膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷防控的生物力學(xué)分析

羅 濱

膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷防控的生物力學(xué)分析

羅 濱

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 醫(yī)學(xué)技術(shù)與護(hù)理學(xué)院，廣東 深圳 518055）

通過綜合膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷的相關(guān)文獻(xiàn)，從下肢形態(tài)異常、超負(fù)荷運(yùn)動(dòng)、股四頭肌內(nèi)外側(cè)肌不均衡、膝關(guān)節(jié)周圍肌和韌帶過緊等生物力學(xué)因素，以及對(duì)膝關(guān)節(jié)承受來自地面的沖擊力、關(guān)節(jié)周圍骨骼肌活動(dòng)及不同軸向的關(guān)節(jié)應(yīng)力等生物力學(xué)特征方面的改變進(jìn)行分析，認(rèn)為應(yīng)該加強(qiáng)核心肌群和膝關(guān)節(jié)周圍骨骼肌的力量，以提高膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性，有效地增加下肢骨關(guān)節(jié)鏈的剛度系數(shù)，從而改善膝關(guān)節(jié)的拉伸彈性和旋轉(zhuǎn)彈性，并積極做好運(yùn)動(dòng)前的拉伸等熱身準(zhǔn)備，合理地運(yùn)用規(guī)范的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作以及運(yùn)動(dòng)后的牽拉等，是膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷防控的有效手段．

膝關(guān)節(jié)；運(yùn)動(dòng)損傷；功能解剖學(xué)；生物力學(xué)

隨著人們運(yùn)動(dòng)健康意識(shí)的不斷增強(qiáng)，相關(guān)運(yùn)動(dòng)損傷風(fēng)險(xiǎn)也越來越高．近70%的跑步深度愛好者曾經(jīng)發(fā)生過或正在經(jīng)受跑步傷病帶來的困擾，其中膝痛的發(fā)生率約30%[1]．因膝關(guān)節(jié)損傷導(dǎo)致的膝痛在不同運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中均有發(fā)生，在羽毛球運(yùn)動(dòng)占21%~37%[2-4]，籃球運(yùn)動(dòng)占13%~40%[5-6]，足球運(yùn)動(dòng)占25%~77%[7]，太極拳17%~85%[8-9]．這與膝關(guān)節(jié)的特殊解剖結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)改變密切相關(guān)．為此，本文在膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷的相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，從人體長期進(jìn)化所賦予膝關(guān)節(jié)的特殊解剖結(jié)構(gòu)中，分析膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷的相關(guān)生物力學(xué)因素及其生物力學(xué)特征，對(duì)合理有效地防控膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷，盡量避免或減少膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷性疾病的發(fā)生具有重要意義．

1 膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷的功能解剖學(xué)基礎(chǔ)

研究[1-9]表明，各類運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目所致的運(yùn)動(dòng)性損傷往往以膝關(guān)節(jié)損傷發(fā)生率最高．膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷的功能解剖學(xué)基礎(chǔ)，主要涉及膝關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)軸及軸線角、軸向運(yùn)動(dòng)和關(guān)節(jié)穩(wěn)定系統(tǒng)等幾個(gè)方面．

1.1 膝關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)

膝關(guān)節(jié)是人體最大的關(guān)節(jié)，由股骨遠(yuǎn)端、脛骨近端和髕骨構(gòu)成，包含2個(gè)關(guān)節(jié)即髕股關(guān)節(jié)和脛股關(guān)節(jié)．膝關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，關(guān)節(jié)囊內(nèi)有前、后交叉韌帶和內(nèi)、外側(cè)半月板，關(guān)節(jié)囊外有髕韌帶、側(cè)副韌帶（脛腓側(cè)副韌帶）、腘斜韌帶、膝橫韌帶等結(jié)構(gòu)．

1.2 膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軸及相關(guān)軸線角

膝關(guān)節(jié)作為下肢中間部位的一個(gè)關(guān)節(jié)，其主要繞橫軸（通過股骨內(nèi)外側(cè)髁的冠狀軸）在矢狀面產(chǎn)生的屈伸運(yùn)動(dòng)．膝關(guān)節(jié)還可在屈位時(shí)繞小腿軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)．髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)3個(gè)關(guān)節(jié)的中心在一條直線上，構(gòu)成下肢的力線[10]．由于長的股骨頸致使股骨干的長軸線偏離下肢力線的外側(cè)，與下肢力線形成約60的夾角．而髖關(guān)節(jié)的中心要比踝關(guān)節(jié)的中心更偏離人體中軸線，使下肢力線與垂直軸大約有30夾角．女性骨盆較男性骨盆寬，上述夾角也相應(yīng)增大，這就是為什么膝生理性外翻在女性較男性更明顯[10]．

1.2.1 膝關(guān)節(jié)軸線

主要包括股骨解剖軸線、股骨關(guān)節(jié)面切線、脛骨平臺(tái)面切線、脛骨解剖軸線等：1）股骨解剖軸線：股骨干的長軸線；2）股骨關(guān)節(jié)面切線：以股骨內(nèi)外側(cè)髁關(guān)節(jié)面骨皮質(zhì)最低點(diǎn)之間連線；3）脛骨平臺(tái)面切線：以連接脛骨平臺(tái)上內(nèi)外關(guān)節(jié)凹面骨皮質(zhì)最低點(diǎn)之間的連線；4）脛骨解剖軸線：脛骨干的長軸線．

