髌骨对膝关节运动影响的生物力学分析

第２４卷第２期　２００８年２月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　山东体育学院学报　ｏｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｓｐｏｒｔｓ　Ｖｏ１．２４　Ｎｏ．２　Ｆｅｂｒｕａｒｙ　２００８　髌骨对膝关节运动影响的生物力学分析　金丽颖　（山东体育学院，山东济南２．５００６３）　摘要：膝关节伸膝效率的高低与髌骨的结构特点、膝关节的角度和股四头肌收缩力量的大小有着直接的关系，通过ｘ光射线对髌　骨的测量，运用运动解剖学和运动生物力学的理论，研究髌骨的结构、股四头肌的结构和膝关节角度对膝关节运动的影响，对运动　员弹跳能力的评价和运动选材方面具有较大的实用价值。　关键词：髌骨；股四头肌；膝关节；肌力臂；关节角度　中图分类号：Ｇ８０４．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—２０７６（２０￣｝０２—００６０—０２　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｐａｔｅｌｌａ　０１１　ｋｎｅｅ　ｊｏｉｎｔ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ＪＩＮ　Ｌｉ一　（Ｓｈａｎｇｄｏｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＰｈｙｓｉｃａｌ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｓｐｏｍ，如　ｎ　２５００６３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　ｌｅｖｅｌｓ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｈｉｎｇｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｐａｔｅｌｌａ　ａｎｄ　ｑｕａｄｒｉｃｅｐｓ　ｆｅｍｏｒａ’ｓ　ａｆｆｃｔｅ　ｋｎｅｅ　ｊｏｉｎｔ　ａｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　Ｘ　ｒａｙ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｎｄ　ａｔｈｅ　ａｎａｔｏｍｉｃ　ｎｄ　ｓａｏｒｐｔｓ　ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎａｌｙｉｓｉｓ　ｏｆ　ｐａｔｅｌｌａ　ｎｄ　ｑｕａｄｒｉａｃｅｐｓ　ｆｅｍｏｒｉｓ　ｆｅａｃ￣ｓ　ｎｅ　ｊｋｏｉｎｔ　ａｃｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｏｆ　ｇｒｅａｔ　ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｃｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｅｌｃｔｅｉｏｎ　ｏｆ　ａｔｈｌｅｔｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐａｔｅｌｌａ；ｑｕａｄｒｉｃｅｐｓ　ｆｃｍｏｒｉｓ；ｋｎｅｅ　ｊｏｉｎｔ；ａｎｎ　ｍｕｓｃｌｅ；ｊｏｉｎｔ　ｏｆ　ｎｇｌａｅ　不同运动项目的蹬伸动作因技术动作的特点要求不同，膝　关节的角度也不同。