第 41 章：膝关节骨与不可收缩成分的结构与功能（Structure and Function of the Bones and Noncontractile Elements of the Knee）
41.1 膝关节的骨性结构（Bones of the Knee Joint）
膝关节由股骨远端、胫骨近端和髌骨三块骨组成；本章逐一介绍这三块骨影响膝关节力学特征的结构要素，以及虽不直接参与关节力学但有肌肉附着的腓骨近端。股骨干横截面可见前、内、外三个面，后方由粗线（linea aspera）分隔内侧与外侧面，粗线是股四头肌的主要起点，并向远端分叉为内、外侧髁上线，围出腘肌附着的腘面。股骨干远端在前-后方向变扁，并向内外侧增宽形成内、外侧髁上线，终止于膨大的股骨远端，提供膝关节的关节面。
股骨远端由两个相互延续的髁组成，前方相互连续，后方以髁间窝（intercondylar notch）分隔。内、外髁的前部共同构成与髌骨相关节的髌面，该髌面虽然在解剖上与胫股关节面相延续，但通过一道极浅的内-外沟与胫股关节面相区分。髌面在内-外方向凹陷并有一条沿中线的纵向沟，在上-下方向凸起。外侧髁的前表面较内侧髁向前突出更多，形成一道阻挡髌骨向外侧脱位的支撑结构[191]。两髁在远端和后方通过髁间窝分隔，髁间窝的内、外侧壁分别提供后交叉韧带（PCL）和前交叉韧带（ACL）的附着点。两髁的关节面形状彼此差异显著，这一差异有助于解释胫股关节的复杂运动。
内侧髁：内侧髁向远端突出的距离比外侧髁远，但在正常膝关节中两髁处于同一水平面，因此股骨干与垂直方向形成轻度倾斜角。内侧髁的近端表面有内收肌结节（adductor tubercle），是大收肌的附着点和重要的触诊标志；其内侧顶点的内侧上髁易于触诊。内侧髁的胫股关节面在横截面呈轻度弧形，仿佛绕外侧髁所在圆弧排列；其前后方向的尺寸比外侧髁大。内侧髁虽前后方向凸起，但其曲率可变——最远端最平坦，向后侧逐渐变弯[44,81,86,146,191]。髌面的曲率也大于远端面。曲率半径（radius of curvature，参见第 7 章）反映表面曲率：平面对应大圆与大曲率半径，弯面对应小圆与小曲率半径。内侧髁曲率半径在远端最大、后侧较小（图 41.4）。
外侧髁：外侧髁的胫骨关节面比内侧髁更靠近矢状面向后突出，与内侧髁类似，其表面曲率可变，远端最平。外侧髁远端比内侧髁更平，因此具有更大的曲率半径[132]。在额状面内两髁均轻度凸出，但外侧髁比内侧髁更平。外侧髁的外侧面形成显著的突起——外侧上髁，是重要的触诊标志。膝关节屈伸运动的轴线大致穿过内、外侧上髁[33,179]。
胫骨近端：胫骨是人体第二长骨，仅次于股骨，特征是膨大的近端，由被非关节性髁间区分隔的内、外侧髁（平台）组成（图 41.5）。髁间区粗糙，包含髁间棘以及棘前、后的光滑面；内、外侧髁间结节（棘）从髁间棘向近端突出。髁间区为内、外侧半月板和 ACL、PCL 提供附着。胫骨近端前面有胫骨粗隆，仅被皮肤和髌下滑囊覆盖，易于触诊；外侧胫骨平台远端、胫骨粗隆外侧另有一结节，即胫骨外侧髁结节（Gerdy 结节）。外侧髁的下表面有面向外、远并略偏后的腓骨头关节面。
胫骨平台关节面：胫骨近端对股骨髁的关节面位于内、外侧平台。胫骨近端关节面明显小于股骨侧关节面；此外内侧胫骨平台的关节面比外侧平台大，从而降低内侧平台承受的应力——直立姿势下内侧平台所承受的力大于外侧[12,148]。胫骨内侧关节面轻度凹陷，但曲率半径很大，表明其相对平坦[187,195]。外侧关节面的形状更多变：在内-外方向凹陷，与股骨类似，外侧胫骨平台比内侧平台更平。虽有作者报道外侧关节面在前-后方向亦呈凹陷[191]，但尸体膝的直接测量显示其在大部分前-后表面实际上呈平坦甚至轻度凸起[12,50,187,195]。因此胫骨内、外侧关节面彼此不同，也与对应的股骨关节面不同。这些差异影响胫股关节的载荷分布模式，虽由介于其间的半月板部分调节，但残余差异仍影响胫股关节的运动。
41.1.1 关节面形状对胫股关节运动的影响（Effects of the Shapes of the Articular Surfaces on Tibiofemoral Joint Motion）
有三个因素影响胫股关节运动：股骨髁与胫骨髁关节面尺寸的差异、股骨内、外侧髁关节面的尺寸差异，以及所有关节面前后方向曲率的变化。
胫骨与股骨表面的差异：由于股骨侧关节面多于胫骨侧，因此不可能发生纯滚动。纯滚动要求两侧关节面尺寸相等，每一侧上每一点对应另一侧上唯一一点（参见第 7 章 图 7.3）。若膝屈曲时股骨在胫骨上纯滚动，股骨将从胫骨表面"滚落"（图 41.6）。屈曲过程中，股骨与胫骨的接触点向后迁移，表明伴随一定量的滚动[49,170,192,195]。然而两侧关节面的尺寸差异决定了膝屈曲时股骨除滚动外还须进行额外的运动；反之，在伸直过程中接触点向前迁移，但股骨进入伸直时仍呈现额外运动。