1.2.2 膝關(guān)節(jié)軸線角[11-12]

主要包括股骨下角、脛骨上角、股骨脛骨角及關(guān)節(jié)間隙角等．1）股骨下角：股骨解剖軸線與股骨內(nèi)外側(cè)髁關(guān)節(jié)面最低點(diǎn)切線的外側(cè)夾角，其正常范圍75?~85?．該角的增大或減小提示膝內(nèi)翻與膝外翻．2）脛骨上角：脛骨解剖軸線與脛骨平臺(tái)面切線的外側(cè)夾角，其正常范圍85?~100?．該角的增大或減小提示脛骨平臺(tái)骨折或膝內(nèi)翻與膝外翻．3）股骨脛骨角：股骨解剖軸線與脛骨解剖軸線的外側(cè)夾角，其正常范圍165?~175?．4）關(guān)節(jié)間隙角：股骨關(guān)節(jié)面切線與脛骨平臺(tái)面切線的外側(cè)夾角，其正常范圍0.8?±1.4?．

1.3 膝關(guān)節(jié)內(nèi)外偏移及軸向運(yùn)動(dòng)

由于膝關(guān)節(jié)內(nèi)各關(guān)節(jié)面的不同形態(tài)結(jié)構(gòu)，股骨解剖軸線與下肢力線不在同一直線上，使膝關(guān)節(jié)呈現(xiàn)生理性外翻．當(dāng)超出正常范圍稱膝關(guān)節(jié)內(nèi)外偏移．膝關(guān)節(jié)在重力負(fù)荷或運(yùn)動(dòng)負(fù)荷作用下必須受軸向的壓力才能運(yùn)動(dòng)[10]，表現(xiàn)為作屈伸運(yùn)動(dòng)和屈曲狀態(tài)下輕微的軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)．

1.3.1 膝關(guān)節(jié)內(nèi)外偏移

當(dāng)股骨脛骨角超過170?，膝關(guān)節(jié)向內(nèi)側(cè)偏移，即膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻；當(dāng)股骨脛骨角小于170?，膝關(guān)節(jié)向外側(cè)偏移，即膝關(guān)節(jié)外翻．1）膝關(guān)節(jié)偏移所致的內(nèi)翻或外翻，使膝關(guān)節(jié)承受的力負(fù)荷不均勻地分布到膝關(guān)節(jié)的內(nèi)外兩側(cè)，導(dǎo)致相應(yīng)的關(guān)節(jié)軟骨面在膝關(guān)節(jié)反復(fù)作屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)異常磨損，隨著時(shí)間的積累而引起骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生，內(nèi)翻導(dǎo)致脛股關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)骨關(guān)節(jié)炎，外翻導(dǎo)致脛股關(guān)節(jié)外側(cè)骨關(guān)節(jié)炎．2）膝關(guān)節(jié)在作屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)，髕骨相對(duì)股骨在作移動(dòng)，髕骨后面的關(guān)節(jié)面在股骨內(nèi)外側(cè)髁之間的髕面凹槽軌道內(nèi)作曲面運(yùn)動(dòng)．當(dāng)膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻或外翻時(shí)，髕骨將偏離正常軌道，與股骨內(nèi)側(cè)髁關(guān)節(jié)面或與股骨外側(cè)髁關(guān)節(jié)面接觸，如過早反復(fù)磨損也可導(dǎo)致相應(yīng)的骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生．

1.3.2 膝關(guān)節(jié)軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

當(dāng)膝關(guān)節(jié)屈曲到合適角度時(shí)，膝關(guān)節(jié)可繞其長軸作輕微旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)．膝關(guān)節(jié)內(nèi)旋運(yùn)動(dòng)是使足趾朝向身體內(nèi)側(cè)，內(nèi)旋范圍為0?~40?，有助于使足內(nèi)收和小腿內(nèi)旋；膝關(guān)節(jié)外旋運(yùn)動(dòng)是使足趾朝向身體外側(cè)，外旋范圍為0?~30?，有助于使足外展和小腿外旋．1）股骨髁在脛骨平臺(tái)上的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)：膝關(guān)節(jié)外旋時(shí)，即脛骨相對(duì)于股骨外旋．股骨外側(cè)髁在脛骨外側(cè)關(guān)節(jié)面上向前移動(dòng)，股骨內(nèi)側(cè)髁在脛骨內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)面上向后運(yùn)動(dòng)；膝關(guān)節(jié)內(nèi)旋時(shí)，即脛骨相對(duì)于股骨內(nèi)旋．股骨外側(cè)髁在脛骨外側(cè)關(guān)節(jié)面上向后移動(dòng)，股骨內(nèi)側(cè)髁在脛骨內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)面上向前運(yùn)動(dòng)．膝關(guān)節(jié)這種軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)會(huì)相應(yīng)地增加脛股關(guān)節(jié)面之間轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦等應(yīng)力；2）髕骨相對(duì)脛骨的軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：膝關(guān)節(jié)內(nèi)旋時(shí)，股骨相對(duì)于脛骨外旋，牽動(dòng)髕骨外移，髕韌帶向內(nèi)下傾斜，將增加髕骨對(duì)股骨內(nèi)側(cè)髁關(guān)節(jié)面的應(yīng)力；膝關(guān)節(jié)外旋時(shí)，股骨相對(duì)于脛骨內(nèi)旋，牽動(dòng)髕骨內(nèi)移，髕韌帶向外下傾斜，也將增加髕骨對(duì)股骨外側(cè)髁關(guān)節(jié)面的應(yīng)力作用．

