膝關節的構造

人體最大的關節

  您若問道:「人體有幾個關節?」大概很少有人能斬釘截鐵的給個答案。

  的確,這是無法正確回答的問題。怎麼說呢?首先,人體骨頭的數目就很難說定,隨著年齡有些變化,胎兒約有三○○塊骨頭,出生時,就已有部分互相癒合了,到了成年,平均剩下二○六塊骨頭。

  關節,就更難計算了,本身的定義就有點複雜。若說兩塊骨頭的接觸面就是關節,那麼,關節可大分為:不可動關節(Synarthroses, Immovable Joint),頭蓋骨之間就是靠這種關節緊密結合(圖1),牢固的保護著裡面的重要器官;少動關節(Amphiarthroses, Partially Movable Joint),最典型的例子就是脊椎骨之間的連結(圖2),雖然允許有限度的活動,然其穩定度對保護裡面的脊髓是更重要的;可動關節(Diarthroses, Freely Movable Joint),大部分的關節屬於這一類。

  若把關節的定義局限在可活動的骨骼界面,則可依其構造以及活動特性分為以下五種:鉸鏈型(Hinge Joint),主要是做伸屈方向的運動,如肘關節(圖3)、膝關節、踝關節及手指間的關節;樞軸型(Pivot Joint),容許旋轉的動作,如第一及第二頸椎關節(圖4)使頭部能旋轉,或前臂之橈尺骨關節讓手掌能做翻轉的動作;球臼型(Ball and Socket Joint),有最大的自由活動度,如肩關節(圖5)及髖關節;滑動型(Gliding Joint),如脊椎骨間的關節(圖6),允許少量的活動度;馬鞍型(Saddle-shaped Joint),可做前後左右的活動,但無法旋轉,如腕關節及拇指之基底關節(圖7)。當然,多數關節的活動是混雜著兩種以上的運動方式。

  因此,「人體有幾個關節?」確實是無法明確回答的問題,只能說:大約兩百多至三百多吧!不過,若問道:「人體最大的關節為何?」就只有「膝關節」這個答案了!

完美的組合——認識膝關節的構造

  膝關節不僅是人體最大的關節,構造也是最複雜的,它擁有最大表面積以及體積的軟骨,由於它在下肢活動時經常是一馬當先,位居樞紐位置,又必須承受數倍於體重的力量,也就最容易受到傷害,而導致各種足以影響日常生活的病變。以「退化」性關節炎來說,其發生機率僅次於脊椎。 讓我們先來認識膝關節的構造(圖8)。

圖8-1
骨架
上端股骨(Femur)、下端脛骨(Tibia)及前方髕骨(Patella)。

圖8-2
關節囊及滑液囊
強軔的關節囊包覆在關節周邊,形成密閉的關節腔室,嚴密的與外界隔絕,周邊的疾病不易入侵。滑液囊覆蓋在關節囊的內面,有豐富的神經血管分布,滑液囊會持續分泌黏稠的關節液,滋潤軟骨。

圖8-3
連結韌帶
要維持關節的穩定性,除了靠肌肉的張力外,最重要的就是這些連結骨骼的韌帶了,韌帶受損的關節就像螺絲鬆動的椅子,是無法承受重量的。
半月軟骨
內外各一片,平整的夾在股骨與脛骨之間,在膝關節活動時會前後左右滑動,吸收撞擊及摩擦力,有保護關節軟骨的功能。
圖8-4
關節軟骨
平整的覆蓋在骨端表面,表面光滑,富彈性,不但能使關節靈活運動,而且能緩衝外力的撞擊。
包覆肌肉
前有股四頭肌(Quadriceps)、後有大腿後側肌群(Hamstrings),不但能增加穩定性,更能使膝關節靈活運作,舞出璀璨的生命。

神奇的軟骨

  軟骨是一種非常特別的結締組織,由軟骨細胞(Chondrocyte)以及胞外基質(Extracellular Matrix)所組成,與其他體內的結締組織相較,較特別的是,它並沒有血液循環以及神經的分布。人體的軟骨,依其功能來分,有以下幾類: 1.透明軟骨(Hyaline Cartilage):構成氣管的軟骨,就是典型的例子(圖9)。