股骨内、外侧髁尺寸的差异：由于外侧股骨髁的胫骨关节面比内侧髁短，单纯的屈伸运动无法使用内侧髁全部关节面；只有增加横面与额面的额外运动才能充分使用内侧髁关节面。
所有胫股关节面曲率的可变性：各关节面前后方向形状的可变性提示胫骨与股骨之间的相对运动取决于实际接触的髁部区域。因此，膝关节的相对运动是其位置的函数，胫骨与股骨关节面的形状直接影响胫股关节的相对运动[19]。韧带支持也影响胫股关节的运动，这部分将在后文讨论。
41.1.2 胫股关节运动（Tibiofemoral Motion）
胫股关节面复杂的形状与不吻合性导致股骨与胫骨在屈伸过程中呈现复杂的三维运动。经典的胫股运动观基于二维分析：膝屈曲起始于股骨的外旋，并伴随股骨向后滚动和胫骨向前滑移达 2 cm[49]。
较新的三维分析证实了胫股屈伸运动的三维特性，并给出了更精确的额面与横面运动测量[33,72,81,193]。这些研究表明：膝屈曲时股骨相对胫骨外旋，从完全伸直到至少 90° 屈曲期间外旋约 20°（图 41.7）。此外，膝屈曲时股骨相对胫骨外展，但幅度小得多，约 5°[134,162]。从屈曲位伸直时运动方向相反：向前滚动、内旋和内收。股骨髁的平移也伴随屈伸运动：屈曲时外侧股骨髁向后平移[38,134,162]；内侧髁的平移了解较少，似乎小于外侧髁。
传统的屈伸期股骨或胫骨平移观基于所谓凹-凸规则（concave-convex rule）：股骨凸面在胫骨凹面上滚动，将向一个方向滚动并向相反方向滑移（平移）。应用于膝，即屈曲时股骨髁向后滚动并向前平移。现有数据明确反驳了这一观点。三维成像研究一致显示屈曲时外侧股骨髁发生显著的后向平移。关于内侧股骨髁的平移，部分报道极小[38]、部分报道向前[162]、部分报道向后[68,134]。外侧股骨髁的部分后向平移可能反映外旋，但也可能包含独立的髁部后向平移。研究还显示胫骨上接触点（尤其在外侧平台）在屈曲时向后迁移[38]。
膝运动的混乱认识很可能源于 20 世纪大部分时间所依赖的二维影像，以及将股骨旋转误读为平移。无论误解来源如何，21 世纪对膝运动的理解承认其复杂的三维特性：主要由屈伸组成，伴明显纵轴旋转、轻度额面运动和极轻微的（主要是向后）平移。内、外旋的时序也仍有争议：传统的"仅在屈曲起始或伸直末端旋转"观点已被反驳，但部分研究者提出屈曲起始（或伸直末端）有初始旋转，然后直到至少 45° 屈曲前不旋转；另有研究提出旋转平滑地贯穿至少前 90° 的屈曲[193]。
螺旋锁机制（screw home mechanism）：描述膝完全伸直时股骨最终的内旋。这一现象究竟是独立的股骨运动还是贯穿全范围旋转运动的延续尚未解决。
尽管存在争议，屈伸期胫股运动呈现以下特征性成分： - 屈曲时股骨滚入屈曲位，并相对胫骨外旋；反之，股骨滚入伸直位时内旋； - 屈曲时股-�骨接触点在胫骨上向后迁移，伸直时向前迁移； - 屈伸的某些阶段中，胫骨与股骨之间存在一定的前-后平移，尽管幅度可能较小。
至此本章将膝屈伸描述为股骨相对胫骨的运动。此种运动发生在坐入或起立时，足固定于地面，大腿相对小腿运动——称为闭链运动（closed chain activity）。然而在步态摆动期，小腿运动多于大腿，此时胫骨相对股骨运动——称为开链运动（open chain activity），特征是足可在空间中自由运动。无论大腿运动于小腿还是相反，股骨与胫骨之间的相对运动在膝屈伸时保持一致（表 41.1）。
从以上对胫股关节运动的描述可见，膝并非纯铰链关节。它允许围绕三轴（内-外、前-后、纵轴）的显著运动，虽然围绕内-外轴的运动远超另外两轴，但所有三轴运动都在胫股关节功能中起重要作用。此外，胫股关节允许沿三轴的平移；前-后滑移由交叉韧带限制已被充分描述，但理论上仍存在少量的内外平移和沿长轴的轻度牵开[134,162]。因此胫股关节是一个具有六自由度（6 DOF）的关节，允许围绕三轴的旋转和沿三轴的平移（图 41.8）。
41.1.3 髌骨（Patella）
髌骨是人体最大的籽骨，嵌入股四头肌肌腱内。髌骨呈三角形，尖端指向远端（图 41.9）。仅其后表面为关节面，呈卵圆形，中央有一从近到远的纵嵴，将该关节面分为较小的内侧面和较大的外侧面，分别与股骨内、外侧髁相关节。髌骨内侧面的内缘另有一面，称为奇面（odd facet）或边缘面。后表面的嵴在股骨远端前表面的对应沟（滑车沟）内滑移。
虽然髌骨可在膝屈曲时保护股四头肌腱免受股骨的过度摩擦，但其主要功能是增加股四头肌腱的作用角度，从而延长其力臂。估计髌骨切除将导致膝伸直位股四头肌力臂减少 33% 至近 70%[88,186]。
41.1.4 腓骨近端（Proximal Fibula）