1.4 膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定系統(tǒng)

膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定系統(tǒng)包括側(cè)副韌帶、交叉韌帶、后關(guān)節(jié)囊韌帶復(fù)合體及關(guān)節(jié)周圍肌群等．

1）側(cè)副韌帶．側(cè)副韌帶在伸膝時(shí)緊張，屈膝時(shí)松弛．膝關(guān)節(jié)完全伸直時(shí)，受到緊張的側(cè)副韌帶的限制，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和側(cè)向運(yùn)動(dòng)是不可能發(fā)生的，側(cè)副韌帶構(gòu)成膝關(guān)節(jié)重要的橫向穩(wěn)定．側(cè)副韌帶分為內(nèi)側(cè)副韌帶和外側(cè)副韌帶．內(nèi)側(cè)副韌帶即脛側(cè)副韌帶與關(guān)節(jié)囊和內(nèi)側(cè)半月板緊密結(jié)合；側(cè)副韌帶即腓側(cè)副韌帶，與外側(cè)半月板不直接相連．

2）交叉韌帶．交叉韌帶又稱“十字韌帶”，位于關(guān)節(jié)正中位，且大部分都在髁間窩內(nèi)，分前交叉韌帶和后交叉韌帶．前交叉韌帶起于髁間隆起的前內(nèi)側(cè)和外側(cè)半月板前角的愈著部，斜向后上方外側(cè)，纖維呈扇形附著于股骨外側(cè)髁的內(nèi)側(cè)面．后交叉韌帶起于髁間隆起的后方，斜向前上方內(nèi)側(cè)，附著于股骨內(nèi)側(cè)髁的外側(cè)面．前后交叉韌帶在解剖和功能上彼此相似，形成2根鉸鏈，相對(duì)彼此移動(dòng)；前后交叉韌帶分別在伸直和屈曲時(shí)緊張，整體上對(duì)保證膝關(guān)節(jié)的前后、水平和旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性具有極其重要作用．

3）后關(guān)節(jié)囊韌帶復(fù)合體．包括內(nèi)側(cè)髁板、外側(cè)髁板，腘斜韌帶、腘弓狀韌帶，纖維健板．纖維腱板是由相關(guān)的肌腱、纖維構(gòu)成的后內(nèi)側(cè)角、后外側(cè)角、前外側(cè)角前內(nèi)側(cè)角4部分組成．

4）關(guān)節(jié)周圍肌群．包括股四頭肌和髂脛束、半膜肌、縫匠肌、股薄肌、半腱肌、腘肌、股二頭肌、腓腸肌等，是構(gòu)成膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定系統(tǒng)的重要組成部分．在大腦皮質(zhì)控制下做某個(gè)特定動(dòng)作時(shí)，這些相關(guān)肌群以一種完美同步的方式收縮[10]，并給予了只能被動(dòng)反應(yīng)的韌帶不可或缺的補(bǔ)助作用．

2 膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷的生物力學(xué)因素

正常的下肢軸線是確保關(guān)節(jié)載荷應(yīng)力合理分布，軸線若發(fā)生改變將導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)負(fù)荷紊亂[11]．下肢軸線的變化將引起膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的改變，當(dāng)運(yùn)動(dòng)中不當(dāng)?shù)姆椒ê蛣?dòng)作或是參與某種運(yùn)動(dòng)或完成某項(xiàng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在外力直接作用，膝關(guān)節(jié)重復(fù)作屈伸運(yùn)動(dòng)，或微屈狀態(tài)下作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，均有可能導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)相關(guān)結(jié)構(gòu)急性或慢性損傷．在各種不同運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目或體育鍛煉中，膝關(guān)節(jié)常常因下肢形態(tài)異常、超負(fù)荷運(yùn)動(dòng)、股四頭肌內(nèi)外側(cè)肌不均衡、膝關(guān)節(jié)周圍肌和韌帶過緊等生物力學(xué)因素的改變而引起膝關(guān)節(jié)損傷．

