膝关节生物力学运动学.ppt

把小腿作为分离体与身体其它部分分开，画出爬梯状态下的分离体图。从作用在分离体上所有的力中，定出三个主要共面力，即：①地面反力（与体重相等）②股四头肌通过髌腱施加的拉力③胫骨平台上的关节反力（即体重加肌作用力的反力）。（1）因为下肢处于平衡状态，故所有三个力的作用线必相交于一点。由于小腿处于平衡，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）是体重的3.2倍，关节反力（J）为体重的4.1倍。可以看出，主要肌力对于关节反力值的影响远远大于由体重产生的地面反力。（2）因为下肢处于平衡状态，力矩和必须为零。ΣM=0在这个例子中，逆时针方向的力矩被定义为正，则：W×a-P×b=0W×a=P×b力臂a和b的值能都从解剖样本或软组织X光相片上测量到，W的大小能从每个人的体重获得，那么P的大小就能从力矩平衡方程中得到：P=（W×a）/b第31页,共45页，星期六，2024年，5月（2）膝关节的受力①胫骨和股骨的负重：膝关节单腿站立时，膝关节承受的压力约为体重的2倍。行走时膝关节承受的压力约为体重的3～4倍，膝关节承受力的峰值在屈膝20°，但膝关节主要承受力是在0°～40°范围内。在正常伸膝条件下，胫骨内外侧髁的受力是基本相同的，当出现膝内外翻畸形时，则受力完全不同。发生膝内翻时，出现内侧受力明显增加，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，并使腓侧副韧带上的应力渐进性增加，膝轴变为倾斜，常伴有小腿和足的内旋。同时外侧韧带张力明显增加，在行走时出现关节的摆动移位，导致关节退化。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，持续超负荷会导致软骨的损坏，同时胫侧副韧带上的应力逐渐增加，严重者造成髌骨向外移位，伸膝时牵拉股四头肌。膝轴、小腿和足也会发生相应的变化。第32页,共45页，星期六，2024年，5月正常膝和畸形膝胫骨和股骨的负重第33页,共45页，星期六，2024年，5月②髌骨股骨的受力髌骨的受力在伸直位和屈曲位是不同的，伸直位受的压力较屈曲位小的多。髌股关节所受压力第34页,共45页，星期六，2024年，5月3．膝关节的动力学分析（1）胫股关节的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的主要的力是肌—体重—结缔组织及外加载荷所产生,在做动力分析时较常用的是关节力矩。下面以踢足球的活动为例，说明应用动力分析来计算某一特定瞬时胫股关节上的关节反力。取一张膝和小腿的频闪摄影图，求出踢足球瞬时的最大角加速度，这一瞬时小腿几乎垂直。从片子上可以计算出最大角加速度是453r/s2。根据人体测量的数据表，小腿惯性质量矩定为0.35N?ms2。根据力矩等于质量惯性矩乘以角加速度的公式（T=Ia）即可以算出胫股关节上的力矩。即T=0.35N?ms2*453r/s2=158.5N?ms2第35页,共45页，星期六，2024年，5月在定出力矩为158.5N?ms2后再测出从人的髌腱到胫股关节瞬时中心的垂直距离为0.05m，利用力矩等于力乘距离的公式即可算出髌腱作用在关节上的肌力：158.5N?m=F*0.05mF=158.5N?m/0.054m通过进一步运算是踢球运动时由股四头肌施加的最大力值是3170N。现在可以做静力分析来确定胫股关节上关节反力的值。这个关节上主要的力确定为髌腱力（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）的大小、方向和作用线未知。用三个共面力的分离体法解出力（J），可以发现此力只稍低于髌腱力。第36页,共45页，星期六，2024年，5月（2）髌股关节的动力学分析在髌股关节中，随着膝的屈曲，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的小的弯曲力矩，因为膝关节以上的身体重心几乎就在髌股关节转动中心的上方。然而，当膝关节屈曲增加，重心从转动中心向远移动，因此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，髌股关节的反作用力也增加。即：膝屈曲越大，股四头肌的力值越大，因此髌股关节反作用力值越高。在膝屈曲到90°的过程中产生更高的髌股关节反力。在膝屈曲90°时，此力达到体重的2.5～3倍。膝屈曲整个过程中，髌股关节反力始终比股四头肌力大。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的力值，它是通过改变髌腱力和股四头肌腱力之间的夹角来实现的。这两个分力之间的角随着膝的弯曲急剧变大，增