  1. 透明軟骨(Hyaline Cartilage):構成氣管的軟骨,就是典型的例子(圖9)。
  2. 彈性軟骨(Elastic Cartilage):如會厭軟骨(圖10)、外耳、耳蝸,其組織學構造與透明軟骨相似,不過,有較緻密的彈性纖維。
  3. 纖維軟骨(Fibrous Cartilage):如脊椎的椎間板、膝關節內的半月軟骨(圖11),與其他類型軟骨不同的是,第一型膠原纖維占了間質的大部分,只有稀疏的軟骨細胞。
圖9 氣管的構造
圖10 會厭軟骨

圖11 半月軟骨

  1. 關節軟骨(Articular Cartilage):是一種特殊的透明軟骨,包覆著骨頭的末端,形成關節面,關節軟骨的特殊性質(滑潤、耐磨、抗壓),讓它能勝任人體複雜而多采多姿的生活(圖12)。

膝關節軟骨的結構

  膝關節上端的股骨(Femur)以及下端的脛骨(Tibia)末端,均包覆著一層平均厚度為二‧二毫米的關節軟骨,在正常情況下,是純白發亮、光滑而富有彈性的(圖13),既沒有神經,也沒有血管的分布。整個關節包覆在密不透氣的關節囊內,關節囊的內裡鋪有一層薄如蟬翼的滑液膜,滑液膜分泌的關節液,清澈而帶點淡淡的琥珀色,黏稠滑潤如蛋白,正常狀態,整個膝關節內僅有將近一毫升的關節液,軟骨間有了這層介質,活動時,摩擦係數可降至最低,表面不易磨損。軟骨細胞所需的養分,也是在關節活動擠壓時,藉由關節液滲透提供的。當關節發炎時,關節液分泌增加,水分比例增加,黏稠度大幅降低,失去了保護軟骨的功能。

圖13 關節鏡下的正常膝關節軟骨
圖14 關節軟骨的組成及結構

關節軟骨的組成及結構


  關節軟骨是由分布稀疏的軟骨細胞(Chondrocyte)及細胞間質(Matrix)組成的,間質的主要成分是水(占了七十~八十五%)以及由軟骨細胞製造的蛋白聚糖(Proteoglycans)和第二型膠原蛋白(Type II Collagen)。有如奶瓶刷狀的蛋白聚糖是由核心蛋白質以及附著其上的葡萄氨聚糖(Glycosaminoglycans,主要是硫酸軟骨素〔Chondoitin Sulphate〕及硫酸角質素〔Keratan Sulphate〕)組成,而這些蛋白聚糖更結合在透明質酸(Hyaluronan)上而聚合成巨大的分子。就這樣,水、鏈狀巨大分子,與網狀膠原蛋白交織成富彈性的軟骨細胞間質(圖14)。

膝關節軟骨的生長及代謝


  雖然醫界及學界普遍認為關節透明軟骨沒有或只有低再生能力,但有些研究的觀察卻發現關節透明軟骨在胎兒、產後新生兒或人體受傷後,確實有明顯的增生以及復原能力。學者從各種不同膝關節炎畸形矯正案例研究中也觀察到關節軟骨直接或間接再生證據,有人發現,關節軟骨顯現的低代謝轉換,高度混雜了合成和分解的代謝途徑,此一觀點跟傳統認為關節軟骨組織近似於代謝停滯的刻板印象完全不同。
  關節透明軟骨到底有沒有再生能力?現代醫界仍無一致看法。其實,只要找出關節軟骨如何維持合成及分解代謝平衡的關鍵因素,就能解開軟骨退化之謎。
  根據我們十幾年來執行「膝關節健康促進方案」的經驗,在數以千計的案例中,觀察到軟骨再生的現象不勝枚舉(見*頁*圖)。眼見為憑,這些事實讓我們不得不相信:軟骨確實有自我修復的能力!