2.1 下肢形態(tài)異常

下肢形態(tài)異常如膝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻、過伸，脛骨異常內(nèi)外旋，扁平足或高足弓等，或者不正確的運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)和方法，均可使下肢力線異常偏移．可導(dǎo)致：1）髕骨運(yùn)動(dòng)軌跡可出現(xiàn)異常．膝關(guān)節(jié)作屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)使髕骨不規(guī)則地滑動(dòng)，髕骨向外側(cè)或向內(nèi)側(cè)偏移．可明顯增加髕骨與股骨間的應(yīng)力作用或髕骨與股骨間的摩擦力．如步行與跑步等重復(fù)性與周期性高的屈伸運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致髕骨與股骨之間的軟骨磨損，極易導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)的慢性損傷，出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)疼痛．2）膝關(guān)節(jié)內(nèi)外兩側(cè)關(guān)節(jié)面軟骨異常磨損．下肢力線異常偏移時(shí)，使重力負(fù)荷不均勻分布到膝關(guān)節(jié)的內(nèi)外側(cè)兩側(cè)．膝關(guān)節(jié)外翻或內(nèi)扣，“X”型腿，扁平足、外“八”足等時(shí)，下肢力線向外側(cè)偏移，膝關(guān)節(jié)外側(cè)關(guān)節(jié)軟骨應(yīng)力負(fù)荷加大，如經(jīng)長時(shí)間、反復(fù)持續(xù)屈伸運(yùn)動(dòng)，使其相應(yīng)軟骨磨損，則可能導(dǎo)致脛股外側(cè)骨關(guān)節(jié)炎；反之，膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻，“O”型腿，高足弓、內(nèi)“八”足等時(shí)，下肢力線向內(nèi)側(cè)偏移，膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)軟骨應(yīng)力負(fù)荷加大，如經(jīng)長時(shí)間、反復(fù)持續(xù)屈伸運(yùn)動(dòng)，使其相應(yīng)軟骨反復(fù)磨損，則可能導(dǎo)致脛股內(nèi)側(cè)骨關(guān)節(jié)炎．

下肢形態(tài)異常導(dǎo)致的力線偏移還可因髖關(guān)節(jié)外展和外旋肌群肌力不足所引起，在女性尤為突出．文獻(xiàn)[13]研究運(yùn)動(dòng)性膝關(guān)節(jié)痛中發(fā)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)外展與外旋骨骼肌的肌力女性比對(duì)照組減弱20%~35%．文獻(xiàn)[14]通過等速肌力測(cè)試，發(fā)現(xiàn)女性跑者膝痛患者的髖關(guān)節(jié)內(nèi)收和外展力量減弱并有失衡現(xiàn)象存在．由于髖外展和外旋的肌力不足，加之女性骨盆較男性更寬，導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)過度內(nèi)收及內(nèi)旋，從而增加膝關(guān)節(jié)的外旋和髕骨的外移活動(dòng)．這也進(jìn)一步佐證了女性髕股關(guān)節(jié)綜合征的發(fā)生率明顯高于男性．

2.2 膝關(guān)節(jié)超負(fù)荷運(yùn)動(dòng)或久坐不動(dòng)

膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷越大（過量和高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)），膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷發(fā)生率越高．有過膝關(guān)節(jié)外傷史和膝關(guān)節(jié)手術(shù)史的運(yùn)動(dòng)員，在傷后及術(shù)后半年到1年內(nèi)，常有膝關(guān)節(jié)疼痛的主訴，且往往是雙側(cè)或原先的健側(cè)．這可能與傷后或術(shù)后健側(cè)體重負(fù)荷和運(yùn)動(dòng)負(fù)荷加大密切相關(guān)．美國權(quán)威期刊《骨科與運(yùn)動(dòng)物理治療》在2017年6月公布的報(bào)告中的數(shù)據(jù)說明：競技跑者的關(guān)節(jié)炎發(fā)生率13.3%，久坐不動(dòng)人群的關(guān)節(jié)炎發(fā)生率10.2%，健身跑者的關(guān)節(jié)炎發(fā)生率是3.5%．更有研究報(bào)道，長年（10年，15年，甚至更久）的健身跑步對(duì)膝關(guān)節(jié)的健康有好處，而過量和高強(qiáng)度的跑步者以及久坐不動(dòng)者引發(fā)關(guān)節(jié)炎的風(fēng)險(xiǎn)增高．這是由于：1）健跑者的適量運(yùn)動(dòng)，膝關(guān)節(jié)的軟骨能被重復(fù)壓縮和釋放，便于關(guān)節(jié)滑液在關(guān)節(jié)內(nèi)到處流動(dòng)，起到潤滑和營養(yǎng)作用；2）長期超負(fù)荷運(yùn)動(dòng)者，膝關(guān)節(jié)的軟骨來不及修復(fù)，積勞成疾，可導(dǎo)致局灶性的軟骨軟化、破裂．軟骨無法得到修復(fù)，引起關(guān)節(jié)退變，易誘發(fā)膝關(guān)節(jié)炎；3）長期不運(yùn)動(dòng)者，膝關(guān)節(jié)周圍的骨骼肌也會(huì)日漸萎縮，膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性下降，損傷的幾率將大大增加．

