面 之 间 作 相 互 垂 直 运 动, 在 液 体 被 从 两 面 间 隙 间 挤 出 的 过 程 中, 由 于 液 体 的 粘 度 惯 性 及 内 摩 擦 等 因 素 而 产 生 液 内 压 此 时, 尽 管 由 于 在 负 荷 作 用 下 液 膜 变 得 越 来 越 薄, 以 致 作 相 对 运 动 的 两 组 件 的 表 面 终 将 发 生 接 触, 但 这 一 挤 压 液 膜 润 滑 机 制 在 短 时 期 内 足 以 承 受 较 高 的 负 载 在 挤 压 液 膜 润 滑 和 流 体 动 力 学 润 滑 时, 液 膜 厚 度 范 围 及 其 负 载 能 力 与 润 滑 剂 的 流 变 学 特 征 ( 如 粘 度 ) 液 膜 的 几 何 形 状 ( 如 相 对 面 间 隙 的 形 状 ) 以 及 组 件 的 相 对 运 动 速 度 密 切 相 关 如 果 相 对 面 的 材 料 较 柔 软 ( 如 关 节 软 骨 ), 液 膜 内 的 压 力 可 使 其 接 触 的 材 料 表 面 发 生 显 著 变 形 此 种 变 形 有 利 于 改 变 液 膜 的 几 何 形 状 和 液 膜 的 接 触 面 积, 从 而 对 润 滑 液 溢 出 产 生 较 大 的 限 制 作 用, 致 使 液 膜 更 坚 实, 在 间 隙 内 停 留 的 时 间 也 更 长 这 种 情 况 被 称 之 为 弹 性 流 体 动 力 学 润 滑 此 种 润 滑 方 式 可 大 大 提 高 关 节 承 受 负 载 的 能 力 由 此 可 见, 对 于 关 节 软 骨 这 样 一 种 多 孔 的 饱 和 水 的 具 有 通 透 性 又 相 对 柔 软 的 结 构, 其 润 滑 机 制 是 一 种 复 杂 的 混 合 型 当 关 节 运 动 时, 负 载 区 掠 过 关 节 面, 压 力 致 使 液 体 自 软 骨 内 渗 出, 而 渗 出 的 地 区 恰 在 负 载 接 触 区 的 前 下 部, 从 而 为 运 动 提 供 润 滑 负 载 高 峰 区 通 过 后, 该 区 软 骨 重 吸 收 液 体, 为 下 一 轮 运 动 作 好 准 备 被 压 出 的 液 体 量 虽 不 大, 但 能 增 加 液 膜 厚 度, 加 强 关 节 的 润 滑 状 态 同 时, 上 述 机 制 迫 使 液 体 通 过 软 骨 基 质 进 行 循 环, 从 而 将 营 养 物 质 带 入 软 骨 内 以 营 养 软 骨 细 胞, 在 关 节 软 骨 新 陈 代 谢 过 程 中 起 着 重 要 作 用 此 外, 滑 液 中 的 某 些 大 分 子 物 质, 特 别 是 透 明 质 酸 蛋 白 复 合 体, 在 关 节 润 滑 机 制 中 扮 演 重 要 角 色 它 们 可 被 吸 附 于 软 骨 表 面, 起 界 面 润 滑 作 用 ; 亦 有 可 能 借 助 某 种 超 滤 作 用, 在 关 节 表 面 形 成 一 种 高 粘 度 的 浓 缩 凝 胶, 对 关 节 面 起 保 护 及 辅 助 润 滑 作 用 半 月 板 除 了 具 有 上 述 与 关 节 软 骨 相 似 的 材 料 特 征 外, 还 表 现 出 某 些 自 身 特 点 这 些 特 点 与 半 月 板 不 同 于 关 节 软 骨 的 结 构 持 征 有 关 首 先, 半 月 板 中 的 胶 原 纤 维 主 要 由 较 粗 大 的 I 型 胶 原 纤 维 构 成 其 胶 原 纤 维 的 排 列 方 式 也 与 关 节 软 骨 有 很 大 差 别 ( 图 3-4a b) 这 种 结 构 上 的 差 别 使 得 材 料 在 承 受 载 荷 时, 其 内 部 应 