第三节 膝关节解剖与运动学分析
一、膝前区
股四头肌包括4个不同的部分，有共同的肌腱止点。股直肌有两个头，直接和间接起于髂骨，然后融合形成肌腹，在大腿前部向远端走行。继而变细，在髌骨上极近端5～8cm处形成肌腱，股直肌约占股四头肌横切面的15%。股外侧肌起点为宽带状，从转子线近端开始，沿粗线向下延伸。它还起于外侧肌间隔。股外侧肌远端有一纤维性增宽部分与髌骨外侧支持带相混合并通过它与胫骨直接相连。股内侧肌起于转子线的远端，沿螺旋线走行至粗线内侧唇。该肌肉最远端的纤维起于大收肌肌腱，几乎水平向前走行，加入共同的肌腱，止于髌骨的内侧缘。这部分肌肉有时被称为股内斜肌（VMO）。与股外侧肌一样，股内侧肌也有一个远端纤维性扩大部分，与内侧支持带混合。股中间肌起于股骨干的前外侧面，在内侧，其部分肌纤维与股内侧肌混合。这四块肌肉在远端混合在一起形成股四头肌腱，向前延伸至髌骨形成髌韧带。股中间肌和股直肌几乎垂直地止于髌骨上极，而股内侧肌和股外侧肌纤维斜行止于髌骨，平均成角分别约为55°和14°。股四头肌肌腱常被描述为3层结构：浅层由股直肌组成，中间层由股内侧肌和股外侧肌组成，深层由股中间肌组成。实际上，它的结构更复杂、更多变。在MRI上这种多层纤维呈现为纹状的外观而非独特的低信号结构。MRI T2加权像上，肌腱内部或周围组织结构不连续或信号增高表明股四头肌破裂。股四头肌肌腱在远端通过一个扩张部向前连于髌骨。在大部分情况下，只有来自股直肌部分的肌腱纤维与髌骨上的远端扩张部相延续。然而在一些情况下，来自股外侧肌的纤维可直接与远端相连。另外，股内侧肌和股外侧肌形成的扩张部通过髌骨支持带与胫骨相连。
髌韧带连接髌骨下缘到胫骨结节。因为股骨干有一倾斜角，所以股四头肌与髌韧带不在一条直线上，所形成的角度经常为外翻角，在男性平均为14°，在女性为17°，这个角称为股四头肌角（Q角），在股骨内旋时增加。这种导致髌骨的外脱位趋势，能被股骨滑车的外侧唇、股内斜肌的水平纤维及髌内侧支持带所对抗。选择性股内斜肌加强术可以用于治疗髌股关节疼痛和半脱位。尽管股四头肌群最显而易见的功能是伸膝（其次功能为屈髋），但在正常步态负重期的足跟触地期，其生理作用主要是通过离心性收缩来减弱膝关节的屈曲。股四头肌的4部分都由股神经支配。
髌韧带为强壮、扁平的韧带，长约5cm。髌韧带在近端起于髌骨下极，在远端止于胫骨结节；其位于髌骨前面的浅层纤维与股四头肌肌腱的纤维相连续。股四头肌肌腱内、外侧部分分别从髌骨的两侧通过，止于胫骨结节近端的两边。这些纤维性增宽部分与关节囊融合，形成髌骨内、外侧支持带。髌韧带正常情况下在MRI上显示为低信号，但在它与髌骨及胫骨的附着处可呈现中等密度的影像。与其他部位一样，肌腱局灶性的不连续或高信号影像表明该韧带破裂或撕裂。
髌韧带后表面通过一个较大的髌下脂肪垫与关节的滑膜囊分开，通过一个滑囊与胫骨分开。脂肪垫充填了股骨髁和髌韧带之间的空隙，在运动时这个潜在性空腔的大小随膝关节活动的变化而改变形状。这个脂肪垫被无数源于膝动脉的血管贯穿。髌韧带在股骨骰间切迹和脂肪垫之间形成了一个不完全间隙。
二、内侧观
膝关节内侧的支持结构可分为3层。第一层为最浅层，为膝关节内侧在切开皮肤之后遇到的第一层筋膜层。这层平面由包被缝匠肌的纤维形成。缝匠肌止于此筋膜网络，而在远端的胫骨并无明显的止点。向深层，一层脂肪组织位于第一层和深层结构之间。股薄肌和半腱肌位于第一层和第二层之间的平面。再向深层，第一层形成的筋膜覆盖腓肠肌的两个头和腘窝结构。这一层为肌腹和腘窝区域神经和血管的支持结构。第一层总能与下面内侧副韧带的浅层纵行和斜行部分分开。如果在韧带纵行纤绯的后部做垂直切口，第一层的前部可向前翻转，暴露内侧副韧带浅层部分。大约在内侧副韧带浅层前方1cm，第一层与第二层的前部及来源于股内侧肌的髌骨内侧支持带混合在一起。在前方和远端，第一层加入胫骨外膜。