有趣的膝關節運動學(Kinematics)及動力學(Kinetics)


  簡單的說,運動學是研究膝關節的各種活動軌跡,而動力學則是探討膝關節在這些活動時的力學變化,有了這兩項知識領域的基本認識,就能進一步了解如何正確使用並保護我們的膝關節。

膝關節的運動學(Kinematics)


  膝關節不僅是人體的最大關節,也是下肢自由活動的樞紐。肩負如此重任,它不但要有足夠的自由度,也必須有適當的穩定性,才能在執行各種複雜的運動中承受身體及地心引力產生的壓力(以最單純的走路為例,踩下的瞬間,壓力即可達體重的三倍)。膝關節連結的大腿與小腿間,有四個活動的自由度:伸直彎曲、前後移位、內傾外斜以及左右旋轉。其中,伸直彎曲是最主要的部分。
  我們不禁要問,是如何的構造,讓我們的膝關節軟骨得以在長期背負如此重責大任下不受傷害呢?
  膝關節的骨架決定了關節活動的模式,它的外型似乎暗藏玄機:大腿骨(股骨)末端圓形的股骨髁,其半徑是內大外小,而承接在下的小腿骨(脛骨)上端的平臺,其表面形狀迥異,呈內凹外凸的特殊外型(圖15)。這樣的特殊構造,由韌帶連結並包覆在強壯的肌肉群中,形成一種特殊機械結構——四角連桿機構(Link Quadrangle)(圖16)。

圖15 脛骨平臺:內側凹,外側凸。
  • 圖 16
  • A圖,大圈圈為股骨內髁的旋轉圓弧,上方紅點為其圓心,小圈圈為脛骨內側平臺(凹)的旋轉圓弧,下方紅點為其圓心
  • B圖,四個圓心組成的四角連桿機構
  • C圖,上方圈圈為股骨外髁的旋轉圓弧,上方紅點為其圓心,下方圈圈為脛骨外側平臺(凸)的旋轉圓弧,下方紅點為其圓心。

  這樣的結構,意味著以下的運動特性:
    1.在初始的三十度,關節是以滾動方式活動。
    2.接下來,三十度至六十度間,除了滾動,開始有些滑動。
    3.超過六十度後,以滑動為主。
  結構決定了運動軌跡,這樣的運動軌跡深藏著人類生命的奧祕:正常狀況,膝關節的這種巧妙結構對其軟骨提供了最好的保護作用!
  怎麼說呢?先讓我們看看日常生活中最常從事的活動,膝關節的彎曲角度(表1)。

活動膝關節彎曲角度(活動範圍)
走路0~20
跑步0~30
上樓梯0~85
下樓梯0~90
坐椅子0~95
綁鞋帶0~110
蹲下取物>130
表1 日常活動中膝關節的彎曲角度

1.走路:

  若以單腳走一步當成一次循環,有六十%的時間是著地,四十%的時間是離地的(圖17)。值得注意的是,在腳著地的階段,膝關節的彎曲角度絕不會超過二十度!也就是說,在負重的狀況下,膝關節的活動是以滾動方式活動(依據前述的四角連桿機構原理),軟骨並不會受到摩擦力的傷害!而,膝關節在彎曲角度必須超過三十度時,腳早就離地而不需負重了!這樣的巧妙安排,是否很神奇?

圖17 步態周期(黑色下肢)

站立期(Stane Phase)60%

擺盪期(Swing Phase)40%

膝彎曲角度

2.跑步:

  相較於走路的步態分析,跑步時,單腳著地的時間較短,占整個循環的四十%,不過,單腳著地的階段,膝關節的彎曲角度雖然會達到三十度,也未超過膝關節四角連桿機構的三十度安全範圍(圖18),甚且,跑步並非人類行動的常態。

圖18 跑步周期(紅色下肢)

膝彎曲角度

3.爬樓梯:

  無論是上或是下樓梯,膝關節在著地時彎曲的角度都會在九十度左右,已遠遠超過安全範圍了,當然,這並非人類在自然狀態從事的動作。

  根據達爾文用進廢退的演化理論,這樣的巧妙結構是人類為了適應環境,歷經千萬年逐漸演變而來的。不過,這樣的四角連桿機構必須靠韌帶、半月軟骨、以及包覆在外的肌肉群協調合作,才能發揮作用。也就是說,骨架、韌帶、半月軟骨、以及包覆在外的肌肉群,缺一不可,任何一部分若因各種原因發生缺損,都會影響這個精緻的運動機構的巧妙設計,使得保護軟骨的功能大打折扣!

