膝关节运动损伤防控的生物力学分析

罗 滨

膝关节运动损伤防控的生物力学分析

罗 滨

（深圳职业技术学院 医学技术与护理学院，广东 深圳 518055）

通过综合膝关节运动损伤的相关文献，从下肢形态异常、超负荷运动、股四头肌内外侧肌不均衡、膝关节周围肌和韧带过紧等生物力学因素，以及对膝关节承受来自地面的冲击力、关节周围骨骼肌活动及不同轴向的关节应力等生物力学特征方面的改变进行分析，认为应该加强核心肌群和膝关节周围骨骼肌的力量，以提高膝关节稳定性，有效地增加下肢骨关节链的刚度系数，从而改善膝关节的拉伸弹性和旋转弹性，并积极做好运动前的拉伸等热身准备，合理地运用规范的运动动作以及运动后的牵拉等，是膝关节运动损伤防控的有效手段．

膝关节；运动损伤；功能解剖学；生物力学

随着人们运动健康意识的不断增强，相关运动损伤风险也越来越高．近70%的跑步深度爱好者曾经发生过或正在经受跑步伤病带来的困扰，其中膝痛的发生率约30%[1]．因膝关节损伤导致的膝痛在不同运动项目中均有发生，在羽毛球运动占21%~37%[2-4]，篮球运动占13%~40%[5-6]，足球运动占25%~77%[7]，太极拳17%~85%[8-9]．这与膝关节的特殊解剖结构及其运动生物力学改变密切相关．为此，本文在膝关节运动损伤的相关文献的基础上，从人体长期进化所赋予膝关节的特殊解剖结构中，分析膝关节运动损伤的相关生物力学因素及其生物力学特征，对合理有效地防控膝关节运动损伤，尽量避免或减少膝关节运动损伤性疾病的发生具有重要意义．

1 膝关节运动损伤的功能解剖学基础

研究[1-9]表明，各类运动项目所致的运动性损伤往往以膝关节损伤发生率最高．膝关节运动损伤的功能解剖学基础，主要涉及膝关节解剖结构、运动轴及轴线角、轴向运动和关节稳定系统等几个方面．

1.1 膝关节解剖结构

膝关节是人体最大的关节，由股骨远端、胫骨近端和髌骨构成，包含2个关节即髌股关节和胫股关节．膝关节的解剖结构最为复杂，关节囊内有前、后交叉韧带和内、外侧半月板，关节囊外有髌韧带、侧副韧带（胫腓侧副韧带）、腘斜韧带、膝横韧带等结构．

1.2 膝关节运动轴及相关轴线角

膝关节作为下肢中间部位的一个关节，其主要绕横轴（通过股骨内外侧髁的冠状轴）在矢状面产生的屈伸运动．膝关节还可在屈位时绕小腿轴线进行旋转运动．髋关节、膝关节和踝关节3个关节的中心在一条直线上，构成下肢的力线[10]．由于长的股骨颈致使股骨干的长轴线偏离下肢力线的外侧，与下肢力线形成约60的夹角．而髋关节的中心要比踝关节的中心更偏离人体中轴线，使下肢力线与垂直轴大约有30夹角．女性骨盆较男性骨盆宽，上述夹角也相应增大，这就是为什么膝生理性外翻在女性较男性更明显[10]．

1.2.1 膝关节轴线

主要包括股骨解剖轴线、股骨关节面切线、胫骨平台面切线、胫骨解剖轴线等：1）股骨解剖轴线：股骨干的长轴线；2）股骨关节面切线：以股骨内外侧髁关节面骨皮质最低点之间连线；3）胫骨平台面切线：以连接胫骨平台上内外关节凹面骨皮质最低点之间的连线；4）胫骨解剖轴线：胫骨干的长轴线．

1.2.2 膝关节轴线角[11-12]