第二层为内侧副韧带浅层平面，内侧副韧带浅层包栝纵行和斜行两部分纤维。前部纤维或纵行纤维起于股骨内上髁的凹槽，宽大的纤维束垂直向远端走行，止于胫骨内面。这个止点约位于胫骨关节面下4.6cm，鹅足止点之后。后方斜行纤维起于内上髁，与第三层混合，形成后内侧关节囊。
在前方，第二层垂直分成两半。在分界线前方纤维向头端延续到股内侧肌，加入第一层，形成髌旁支持带。在分界线后方纤维向头端走行至股骨髁，并从此处发出横行纤维，在第二层中向前走行至髌骨，形成内侧髌股韧带。此内侧髌股韧带把髌骨连于股内侧髁，被动性阻止髌骨外侧脱位。在髌骨内侧下缘是内侧半月板髌骨韧带，它连接髌骨和内侧半月板前角。内侧支持带在常规MRI上能很好地显示。与髌骨脱位有关的韧带损伤或撕裂以及周围水肿和出血也能很好地显示出来。
第三层为膝关节囊层，除了该层在髌骨边缘变得很薄的部分之外，其余大部容易与第二层分开。在内侧副韧带浅层深处，第三层变得更厚，形成由短纤维构成的垂直走向的带状结构，称为内侧副韧带深层。内侧副韧带深层从股骨侧连到半月板和胫骨外周边缘的中点。在前部内侧副韧带深层与浅层因有滑膜囊间隔，能很清楚地分开；但在后部这两层混合在一起，因为深层韧带的半月板股骨部分在接近它的头端附着处倾向于与覆盖的浅层韧带融合。然而，内侧副韧带深层的半月板胫骨部分与覆盖的浅层韧带分开，被称为冠状韧带。内侧副韧带的组成在MRI上能很好地显示出来。冠状位片能提供清楚的影像，但轴位片能提供全面的信息。正常韧带在MRI上呈低信号。当有部分或完全性撕裂时，纤维变得不清楚，当韧带有水肿或出血时，在T2加权像上显示增高的信号。
第二层和第三层融合形成的后内侧区域由半膜肌肌腱和肌腱鞘的5处附着处所加强。半膜肌肌腱在胫骨的后内角有直接的腱性止点，还有一位于内侧副韧带浅层深处的胫骨第二止点。第三区域与内侧副韧带浅层的斜形纤维混合在一起。第四区域成双层向后止于近端半月板之上的关节囊。第五区域向近端和外侧走行至关节囊后部，形成腘斜韧带。
在内侧半月板浅层区域，这3层能很明显地分开。在前部、浅层和中层的一部分混合，与来自股四头肌覆盖其上的支持带扩展部融合。中层前部与浅层内侧韧带分开，形成了中层头部，保留为独立的一层，为髌股韧带。在前部，深层尽管为独立的一层，但由于非常薄而难以识别。在后部，第一层变为深筋膜，第二层和第三层融合形成关节囊。
内侧副韧带浅层主要发挥抵抗外翻应力的作用，以对抗胫骨外旋，还在前交叉韧带缺失的膝关节有较弱的对抗胫骨前移的作用。内侧副韧带浅层的纵形纤维在膝关节完全伸直位和90°屈曲位均处于张力状态，但在45°～90°屈曲位时张力最大。内侧副韧带浅层的斜形纤维看起来在其整个功能中作用较小。内侧副韧带深层在对抗外翻应力的稳定性方面只起到较弱的次要作用。
三、外侧观
膝关节外侧支持结构也分为3层。第一层包括浅筋膜（阔筋膜）、髂胫束和股二头肌的后方扩展部。第二层由前部的股四头肌支持带和不完整的后部即2块髌股韧带构成。第三层由外侧关节囊构成。在表面覆盖的髂胫束之后，后方的关节囊由2层组成。深层由冠状韧带和弓形韧带组成，系统发生学上较新。浅层代表了原始关节囊，包括侧副韧带和腓肠腓骨韧带。膝下动脉在这两层结构之间穿过。
