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髌股关节疼痛(PFP)的解剖及生物力学机制,PT师应该懂得更多.

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    Janice K. Loudon 枫叶之国话康复 ID fyzghkf123

    上期《髌骨,小籽骨,大学问》对髌骨的解剖结构进行了详细的讲解(也可见文末延伸阅读),这期将重点介绍膝关节开链和闭链运动时髌股关节的力学表现以及相关的临床应用。


    正文

    对临床人员来说,比评估髌骨静态对位更重要的是其动态运动,就是通常所说的髌骨轨迹(Patellar tracking)。胫股关节活动时髌骨的运动依赖股四头肌的收缩、相关结缔组织的可伸展性(Extensibility)以及髌骨/滑车沟的形状等。作为滑动关节(gliding joint),髌骨活动是多平面活动。这些活动包括上/下滑动,内/外侧滑动,内/外侧倾斜(Tilt)以及内/外侧旋转。髌骨上滑也叫做髌骨伸展(patellar extension),是股四头肌收缩后对髌骨的上拉作用。


    髌骨下滑即髌骨屈曲(patellar flexsion),发生在胫股关节屈曲时。内/外侧滑动是指冠状面的髌骨平移,与胫股关节的活动相对应。在髌骨外移时,髌骨外侧缘离膝关节的外侧面更近(图10),同样,髌骨内移时,髌骨内侧缘朝向膝关节内侧移动。倾斜(tilt)发生在髌骨长轴。倾斜以所涉关节面的移动方面为准。髌骨内倾(medial tilt)是指髌骨后内侧面更多的倾向股骨内侧髁(medial femoral condyle),相反,髌骨外倾是髌骨后外侧面更多的靠近股骨外侧髁(lateral femoral condyle)。

    图10 髌骨外移


    开链运动

    在膝关节的开链运动中,髌骨随胫骨运动,原因是远端髌腱(Patellar tendon)止于胫骨结节(Tibial tubercle)。屈膝时,髌骨向下滑动,伸膝时髌骨向上滑动(图11)。股四头肌的收缩运动可以使得髌骨往上移动约10毫米32

    图11 伸膝时,髌骨上移


    当膝关节屈曲时,髌骨的关节活动面随着膝关节活动范围的变化而变化。关节面接触点沿髌骨近端以及沿股骨髁后下方移动(图12)。髌骨接触面积随膝关节屈曲的增加而增加,这有利于膝关节应力在更大的接触面上进行分散。在髌股关节对位正常的人群中,这种外力分散使得膝关节能承受从常规性应力活动到具更高压缩应力活动的挑战。

    图12 不同屈膝角度时,髌骨接触面示意图


    有文献报道,当膝关节伸直时,髌骨正好位于股骨滑车沟近端、髌上脂肪垫(suprapatellar fat pad)和髌上滑膜(suprapatellar synovium)处15,16,25,26。相反,Power等人的结果表明在膝关节伸直时,髌骨和滑车(trochlea)存在接触33。此外,滑车沟(trochlear groove)在此位置最浅,容易导致髌骨稳定性受损,存在潜在的很大的髌骨不稳定性风险。


    当膝关节开始屈曲,髌骨的下方和股骨髁的最上方部分接触。这种接触最先始于股骨外侧髁和髌骨外侧面之间,但是屈膝30°时,这种接触就非常均匀的分布在两侧股骨髁,总体的接触面据估计可以接近2平方厘米。初始接触面积较小,但随着关节活动协调性增加,接触面积逐渐加大。在屈膝60°时,髌骨上半部分与股骨滑车沟的接触面位置略低于屈膝30°时的接触面。随着关节活动协调性增加,接触面积逐渐加大。


    当屈膝至90°时,接触面积达到将近6平方厘米。此时,髌骨上半部分正好在髁间切迹(Notch)上方与股骨滑车沟相接触。在屈膝90°至120°之间,髌骨上半部分与股骨滑车沟接触面正好围绕着髁间切迹(intercondylar notch)。在深度屈膝时,髌骨实际上跨越髁间切迹,仅在髌骨远中部及外侧缘接触34。当全部屈膝时,单关节面(odd facet)是髌骨与股骨内侧髁的外侧面间唯一的关节接触面。


    除了髌骨往上和往下的活动,从伸膝到屈膝的过程中,还涉及到髌骨的外侧-内侧-外侧轨迹16。正常情况下,由于髌骨相对处在滑车沟中心,在屈膝时很少发生过度的内侧或外侧偏移。需要注意的是,在全伸膝时,因为胫骨的外旋,使髌骨稍偏向外侧。在内外侧每个方向上,髌骨的位移大约为3毫米。