2.3 股四頭肌內(nèi)外側(cè)肌不均衡

股四頭肌為膝關(guān)節(jié)唯一的伸肌．股四頭肌包括股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌、股中間肌和股直肌4個(gè)頭，除股直肌有伸膝屈髖作用外，其余3個(gè)為單關(guān)節(jié)伸肌，共同產(chǎn)生一個(gè)沿大腿長軸向上的合力，即伸膝力．股內(nèi)側(cè)肌和股外側(cè)肌還會(huì)產(chǎn)生側(cè)向分力，即股內(nèi)側(cè)肌的斜行纖維產(chǎn)生使髕骨向內(nèi)移動(dòng)力，而股外側(cè)肌與闊筋膜張肌（髂脛束）則產(chǎn)生使髕骨向外運(yùn)動(dòng)的力，共同防止髕骨向外或向內(nèi)“滑脫”．Mohr KJ等[15]應(yīng)用肌電圖（EMG）測(cè)試股內(nèi)側(cè)肌與股外側(cè)肌在屈伸時(shí)的收縮順序后發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)膝痛患者的股內(nèi)側(cè)肌收縮速度慢于對(duì)照組，且肌力也較弱．這樣由于患者在伸膝時(shí)股內(nèi)側(cè)肌收縮時(shí)間延遲可導(dǎo)致髕骨的外移[16]．Ekrem A等[17]研究報(bào)道，在對(duì)傷膝患者進(jìn)行了6W的股四頭肌等速力量訓(xùn)練后，患者膝痛明顯下降，且EMG測(cè)試顯示股內(nèi)側(cè)肌的激活延遲得到改善，從而減少髕骨向外偏移．研究提示加強(qiáng)股四頭肌特別是股內(nèi)側(cè)肌的力量訓(xùn)練對(duì)于膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定具有重要意義．

2.4 膝關(guān)節(jié)周圍骨骼肌及韌帶過緊

膝關(guān)節(jié)周圍骨骼肌及韌帶過緊可引起膝關(guān)節(jié)內(nèi)壓力增加，可導(dǎo)致髕骨向外偏移，膝關(guān)節(jié)在作屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)，增加了髕股關(guān)節(jié)面的壓力負(fù)荷．Witvrouw E等[18]研究認(rèn)為股四頭肌柔韌性不足導(dǎo)致股四頭肌腱、髕腱以及周圍軟組織過緊而致髕股間壓力增高．Piva SR等[19]研究認(rèn)為腿部后群肌過緊、柔韌性差，可使股四頭肌必須克服更大的阻力來完成伸膝運(yùn)作，故髕股間的壓力也會(huì)相應(yīng)的增加很多．此外，研究還發(fā)現(xiàn)小腿三頭肌柔韌性下降或膝關(guān)節(jié)屈曲攣縮[20]時(shí)，在阻抗伸膝增加髕股間壓力的同時(shí)，也可能引起下肢力線異常等改變．Puniello MS[21]認(rèn)為髂脛束及膝關(guān)節(jié)外側(cè)韌帶過緊可能會(huì)引起跑者膝關(guān)節(jié)痛． Panagiotopoulos E等[22]報(bào)道髕骨內(nèi)側(cè)的穩(wěn)定性50%來自于內(nèi)側(cè)髕股間韌帶，而髕骨外側(cè)的穩(wěn)定性主要來源外側(cè)韌帶及髂脛束．若外側(cè)韌帶及髂脛束過緊可導(dǎo)致髕骨穩(wěn)定性下降，髕骨可出現(xiàn)異常偏移運(yùn)動(dòng)，增加膝關(guān)節(jié)相關(guān)結(jié)構(gòu)損傷幾率．上述學(xué)者的臨床研究涉及配布到膝關(guān)節(jié)周圍骨骼肌及韌帶生物力學(xué)特征的改變，能更好地詮釋與支持運(yùn)動(dòng)前柔韌訓(xùn)練和加強(qiáng)骨骼肌的牽拉刺激為什么如此重要的觀點(diǎn)．

3 膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷的生物力學(xué)特征分析

重復(fù)性的超負(fù)荷屈膝運(yùn)動(dòng)和過度轉(zhuǎn)膝動(dòng)作，都有可能導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)損傷．各種運(yùn)動(dòng)因不同的足著地方式、屈膝角度和轉(zhuǎn)膝程度，膝關(guān)節(jié)承受來自地面的沖擊力、關(guān)節(jié)周圍骨骼肌活動(dòng)以及不同軸向的關(guān)節(jié)應(yīng)力[23]等生物力學(xué)特征的改變，在時(shí)間和量的累積和疊加效應(yīng)后，可導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)的慢性損傷．Daoud AI等[24]認(rèn)為，采取后足著地方式的跑者比采取前足著地方式的跑者更易發(fā)生運(yùn)動(dòng)損傷．胡浩宇等[25]認(rèn)為，不同的足著地方式與膝關(guān)節(jié)損傷并沒有顯著性差異，跑步足著地方式只是不同跑者的習(xí)慣而已．在跑步中足著地的方式和性別之間以及足著地的方式和跑速之間存在差異，在不同性別中，男性跑者更傾向于前足著地，而女性跑者更多的是后足跟著地．Kasmer[26]通過在比賽途中安裝攝像頭觀察運(yùn)動(dòng)員跑步中足著地的方式顯示，前足著地時(shí)跑步的速度較其他方式快，但是大部分運(yùn)動(dòng)員采用全足著地的方式．目前，眾多研究文獻(xiàn)資料也不能證明，不同的足著地方式對(duì)膝關(guān)節(jié)損傷存在明顯差異．但在不同類型的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中，因不同的運(yùn)動(dòng)方法和動(dòng)作要求而采取不同足著地方式、不同屈膝度和轉(zhuǎn)膝程度，若長時(shí)間、反復(fù)持續(xù)性的改變了膝關(guān)節(jié)縱向和/或橫向生物力學(xué)，將對(duì)膝關(guān)節(jié)損傷產(chǎn)生不同的影響．