腓骨不直接参与膝关节功能，但有影响膝的肌肉附着于其上，故在此介绍其近端。腓骨近端略膨大，由头和较细的颈组成；头部内侧面有关节面与胫骨对应关节面相关节。近端终止于称为茎突（styloid process）的突起；头部和茎突均可于膝外侧远端触及。
41.1.5 膝关节可触及的骨性标志（Palpable Landmarks of the Knee）
全面检查膝关节在很大程度上依赖于临床医生触诊并识别膝的各组成部分。与多数关节不同，膝的许多结缔组织结构除重要的骨性标志外也可直接触及。可触及的相关结构包括： - 股骨内侧上髁 - 股骨内收肌结节 - 股骨外侧上髁 - 胫骨平台 - 胫骨粗隆 - 胫骨外侧髁结节 - 髌骨边界 - 髌骨尖 - 腓骨头 - 半月板前缘 - 内侧副韧带（MCL） - 外侧副韧带（LCL）
41.2 膝的关节结构（Articular Structures of the Knee）
膝关节复合体由胫股关节和髌股关节组成。近端胫腓关节对膝有间接作用，因其吸收足与踝的运动，本章将在足踝部分详述。尽管胫股关节常被描述为铰链关节，更准确地说它是铰链与枢轴关节的组合，有时称为改良铰链关节[156]。髌股关节是滑动关节。胫股关节与髌股关节共享同一支持结构，但也展现各自独特的特征和运动。以下描述关节软骨、半月板和整个膝关节复合体的非收缩性支持结构的功能相关特征。
41.2.1 骨小梁与关节软骨的组织（Organization of the Trabecular Bone and Articular Cartilage Found in the Knee）
与髋关节骨面类似，膝相关骨的架构似乎遵循 Wolff 定律[64,65,79,86,122]。股骨远端、胫骨近端和髌骨的骨小梁组织与各骨所受的力和应力相关。各骨所观察到的组织提示这些骨按所受力发育，每一骨都专门用于承受巨大载荷。
膝关节还拥有全身最厚的关节软骨，甚至比髋关节的更厚（图 41.11）[1]。据报告髌面和胫骨面的平均厚度在 2 至 3 mm 之间，远端股骨略小[12,107]；髌面和胫骨面的峰值厚度报告约 6 mm。如此厚的关节软骨进一步证明这些关节承受巨大载荷；厚软骨也允许关节面显著变形。前节已述股骨与胫骨关节面的不吻合性；髌骨在上-下方向的曲率大于股骨髌面。厚的髌骨和胫骨关节软骨的可压缩性有助于改善髌股关节和胫股关节关节面的吻合[67,143]；吻合改善增大了接触面积，从而降低关节面上的应力（force/area）。膝另有专门用于减少胫股关节应力的结构——半月板。
41.2.2 半月板（Menisci）
结构：两块半月板是位于内、外侧胫骨平台上的纤维软骨盘[63]。内侧半月板直径大于外侧半月板，与较大的内侧胫骨平台一致（图 41.12）。半月板覆盖胫骨平台超过 50% 的区域，外侧半月板覆盖率高于内侧半月板[12,51]。因此内侧关节间室中股骨与胫骨之间有更多的直接接触，外侧间室中较少。
从上方观察，每块半月板构成圆的一部分：内侧半月板约完成半圆，而外侧半月板几乎完成一个整圆。每块半月板弧的两端称为前极和后极（角）。外侧半月板的两极相互靠近，内侧半月板的两极相距较远。在额面观察，每块半月板呈楔形，外周厚、中央薄，为股骨髁提供凹形面（图 41.13）。
半月板虽常被描述为"垫圈"，但其牢固附着于胫骨平台。韧带将两块半月板在其前、后角处与胫骨相连。另外，每块半月板通过冠状韧带与关节囊和胫骨周缘相连。内侧半月板附着更牢固，且与 MCL 相连。相反，外侧半月板不与 LCL 相连，而是附着于腘肌肌腱，腘肌可在膝屈曲时将半月板向后拉[23,119]。内侧半月板的低活动度可能部分解释为何它比外侧半月板更易受伤[63]。
半月板的血供来自滑液扩散及半月板角部和外周 1/4 至 1/3 的血供[56]。因此位于外周的损伤可愈合甚至再生半月板样组织；半月板外周似乎有感觉神经支配，可延伸至盘的中心部分[11,119]，主要为本体感觉。
半月板的功能：半月板被赋予多种功能，包括减震[96,184]、关节润滑和稳定[105,119,137,139]。然而半月板的主要功能是增大股骨与胫骨的接触面积，从而降低关节软骨所承受的应力[51,119,144]。每块半月板的上表面凹陷、下表面相对平坦，反映与它接触的股骨髁和胫骨平台的形状。无半月板时，不同曲率的股骨髁与胫骨平台仅在很小的面积上接触，导致骨面上应力极大（图 41.14）。在股骨髁与胫骨平台之间加入半月板，可使股-胓接触面积大约加倍[51]，显著降低其间应力。相反，去除半月板会增加胫骨平台和股骨髁所承受的应力[104,135]，应力随半月板组织被去除量的增加而增大[104]。
41.2.3 半月板在胫骨上的运动（Motion of the Menisci on the Tibia）