主要包括股骨下角、胫骨上角、股骨胫骨角及关节间隙角等．1）股骨下角：股骨解剖轴线与股骨内外侧髁关节面最低点切线的外侧夹角，其正常范围75◦~85◦．该角的增大或减小提示膝内翻与膝外翻．2）胫骨上角：胫骨解剖轴线与胫骨平台面切线的外侧夹角，其正常范围85◦~100◦．该角的增大或减小提示胫骨平台骨折或膝内翻与膝外翻．3）股骨胫骨角：股骨解剖轴线与胫骨解剖轴线的外侧夹角，其正常范围165◦~175◦．4）关节间隙角：股骨关节面切线与胫骨平台面切线的外侧夹角，其正常范围0.8◦±1.4◦．

1.3 膝关节内外偏移及轴向运动

由于膝关节内各关节面的不同形态结构，股骨解剖轴线与下肢力线不在同一直线上，使膝关节呈现生理性外翻．当超出正常范围称膝关节内外偏移．膝关节在重力负荷或运动负荷作用下必须受轴向的压力才能运动[10]，表现为作屈伸运动和屈曲状态下轻微的轴向旋转运动．

1.3.1 膝关节内外偏移

当股骨胫骨角超过170◦，膝关节向内侧偏移，即膝关节内翻；当股骨胫骨角小于170◦，膝关节向外侧偏移，即膝关节外翻．1）膝关节偏移所致的内翻或外翻，使膝关节承受的力负荷不均匀地分布到膝关节的内外两侧，导致相应的关节软骨面在膝关节反复作屈伸运动时异常磨损，随着时间的积累而引起骨关节炎的发生，内翻导致胫股关节内侧骨关节炎，外翻导致胫股关节外侧骨关节炎．2）膝关节在作屈伸运动时，髌骨相对股骨在作移动，髌骨后面的关节面在股骨内外侧髁之间的髌面凹槽轨道内作曲面运动．当膝关节内翻或外翻时，髌骨将偏离正常轨道，与股骨内侧髁关节面或与股骨外侧髁关节面接触，如过早反复磨损也可导致相应的骨关节炎的发生．

1.3.2 膝关节轴向旋转运动

当膝关节屈曲到合适角度时，膝关节可绕其长轴作轻微旋转运动．膝关节内旋运动是使足趾朝向身体内侧，内旋范围为0◦~40◦，有助于使足内收和小腿内旋；膝关节外旋运动是使足趾朝向身体外侧，外旋范围为0◦~30◦，有助于使足外展和小腿外旋．1）股骨髁在胫骨平台上的轴向转动：膝关节外旋时，即胫骨相对于股骨外旋．股骨外侧髁在胫骨外侧关节面上向前移动，股骨内侧髁在胫骨内侧关节面上向后运动；膝关节内旋时，即胫骨相对于股骨内旋．股骨外侧髁在胫骨外侧关节面上向后移动，股骨内侧髁在胫骨内侧关节面上向前运动．膝关节这种轴向旋转运动会相应地增加胫股关节面之间转动摩擦等应力；2）髌骨相对胫骨的轴向旋转运动：膝关节内旋时，股骨相对于胫骨外旋，牵动髌骨外移，髌韧带向内下倾斜，将增加髌骨对股骨内侧髁关节面的应力；膝关节外旋时，股骨相对于胫骨内旋，牵动髌骨内移，髌韧带向外下倾斜，也将增加髌骨对股骨外侧髁关节面的应力作用．

1.4 膝关节稳定系统

膝关节稳定系统包括侧副韧带、交叉韧带、后关节囊韧带复合体及关节周围肌群等．

1）侧副韧带．侧副韧带在伸膝时紧张，屈膝时松弛．膝关节完全伸直时，受到紧张的侧副韧带的限制，旋转运动和侧向运动是不可能发生的，侧副韧带构成膝关节重要的横向稳定．侧副韧带分为内侧副韧带和外侧副韧带．内侧副韧带即胫侧副韧带与关节囊和内侧半月板紧密结合；侧副韧带即腓侧副韧带，与外侧半月板不直接相连．