    当屈膝时,髌骨往内侧滑动并位于滑车沟的中部。从45°位伸膝至0°时,髌骨从相对于股骨滑车沟的外倾位置转为内倾5-7°35。在大约屈膝30°时,髌骨滑向外侧,并在随后的膝部屈曲角度中(30°至0°),一直保持这种外侧滑动。这种运动通常称为C曲线模式(C-curve pattern)26。在正常情况下,当膝关节处于伸展位时或屈曲早期时,髌骨表现为外侧倾斜(髌骨外侧缘下压),但是这种倾斜非常的轻微,且认为“可被弱化(reducible)”(髌骨外侧缘很容易从股骨外侧髁处抬离,使髌骨保持水平。)

    闭链运动

    在膝关节闭合链运动中,髌骨相对的拴在股四头肌肌腱内,因此随着股骨在横断面内的旋转,使得股骨表面在髌骨后侧产生滑动12。当股骨过度内旋(internal rotation),髌骨外侧面接近于股骨外侧髁前缘35。髋关节内收(adduction)/内旋(internal rotation)的加大已被认为是造成PFP的风险因素之一36。冠状面的投射角度在临床上已被用于判断PFP患者的关节动力学是否存在错误(图13)37

    图13 髌股关节反应性应力(PFJRF)


    髌股关节反应性应力(Patellofemoral joint reaction force, PFJRF),该应力是作用于关节的压缩性应力,取决于膝关节的角度以及肌肉张力(图13)26。髌股关节的实际受力为PFJRF除以髌股关节接触面积,称为单位面积的关节应力。髌骨与股骨的接触面积越大,关节组织的所受应力就越小16。较高的PFJRF加上较小的接触面积往往导致较高的髌骨关节应力并可能对关节软骨造成损伤。该应力可被较差的髌骨对位所放大,这在后面我们会做进一步讨论。


    随着膝关节活动中,髌骨和滑车沟接触点的变化,相对地,关节应力也因为杠杆系统的变化而变化。非负重状态下,0-90°的屈膝过程中,髌骨和滑车沟的接触面增加,因此,随屈膝角度的增加,髌股应力降低。为了最大限度地减少髌股关节应力,建议开链练习应该在膝关节屈曲90°到30°的范围内进行。


    当足部固定时,膝关节屈曲从90°到45°过程中,PFJRF增加,而在膝关节接近伸直时PFJRF下降16。即使是简单的日常活动,PFJRF和髌股关节应力变化也非常大,更不用说专业体育运动了38。研究表明,水平向移动时,髌股关节应力是体重的1.3倍,上下楼梯时,是3.3倍,跑步时是5.6倍,在深蹲时更达到7.8倍39

    临床运用

    过度的髌股关节应力可以造成PFP3.10。关节应力可能因为解剖结构异常或对位不齐,髌骨轨迹不正,较差的关节动力学链以及关节的过度使用所致8。对髌股关节检查评估的目标是明确症状产生的可能原因。Wiberg建议将髌骨形状作为髌骨疼痛发生的可能影响因素40。Wiberg设计了一个基于髌骨关节面形状的分类系统40。然而,影像学并不能足以描述各种不同的形状,而且也不一定如Wiberg所说的那么有帮助。不同形式的髌骨发育不良与半脱位和脱位有关。可能的髌骨发育不良包括高山猎人帽、卵石、大髌骨和帕尔瓦髌骨。有些患者存在滑车发育不良,未能形成正常的关节面。外侧滑车比正常相比显得较小的患者更容易发生髌股关节的外侧向脱位或半脱位。除了解剖结构异常,髌骨的异常对位(外侧向移位)可对髌骨外侧面造成过度的压缩应力,诱发PFP。


    髌骨异常滑动轨迹也会造成髌骨关节的过度应力。髌骨外侧和内侧稳定性的平衡对于维持恰当的髌股关节生物动力学非常重要。根据Powers等人的研究,只有50%的PFP患者存在髌骨轨迹不正,这表明可能有其它因素参与其中。最近,对于PFP的治疗有一些新的治疗建议,包括髋关节力量和运动评估和干预。研究人员41.42通过对髋关节力量的评估,发现女性PFP患者的髋外展肌,外旋肌和屈肌存在肌力不良。部分研究还发现这种肌力不良还和PFP患者的关节动力学改变,例如髋内收和内旋增大相关。这种髋关节位置变化加大动态Q角度12或者促进膝关节内收(medilization)从而导致髌骨往外侧向的轨迹不正。女性的动态Q角度在活动时通常大于男性,例如下楼梯,跑步,跳跃,急停等43-45.