股骨与胫骨之间的复杂运动对介于两长骨间的半月板施加同样复杂的载荷。这些力使半月板在膝运动中变形并在胫骨上滑移。半月板的运动与其作为两骨面之间"垫圈"的角色一致。半月板随滚动的股骨髁同步运动（图 41.15）。股骨在膝屈曲中向后滚动时，半月板被滚动的髁推向后；类似地，在膝伸直时半月板向前滑移于向前滚动的髁之前[143]。外侧半月板比内侧半月板移动更大，因为后者被内侧关节囊、副韧带及冠状韧带稳定于胫骨平台[23,27]。半月板在胫骨上向后和向前滑移时仍附着于两极，因此还发生显著形变，这种应变可能导致最终的撕裂[149]。
41.2.4 非收缩性支持结构（Noncontractile Supporting Structures）
膝的非收缩性支持结构包括典型的支持结构——关节囊、MCL 和 LCL，以及提供额外支持的 ACL 和 PCL，关节囊后方还由额外的小韧带加强。每种结构在下文逐一介绍，以理解其对膝稳定性和活动性的影响。然而重要的是要认识到这些支持结构协同稳定膝。虽然每条韧带似乎在某种运动中起主导作用，其他韧带提供次级支持[129]。
41.2.4.1 膝关节囊（Articular Capsule of the Knee Joint）
膝关节囊是人体最大的关节囊[62]。多数关节中关节囊的两个主要层（纤维层和滑膜层）相互贴附；在膝关节这两层仅在部分区域贴附，其他区域两层沿不同路径走行。
纤维层后方附着于股骨髁与胫骨髁的后缘，跨过髁间窝（图 41.17）；该层继续向内、外延伸，附着于股骨和胫骨关节面边缘。前方纤维层与股内侧肌和股外侧肌的腱性扩张融合并附着于髌骨边缘，这些扩张称为内、外侧髌支持带；每条支持带由髌股韧带和髌胫韧带加强；外侧髌支持带还接受髂胫束的加强。关节囊和支持带在髌骨近端中断，股骨前方无附着[156,191]。
滑膜层比纤维层大且复杂，构成全身最大、最具扩展性的滑膜腔，可容纳近 1/4 杯液体而不致损伤[62,173]。后方滑膜层附着于股骨髁与胫骨髁的关节边缘，但与纤维层不同，滑膜衬里沿髁轮廓走行，于髁间窝内凹陷。结果，髁间窝和髁间棘由纤维囊包被但位于滑膜腔外。后部滑膜衬里的上部沿髁后方略向近端延伸，在每髁近端形成小囊，也可向远端和外侧扩展为腘肌腱囊。
滑膜衬里向内、外侧延续于纤维囊。前方滑膜层与纤维层延续并附着于髌骨边缘，但在髌骨近端再次与纤维层分开：滑膜附着于髌骨上缘和股骨髁的前缘，然后在股四头肌后方和股骨前方之间向近端延伸数厘米形成大囊袋（图 41.18）。该近端扩展称为髌上囊（suprapatellar pouch），对髌骨充分运动和膝的全程活动必不可少。
滑膜衬里的多个皱襞称为滑膜皱襞（plicae）[63]；其中一些皱襞较大，可能钙化或纤维化。这些皱襞还可能在运动中撞击髌骨或股骨髁，尤其是关节内侧的皱襞可引起膝痛，导致所谓的皱襞综合征（plica syndrome）[14,41]。
41.2.4.2 副韧带（Collateral Ligaments）
膝关节有内、外两条副韧带，对纤维囊提供重要加强。MCL（胫侧副韧带）比 LCL（腓侧副韧带）更广泛，呈扁平的三角形纤维带覆盖关节内侧的大部（图 41.20）。MCL 由两部分组成：较浅的前部和较深的后部，两段均附着于股骨内侧上髁；浅层和深层在后方融合形成后内侧关节囊[155]。前段长数厘米，向远端并略向前附着于胫骨干内侧；后段较短，向远端并向后附着于胫骨髁。后段还附着于关节囊和内侧半月板。韧带前缘在膝屈曲时可沿内侧关节线触及。
LCL为索状结构，从外侧上髁走向腓骨头。膝屈曲并施加内翻（内收）力时，LCL 易于触及（图 41.21）。将一足搁于对侧膝上施加内翻应力于该膝，使 LCL 突出。
研究已调查副韧带的作用及膝位置对其功能的影响。如第 11 章所述，外翻力倾向于使关节远端外展，内翻力倾向于使关节远端内收。MCL 和 LCL 分别位于膝的内、外侧，使其分别适合对抗外翻和内翻应力（图 41.22）。然而其他韧带也对内外稳定性作出贡献，故关于副韧带在对抗内外载荷中相对重要性仍有争议[23,139,167]。经典解剖学研究（Brantigan & Voshell[23]）表明尸体标本切断副韧带后内外稳定性无显著增加；较新的研究表明 MCL 提供对抗外翻力的主要保护[139,167]。MCL 浅部纤维明显强于深部（失效载荷约为深部两倍）且纤维更长[153]，从 0° 至至少 90° 屈曲提供对抗外翻应力的主要支持[154]，但深部 MCL、PCL 和 ACL 以及半月板也提供重要支持[71,80,116]。
虽然 LCL 对内翻力提供重要支持，重要支持还来自腘肌腱、双交叉韧带、半月板和髂胫束[101,139,167]。无论如何组合，在副韧带完整的个体中，膝的内外稳定性更多依赖非收缩组织而非肌肉支持[109]。副韧带还提供对抗胫骨内外旋转的支持：MCL 同时抵抗内外旋转[78,167]，LCL 主要抵抗外旋[150,157,167]。