2）交叉韧带．交叉韧带又称“十字韧带”，位于关节正中位，且大部分都在髁间窝内，分前交叉韧带和后交叉韧带．前交叉韧带起于髁间隆起的前内侧和外侧半月板前角的愈着部，斜向后上方外侧，纤维呈扇形附着于股骨外侧髁的内侧面．后交叉韧带起于髁间隆起的后方，斜向前上方内侧，附着于股骨内侧髁的外侧面．前后交叉韧带在解剖和功能上彼此相似，形成2根铰链，相对彼此移动；前后交叉韧带分别在伸直和屈曲时紧张，整体上对保证膝关节的前后、水平和旋转稳定性具有极其重要作用．

3）后关节囊韧带复合体．包括内侧髁板、外侧髁板，腘斜韧带、腘弓状韧带，纤维健板．纤维腱板是由相关的肌腱、纤维构成的后内侧角、后外侧角、前外侧角前内侧角4部分组成．

4）关节周围肌群．包括股四头肌和髂胫束、半膜肌、缝匠肌、股薄肌、半腱肌、腘肌、股二头肌、腓肠肌等，是构成膝关节稳定系统的重要组成部分．在大脑皮质控制下做某个特定动作时，这些相关肌群以一种完美同步的方式收缩[10]，并给予了只能被动反应的韧带不可或缺的补助作用．

2 膝关节运动损伤的生物力学因素

正常的下肢轴线是确保关节载荷应力合理分布，轴线若发生改变将导致骨关节负荷紊乱[11]．下肢轴线的变化将引起膝关节生物力学的改变，当运动中不当的方法和动作或是参与某种运动或完成某项运动时，在外力直接作用，膝关节重复作屈伸运动，或微屈状态下作旋转运动，均有可能导致膝关节相关结构急性或慢性损伤．在各种不同运动项目或体育锻炼中，膝关节常常因下肢形态异常、超负荷运动、股四头肌内外侧肌不均衡、膝关节周围肌和韧带过紧等生物力学因素的改变而引起膝关节损伤．

2.1 下肢形态异常

下肢形态异常如膝关节内外翻、过伸，胫骨异常内外旋，扁平足或高足弓等，或者不正确的运动姿势和方法，均可使下肢力线异常偏移．可导致：1）髌骨运动轨迹可出现异常．膝关节作屈伸运动时使髌骨不规则地滑动，髌骨向外侧或向内侧偏移．可明显增加髌骨与股骨间的应力作用或髌骨与股骨间的摩擦力．如步行与跑步等重复性与周期性高的屈伸运动，导致髌骨与股骨之间的软骨磨损，极易导致膝关节的慢性损伤，出现膝关节疼痛．2）膝关节内外两侧关节面软骨异常磨损．下肢力线异常偏移时，使重力负荷不均匀分布到膝关节的内外侧两侧．膝关节外翻或内扣，“X”型腿，扁平足、外“八”足等时，下肢力线向外侧偏移，膝关节外侧关节软骨应力负荷加大，如经长时间、反复持续屈伸运动，使其相应软骨磨损，则可能导致胫股外侧骨关节炎；反之，膝关节内翻，“O”型腿，高足弓、内“八”足等时，下肢力线向内侧偏移，膝关节内侧关节软骨应力负荷加大，如经长时间、反复持续屈伸运动，使其相应软骨反复磨损，则可能导致胫股内侧骨关节炎．

下肢形态异常导致的力线偏移还可因髋关节外展和外旋肌群肌力不足所引起，在女性尤为突出．文献[13]研究运动性膝关节痛中发现髋关节外展与外旋骨骼肌的肌力女性比对照组减弱20%~35%．文献[14]通过等速肌力测试，发现女性跑者膝痛患者的髋关节内收和外展力量减弱并有失衡现象存在．由于髋外展和外旋的肌力不足，加之女性骨盆较男性更宽，导致髋关节过度内收及内旋，从而增加膝关节的外旋和髌骨的外移活动．这也进一步佐证了女性髌股关节综合征的发生率明显高于男性．