力 分 布 方 式 明 显 不 同 在 关 节 软 骨, 当 其 受 到 应 力 作 用 时, 其 内 部 的 胶 原 纤 维 可 将 应 力 转 换 为 拉 应 力 但 由 于 软 骨 与 骨 的 复 杂 的 连 接 方 式, 在 软 骨 下 层 存 在 拉 压 和 剪 切 复 合 应 力 传 导 而 在 半 月 板, 压 力 则 被 转 换 成 环 向 的 拉 应 力, 即 所 谓 箍 形 应 力 (hoopstress), 由 其 环 形 排 列 的 强 大 的 I 型 肢 原 纤 维 所 承 受

26 其 次, 相 对 于 关 节 软 骨 而 言, 半 月 板 的 厚 度 变 化 很 大, 其 结 构 亦 不 均 匀 这 就 造 成 半 月 板 的 不 同 部 位 之 间 力 学 性 能 上 的 差 别 ( 表 3-3) 从 总 体 上 看, 内 侧 半 月 板 的 中 部 及 后 部 较 为 薄 弱 四 韧 带 的 材 科 学 特 征 如 前 所 述, 韧 带 主 要 由 I 型 胶 原 构 成 其 超 微 结 构 的 特 点 与 其 所 担 负 的 生 理 功 能 密 切 相 关 胶 原 纤 维 是 由 前 胶 原 (precollagen) 分 子 先 聚 集 成 微 纤 维 (microfibril), 再 集 合 成 亚 纤 维 (subfibril), 然 后 组 成 胶 原 纤 维 的 基 本 结 构 单 元 原 纤 维 (fibril)( 图 3-5) 在 偏 光 显 微 镜 下 观 察, 胶 原 纤 维 呈 波 纹 状 卷 曲 此 卷 曲 对 韧 带 的 生 物 力 学 行 为 有 明 显 的 影 响

27 由 于 韧 带 的 主 要 生 理 功 能 是 抗 拉 伸 载 荷, 故 拉 力 实 验 是 研 究 韧 带 力 学 性 能 的 基 本 实 验 方 法 最 常 用 的 手 段 是 先 制 备 骨 韧 带 骨 复 合 体 试 件 ( 即 试 件 包 括 所 要 测 试 的 韧 带 及 其 两 端 所 附 着 的 骨 ), 然 后 将 试 件 夹 持 在 拉 力 实 验 机 上, 测 试 其 载 荷 - 伸 良 曲 线, 进 而 分 析 其 力 学 行 为 图 3-6 给 出 了 一 条 典 型 的 韧 带 的 载 荷 - 伸 长 曲 线 根 据 曲 线 的 形 态 及 其 与 韧 带 结 构 在 受 力 后 变 化 的 情 况, 可 将 曲 线 分 成 以 下 五 个 区 域 : 第 一 区 : 又 称 坡 脚 区 ( Toe region) 此 区 内 负 载 增 加 不 大 胶 原 纤 维 的 波 纹 状 卷 曲 部 分 被 拉 直, 韧 带 伸 长 第 二 区 : 为 线 性 区 此 区 间 胶 原 纤 维 完 全 伸 直 并 与 负 载 取 向 一 致, 韧 带 组 织 表 现 出 其 刚 度, 变 形 与 负 载 呈 现 性 关 系 在 此 区 内, 胶 原 纤 维 开 始 发 生 微 细 断 裂 第 三 区 : 屈 服 区 负 载 增 加 缓 慢, 但 伸 长 加 速 胶 原 纤 维 束 发 生 进 行 性 断 裂 第 四 区 : 平 台 区 负 载 不 再 增 加 而 韧 带 继 续 被 拉 长 此 阶 段 韧 带 连 续 性 虽 然 维 持, 但 组 织 破 坏 已 十 分 严 重 第 五 区 : 断 裂 区 组 织 不 再 支 持 负 载, 韧 带 完 全 断 裂 尽 管 以 上 各 区 的 具 体 数 值 ( 负 载 或 伸 长 ) 可 因 试 件 种 类 不 同 ( 如 不 同 的 韧 带 不 同 的 年 龄 组, 