膝屈曲量影响副韧带的作用[23,43,78,109,139,167]，这并不奇怪，因为 MCL 结构复杂且股骨髁形状不规则。MCL 较广，受屈曲影响多变：韧带后部在伸直位拉伸更多，前部在屈曲位拉伸[23,109]。虽然两条副韧带在伸直位似乎最为紧绷[23,43,89]，它们对内外稳定性的相对贡献随膝屈曲至少至 30° 而增大[139,167]。
41.2.4.3 交叉韧带（Cruciate Ligaments）
两条交叉韧带对膝关节正常功能至关重要，影响关节的稳定性和活动性。ACL 附着于胫骨髁间棘前方并略偏外处，向后附着于外侧髁内侧面。PCL 附着于胫骨近端后面、髁间区后方及股骨内侧髁外侧面的后方[55]（图 41.24）。PCL 截面积大于 ACL 且强度更高[55,178,191]。两条交叉韧带位于膝关节囊滑膜层与纤维层之间，因此是囊内（intracapsular）但滑膜外（extrasynovial）。
交叉韧带的作用已被广泛研究，其对膝稳定性的贡献复杂[7,13,16,17,23,43,53–55,71,90,130,133,178,197]。其倾斜的拉力线和复杂结构使功能分析复杂化。ACL 和 PCL 都可被视为至少由两段组成：ACL 由前内侧束和后外侧束组成[13,55,178]，ACL 中还描述有中间束[71,99,158]；PCL 由多个束组成，最常被描述为前（或前外侧）束和后（或后内侧）束[48,55,85]。部分文献检验整条交叉韧带的功能，部分研究检查韧带的单段；这一方法学差异部分解释了文献中关于这些韧带功能的分歧。
ACL 限制胫骨相对股骨向前滑移[21,48,143]，但 ACL 断裂所致的前向松弛程度取决于： - 评估松弛时膝屈伸的位置 - ACL 被破坏的部分 - 施加于膝的外力 - 周围组织的完整性
膝屈伸对 ACL 张力的影响研究充分，公认 ACL 在伸直位被拉得最紧[16,17,43,54,55,90,106,133]（图 41.25）。事实上，ACL 断裂似乎增加伸直或过伸的活动范围[55]。ACL 各段限制作用的研究提示前内侧束和较大的后外侧束的张力均在伸直位最大；随膝屈曲两束张力均减小；但约从 30° 屈曲开始，前内侧束张力增大[13,16,55,99]。部分作者认为切断后外侧束在伸直位时产生前向不稳，屈曲 90° 时的前向不稳提示 ACL 前内侧束的病变[53,114]。
与 ACL 类似，PCL 在稳定膝方面具有复杂作用并对多个方向的稳定性作出贡献。PCL 限制胫骨相对股骨向后滑移[23,55]。虽然 PCL 在伸直位似乎紧绷[54,55,148]，研究反复显示膝屈曲时 PCL 张力增加[3,28,37,48]（图 41.27）。ACL 中的情况类似，膝在矢状面的位置对 PCL 前段和后段的影响略有不同[3,16,48,178]。
PCL 还对内翻、外翻和旋转稳定性作出贡献[34,71,80,116,127]。与 ACL 类似，PCL 可能对膝的内外旋转稳定性都有贡献，取决于膝位置[34,198]。其在所有运动中的稳定作用似乎与周围韧带（特别是 MCL 和 LCL）耦合[23,123,127,150,181,183]。每条交叉韧带由多个纤维束组成，对整条韧带功能作出稍有不同的贡献[3,34,106]。
41.2.4.4 膝的副韧带（Accessory Ligaments of the Knee）
虽然副韧带和交叉韧带是膝的主要结缔组织支持，其他较小韧带提供一些额外支持，主要位于膝的后方和外侧。腘斜韧带和弓状腘韧带附着于外侧关节囊，与腘肌腱紧密相关[191]，加强 LCL，提供额外后外侧支持[127,139,167]。较小的半月板股骨韧带已被报道但并非恒定出现；尸体数据提示超过 90% 的膝至少含一条半月板股骨韧带[101,124]。其对整体关节稳定性的贡献仍有争议，但可能为 PCL 提供次级加强[5,55,150]，还可能协助和控制外侧半月板的运动[61,124]。
41.2.4.5 关于结缔组织支持的结论（Conclusions Regarding the Connective Tissue Support of the Knee）
副韧带和交叉韧带的作用复杂且相互依赖[136]。以下概括有助于解释其功能： - 虽然副韧带提供膝内外侧稳定性的主要支持，交叉韧带提供重要的次级支持； - 类似地，交叉韧带在前后方向稳定膝，但由副韧带加强； - 旋转稳定性由所有交叉和副韧带共同提供； - 半月板和关节面的完整性也直接影响膝关节的稳定性。
任何主要韧带损伤的正确诊断对优化膝功能和限制未来因韧带缺损膝力学改变所致关节退变至关重要；任何主要韧带损伤的功能后果与周围韧带结构的完整性密切相关。
41.3 膝关节的正常排列（Normal Alignment of the Knee Joint）
