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膝关节骨关节炎的临床诊疗进展(二)膝关节的生物力学


文章作者:管理员 发布时间:2014-05-29 浏览次数:

二、膝关节的生物力学
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1、 膝关节不同位置与受力:膝关节的单一运动主要是伸直屈曲及屈曲时的轻微旋转运动,日常生活中的活动包括站、立、行、走、上下楼梯、跑和跳等,膝关节活动范围大多在0-45度,髌骨关节压力,主要来自股四头肌收缩、股四头肌腱和髌韧带分别牵拉髌骨上下极,二者力量相等,方向相反。二者的矢量之和即为髌股关节压力;站立时屈膝30度位,髌股关节压力和体重相等;60度为体重的4倍;90度等于体重的6倍。行走时髌股关节压力约为体重的1.5倍,上下楼梯时,其间压力约为体重的3.3倍,下蹲站起时,压力可达体重的8倍。
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2、 半月板与力的传递:月板与力的传递有关,伸膝时有50%压力负荷是通过半月板传递的,而屈膝时达到85%,半月板具有分散和吸收震荡的能力,正常时吸收震荡的能力比切去半月板时高20%,半月板减少了凸的股骨髁与相对平的胫骨平台间的不吻合,增加了膝关节的稳定性,尤其是可防侧移。 半月板还具有搅拌作用,使滑液在关节面及半月板上形成一薄的液膜,对关节起润滑作用。外侧半月板切除之后,股胫关节接触面积减少30%-50%,内侧半月板切除后,减少可达50%-70%,容易导致膝关节退行性改变。
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3、 膝关节的接触力与接触区:
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股胫间接触力:即股骨两髁和胫骨平台间的压应力,该力与重心的变化及小腿位置有关Walker计算上楼和下楼时膝关节表面的总压缩力分别为体重的2.5和3.5倍地面反作用力的力线,距膝关节中心垂直距离越远则力越大,屈膝15度时,力线经过膝关节面中心,用力最小。
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髌股间接触力:髌股间的应压力主要取决于股四头肌力和膝关节屈曲角度当肌力不变时,此力随膝屈曲而增加平地行走时此力为体重的0.6倍,平地快速行走可达到体重的1.5倍。
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股胫间接触区:位于股胫间的半月板也参与接触制导承重和缓冲应力的作用股骨髁与半月板和胫骨面接触面积的大小与膝关节的角度和负荷有关当膝伸直后及负载超过体重时,则接触面最大。
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髌股间接触区:膝伸直时,髌骨下方与股骨髌面接触,屈曲至90度时则接触区移到髌骨上部和髁间窝,在屈曲则髌骨陷入股骨髌面两髁中有人计算出当屈曲20度时,髌股接触面积为120平方毫米,屈膝60度时接触面积最大为480平方毫米,屈曲120度时又降到360平方毫米。
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膝关节与其他滑膜关节一样,关节软骨是关节的核心,其主要功能是:(1)把施加于关节上的载荷扩散到较大的区域,以减少接触应力(2)使对应的关节面能以最小的摩擦和磨损进行相对运动。
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关节软骨的固体基质是由胶原纤维(60%),同与水亲和力很强的原纤维间糖蛋白凝胶(40%)及软骨细胞(少于2%)组成的关节软骨的修复和再生能力有限,如果承受应力太大,就可能发生破坏,破坏进程与下述条件有关:(1)承受的应力值;(2)承受应力峰值的总数;(3)胶原糖蛋白基质的分子和纤维结构。
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关节活动时,关节软骨面之间产生相互压缩和放松作用压缩时基质内液体溢出;放松时,液体进入基质内,类似一个唧筒如此反复交替进行,以保持关节软骨细胞的营养供给这种营养供给渠道遭到破坏,即可发生软骨基质改变,进而使软骨细胞退化和死亡,产生骨关节退行性改变。
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其病因一是外来的过度负重,或是由于整个应力太大,或是由于负重区域太小,或二者兼有。二是内在的软骨缺陷:软骨遭受单次重伤,或多次轻伤使软骨受到损害;或是软骨病变,由于炎性疾病代谢性疾病等使软骨失去支撑,营养缺乏而导致发病。

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