或 不 同 动 物 ) 和 测 试 条 件 各 异 ( 如 不 同 的 夹 持 方 法 不 同 的 加 载 速 度 或 不 同 的 实 验 环 境 ) 而 表 现 出 一 定 的 变 化, 但 曲 线 的 基 本 特 征 仍 然 反 映 出 骨 - 韧 带 - 骨 复 合 体 的 结 构 特 性 一 般 认 为, 从 第 一 区 到 第 二 区 的 前 部 属 韧 带 的 生 理 负 载 区, 其 中 第 一 区 与 临 床 所 作 关 节 稳 定 性 实 验 的 负 载 总 量 相 一 致 自 第 二 区 后 部 起, 即 进 入 韧 带 损 伤 区 表 3-4 给 出 若 干 膝 关 节 韧 带 的 力 学 实 验 结 果

28 由 于 上 述 骨 - 韧 带 - 骨 复 合 体 的 结 构 性 能 受 到 诸 如 韧 带 本 身 的 力 学 性 能 韧 带 组 织 的 几 何 特 征 ( 横 截 面 面 积 长 度 及 形 状 ) 和 韧 带 附 着 点 特 有 性 能 等 多 变 数 的 影 响, 若 要 比 较 与 研 究 韧 带 自 身 的 力 学 性 能 ( 弹 性 模 量 极 限 拉 伸 强 度 最 大 应 变, 以 及 应 变 能 密 度 等 ), 就 需 要 尽 可 能 地 排 除 一 些 影 响 因 素 采 取 的 方 法 是 :1 用 应 力 - 应 变 曲 线 取 代 负 载 - 伸 长 曲 线, 从 而 排 除 韧 带 组 织 几 何 特 征 的 影 响 ;2 调 整 测 试 方 法 及 条 件, 使 试 件 的 失 效 ( 断 裂 ) 出 现 在 韧 带 组 织 本 身, 而 不 在 其 附 着 点, 从 而 摒 除 韧 带 附 着 点 固 有 力 学 特 征 的 影 响 近 年 来. 由 于 一 些 先 进 测 试 手 段 的 应 用 ( 如 用 激 光 测 量 横 截 面 面 积, 高 速 摄 影 测 量 韧 带 受 力 后 变 形 的 情 况 等 ), 使 实 验 结 果 的 精 度 获 得 一 定 提 高 然 而, 对 于 临 床 骨 科 医 生 来 说, 重 要 的 是 要 了 解 膝 关 节 韧 带 在 整 个 膝 关 节 力 学 系 统 ( 尤 其 是 在 活 体 膝 关 节 ) 内 的 运 动 特 征 所 受 张 力 及 其 在 膝 关 节 运 动 与 稳 定 中 扮 演 的 角 色 这 些 至 今 仍 然 是 膝 关 节 生 物 力 学 研 究 的 重 要 课 题 目 前 人 们 通 过 深 入 研 究 膝 关 节 局 部 解 剖 学, 通 过 在 人 体 膝 关 节 外 或 实 验 动 物 膝 关 节 内 放 置 传 感 装 置 观 测 在 运 动 条 件 下 关 节 和 韧 带 的 受 力 情 况, 或 通 过 对 计 算 机 辅 助 x 线 断 层 摄 影 和 磁 共 振 断 层 扫 描 的 结 果 做 图 像 分 析, 以 及 通 过 计 算 机 二 维 或 三 维 图 像 模 拟 分 析 等 手 段, 正 对 此 课 题 的 研 究 作 出 不 懈 的 努 力 第 三 节 膝 关 节 的 运 动 学 物 体 运 动 指 的 是 物 体 在 空 间 的 位 置 随 时 间 的 变 化 ( 包 括 物 体 对 于 其 他 物 体 的 相 对 静 止 - 平 衡 ) 倘 若 把 造 成 运 动 的 物 理 原 因 撇 开 而 只 从 几 何 观 点 出 发 去 描 述 物 体 运 动 的 进 行 方 式, 即 所 谓 运 动 学 如 果 将 这 种 分 析 限 制 在 一 个 面 内, 为 平 面 运 动 学 ; 如 果 涉 及 到 空 间 二 个 面, 则 为 三 维 运 动 学 膝 关 节 运 动 学 所 要 分 析 的 就 是 膝 关 节 运 动 的 全 部 参 数 一 基 本 概 念 在 分 析 膝 关 节 的 运 动 之 前, 需 要 首 先 认 识 几 个 运 动 学 的 基 本 概 念 1. 