2.2 膝关节超负荷运动或久坐不动

膝关节运动负荷越大（过量和高强度运动），膝关节运动损伤发生率越高．有过膝关节外伤史和膝关节手术史的运动员，在伤后及术后半年到1年内，常有膝关节疼痛的主诉，且往往是双侧或原先的健侧．这可能与伤后或术后健侧体重负荷和运动负荷加大密切相关．美国权威期刊《骨科与运动物理治疗》在2017年6月公布的报告中的数据说明：竞技跑者的关节炎发生率13.3%，久坐不动人群的关节炎发生率10.2%，健身跑者的关节炎发生率是3.5%．更有研究报道，长年（10年，15年，甚至更久）的健身跑步对膝关节的健康有好处，而过量和高强度的跑步者以及久坐不动者引发关节炎的风险增高．这是由于：1）健跑者的适量运动，膝关节的软骨能被重复压缩和释放，便于关节滑液在关节内到处流动，起到润滑和营养作用；2）长期超负荷运动者，膝关节的软骨来不及修复，积劳成疾，可导致局灶性的软骨软化、破裂．软骨无法得到修复，引起关节退变，易诱发膝关节炎；3）长期不运动者，膝关节周围的骨骼肌也会日渐萎缩，膝关节稳定性下降，损伤的几率将大大增加．

2.3 股四头肌内外侧肌不均衡

股四头肌为膝关节唯一的伸肌．股四头肌包括股内侧肌、股外侧肌、股中间肌和股直肌4个头，除股直肌有伸膝屈髋作用外，其余3个为单关节伸肌，共同产生一个沿大腿长轴向上的合力，即伸膝力．股内侧肌和股外侧肌还会产生侧向分力，即股内侧肌的斜行纤维产生使髌骨向内移动力，而股外侧肌与阔筋膜张肌（髂胫束）则产生使髌骨向外运动的力，共同防止髌骨向外或向内“滑脱”．Mohr KJ等[15]应用肌电图（EMG）测试股内侧肌与股外侧肌在屈伸时的收缩顺序后发现，运动膝痛患者的股内侧肌收缩速度慢于对照组，且肌力也较弱．这样由于患者在伸膝时股内侧肌收缩时间延迟可导致髌骨的外移[16]．Ekrem A等[17]研究报道，在对伤膝患者进行了6W的股四头肌等速力量训练后，患者膝痛明显下降，且EMG测试显示股内侧肌的激活延迟得到改善，从而减少髌骨向外偏移．研究提示加强股四头肌特别是股内侧肌的力量训练对于膝关节的稳定具有重要意义．

2.4 膝关节周围骨骼肌及韧带过紧

膝关节周围骨骼肌及韧带过紧可引起膝关节内压力增加，可导致髌骨向外偏移，膝关节在作屈伸运动时，增加了髌股关节面的压力负荷．Witvrouw E等[18]研究认为股四头肌柔韧性不足导致股四头肌腱、髌腱以及周围软组织过紧而致髌股间压力增高．Piva SR等[19]研究认为腿部后群肌过紧、柔韧性差，可使股四头肌必须克服更大的阻力来完成伸膝运作，故髌股间的压力也会相应的增加很多．此外，研究还发现小腿三头肌柔韧性下降或膝关节屈曲挛缩[20]时，在阻抗伸膝增加髌股间压力的同时，也可能引起下肢力线异常等改变．Puniello MS[21]认为髂胫束及膝关节外侧韧带过紧可能会引起跑者膝关节痛． Panagiotopoulos E等[22]报道髌骨内侧的稳定性50%来自于内侧髌股间韧带，而髌骨外侧的稳定性主要来源外侧韧带及髂胫束．若外侧韧带及髂胫束过紧可导致髌骨稳定性下降，髌骨可出现异常偏移运动，增加膝关节相关结构损伤几率．上述学者的临床研究涉及配布到膝关节周围骨骼肌及韧带生物力学特征的改变，能更好地诠释与支持运动前柔韧训练和加强骨骼肌的牵拉刺激为什么如此重要的观点．