膝關節的動力學 (Kinetics)

  接下來,讓我們看看膝關節在各種活動時的受力情形,無論是走路、跑步、或是上下樓梯,從腳跟著地開始,直到腳尖離地,膝關節軟骨就持續承受著大小不一的壓力,這壓力主要來自地心引力(即體重產生的力量)加上肌肉為了反制地心引力以維持身體直立或讓身體移動而產生的拉力。

我們的膝關節軟骨到底能承受多大的壓力呢?

  根據多位學者的研究,在正常情況,軟骨組織隨時都承受著三~十MPa的壓力,對正常甚至受損的軟骨細胞,這樣的壓力對新陳代謝有正面的刺激效果,不過,若壓力超過十五MPa,就可能有破壞作用了。當然,受力的持續時間也很重要,一般來說,軟骨較能承受間歇施予的壓力(如:走路、跑步),這種形式的壓力有幫浦作用,能增加關節液的滲透,促進軟骨新陳代謝。相反的,持續的過大壓力,就會導致軟骨破壞崩解了。

  平常,一個七十公斤重的人在地表上站立,膝關節面會持續承受七○○N的作用力。若換算成壓力(即單位面積所受的力),能更清楚的比較各種狀況下關節面的受力情形! 也就是說,一個七十公斤重的人在地表上站立,膝關節軟骨受的壓力是:七○○N/cm2,也就是七Mpa。

  根據前述研究的發現,小於十五Mpa(一五○○N/cm2)的壓力對軟骨組織的新陳代謝是有益的,換成實際的說法,體重七十公斤的人,膝關節軟骨可承受兩倍體重產生的壓力。

根據牛頓第二運動定律:F = ma(即力量=重量x加速度)
1.力的單位為Newton(N,牛頓),重量的單位為Kg(公斤),加速度的單位為m/s2(公尺每秒每秒)因此,1N =1kg m/s2
2.在地球上,任何物體因地心引力都會產生9.8 m/s2的加速度,一公斤的重量等於會在地表產生9.8N的力量(一般運用上,簡化為10N)。

壓力(單位為Pascal, Pa)的定義:單位面積所受的力。
1.1Pa=1N/m2
2.1Mpa =1,000,000N/m2=100N/cm2(M=Mega =1,000,000;1m=100cm)

  膝關節面在日常生活上從事各種不同動作時的受力情形是非常複雜的,是以下三種力量的總和:體重加諸於地面的反作用力、活動時肌肉為了維持身體及關節穩定所產生的收縮作用力、以及為了移動所需的額外肌肉收縮作用力。這三種力量是動態的,隨時間點有不同變化。以走路為例,膝關節面的受力在腳跟著地時,因來自地面的反作用力、加上肌肉群為了維持穩定所產生的收縮力,而達到第一高點,接著,當腳掌離地前的一剎那,肌肉群為了產生讓身體往前移動的推力加強了收縮力,關節面的受力因此達到最高峰,腳掌離地後,作用力降到最低,在懸空往前擺動的末期,為了準備著地,肌肉開始收縮,關節面作用力又開始增加。如此,有如波浪般時大時小,週而復始。

綜合諸多實驗室的研究結果,日常生活常見的動作,膝關節面的最大彎曲角度以及受力情形如下(表2):

表2 日常活動中膝關節彎曲角度及關節面受力情形

活動膝關彎曲角度關節面受力
走路0~201~3倍體重
跑步0~303~9倍體重
上樓梯0~853~4倍體重
下樓梯0~903~4倍體重
從坐姿站起0~955~6倍體重
蹲下取物>1307~8倍體重

Life is movement, movement is life !

淺談關節

骨骼的連接處稱為關節

人體的骨頭就藉由96個主要關節結合在一起

經由神經控制肌肉的牽動

產生各種複雜而協調的動作

豐富了人類的生命

人體最大的關節分為三大類:

 不可動關節(Synarthroses, Immovable Joint)

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完美的組合-認識膝關節的構造

 關節軟骨

平整的覆蓋在骨端表面,表面光滑,富彈性,不但能使關節靈活運動,而且能緩衝外力的撞擊

 肌肉

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