3.1 地面沖擊力

在大多數(shù)情況下，步行和跑步先是以后足外側(cè)下部著地，隨著重心向前推移，與地面支撐瞬間轉(zhuǎn)至前中足，足后跟同時(shí)向內(nèi)側(cè)傾倒，在離地時(shí)向上翻轉(zhuǎn)．后足著地的方式，其行程過程中產(chǎn)生2個(gè)地面反作用的沖擊力．而較快速的跑步或步行是以前足著地方式，即前足內(nèi)側(cè)下部著地（常常是第1-2近節(jié)趾骨與第1-2跖骨結(jié)合處），只在初始觸地即刻產(chǎn)生1個(gè)地面反作用的沖擊力．這些地面反作用的沖擊力在瞬間依次傳導(dǎo)至足踝、小腿、膝部等處，被相關(guān)骨骼及其他軟組織吸收消化，且不斷衰減．一直以來，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為前足和中足著地方式時(shí)產(chǎn)生的垂直地面的反作用沖擊力比后足著地方式時(shí)產(chǎn)生的要小．Mercer JA等[27]認(rèn)為，較高程度的后足著地方式的地面沖擊力比小程度的后足著地方式要大80%．因此，地面沖擊力被認(rèn)為是膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)性損傷的重要原因之一．

3.2 骨骼肌活動(dòng)

骨骼肌活動(dòng)因不同的足著地方式或重心的移動(dòng)而發(fā)生改變．膝關(guān)節(jié)周圍的骨骼肌不僅是產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，還可增加關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性和減少關(guān)節(jié)的載荷[28-29]，髖部骨骼肌可增加骨盆穩(wěn)定和限制膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)力矢量力臂[29-30]，而膝關(guān)節(jié)損傷患者的骨骼肌力量明顯會(huì)影響到膝關(guān)節(jié)功能與步態(tài)[31]．足著地方式會(huì)影響骨骼肌的活性，肌力與地面反作用沖擊力密切相關(guān)[32]．后足著地方式跑步時(shí)，屈髖肌活動(dòng)的增加可減少負(fù)荷載率；前足著地方式會(huì)較多使用腓腸肌內(nèi)外側(cè)頭，而后足著地方式會(huì)較多使用脛骨前肌和腘繩肌外側(cè)肌[33]．不同足著地方式所引起的骨骼肌活動(dòng)可能與膝關(guān)節(jié)的軸線角以及后足角度、足偏角等差異有關(guān)．一些需要轉(zhuǎn)體的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，屈膝和轉(zhuǎn)膝狀態(tài)下重心發(fā)生移動(dòng)，為保證膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性和靈活性，膝關(guān)節(jié)周圍骨骼肌活動(dòng)發(fā)揮著極其重要作用，同時(shí)，膝關(guān)節(jié)相關(guān)的軸線角或關(guān)節(jié)間隙角以及關(guān)節(jié)內(nèi)外受力等也相應(yīng)地因骨骼肌活動(dòng)而發(fā)生變化．

3.3 不同軸向的關(guān)節(jié)應(yīng)力

不同足著地方式，步長、步幅、步頻、關(guān)節(jié)角或軸線角都不盡相同．有研究[34-35]認(rèn)為,前足著地較后足著地的跑者，步頻更快、步長更短，與地面接觸時(shí)間更短．后足著地跑者通過著地時(shí)更大程度地屈膝來使步長縮短，使步頻變快，與地面接觸時(shí)間縮短．后足著地方式較前足著地方式的屈膝角度要大．姚杰等[36]認(rèn)為屈膝角度達(dá)到最大時(shí)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中．王俊然等[37]研究發(fā)現(xiàn)，隨著屈膝角度的增大，脛股關(guān)節(jié)軟骨和半月板的接觸應(yīng)力也逐漸增加，在0°~60°屈膝運(yùn)動(dòng)中，內(nèi)側(cè)半月板的接觸應(yīng)力始終大于外側(cè)半月板的接觸應(yīng)力．因此，過度屈膝或抬膝越高的動(dòng)作，膝關(guān)節(jié)所受到的縱向應(yīng)力就越大．此外，膝過度外翻或內(nèi)翻，導(dǎo)致關(guān)節(jié)軸線和關(guān)節(jié)間隙角度等改變，除增加縱向應(yīng)力還會(huì)相應(yīng)地增加橫向應(yīng)力，特別是一些需要轉(zhuǎn)體動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，在重力負(fù)荷的作用下，尤其在較大屈膝狀態(tài)下，膝關(guān)節(jié)要承受較大（往往幾個(gè)）重力負(fù)荷，此時(shí)的重力負(fù)荷將分解成為不同軸向上的關(guān)節(jié)應(yīng)力．而且隨著轉(zhuǎn)體運(yùn)動(dòng)進(jìn)程，膝關(guān)節(jié)各關(guān)節(jié)面之間（包括股骨內(nèi)外側(cè)關(guān)節(jié)面與半月板之間）的接觸面大小也發(fā)生改變，從而改變關(guān)節(jié)應(yīng)力的分布，在某些接觸面（區(qū)）所承受的扭轉(zhuǎn)碾壓應(yīng)力將隨屈膝角度和轉(zhuǎn)膝程度的加大而增大．劉婷等[38]認(rèn)為異常的膝關(guān)節(jié)內(nèi)外旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)會(huì)減少關(guān)節(jié)吸收沖擊和分散接觸應(yīng)力，改變應(yīng)力分布狀況，往往導(dǎo)致載荷轉(zhuǎn)移到通常不承力的軟骨區(qū)域，造成軟骨磨損．