髂胫束是阔筋膜的纵形增厚部分，走行于膝关节外侧，止于胫骨的Gerdy结节。一部分纤维又从Gerdy结节连到胫骨粗隆。阔筋膜在近端连于外侧肌间隔，并进而连于股骨。阔筋膜在后部与股二头肌筋膜融合。股二头肌由两个头组成：长头与半腱肌共同起于坐骨结节，而短头起于股骨粗线的外侧唇、外侧髁上线及外侧肌间隔。两个头的神经支配均来自坐骨神经，但是为不同的分支，其中长头由胫神经支配。而短头由腓总神经支配。两个头在膝关节上融合为一个共同的肌腱，并分为3层，浅层扩张出去，以一个宽的扩张部止于邻近的胫骨近端部分。中层是较薄、较难辨识的一层，包绕外侧副韧带并以一个滑囊与之分开。深层分叉，止于腓骨茎突和胫骨Gerdy结节。股二头肌主要作用是屈膝，但还有较弱的伸髋和胫骨外旋作用。股二头肌是膝关节外侧重要的静态和动态稳定装置，尤其在膝关节屈曲超过30°时。
膝关节外侧支持带包括浅斜支持带和深横支持带。浅斜支持带行于浅层，连接髂胫束和髌骨。深横支持带更致密，由3个主要部分组成。髁上髌骨带，又称髁股横韧带，提供上外侧髌骨支持。深横支持带从髂胫束直接连至髌骨中部，提供主要的髌外侧支持。第三部分，髌胫带连接髌骨和胫骨下端。总体上外侧支持带对髌骨的支持比相对的内侧部分的支持力更强。
第三层，外侧关节囊层较薄，为纤维性，在膝关节近端和远端连于股骨和胫骨周边。附着于外侧半月板下边缘，向胫骨关节边缘延伸的部分，又称冠状韧带。外侧副韧带起于股骨外上髁，位于腓肠肌起点的前方。它行于外侧支持带之下，止于腓骨头，与股二头肌肌腱止点混合在一起。外侧副韧带在冠状位MRI上显示最好，呈现为低密度的细带状。需要2～3个层面才能看到整个韧带的完整结构，因为该韧带为斜行走向。MRI韧带增厚或由于水肿而使韧带内信号增高，表明韧带损伤或撕裂。
腓肠腓骨韧带为外侧副韧带和弓状韧带之间的致密纤维，起于腓肠肌外侧头内的籽骨，止于腓骨茎突。在关节囊的这个部位复杂的纤维向各个方向走行，通过巧妙的剥离，剥离者几乎可以得到任何他想得到的类型。一部分纤维从股骨外侧髁连至关节囊的后部。然而弓状韧带最坚固和最一致的纤维形成三角带状，从腓骨茎突向上发散，其外侧支致密而坚固。附着于股骨和腘肌肌腱。较弱的内侧支在腘肌上弯曲走行，与腘斜韧带的纤维混合在一起。此内侧支的游离部分呈新月形，腘肌肌腱的外侧部分或股骨部分从它下方出现，止于胫骨。腓肠腓骨韧带和弓状韧带有3种变异。在大部分膝关节同时存在腓肠腓骨韧带和弓状韧带，但具有腓肠豆骨的膝关节，腓肠腓骨韧带为主，弓状韧带缺失，然而对于腓肠豆骨缺如的膝关节，则只存在弓状韧带。
腺肌通过一个长约2.5cm的强壮肌腱起于股骨外侧髁前部凹槽的凹陷处。此肌腱由滑膜包绕，穿过弓状韧带内侧支下缘，形成一薄扁三角形肌肉，止于胫骨后面腮线近端三角形平面的内2/3。也有直接附着于腓骨头者。此肌腱也附着于弓状韧带，大约一半的纤维附着于外侧半月板。半月板之下的滑膜向深处疝入肌肉中，形成腘滑囊。腘肌的作用尚存在争议，但它可能在膝关节屈曲时与半月板股骨韧带共同作用，控制半月板的活动。腘肌的主要作用是在膝关节负重位时通过使股骨外旋转，从而使膝关节解锁以允许屈曲，腓肠肌由胫神经发支支配，此分支向远端走行与腘静脉交叉，到达肌肉下缘，进入深层外侧副韧带、后交叉韧带和弓状韧带复合体联合起来作用，稳定膝关节的后外侧角，以对抗外翻应力、胫骨外旋转和后屈曲。这些结构的损伤导致后外侧旋转不稳定。
四、后面观
腘窝外界为股二头肌肌腱，内界为半膜肌肌腱和鹅足肌腱。在远端这个空间由腓肠肌的两个头包绕。腘窝顶部由深筋膜形成，其底部包括股骨的腘面、膝关节后关节囊和腘肌及覆盖的腘筋膜。