曲 率 中 心 ( 图 3-7) 这 是 一 个 纯 几 何 学 的 概 念 股 骨 髁 曲 线 的 每 一 个 片 断 都 可 视 作 某 个 圆 的 一 部 分 (Frain 密 切 圆 ), 其 圆 心 就 是 这 一 点 的 曲 率 中 心, 其 半 径 也 即 此 处 的 曲 率 半 径 将 此 概 念 推 广 到 整 个 股 骨 髁, 就 可 以 获 得 一 组 沿 着 一 条 螺 线 排 列 的 点 此 螺 线 即 所 谓 Fick 渐 曲 线 研 究 证 实, 股 骨 内 髁 轮 廓 是 一 个 以 内 侧 副 韧 带 附 着 点 为 中 心 的 对 数 螺 线 由 此 也 就 可 以 从 数 学 角 度 确 定 前 述 渐 曲 线

29 2. 瞬 时 运 动 中 心 ( 图 3-8) 这 是 一 个 运 动 学 的 概 念 当 某 个 刚 体 ( 指 受 力 时 不 变 形 的 物 体 )S2 以 O 点 为 中 心 转 动, 而 O 点 又 位 于 另 一 个 固 定 刚 体 S1 表 面 时, 刚 体 S2 的 运 动 轨 迹 为 以 O 为 心 的 圆 如 果 S2 平 移, 在 平 面 运 动 学 角 度 看 来, 可 视 为 一 种 特 例, 即 物 体 以 无 限 远 的 一 点 为 中 心 转 动 当 运 动 同 时 具 有 转 动 和 平 移 两 种 方 式 时, 此 运 动 可 分 解 为 围 绕 不 同 中 心 的 转 动 因 此, 一 个 物 体 在 另 一 个 固 定 物 体 上 所 有 复 杂 运 动 均 可 以 分 解 为 围 绕 一 系 列 不 同 中 心 的 转 动 这 样, 就 可 以 表 述 为 一 系 列 的 瞬 时 运 动 中 心, 物 体 循 其 转 动 而 从 一 个 位 置 过 渡 到 另 一 个 位 置 3. 滚 动 与 滑 动 ( 图 3-9) 分 析 滚 动 与 滑 动 立 刻 需 要 使 用 上 述 曲 率 中 心 和 瞬 时 运 动 中 心 的 概 念 对 于 轮 子 在 平 面 上 移 动 的 简 单 情 况 而 言, 轮 心 即 相 当 于 它 的 曲 率 中 心 此 刻 滚 动 或 滑 动 取 决 于 瞬 时 运 动 中 心 相 对 于 曲 率 中 心 ( 轮 心 ) 的 位 置 可 有 以 下 四 种 情 况 : (1) 瞬 时 运 动 中 心 与 曲 率 中 心 相 合, 为 纯 滑 动 (2) 瞬 时 运 动 中 心 位 于 轮 子 与 平 面 的 接 触 点, 为 纯 滚 动 (3) 瞬 时 运 动 中 心 位 于 曲 率 中 心 与 轮 面 接 触 点 之 间 的 连 线 上, 滚 动 与 滑 动 同 时 存 在 瞬 时 运 动 中 心 越 接 近 接 触 点, 滚 动 的 成 分 就 越 大 (4) 瞬 时 运 动 中 心 位 于 曲 率 中 心 与 接 触 点 连 线 之 外, 则 在 滚 动 与 滑 动 相 兼 有 的 同 时, 在 轮 子 与 平 面 之 间 出 现 压 应 力 而 在 前 三 种 情 况 下, 轮 子 与 平 面 之 间 接 触 点 所 受 的 力 为 零 或 位 于 切 线 方 向 二 股 胫 关 节 的 运 动 学 1. 