4 結(jié) 語

本文認(rèn)為：1）各類運(yùn)動(dòng)應(yīng)遵循膝關(guān)節(jié)的功能解剖及其運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)特征，確保膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定和下肢力線正常，使膝關(guān)節(jié)適度的屈伸或輕微的旋轉(zhuǎn)；2）不同的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，因不同程度的屈膝、轉(zhuǎn)膝動(dòng)作，膝關(guān)節(jié)周圍骨骼肌活動(dòng)方式也不盡相同，對(duì)膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特征有著不一樣的影響．由于膝關(guān)節(jié)相關(guān)軸線、軸線角、關(guān)節(jié)形態(tài)等存在個(gè)體差異以及自身運(yùn)動(dòng)方法和動(dòng)作習(xí)慣的不同，不論是哪種運(yùn)動(dòng)，膝關(guān)節(jié)承受來自地面的沖擊力，還是因屈膝或轉(zhuǎn)膝動(dòng)作受到的關(guān)節(jié)軸向應(yīng)力都不盡相同；3）運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)最大限度地減少對(duì)膝關(guān)節(jié)的沖擊力和不同軸向上的有效應(yīng)力．地面沖擊力經(jīng)下肢關(guān)節(jié)鏈及相關(guān)軟組織吸收（類似彈簧減震效應(yīng)）而呈遞減傳導(dǎo)至膝部，在這種沖擊力的緩沖過程中，足部和小腿部的骨骼肌、筋膜等組織起到非常重要的作用；在各個(gè)不同軸向上最終作用到膝關(guān)節(jié)的有效應(yīng)力才真正發(fā)揮著關(guān)鍵性作用．因此，加強(qiáng)核心肌群的力量練習(xí)，增強(qiáng)膝關(guān)節(jié)周圍骨骼肌的力量，加強(qiáng)柔韌性和靈活性的訓(xùn)練，提高膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性，有效地增加下肢骨關(guān)節(jié)鏈的剛度系數(shù)[39]，從而改善膝關(guān)節(jié)的拉伸彈性和旋轉(zhuǎn)彈性，并積極做好運(yùn)動(dòng)前的拉伸等熱身準(zhǔn)備，合理地運(yùn)用規(guī)范的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作以及運(yùn)動(dòng)后的牽拉等，是膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷防控的最有效手段．

[1] 五沛珣，戴劍松．跑者膝的病因機(jī)制及治療現(xiàn)狀研究綜述[J]．吉林體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，34（3）：73-77．

[2] 張躍聹．體育院校羽毛球?qū)＿x生運(yùn)動(dòng)損傷的調(diào)查研究[J]．運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)，2019，9（6）：9-10．

[3] 王堯．高校羽毛球教學(xué)中運(yùn)動(dòng)損傷的原因和預(yù)防策略探究[J]．學(xué)校體育學(xué)，2018，8（18）：131，133．

[4] 李俊，張波．羽毛球運(yùn)動(dòng)中的膝關(guān)節(jié)損傷[J]．體育科技文獻(xiàn)通報(bào)，2019，27（2）：155-156．

[5] 王帥，董偉平，郭惠杰．解剖學(xué)視角下的男子大學(xué)生籃球運(yùn)動(dòng)損傷的特征研究[J]．綿陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，37（5）：123-127．

[6] 馬蕭．西北師范大學(xué)男籃運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)損傷成因及預(yù)防措施研究[J]．體育世界（學(xué)術(shù)版），2019（1）：99-100．

[7] 吳海琴．足球運(yùn)動(dòng)中膝關(guān)節(jié)安全防護(hù)與損傷護(hù)理[J]．運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)，2018，8（18）：19，21．

[8] 王媛，汪鑫．太極拳練習(xí)者膝蓋疼痛現(xiàn)象及康復(fù)療法研究[J]．中華武術(shù)研究，2017，6（10）22-24，26．

[9] 曾文決．太極拳運(yùn)動(dòng)與膝關(guān)節(jié)疼痛問題研究[J]．運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)，2015，5（31）：18-19，21．

[10] KAPANDJI A I．骨關(guān)節(jié)功能解剖學(xué)（第6版）[M]．顧冬云，戴尅戎，譯．北京：人民軍醫(yī)出版社，2011：66-155．

[11] 焦嫣，張丹，李高陽，等．膝脛股關(guān)節(jié)軟骨損傷與關(guān)節(jié)軸線角相關(guān)性研究[J]．CT理論與應(yīng)用研究，2019，28（1）：53-60．

[12] 王清玉，王佳佳，李良華，等．膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎不同分期與膝關(guān)節(jié)軸線角的相關(guān)性分析[J]．中國中醫(yī)骨傷科雜志，2016，24（11）：24-29．

[13] Nakagawa T H, Baldon Rde M, Muniz T B, et al. Relationship among eccentric hip and knee torques, symptom severity and functional capacity in females with patelloofemoral pain syndrome[J]., 2011，12（3）：133-139．