膝的排列受髋、踝和足排列的影响。这一相互作用是因为膝位于地面（承受体重）与头-臂-躯干和对侧下肢叠加重量（HAT-L 重量）之间。膝排列不良可由髋、踝或足关节排列不良、肌力不平衡和膝关节异常负荷所致[36,118]。反之，有证据显示膝关节畸形会对关节施加异常应力并可导致关节退变[9,92]。准确识别膝排列不良和邻近关节的相关畸形是全面肌骨评估的重要组成部分。
41.3.1 额面排列（Frontal Plane Alignment）
膝关节在额面的独特成角被认为是双足步行的标志[142,166]。如前所述，内侧股骨髁比外侧股骨髁向远端突出更远，但在正常排列的关节中两髁的远端面位于同一水平面。因此股骨干从垂直方向略向外侧倾斜，使正常直立位时膝与足比髋关节相互更靠近。额面排列用内翻和 外翻来描述：外翻为近端与远端段之间的夹角向外侧张开，内翻则向内侧张开（图 41.28）。
内翻或外翻的具体数值取决于测量方法。测量可使用膝的解剖轴或机械轴（图 41.29）。解剖法使用股骨和胫骨的长轴；机械法使用下肢的机械轴。一项 120 名成人的放射学研究报告使用解剖轴约 5° 外翻[31]；然而无膝部病变者也有高达 10° 外翻的报道[86]。使用解剖轴时，内翻在成人属异常，常伴退行性关节病[9]。然而使用机械轴时，膝的正常排列约为 2° 内翻[31,76]。机械轴定位需要放射学评估。因此体检测得的正常额面排列为轻度外翻。
新生儿和幼儿通常呈膝内翻（genu varum）[93]，该内翻消失并被外翻替代，3 岁时达到约 12° 的峰值；外翻逐渐减小，到 6–7 岁时稳定于成人值。膝的正常外翻排列使站立时支撑面更窄，单腿站立和行走时身体重心保持在支撑面之上所需的侧向位移更少[166]（图 41.30）。
41.3.2 矢状面排列（Sagittal Plane Alignment）
膝正常直立位矢状面排列为股骨与胫骨垂直对齐，共同成 180°。然而站立时可出现过伸，对应的姿势排列称为膝过伸（genu recurvatum）（图 41.31）。膝过伸常由踝或膝的肌力失衡所致。该姿势对膝后关节囊和 ACL 施加更大应力[110]。
41.3.3 横面排列（Transverse Plane Alignment）
在无病变的膝中，胫骨平台与股骨髁排列一致：膝伸直时胫骨近端与股骨远端的横轴平行[42]，称为 0° 扭转（version）。在膝关节骨关节炎患者中，报告胫骨相对股骨有 5° 外扭转。
41.4 髌股关节的排列（Alignment of the Patellofemoral Joint）
如上所述，胫股关节的排列不良可能是膝近端和远端关节力学改变的体现，也可能指示关节承受的异常应力，还可能意味着存在可诱发或延续关节破坏的损害性负荷。髌股关节的排列不良也可指示类似情形。因此必须识别髌骨相对股骨的异常位置，以理解和影响髌股关节疼痛的潜在病理力学。
髌骨相对股骨的排列通常以内-外排列和近-远位置描述，这些位置随髌骨相对股骨的平移而变化。此外，髌骨位置还用旋转来描述；文献中报道了几种角度定位，最常见者描述如下。髌骨倾斜（patellar tilt）描述绕上-下轴的旋转；髌股排列的其他测量包括滑车沟角（sulcus angle）和吻合角（congruence angle）。虽然临床上肉眼评估髌骨平移和倾斜，但有报道称这种观察不可靠[140,177,189]；使用各种 X 线或 MRI 技术的评估可得到有用的临床信息。以下对髌股关节排列的描述基于 X 线和 MRI 研究所得数据。
41.4.1 内-外排列（Medial-Lateral Alignment）
通常临床认为正常髌股关节中髌骨位于滑车沟中央，距内、外侧上髁等距[140]。然而报告显示影像学所见的髌骨轻度外偏属正常[59,97]，该偏差不超过几毫米且 MRI 所见可能更小[58]。内或外（更常见）的过度偏移称为内或外侧轨迹（tracking）。过度外侧轨迹与髌骨软骨软化[165]及髌股关节痛相关[18,196]，这些病症可能是髌骨因排列不良而受异常应力的结果。
41.4.2 近-远排列（Proximal-Distal Alignment）
髌骨的近-远位置通过髌骨到胫骨的距离与髌骨长度的比值来描述[2,82,128]（图 41.33）。具体使用的距离因方法而异。但比值增大（提示胫骨与髌骨之间距离增大）称为高位髌骨（patella alta）；低位髌骨（patella baja/infera）描述髌骨与胫骨之间距离减小。高位髌骨与低位髌骨均与膝前痛相关，与异常的髌骨轨迹一样，可能导致髌股关节的异常载荷[47,73,120,169]。高速步行时，高位髌骨者表现出髌股关节接触面积减小和应力增加[188]，升高的应力可能导致髌股关节的疼痛和退变。
41.4.3 髌骨的角度定位（Angular Positioning of the Patella）