矢 状 面 上 的 屈 伸 运 动 股 胫 关 节 的 屈 伸 运 动 范 围 从 全 伸 到 全 曲 约 为 0º~140º 儿 童 或 某 些 成 年 女 性 可 有 过 伸, 或 者 屈 曲 可 达 150º 膝 关 节 面 的 不 对 称 性 在 一 定 程 度 上 造 成 运 动 学 分 析 上 的 困 难 股 骨 髁 由 前 向 后 延 伸, 在 额 状 面 及 矢 状 面 上 均 呈 凸 弧 形 其 前 后 径 ( 纵 径 ) 较 横 径 长 ; 外 髁 的 前 后 径 较 内 踝 长 ; 外 髁 的 关 节 面 较 内 髁 者 宽, 但 内 髁 的 关 节 面 较 外 髁 者 长, 且 略 呈 螺 旋 形 ; 外 髁 的 长 轴 与 矢 状 面 一 致, 而 内 髁 的 长 轴 与 矢 状 面 约 呈 22º 角 股 骨 髁 表 面 的 曲 率 半 径 依 一 定 规 律 变 化 有 实 验 证 实, 股 骨 内 髁 的 曲 率 半 径 由 后 向 前 从 17mm

30 渐 增 至 38mm; 而 股 骨 外 髁 的 曲 率 半 径 则 从 12mm 渐 增 至 60mm 所 有 曲 率 中 心 则 沿 一 条 螺 旋 线 排 列 此 螺 旋 线 位 于 另 一 条 与 股 骨 滑 车 外 形 相 关 的 螺 旋 线 的 上 方 ( 图 3-7) 胫 骨 内 侧 关 节 盂 在 额 状 面 及 矢 状 面 上 均 呈 凹 弧 形, 其 矢 状 面 上 的 曲 率 半 径 为 80mm 胫 骨 外 侧 关 节 盂 在 额 状 面 上 微 凹 ( 几 乎 是 平 面 ), 而 在 矢 状 面 上 则 为 凸 弧 形, 其 曲 率 半 径 为 70mm 正 是 由 于 股 胫 关 节 的 这 种 形 态 特 点 及 运 动 形 式, 决 定 了 其 屈 伸 运 动 轴 不 是 固 定 的, 而 是 随 屈 伸 运 动 的 变 化 而 移 动 经 实 验 证 明, 股 胫 关 节 屈 伸 运 动 的 瞬 时 运 动 中 心 构 成 一 心 形 曲 线 ( 图 3-8) 其 平 均 瞬 时 运 动 中 心 约 位 于 胫 骨 平 台 上 方 15mm, 胫 骨 中 心 线 后 方 26mm 处 股 胫 关 节 的 屈 伸 过 程 是 滚 动 与 滑 动 的 复 合 运 动 一 般 认 为 0º~20º 为 滚 动,20º- 全 屈 为 滑 动 2. 水 平 面 上 的 旋 转 运 动 股 胫 关 节 旋 转 活 动 范 围 约 40º~50º, 其 中 内 旋 约 10º, 外 旋 约 30º~40º 当 股 胫 关 节 完 全 伸 直 时, 由 于 扣 锁 机 制 而 没 有 旋 转 活 动 从 0º~90º 旋 转 活 动 逐 渐 增 加 在 屈 膝 90º 时 活 动 范 围 最 大, 超 过 90º 后 又 逐 渐 减 少 旋 转 活 动 的 纵 轴 在 胫 骨 内 侧 髁 间 棘 附 近, 约 相 当 于 胫 骨 从 前 向 后 的 3/5 处 此 轴 并 不 固 定, 随 屈 曲 角 度 加 大 而 渐 向 后 移 膝 关 节 伸 直 至 最 后 20º 时 ( 即 20º~0º), 股 骨 发 生 内 旋 ( 或 胫 骨 外 旋 ), 每 伸 直 1º 约 有 0.5º 股 骨 内 旋, 当 完 全 伸 直 时, 这 一 旋 转 活 动 也 最 终 完 成, 这 一 过 程 有 如 旋 紧 螺 丝 钉 之 最 后 动 作, 故 称 之 为 扣 锁 机 制 扣 锁 机 制 完 成 之 后, 膝 关 节 非 常 稳 定, 不 发 生 旋 转 与 侧 方 活 动 扣 锁 机 制 的 发 生 与 以 下 