    此外,还应考虑足部姿势对髌骨位置的影响7,46。因为各解剖节段之间生物力学上的关系,直觉上就认为远端的足部问题(扁平足或高弓足)会对近端结构造成影响。Tiberio建立了一个理论模型专门讨论距下关节前旋(pronation)对于膝关节的影响7。在该模型中,足过度旋前(over pronation)造成胫骨内旋以及随后的股骨内旋,从而造成髌骨位置相对靠外侧,引发PFP。相比之下,另外两个单独的研究小组则报道PFP患者在步态评估时缺乏足旋前46,47。其它影响膝关节动力学的远端因素还有踝部背屈(dorsiflexion)受限以及足中部过度活动。

    结论

    对影响髌股关节功能的结构和应力的全面了解,对于理解髌股关节的各种临床问题至关重要。这些知识可用于检查和评估患者,以及在制定康复干预方案时,帮助患者把运动练习带给受损或易损结构的应力降到最小。


    全文完!


    延伸阅读:髌骨及髌股关节的解剖

    髌股关节疼痛(Patellofemoral joint pain, PFP)是运动物理治疗师最常碰到的疾病之一1。在很多运动人群中,包括跑步者2,网球运动员3等都有该病的发生。女性更为常见,对此存在许多假设5-8


    造成PFP最常见的原因之一是生物力学功能不良5。髌骨和滑车沟之间的关节活动变化很大,有些人两者之间配合的并不好9。同时,髌股关节需要周围软组织结构维持一种复杂的平衡。任何一组结构的不平衡都可能导致髌骨和股骨之间应力的变化从而导致疼痛10-12。为了有效的治疗PFP,作为物理治疗师必须完全理解髌股关节的解剖结构和生物力学机制13


    功能性解剖

    骨结构/软骨

    髌股关节是由髌骨后表面和股骨远端滑车前表面组成的双平面关节。髌骨是人体最大的籽骨(sesamoid)。外表上看,髌骨像倒立的三角形,嵌于股四头肌远端的髌腱内。上缘为底部(base),下缘为尖部(apex)见图1。大小平均为长4-4.5cm,宽5-5.5cm,厚2-2.5cm14,15

    图1 髌骨示意图


    髌骨前表面无论是前后方向(anterior-posterior)还是内外方向(medial-lateral)均为凸面。髌骨后表面分为两个不同关节面(facets),见图2。一个垂直的较大隆起将之分为内关节面和外关节面2个部分。这2个部分可进一步分为7个关节小面,其中3组位于水平方向:近端,中部和远端,还有一个关节小面(Odd facet)位于髌骨后部较内侧(far medial)。髌骨关节面的凸面结构是为了适应股骨内侧端较宽的凹型面,以维持髌骨的对位。髌骨关节面的大部分都覆盖有较厚的关节软骨,可厚达7mm16。该软骨的功能是吸收股四头肌收缩后关节活动时带来的应力。

    图2 髌骨关节面


    股骨远端的结构为内陷U型髁间槽(intercondylar groove),也叫滑车沟(trochlear sulcus),由凹面的内外两关节小面(facet)组成,同样覆盖有薄薄的一侧关节软骨,见图3。和髌骨一样,滑车沟的外侧关节面较大,更向近端延伸,提供骨性支撑并改善髌骨稳定性。影像学检查(地平线观)可以定义滑车沟角度,即内外侧股骨髁线之间的夹角。见图4。通常,该角度在138±16。角度过大表明滑车沟浅,易导致髌骨半脱位(subluxation)。

    图3 股骨髁及滑车沟


    图4 滑车沟角度


    周围软组织

    由于髌骨和滑车沟之间相对较浅以及并非严丝合缝,所以髌股关节的稳定需要依靠周围软组织结构的静态或动态支持15。静态稳定依靠髌腱,关节囊以及韧带结构。髌股关节的内侧结构在减少外侧平移时非常重要。限制向外侧移动的最主要结构是内侧髌股韧带(Medial patellofemoral ligament, MPFL)。该韧带始于内收肌结节,止于髌骨内缘。Desio等认为屈膝20°时,MPFL提供了60%的髌骨外移限制15,17。次要结构包括半月板髌骨韧带,该结构始于半月板前侧,止于髌骨的下1/3。另外还包括表面覆盖肌纤维的内侧支持带(medial retinaculum),并于内侧副韧带和内侧髌腱相互交错17


    在髌股关节外侧端,下列结构起到稳定髌骨的作用:外侧髌股韧带,关节囊,髂胫束(ITB)以及外侧支持带。外侧支持带由较薄的浅层(从ITB延伸至髌骨和四头肌)和较厚的深层(与股外侧肌、髌股韧带和髌胫韧带交叉)组成18。在屈膝小于20-30°时,因为几乎没有骨性稳定性支撑,所以髌股关节的稳定性必须依靠内侧,外侧支持带以及关节囊。