髌骨倾斜：是经过髌骨最大宽度的线与触及内、外侧股骨髁最前面的线之间所成的角（图 41.34）。使用 MRI 和 CT 的研究提示膝伸直时髌骨处于轻度外侧倾斜位[24,138,141]。
滑车沟角：是从股骨滑车沟最深点分别到每髁最高点所作两线之间的角。股骨上测量位置不同，角度也不同，提示滑车深度沿股骨表面变化[97]。报告的均值约 125° 至 155°，男女无显著差异[2,97,174]。
吻合角：是衡量髌骨与股骨滑车吻合程度的指标，由平分滑车沟角的线与从滑车沟角顶经髌骨嵴最低点投射出的另一线构成。文献报道的吻合角变化范围大：女性大于男性的均值约 8° ± 6°[2]，另有约 14° 至 18° 的均值报道[138,196]。还需进一步研究建立吻合角的正常值以理解其与髌股关节病理的关系。
髌股关节接触区与髌骨半脱位：一项对 8 名有髌骨半脱位史者的研究显示股骨与髌骨之间的接触面积显著减小[69]。更重要的是，膝从 0°–90° 屈曲过程中接触面积几乎完全转移到外侧股骨髁。这种髌骨运动模式的变化可能产生异常应力，导致疼痛和退变；细致观察髌骨运动并仔细评估影响髌骨活动度的结构是髌股关节全面评估的关键要素。
41.5 膝的运动（Motion of the Knee）
整个膝关节复合体的运动以胫股关节屈伸为主。然而这一看似简单的膝运动包含胫股关节复杂的三维运动；此外，正常的膝运动还依赖于髌股关节的运动。
41.5.1 矢状面膝的正常活动范围（Normal Range of Motion of the Knee in the Sagittal Plane）
文献报道的膝正常 ROM 见表 41.2。除 Roach & Miles[151] 报告外，所有范围均为被动测量。虽然文献中有膝过伸的报道，但此处数据显示无膝部病变的成人中明显过伸并不常见。然而过伸在幼儿中常见，到青春期逐渐消失[57]。在成人中，年龄和性别对膝 ROM 影响似乎较小[151,185]，但肥胖与膝屈曲 ROM 负相关[46]。
研究报道步态中膝的活动范围从中立位几乎完全伸直（中站立相约 1°）到中摆动相 65–75°[125,194]。然而许多日常活动需要更大的膝屈曲：上下楼梯用 90–110° 屈曲[159,182]；从椅子上站起需约 90°[25]；进出浴缸需约 130°[140]；下蹲可用至 165°[159]。
41.5.2 膝的横面和额面旋转（Transverse and Frontal Plane Rotations of the Knee）
贯穿本章的讨论清楚地表明膝关节允许——事实上要求——内外旋转和内外展。然而关于无膝病变者正常可用 ROM 的描述性数据有限且差异大。建立这些运动正常值的挑战来自量化此类小幅度三维运动的技术难度。此外，这些运动显著小于屈伸，但直接受膝矢状面位置影响[6,23,85,121]。因此只有少量研究测量了膝在三个面的运动，且这些研究使用的方法差异很大。有些研究在行走中评估，另一些在受试者静止时主动或被动评估。只有一项已知研究描述了用于旋转膝的载荷。因此数据充其量只能为临床医生提供膝在这些面相对灵活性的视角。
尽管数据有限，对临床医生来说拥有膝这些面潜在灵活性的一般概念仍有价值。报告的膝屈曲时内外旋总活动度均值在 12° 至 80°[6,21,23,121,181]。虽然报告均值变化大，研究一致显示膝伸直时旋转总活动度显著减小[6,23,121,181]。内外旋峰值大致相等[121]。然而研究提示正常步行时旋转明显较少；步行中总旋转范围约 8° 至 15°，中立位内旋发生于站立相，外旋发生于摆动相[91,102,175]。
额面运动的报告具有与旋转相同的局限性。然而额面运动的报告一致显示比横面运动更少；报告范围约 10–20°[21,121]。步态中内外展活动度更小，约 5°[91,102]。
41.5.3 髌股关节运动（Patellofemoral Motion）
髌股关节的正常运动对胫股关节的正常功能至关重要。然而髌股关节自身亦可发生病变。许多研究者认为膝屈伸期间髌骨的异常运动是髌股关节紊乱的重要诱因[24]。髌骨在屈曲时相对股骨向远端滑移，伸直时反向近端回弹。然而其在膝屈伸中的运动远比单纯近-远滑移复杂。临床医生必须识别正常和异常的髌股运动，以理解和改变膝痛的潜在病理力学。
膝伸直时髌骨仅与股骨轻微接触[164]，因此可自由活动。虽然未被充分研究，髌骨似乎在膝完全伸直、股四头肌放松时可在内、外和远方向活动几厘米；有人建议髌骨在内-外方向的活动度不超过其宽度的一半[29]。膝伸直时髌骨的内-外平移受支持带张力的限制[39,66]。屈曲开始时髌骨滑入股骨滑车，骨性接触显著降低其活动度。髌骨在膝屈曲中的运动包含平移和旋转，分别介绍如下。