几 方 面 因 素 有 关 : (1) 股 骨 髁 的 形 态 : 股 骨 内 髁 比 外 髁 长 1.7~2.0cm, 内 髁 关 节 面 呈 螺 旋 形, 当 膝 关 节 由 屈 到 直 时, 胫 骨 髁 在 股 骨 内 髁 上 先 下 降 而 后 上 升 并 同 时 外 旋 (2) 屈 伸 运 动 由 滑 动 向 滚 动 的 转 换 : 由 于 股 骨 内 髁 曲 率 半 径 大 于 股 骨 外 髁, 股 骨 内 髁 关 节 面 较 股 骨 外 髁 长, 因 此, 膝 关 节 在 伸 直 至 20º 时, 股 骨 外 髁 先 由 滑 动 变 为 滚 动 ; 而 伸 直 至 10º 时, 股 骨 内 髁 始 由 滑 动 变 为 滚 动 股 骨 内 髁 的 滚 动 晚 于 外 髁, 从 而 导 致 股 骨 内 旋 (3) 韧 带 的 制 约 作 用 : 在 膝 关 节 屈 伸 的 全 过 程 中, 交 叉 韧 带 与 内 侧 副 韧 带 始 终 有 一 部 分 保 持 紧 张 而 外 侧 副 韧 带 在 屈 曲 时 松 弛 横 向 旋 转 滑 动 的 纵 轴 偏 向 内 侧 这 种 功 能 上 的 特 点 亦 适 应 于 股 骨 髁 在 伸 屈 运 动 中 发 生 内 旋

31 近 来 有 人 则 认 为 伸 膝 过 程 最 后 阶 段 的 这 种 自 旋 运 动 与 以 下 作 用 有 关 : (1) 后 交 叉 韧 带 持 续 紧 张 而 又 倾 斜 的 纤 维 束 的 制 导 作 用 ; (2) 前 交 叉 韧 带 因 关 节 面 形 状 变 化 而 在 此 阶 段 出 现 的 所 谓 过 短 (too short) 现 象 ; (3) 股 骨 内 髁 的 运 动 因 受 胫 骨 髁 间 隆 突 的 影 响 而 在 此 阶 段 发 生 偏 转 (deflection) 同 时, 内 外 侧 副 韧 带 和 腘 肌 的 作 用 亦 对 此 自 旋 运 动 产 生 影 响 可 以 认 为 这 一 自 旋 运 动 在 伸 膝 起 始 阶 段 就 已 经 孕 育 并 产 生 了 3. 额 状 面 的 侧 方 运 动 在 膝 关 节 全 伸 位 由 于 侧 副 韧 带, 交 叉 韧 带 的 紧 张 以 及 扣 锁 机 制 的 完 成, 无 侧 方 活 动 在 屈 曲 30º 时, 有 少 量 ( 几 度 ) 的 内 收 外 展 活 动 二 髌 股 关 节 的 运 动 学 髌 骨 是 伸 膝 装 置 的 中 间 结 构, 当 膝 关 节 屈 伸 运 动 时, 完 全 由 它 和 股 骨 髁 接 触 并 滑 动 其 位 移 与 股 骨 有 关 股 骨 滑 车 中 凹, 髌 骨 运 动 受 此 凹 槽 制 导 股 骨 滑 车 由 上 至 下, 由 后 向 前 以 及 由 外 向 内 均 呈 斜 面, 且 其 外 侧 部 ( 外 髁 ) 较 之 内 侧 部 ( 内 髁 ) 为 高 且 大 正 是 这 种 解 剖 学 的 特 点, 加 之 髌 骨 周 围 肌 肉 的 作 用, 对 髌 骨 在 膝 关 节 屈 伸 过 程 中 的 运 动 产 生 重 要 影 响 髌 骨 可 在 空 间 三 个 面 上 产 生 位 移 ( 图 3-10): 1. 额 状 面 上 的 运 动 在 伸 膝 位, 髌 骨 相 对 于 股 骨 滑 车 轻 度 向 外 半 脱 位 在 膝 关 节 屈 曲 过 程 中, 髌 骨 逐 渐 被 导 向 内 侧 此 过 程 与 胫 骨 自 动 内 旋 相 关 联, 并 由 此 而 使 伸 膝 装 置 调 整 到 同 一 直 线 上 2. 