股二头肌位于髂胫束之后，形成腘窝外侧壁。半腱肌起于坐骨结节，向远端走行，位于半膜肌表面内侧。半膜肌起于坐骨结节上部和外侧凹陷处。它向远端和内侧走行，位于股二头肌和半腱肌起点的深处。其肌腱形成腘窝的近侧和内侧边界，止于胫骨后内侧面的凹槽。前面已描述有许多扩展部加强关节裂的后内侧部。在正后方，有一个强大的扩展部，称为腘斜韧带，向近侧和外侧走行，与后关节囊和从外侧来的弓状韧带混合。腘绳肌的神经支配来源于坐骨神经的胫神经分支。股薄肌起于耻骨下支，沿大腿内侧向远端走行。在大腿下2/3，这些纤维止于一条长肌腱，位于半腱肌肌腱内侧。它由闭孔神经支配，缝匠肌起于髂前上棘，向远端和内侧走行于大腿的前部，形成收肌管的顶部。它由股神经分支支配。在远端，缝匠肌肌腱变得宽大，较股薄肌和半腱肌不易辨识；它不直接止于胫骨，分散分布的肌腱纤维与膝内侧第一层混合在一起。缝匠肌、股薄肌和半腱肌的肌腱共同组成了鹅足。缝匠肌肌腱扩展部较表浅，覆盖了股薄肌和半腱肌的止点。半腱肌的止点正位干胫骨上股薄肌止点的远端，形成了平均宽度20mm的联合结构；最近端关节止点距胫骨结节尖端的远端平均为19mm，内侧为22.5mm。止于鹅足的肌肉作用为膝关节的屈曲和内旋。
当膝关节屈曲时，股二头肌肌腱可在外侧皮下摸到，在内侧有两条肌腱非常明显，股薄肌肌腱位于半腱肌肌腱内侧。大收肌的坐骨纤维源于腘绳肌肌群。此纤维向远端走行，形成一短肌腱，止于股骨内侧髁收肌结节。股血管通过位于此肌肉止点处的缝隙进入腘窝。与腘绳肌一样，此大收肌部分也由闭孔神经支配。
腓肠肌以一个外侧头起于股骨外侧髁，以一个大的内侧头起于股骨的腘面和股骨内侧髁。外侧头有一大的肌性起点，但内侧头起于内侧髁与内侧副韧带的附着点相邻部分，则为腱性的。两个头融合在一起，与比目鱼肌形成共同的肌腱，在远端变窄，止于跟腱。
跖肌有一小的肌腹，起于股骨外上髁线，位干腓肠肌外侧头的深面。它形成一条非常细长的肌腱，向远端走行位于腓肠肌内侧头的深面。约7%的人跖肌缺如，在人类这是个退化结构。
比目鱼肌起自腓骨骨干后面上1/4和腓骨头，穿过胫后血管神经的肌腱弓及胫骨后面的比目鱼肌线，它的肌腱与跟腱深面交织在一起。腓肠肌、比目鱼肌和跖肌由胫神经支配。
五、活动和功能
膝关节外侧稳定性由几个结构共同维持。在伸直位时，髂胫束纤维至关重要，因为这些纤维附着于股骨近端、胫骨远端，它们可被视为真正的韧带。但是，电刺激阔筋膜张肌和在尸体标本上牵拉髂胫束，导致阔筋膜张肌和臀大肌收缩，并不向胫骨传导，因此髂胫束并不发挥肌腱的作用。在膝关节屈曲时，髂胫束向后移动，变得较为松弛，在屈曲超过30°时，股二头肌肌腱可能成为最重要的外侧稳定结构。
外侧韧带伸直时变紧，但整个屈曲过程中均松弛，弓状韧带也是这样。因此在屈曲过程中，向外侧旋转的可能比向内侧程度更大。外侧半月板的附着和屈曲时支持韧带的松弛允许这种旋转运动，此外，股骨在胫骨上有较大程度的旋转，因此在内侧这种旋转运动很小。腘肌肌腱在外侧半月板上的附着使半月板被牵拉向后，避免了膝关节屈曲时的半月板嵌顿现象。
前交叉韧带包括了两种功能性束带，即前内带和较粗壮的后外侧部分。伸直位时，韧带看起来像是扁平带状，后外侧大半韧带紧张。几乎在屈曲刚开始时，较小的前内侧带变紧，而其余大部分韧带则松弛。屈曲时是前内侧带提供了对抗胫骨前移位的主要限制力。
后交叉韧带包括两个不可分割的部分，前部构成了韧带的大部分，后部较小的部分斜行走向胫骨后部。伸直位时韧带大部分松弛，只有后部紧张。屈曲时，韧带大部分变紧，小部分松弛。