髌骨在膝屈曲中的平移：膝屈伸期间髌骨的平移发生在近-远和内-外两个方向。膝屈曲时髌骨的远端滑移据报告为 5–7 cm，由髌上囊的展开允许[67]。屈曲开始时髌骨还有轻度的内移[59,94,108,141]，其幅度和持续时间仍有争议。然而普遍认为到 30° 屈曲时髌骨已开始外移，并至少继续到 45° 屈曲时趋于稳定。
髌骨在膝屈曲中的旋转：膝运动期间髌骨的旋转包括内-外倾斜，其定义与髌骨排列相同。髌骨还绕内-外轴旋转（图 41.35），此运动称为髌骨屈伸。最后，髌骨绕前-后轴进行内外旋转[94]。这些运动未被充分研究，但文献中存在一些一致性：髌骨似乎处于轻度外侧倾斜位，且随膝屈曲轻度增加[94,141]；髌骨似乎还进行屈曲（定义为下极向胫骨倾斜）[70,94,108]；绕前-后轴的旋转似乎可忽略[94,108]。
这些数据显示髌骨在膝屈伸期间发生小但系统的运动。髌骨的运动导致髌骨与股骨之间接触位置和总接触面积的显著变化；接触位置和面积的变化改变关节面所承受的应力。
完全伸直时股骨与髌骨的接触发生在髌骨下极的外侧面；随膝屈曲，接触面积稳步增大并包含内侧面，向近端迁移[59,67,69,164]（图 41.36）。髌骨与股骨髁和髌面接触；屈曲加深时髌骨仅与股骨髁接触，奇面（髌骨内侧面的内侧段）与内侧股骨髁的外侧部接触[67]。
股骨与髌骨之间接触位置和面积的大幅变化引起应力（force/area）的大幅变化。普遍认为异常应力促成髌股关节功能障碍。
41.6 本章小结（Summary）
本章描述了构成膝关节的骨的结构。这些骨复杂而不规则的形状是胫股关节和髌股关节在膝屈伸期间复杂运动模式的主要解释。膝的软组织支持结构是膝稳定性的主要来源，配合下一章介绍的肌肉。MCL 和 LCL 提供主要的内外支持，交叉韧带提供前后方向稳定性。然而四条韧带协同作用提供三维稳定性。
本章还详细描述了膝屈伸期间胫股关节和髌股关节发生的复杂运动。虽然膝常被描述为铰链关节，其运动包含沿三轴的平移和绕三轴的旋转。屈曲时股骨相对胫骨外旋和外展并伴一定平移；伸直时运动方向相反。因此膝的运动实际上有六个自由度。还应注意恢复六个方向活动度的重要性。髌骨也展示三维运动，是膝正常屈伸的重要组成部分。
膝运动的复杂性给膝的结缔组织支持结构带来巨大负担，要求它们在膝参与跑步和扭转等剧烈活动时仍能提供足够稳定性。膝周围肌肉对膝的稳定和活动的作用不可低估。下一章将介绍膝的肌肉并描述其参与膝关节运动与稳定的方式。
本章个人批注
读完本章，我对本章所阐述的膝骨与不可收缩成分有以下几点反思。第一，膝不是单一铰链关节这一观点贯穿全章，作者用关节面形状不吻合、运动学三维测量、韧带的多束结构等多重证据反复论证"6 DOF"这一概念；对我而言这是本章最值得内化的概念，因为它直接决定临床手法治疗（如松动术）能否恢复附属运动。第二，股骨内侧髁与外侧髁形态的差异——内侧髁曲率可变、外侧髁更平——是"螺旋锁机制"与"膝最后伸直内旋"的形态学基础，作者并未对螺旋锁是否独立运动做明确结论，反映出二维运动学向三维转变过程中历史遗留的争论。第三，半月板损伤章节提到半月板的接触面积减半效应，与我此前认为的"垫圈"比喻高度吻合；同时内侧半月板因活动度低、附着多而更易受伤，这是附着结构决定损伤机制的经典例子。第四，MCL 深部与浅部"分层力学"——深部弱、浅部强，深部更易先断但整体稳定性更多由浅部提供——是临床查体的一个反直觉点：单纯深部断裂可不表现出外翻松弛，因此体检阴性不能排除深部损伤。第五，髌股关节的吻合角、髌骨倾斜、滑车沟角三个角度的正常值范围跨度极大（吻合角 8°–18°，滑车沟角 125°–155°），反映出影像测量方法与受试者选择的异质性；作者明确警告"需要更多研究建立正常值"，提醒我在引用具体数值时应同时引用其测量方法与样本。第六，关于前抽屉试验与 Lachman 试验哪个更敏感，作者引用 Rosenberg & Rasmussan[158] 的体内研究：Lachman 试验在更大比例的 ACL 上产生最大张力，但前内侧束在两种试验中都比后外侧束张力更大——这一发现推翻了"Lachman 更特异于后外侧束"的旧观念，体现临床查体背后力学研究的持续修正。
与上下章的衔接（一段话）
本章是 Oatis《Kinesiology》第 IV 部分"下肢生物力学"中膝关节系列三章中的第一章，按全书惯例先描述骨的形态、非收缩成分（关节囊、半月板、韧带）和关节面形状所决定的运动学，再进入肌肉章节。本章与上一章 Ch40（髋关节活动时的受力分析）形成"静态结构 → 受力分析"对照：Ch40 给出站立与活动时髋关节的力矩与外力，本章则给出膝关节为承受这些力而形成的骨与韧带结构特点。本章末尾 Summary 明确指出肌肉是稳定性的另一主要来源，下一章 Ch42（膝关节肌肉活动的力学与病理力学）将在本章提供的骨与韧带框架上加入肌肉维度，因此本章是 Ch42 直接的前置基础——所有股四头肌、腘绳肌、髂胫束等肌肉如何在本章所描述的 6 DOF 运动中产生力矩，将在 Ch42 中系统展开。