    股四头肌、鹅足肌群(pes anserine)和股二头肌(Biceps femoris)这类具收缩能力的结构可有助于动态地维持髌骨对位。股内斜肌(VMO)的重要性在文献中已被广泛讨论18-20。VMO附着于髌骨中部、内侧髌股韧带(MPFL)和大收肌(adductor magnus)肌腱。与股内长肌(vastus medialis longus)相比,股内斜肌的斜向排列为髌骨的内侧稳定提供了力学优势21,22。股直肌(rectus femoris)止于髌骨上缘的前部。股中间肌向后止于髌骨底部。股外侧肌与ITB、表层斜行支持带共同动态增强外侧力量23。ITB的紧张可导致髌骨移动或者往外侧倾斜。下行方向的固定,髌骨主要依靠髌腱及其与胫骨结节的附着。


    人体运动学(kinesiology)/生物力学

    功能

    髌骨的功能是多方面的。主要功能是作为股四头肌的机械性滑轮,在膝关节活动范围内,随着髌骨改变伸力的方向。膝部伸力越大,髌骨的机械性滑轮作用越强。根据Huberti和Hayes的研究,髌骨在伸膝时的最后30°范围内,起到关键性作用24。在全伸膝时,髌骨占到伸膝力矩中的31%,而屈膝90至120°时,仅占13%。此外,髌骨还起到保护前部滑车的骨性盾牌作用并且因为处于股四头肌肌腱和股骨之间,故还起到防止股四头肌肌腱和股骨髁之间过度摩擦的作用25,26


    静态时的髌骨对位(alignment)

    髌骨的静态对位关系和滑车沟的深浅,股骨外上髁的高度以及髌骨形状关系密切。通常,总体的对位关系可以通过患者仰卧位检查进行评估。McConnell27为此建立了评估标准,然后,该评估标准的区间内可信度受到质疑28。对于临床工作人员,虽然明显异常的观察性分析仍旧具有临床意义,但还是具有主观性强且不容易量化的缺点。虽然有研究认为当膝关节全伸时(从冠状面观察),尽管髌骨有些轻度外偏,但通常还是位于两股骨髁的中间位置12。在该位置,髌骨在滑车沟上方,髌骨和股骨的接触最小,因此,处于该位置的髌骨可移动性最强。


    临床上,Q角度也经常用于进行股四头肌肌力线的对位识别。Q角度是股四头肌力线(髂前上棘到髌骨中部)与髌骨中心和胫骨粗隆(tibial tuberosity)连线之间的夹角。见图5。Q角度的正常值,男性为10-13°,女性为15-17°。Q角度增加,则认为通过弓弦效应(bowstring effect)在髌骨上产生了过多的往外侧的牵拉力量10,16。最近,相关研究表明静态Q角度与髌股动力学或者疼痛没有相关性29,30。因此评估Q角度的最佳方法是通过录像分析动态运动时的Q角度31

    图5 Q角度


    在矢状面,当膝关节轻度屈曲,髌尖仅位于或略接近关节线。另一种较为复杂的测量矢状面髌骨位置的方法叫做Insall-Salvati比率32,是屈膝30°时髌腱长度与髌骨高度之间的比值。正常比值为1。如果比值小于0.8表示低位髌骨,可能是因为髌腱缩短所致。如果比值大于1.2,则表示高位髌骨。见图6。如果髌骨相对高位,那么髌骨到达股骨滑车沟这一骨性限制的距离较远,以致于髌骨处于半脱位的更大风险之中。

    图6 髌骨位置


    此外,髌骨应该保持其上/下缘与股骨的距离相等。如果髌骨的任何表面出现往前或往后的偏离,这都叫倾斜(tilt)。在矢状面,这些动作可描述为髌骨下极位置内陷(下倾 inferior tilt)或上抬(上倾 superior tilt)见图7。髌骨下倾可能造成问题,因为会挤压或刺激位于髌腱下方的髌骨脂肪垫。

    图7 髌骨上/下倾


    在横断面,髌骨应该保持水平,内/外侧缘与股骨距离相等。髌骨外倾时,内侧缘高于外侧缘,可导致外侧髌股压力综合征4。见图8。

    图8 髌骨外侧倾斜


    围绕前后轴发生的髌骨旋转,通常按照髌骨下极(inferior pole of the patella)的方向来定义。髌骨外旋指得是髌骨下极指向膝关节外侧,相反,则为内旋。见图9。这种旋转性髌骨位置可能表明胫骨存在潜在扭转,如胫骨的外侧扭转。

    图9 髌骨内/外旋转


    接第一部分,便是本文的完整版。


    因篇幅原因,参考文献(略)。

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