前交叉韧带既对抗过伸，又对抗内外旋转。假设前交叉韧带是完好无损的，后交叉韧带在膝关节屈曲时控制后稳定性，但在过伸时则无此作用。
前交叉韧带伸直位时紧张将股骨外髁固定在前部，这样只有在股骨同时内旋时才可继续运动到过伸位。
旋转发生于通过股骨内髁中心的轴线，起于此髁被外侧副韧带浅层附着处。如果此韧带断裂，旋转轴向外偏转。因为旋转时的旋转轴内移，胫骨外旋通过股骨外髁的前移使得前交叉韧带松弛，同时使后交叉韧带受到牵拉。内旋时相反，牵拉前交叉韧带，松弛后交叉韧带。
胫骨沿股骨的旋转运动发生于整个运动过程中。前交叉韧带在屈曲时限制外旋，但限制内旋作用很小。伸直时前叉交韧带对抗外旋，较小程度地对抗内旋。因此，对于交叉韧带的精确功能还有许多不同意见。
上述结构功能不全时，就会产生膝关节稳定障碍，如单纯侧副韧带损伤时，会产生内翻或外翻松弛。交叉韧带损伤时，则产生前拉或后推松弛。但此种直线不稳少见。临床上常遇到的是旋转不稳，如后内侧组韧带、内侧半月板及前交叉韧带损伤时，则膝关节纵轴外移，胫骨内侧髁可过度前移，产生常见的前内侧旋转不稳。当后外侧组韧带损伤，外侧半月板及前交叉韧带损伤时，此时膝关节纵轴内移，胫骨外侧髁可过度前移，产生前外侧旋转不稳，同样，如伴有后交叉韧带损伤，则可产生后外侧或后内侧旋转不稳。韧带松弛或断裂产生的膝关节不稳，可由肌腱紧张来代偿。
膝关节不仅是一个屈戌关节，又因半月板的形状和活动功能，其具有某些球窝关节的特征，即不仅能屈伸，还具有一定范围的旋转运动。这些运动的配合，使人们能完成日常生活的走、跑、跳等活动。
膝关节单一运动的完成：膝关节在伸直位时，各韧带紧张，骨及软骨接合紧密，无旋转余地。在屈曲位时，则外侧及内侧副韧带后部、后关节囊、腘斜韧带等松弛，股骨髁后部弧度大的部位与胫骨髁面接触点小，使膝易于产生一定范围的旋转活动。
（1）膝关节的伸直运动：膝关节由屈位伸直时，由股四头肌牵拉，此时两股骨髁向前转动并向后滑动，股骨内侧髁大且弧度较长，故其转动及后滑较外侧为快，外侧及内侧副韧带变紧张，交叉韧带紧张，以阻止股骨前移和膝过伸。在接近完全伸直的最后10°～15°时，股骨外侧髁的转动及后滑已完成，内侧髁连同内侧半月板加速进行其后滑，使股骨在胫骨面上做一定内旋，致外侧副韧带进一步紧张，前、后交叉韧带相贴而分开，内侧副韧带前部前移，后部与腘斜韧带皆拉紧，使整个关节交锁稳定。股骨、半月板及胫骨间也嵌紧稳定。
在伸膝时，股四头肌各部产生的合力拉髌骨向上，通过髌韧带将小腿伸直。此时，髌骨逐渐由上部关节面与股骨髌面下部的接触，渐变为下部关节面与股骨髌面上部接触。特别在最后10°～15°时，髌骨沿股骨髁做较大前移，股四头肌也增加其拉力的60%，加大力矩，使膝完全伸直。
在膝伸直过程中，由阔筋膜张肌及臀大肌牵拉的髂胫束起稳定作用，但其伸膝作用尚不肯定。由于伸膝常与伸踝及伸髋有联系，特别在负重直立时，臀大肌抗股骨向后，腓肠肌和比目鱼肌拉胫骨向后，起协助伸膝作用。
（2）膝关节的屈曲运动：膝关节由伸直位开始屈曲时，先由腘肌牵拉胫骨内旋或股骨外旋，此时股骨内髁连同内侧半月板前移，使膝先纠正在最后伸直过程中的外旋。腘绳肌的牵拉以及部分腓肠肌的作用使膝屈曲，同时髌韧带及髌骨逐渐陷入股骨髁间，以控制股骨的活动。
（3）膝关节的旋转运动：膝关节只能在屈曲位时，才能做内、外旋活动。一般膝关节屈曲90°时，膝的旋转度最大。膝关节在屈曲45°时平均旋转40°。膝关节的外旋主要依靠股二头肌及髂胫束，内旋时则腘肌起主要作用。