水 平 面 上 的 运 动 在 伸 膝 位, 髌 骨 相 对 于 股 骨 干 骺 端 呈 轻 度 半 脱 位 并 外 翻 从 屈 膝 第 一 阶 段 ( 屈 膝 0º~30º 直 至 髌 尖 进 入 股 骨 滑 车 凹 槽 内 ) 起, 髌 骨 趋 中 并 向 内 翻 在 这 个 意 义 上 说, 膝 关 节 屈 伸 过 程 可 描 述 为 两 个 运 动 : 髌 骨 的 趋 中 运 动 及 髌 骨 的 内 翻 运 动 这 两 个 运 动 一 则 与 胫 骨 的 内 旋 有 关, 二 则 与 股 骨 滑 车 的 形 态 学 持 征 有 关 ( 图 3-10A) 3. 矢 状 面 上 的 运 动 膝 关 节 由 伸 到 屈 的 过 程 中, 髌 骨 在 矢 状 面 上 作 了 一 段 圆 周 状 位 移 其 位 移 距 离 约 为 8cm, 差 不 多 相 当 于 其 自 身 长 度 的 两 倍 如 此 之 大 的 位 移 是 在 髌 股 接 触 的 柔 顺 性 及 关 节 面 间 滑 动 的 基 础 上 实 现 的 在 此 运 动 过 程 中, 髌 骨 后 移 并 下 降 ( 注 意 : 髌 骨 下 降 是 相 对 于 股 骨 滑 车 而 言 而 非 相 对 于 胫 骨 ) 这 一 相 对 于 股 骨 滑 车 的 逐 步 下 降 运 动 是 由 于 髌 韧 带 的 不 可 延 长 性 造 成 的 这 一 移 位 运 动 也 解 释 了 上 述 髌 骨 接 触 面 的 变 化 髌 骨 的 后 移 则 相 对 于 胫 骨 而 言, 或 更 精 确 地 说 是 相 对 于 作 为 髌 韧 带 止 点 的 胫 骨 结 节 此 运 动 是 在 屈 膝 第 一 阶 段 股 骨 髁 在 胫 骨 关 节 盂 上 滚 动 的 结 果 髌 骨 后 移 相 对 于 胫 骨 存 在, 同 时

32 也 相 对 于 膝 关 节 旋 转 中 心 存 在 这 表 现 为 股 骨 髁 曲 率 半 径 由 前 向 后 逐 渐 减 少, 髌 骨 相 对 于 旋 转 中 心 的 距 离 也 由 伸 到 屈 逐 渐 缩 短, 这 种 变 化 的 结 果 便 是 髌 骨 相 对 于 胫 骨 结 节 后 移 在 屈 膝 过 程 中, 髌 骨 在 一 个 以 髌 韧 带 长 度 为 半 径 的 圆 弧 上 向 后 位 移 在 全 伸 位, 髌 骨 较 胫 骨 结 节 更 为 靠 前 由 髌 骨 中 心 向 胫 骨 结 节 连 线 与 垂 直 线 形 成 的 15º~18º 的 夹 角 屈 膝 30º 时, 此 夹 角 约 7º~8º 屈 膝 60º 时, 胫 骨 结 节 髌 韧 带 及 髌 骨 中 心 均 位 于 同 一 垂 直 面 内 (0º) 接 着, 髌 骨 伴 随 着 膝 关 节 屈 膝 程 度 的 增 加 而 继 续 后 移 直 至 屈 膝 90º 时, 髌 骨 到 达 其 后 移 的 最 终 位 置, 前 述 夹 角 为 15º~20º 此 后 移 运 动 源 于 膝 关 节 屈 曲 初 期 股 骨 髁 的 后 移 ( 滚 动 ), 加 之 髌 骨 进 入 股 骨 髁 间 切 迹 研 究 髌 骨 相 对 于 胫 骨 结 节 的 后 移 运 动, 其 本 身 也 就 确 定 了 髌 骨 的 一 个 重 要 生 物 力 学 功 能, 即 其 在 伸 膝 装 置 中 所 起 的 支 架 作 用 : 增 加 了 0º~60º 屈 膝 中 股 四 头 肌 肌 力 在 此 运 动 过 程 中, 胫 骨 上 端 呈 反 向 前 移 的 运 动 也 可 在 某 种 程 度 上 解 释 髌 骨 在 矢 状 面 上 的 摆 动 ( 屈 曲 过 程 中, 髌 