3 膝关节运动损伤的生物力学特征分析

重复性的超负荷屈膝运动和过度转膝动作，都有可能导致膝关节损伤．各种运动因不同的足着地方式、屈膝角度和转膝程度，膝关节承受来自地面的冲击力、关节周围骨骼肌活动以及不同轴向的关节应力[23]等生物力学特征的改变，在时间和量的累积和叠加效应后，可导致膝关节的慢性损伤．Daoud AI等[24]认为，采取后足着地方式的跑者比采取前足着地方式的跑者更易发生运动损伤．胡浩宇等[25]认为，不同的足着地方式与膝关节损伤并没有显著性差异，跑步足着地方式只是不同跑者的习惯而已．在跑步中足着地的方式和性别之间以及足着地的方式和跑速之间存在差异，在不同性别中，男性跑者更倾向于前足着地，而女性跑者更多的是后足跟着地．Kasmer[26]通过在比赛途中安装摄像头观察运动员跑步中足着地的方式显示，前足着地时跑步的速度较其他方式快，但是大部分运动员采用全足着地的方式．目前，众多研究文献资料也不能证明，不同的足着地方式对膝关节损伤存在明显差异．但在不同类型的运动项目中，因不同的运动方法和动作要求而采取不同足着地方式、不同屈膝度和转膝程度，若长时间、反复持续性的改变了膝关节纵向和/或横向生物力学，将对膝关节损伤产生不同的影响．

3.1 地面冲击力

在大多数情况下，步行和跑步先是以后足外侧下部着地，随着重心向前推移，与地面支撑瞬间转至前中足，足后跟同时向内侧倾倒，在离地时向上翻转．后足着地的方式，其行程过程中产生2个地面反作用的冲击力．而较快速的跑步或步行是以前足着地方式，即前足内侧下部着地（常常是第1-2近节趾骨与第1-2跖骨结合处），只在初始触地即刻产生1个地面反作用的冲击力．这些地面反作用的冲击力在瞬间依次传导至足踝、小腿、膝部等处，被相关骨骼及其他软组织吸收消化，且不断衰减．一直以来，多数学者认为前足和中足着地方式时产生的垂直地面的反作用冲击力比后足着地方式时产生的要小．Mercer JA等[27]认为，较高程度的后足着地方式的地面冲击力比小程度的后足着地方式要大80%．因此，地面冲击力被认为是膝关节运动性损伤的重要原因之一．

3.2 骨骼肌活动

骨骼肌活动因不同的足着地方式或重心的移动而发生改变．膝关节周围的骨骼肌不仅是产生运动的动力，还可增加关节的稳定性和减少关节的载荷[28-29]，髋部骨骼肌可增加骨盆稳定和限制膝关节内侧力矢量力臂[29-30]，而膝关节损伤患者的骨骼肌力量明显会影响到膝关节功能与步态[31]．足着地方式会影响骨骼肌的活性，肌力与地面反作用冲击力密切相关[32]．后足着地方式跑步时，屈髋肌活动的增加可减少负荷载率；前足着地方式会较多使用腓肠肌内外侧头，而后足着地方式会较多使用胫骨前肌和腘绳肌外侧肌[33]．不同足着地方式所引起的骨骼肌活动可能与膝关节的轴线角以及后足角度、足偏角等差异有关．一些需要转体的运动项目，屈膝和转膝状态下重心发生移动，为保证膝关节稳定性和灵活性，膝关节周围骨骼肌活动发挥着极其重要作用，同时，膝关节相关的轴线角或关节间隙角以及关节内外受力等也相应地因骨骼肌活动而发生变化．