[14] 方健輝，李國新，張文，等．女性髕股關(guān)節(jié)疼痛綜合征患者髖關(guān)節(jié)等速肌力測(cè)試分析[J]．中國運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)雜志，2013，32（12）：1112-1113．

[15] Mohr K J, Kvitne R S, Pink M M. Electromyography of the quadriceps in patellofemoral pain syndrome with patellar sublux subluxation[J]., 2003（415）：261-271．

[16] Crossley KM, Cowan SM. Altered hip and trunk muscle function in individuals with patellofemoral pain[J].2009，43（8）：584-588．

[17] Ekrem A, Ali S. The effect of isokinetic exercise on symptoms, functional status and EMG activation onset time of the vastus medials oblique and vastus laterals in female patients with patellofemoral pain syndrome[J]., 2010（18）：157-161．

[18] Witvrouw E, Lysens R, Bellemans J. Intrinsic risk factors for the development of anterior knee pain in an athletic population: A two-year prospective study[J]. Am J Sports Med, 2000，28（4）：480-489．

[19] Piva S R, Goodnite E A, Childs J D. Strength around the hip and flexibility of soft tissues in individuals with and without patellofemoral pain syndrome[J]., 2005，35（12）：793-801．

[20] 蔣雷生．膝關(guān)節(jié)屈曲攣縮對(duì)下肢力線影響的研究及其臨床意義[J]．中國臨床解剖學(xué)雜志，2003，21（3）：235-237．

[21] Puniello M S. Iliotibial band tightness and medial patellar glide in patients with petellofemoral dysfunction[J].1993，17（3）：144-148．

[22] Panagiotopoulos E, Strzelczyk P, Herrmann M, et al. Cadveric study on static medial patellar stabilizers:the dynamizing role of the vastus medialia obliquus on medial patellofemoral ligament[J].,, 2006，14（1）：7-12．

[23] 趙瀅，陸阿明．跑步足著地方式與下肢損傷關(guān)系的研究進(jìn)展[J]．山東體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，34（6）：99-104．

[24] Daoud A I, Geissler G J, Wang F, et al. Foot Strike and Injury Rates in Endurance Runners: A Retrospective Study[J]., 2012，44（7）：1325-1334．

[25] 胡浩宇，鄭依莉，王雪強(qiáng)，等．上海國際馬拉松跑者膝關(guān)節(jié)損傷情況及其影響因素分析[J]．中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志，2019，34（3）：297-302．

[26] Kasmer M E, Liu X C, Roberts K G, et al. Foot-strike pattern and performance in a Marathon[J]., 2013，8（3）：286-292．

[27] Mercer JA, Horsch S. Heel-toe running: A new look at the influence of foot strike pattern on impact force[J]., 2015，13（1）：29-34．

[28] Bennell K L, Hunt M A, Wrigley T V, et al．Role of muscle in the genesis and management of knee osteoarthritis[J]．，2013，39（1）：145．

[29] Mundermann A, Dyrby C O, Andriacchi T P. Secondary gait changes in patients with medial compartment knee osteoarthritis: increased load at the ankle，knee，and hip during walking[J]. Arthritis ＆ Rheumatology, 2005，52（9）：2835-2844．

[30] Chang S H, Mercer V S, Giuliani C A, et al．Relationship between hip abductor rate of force development and mediolateral stability in older adults[J].,2005，86（9）：1843-1850．

[31] Park S K, Kobsar D, Ferber R. Relationship between lower limb muscle strength, selfreported pain and function，and frontal plane gait inematics in knee osteoarthritis[J].，2016，38：68-74．

[32] Hamner S R, Seth A, Delp S L. Muscle contributions to propulsion and support during running[J].,2010，43（14）：2709．

[33] Schmitz A, Pohl M B, Woods K, Noehren B. Variables during swing associated with decreased impact peak and loading rate in running[J]., 2014，47（1）：32．

[34] De WB, De CD, Aerts P. Biomechanical analysis of the stance phase during barefoot and shod running[J]., 2000，33（3）：269．

[35] Shih Y, Lin K L, Shiang T Y. Is the foot striking pattern more important than barefoof or shod conditions in running?[J]. G, 2013，38（3）：490-494．

[36] 姚杰，牛文鑫，王旸，等．跳傘著陸過程中膝關(guān)節(jié)損傷的有限元研究[J]．醫(yī)用生物力學(xué)，2010，25（4）：244-248．

[37] 王俊然，杜瑋瑾，王長江，等．有限元分析不同屈曲狀態(tài)下脛-股關(guān)節(jié)的生物力學(xué)變化[J]．中國組織工程研究，2018，22（31）：4975-4981．

[38] 劉婷，甘云，劉杰民，等．具備內(nèi)外旋自由度的雙側(cè)減壓輔具對(duì)膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的影響[J]．醫(yī)用生物力學(xué)，2016，31（5）：443-448．

[39] 王德會(huì)，方菲．整體彈性關(guān)節(jié)剛度系數(shù)的計(jì)算[J]．機(jī)械工程與自動(dòng)化，2012，171（2）：168-169．

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

羅濱，男，江西吉安人，碩士，教授，研究方向：臨床應(yīng)用解剖學(xué)、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)．

R873

A

1672-0318（2020）03-0035-07

10.13899/j.cnki.szptxb.2020.03.006