骨 上 缘 越 来 越 向 后 而 其 下 角 越 来 越 向 前 )( 图 3-1B) 在 矢 状 面 上 研 究 膝 关 节 的 瞬 时 运 动 中 心 很 有 意 义 在 此 面 上 股 胫 关 节 的 瞬 时 运 动 中 心 与 髌 股 关 节 者 不 同 股 胫 关 节 内 部 运 动 中 心 的 外 部 投 影 恰 位 于 股 骨 外 髁 结 节 附 近 此 中 心 可 在 一 个 直 径 2~3cm 的 圆 的 范 围 内 移 动 相 反, 髌 股 关 节 瞬 时 运 动 中 心 的 分 布 环 则 大 大 靠 前 ( 图 3-l0C) 这 是 对 髌 股 关 节 的 受 力 分 布 进 行 矢 量 分 析 所 需 的 基 本 概 念 第 四 节 膝 关 节 的 动 力 学 结 合 物 理 原 因 研 究 物 体 运 动 的 变 化, 也 即 研 究 作 用 于 物 体 的 力 和 物 体 运 动 之 间 的 一 般 关 系, 是 运 动 学 的 研 究 任 务 其 中 研 究 物 体 在 力 的 作 用 下 平 衡 ( 指 物 体 相 对 于 地 球 处 于 静 止 或 匀 速 直 线 运 动 的 状 态, 为 物 体 运 动 的 持 殊 情 况 ) 的 规 律 的 部 分, 是 为 静 力 学 可 以 说 静 力 学 是 动 力 学 的 特 例 一 膝 关 节 的 载 荷 传 导 肢 体 的 基 本 功 能 是 运 用 或 抵 抗 一 种 力 量, 把 载 荷 从 肢 体 的 一 端 传 导 到 另 一 瑞 当 各 种 载 荷 成 分 传 经 肢 体 时, 通 过 几 乎 无 摩 擦 力 的 正 常 滑 膜 关 节 产 生 的 应 力 是 压 应 力, 而 通 过 关 节 周 围 的 软 组 织 ( 韧 带 关 节 囊 肌 肉 等 ) 的 则 是 拉 应 力 通 常 二 者 同 时 存 在 关 节 面 上 的 压 力 直 接 受 作 用 力 大 小 的 影 响, 但 与 力 所 作 用 的 接 触 面 成 反 比 若 作 用 力 为 F, 接 触 面 积 为 A, 则 该 平 面 上 的 平 均 压 力 P 为 : P=F/A 假 如 滑 膜 关 节 面 为 扁 平 面, 则 其 平 均 压 力 与 最 大 压 力 相 同 但 任 何 滑 膜 关 节 的 关 节 面 都 是 曲 面 因 此, 曲 面 的 某 一 部 分 承 受 压 力 最 大, 而 另 一 部 分 则 较 小 倘 若 最 大 压 力 超 过 构 成 关 节 面 的 材 料 所 能 承 受 的 极 限, 材 料 即 可 出 现 断 裂 当 形 成 关 节 的 两 个 相 应 曲 面 完 全 吻 合 时, 称 为 吻 合 曲 面, 否 则 称 为 不 吻 合 曲 面 在 吻 合 曲 面 上 作 用 力 所 产 生 的 压 力 呈 不 均 匀 分 布, 位 于 表 面 任 何 点 上 的 压 力 都 和 通 过 该 点 的 直 线 与 力 线 二 者 之 间 的 夹 角 大 小 有 关 ( 图 3-11) 在 与 力 线 一 致 的 点 上 所 承 受 的 压 力 最 大, 且 出 现 最 大 压 力 和 平 均 压 力 之 间 的 显 著 差 别 这 种 曲 面 造 成 某 局 部 压 力 过 高, 对 传 导 载 荷 不 理 想 完 全 不 吻 合 曲 面 同 样 不 利 于 载 荷 传 导, 有 如 球 体 作 用 于 平 面 之 上, 作 用 力 集 中 于 极 小 的 接 触 面, 形 成 压 力 过 高 的 现 象 肢 体 上 的 关 节 往 往 呈 轻 度 不 吻 合 曲 面 状 态