3.3 不同轴向的关节应力

不同足着地方式，步长、步幅、步频、关节角或轴线角都不尽相同．有研究[34-35]认为,前足着地较后足着地的跑者，步频更快、步长更短，与地面接触时间更短．后足着地跑者通过着地时更大程度地屈膝来使步长缩短，使步频变快，与地面接触时间缩短．后足着地方式较前足着地方式的屈膝角度要大．姚杰等[36]认为屈膝角度达到最大时产生明显的应力集中．王俊然等[37]研究发现，随着屈膝角度的增大，胫股关节软骨和半月板的接触应力也逐渐增加，在0°~60°屈膝运动中，内侧半月板的接触应力始终大于外侧半月板的接触应力．因此，过度屈膝或抬膝越高的动作，膝关节所受到的纵向应力就越大．此外，膝过度外翻或内翻，导致关节轴线和关节间隙角度等改变，除增加纵向应力还会相应地增加横向应力，特别是一些需要转体动作的运动项目，在重力负荷的作用下，尤其在较大屈膝状态下，膝关节要承受较大（往往几个）重力负荷，此时的重力负荷将分解成为不同轴向上的关节应力．而且随着转体运动进程，膝关节各关节面之间（包括股骨内外侧关节面与半月板之间）的接触面大小也发生改变，从而改变关节应力的分布，在某些接触面（区）所承受的扭转碾压应力将随屈膝角度和转膝程度的加大而增大．刘婷等[38]认为异常的膝关节内外旋转运动会减少关节吸收冲击和分散接触应力，改变应力分布状况，往往导致载荷转移到通常不承力的软骨区域，造成软骨磨损．

4 结 语

本文认为：1）各类运动应遵循膝关节的功能解剖及其运动生物力学特征，确保膝关节稳定和下肢力线正常，使膝关节适度的屈伸或轻微的旋转；2）不同的运动项目，因不同程度的屈膝、转膝动作，膝关节周围骨骼肌活动方式也不尽相同，对膝关节生物力学特征有着不一样的影响．由于膝关节相关轴线、轴线角、关节形态等存在个体差异以及自身运动方法和动作习惯的不同，不论是哪种运动，膝关节承受来自地面的冲击力，还是因屈膝或转膝动作受到的关节轴向应力都不尽相同；3）运动时应最大限度地减少对膝关节的冲击力和不同轴向上的有效应力．地面冲击力经下肢关节链及相关软组织吸收（类似弹簧减震效应）而呈递减传导至膝部，在这种冲击力的缓冲过程中，足部和小腿部的骨骼肌、筋膜等组织起到非常重要的作用；在各个不同轴向上最终作用到膝关节的有效应力才真正发挥着关键性作用．因此，加强核心肌群的力量练习，增强膝关节周围骨骼肌的力量，加强柔韧性和灵活性的训练，提高膝关节稳定性，有效地增加下肢骨关节链的刚度系数[39]，从而改善膝关节的拉伸弹性和旋转弹性，并积极做好运动前的拉伸等热身准备，合理地运用规范的运动动作以及运动后的牵拉等，是膝关节运动损伤防控的最有效手段．

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Biomechanical Analysis of Prevention and Control of Knee Joint Sports Injury

LUO Bin

（)

Based on the research on knee joint sports injury, the bio-mechanical factors such as abnormal morphology of lower limbs deformation, overload exercise, imbalance of internal and external muscles of quadriceps femoris, excessive tightening of muscles and ligaments around knee joint, bio-mechanical characteristics of knee joint bearing impact force from the ground, skeletal muscle movement around joint and joint stress in different directions are analyzed. It is suggested that the strength of the core muscle group and the skeletal muscle around the knee joint should be enhanced to improve the stability of the knee joint. The stiffness coefficient of the bone and joint chain of the lower extremity can be effectively increased to improve the tensile elasticity and rotating elasticity of the knee joint. By reasonably using the standardized exercise movement, including warming-up such as stretching before and after exercise, and the traction after exercise, a person can achieve the most effective means to prevent and control the knee joint sports injury.

knee joint; sports injury; functional anatomy; biomechanics

2019-07-04

罗滨，男，江西吉安人，硕士，教授，研究方向：临床应用解剖学、运动生物力学．

R873

A

1672-0318（2020）03-0035-07

10.13899/j.cnki.szptxb.2020.03.006