膝关节伸膝效率的高低，与髌骨的结构特　点、膝关节的角度和股四头肌收缩力量的大小有着重要的关　系，股四头肌是膝关节的主要伸肌，蹬伸动作要求股四头肌在　远固定条件下收缩完成，其收缩力量的大小和髌骨的结构、股　四头肌的肌力臂和膝关节的角度有着密切的关系。髌骨是人　体最大的籽骨，位于股四头肌的肌腱内，形状为上宽、下尖、前　后扁，前面粗糙，后面为光滑的关节面，与股骨髌面构成髌股关　表１表明髌骨的厚度实验组大于对照组，且男子都大于女子。　髌骨的厚度男子实验组和对照组相差２．７　ｎｍａ；女子实验组和对　照组相差２．４　ｎｍａ；髌骨厚度的增加，使股四头肌肌拉力线到膝　关节中心垂直距离的肌力臂也随之增加，同时伴随着肌拉力线　和骨纵轴之间的肌拉力角也随之增大，肌拉力角的增大有助于　肌肉收缩。因为肌肉附着在骨骼上，所以人体大部分骨骼肌的　肌拉力角都小于４５。，导致骨骼肌的加固分力大于转动分力。　在膝关节运动中，髌骨厚度的加厚，有助于膝关节围绕额状轴　在矢状面内做伸运动，以增大股四头肌的转动分力，同时增大　节。髌骨是构成膝关节的骨之一，它的存在可加大股四头肌的　肌力臂，为此肌收缩，尤其是为伸膝动作创造了良好的力学条　件。　转动角速度，根据线速度公式Ｖ＝Ｒ∞，当转动半径不变的情况　下，角速度和线速度成正比。髌骨的厚度增大了髌韧带在胫骨　粗隆上的角度，髌骨越厚，其角度越大，股四头肌的肌力臂也就　１研究方法　１．１研究对象：实验组为８名二级跳远运动员（男女各４名）和　对照组无运动史的８名健康大学生（男女各４名），年龄１８～加　岁，身高女子平均１６５　ｃｍ，男子平均１７７锄。　１．２研究方法：固定标尺参照条件下，采用侧卧、仰卧和直立三　种姿势对髌骨进行Ｘ光射线拍摄，采用ＳＰＳＳ１２．０统计软件包，　对测试数据进行统计学处理。　越大。研究结果表明，髌骨可以使股四头肌的肌力臂增加　１０％…，髌骨被切除者，股四头肌的肌力臂减小，在完成主动伸　膝动作时，膝关节最后１５。，伸直不能完成，而且膝关节半屈位　时常会感到稳定性减弱（见图１）。　表１髌骨测量值　ｍｍ　２结果分析　２．１髌骨的厚度和股四头肌的肌力臂关系　髌骨的厚度是指髌骨关节面与前面最突出点之间的距离。　收稿日期；２００７—０７—０５　作者简介：金丽颖（１９５８一　），女，辽宁本溪人，研究方向运动技术的运动解剖学和运动生物力学分析　６Ｏ　＊Ｐ小于Ｏ．０５，差异具有显著性　＊＊Ｐ小于Ｏ．Ｏ１，差异具有高度显著性　维普资讯 http://www.cqvip.com 金丽颖髌骨对膝关节运动影响的生物力学分析　股四头肌（有髌　●ｌｌ　，，图　２．２髌骨高和宽的分析　髌骨是伸膝结构中的一个重要组成部分。髌骨形状不规　则且厚度不均，前面粗糙，为股四头肌腱所包围；后面完全为软　骨所覆盖并与股骨髌面构成关节，其中部有一嵴将髌骨关节面　分为２个小面，同股骨的髌面组成髌股关节。髌骨高：髌底最高　点至髌尖最下点之间的直线距离；髌骨宽：髌骨两侧最突出点　之间的直线距离，与最大高度垂直。髌骨高男子实验组和对照　组相差２．６　ｒａｍ；髌骨宽男子实验组和对照组相差２．３　ｒａｍ；髌骨　高女子实验组和对照组相差２．８　ｍｍ；髌骨宽女子实验组和对照　组相差３．２　ｉｎｉＨ。髌骨高和宽增加了髌韧带和股骨之间的接触　面积，使压力更均匀地分布在股骨上，改善了股四头肌工作的　力学条件，增大了肌力矩和肌肉收缩前的初长度，因而运动效　果好。因此，髌骨的测定对研究运动员下肢的运动能力及运动　员选材具有较大的实用价值。　２．３髌骨与膝关节角度的关系　髌骨的存在增大了肌腱抵止角度，从而增大了股四头肌工　作的肌力臂，髌骨对股四头肌肌力臂大小的影响随膝关节完全　屈曲到完全伸直而变化。在完全屈曲位时，髋骨在髁间窝内，　使髌韧带向前产生少量位移，此时股四头肌的肌力臂最小。当　膝关节伸展时，髌骨从髁间窝中升高并使髋韧带明显前移。当　伸展到４５。时，股四头肌的肌力臂长度迅速增加，此时髌骨使肌　力臂增加到大约３０％ｕｊ。　髌骨轨迹是膝关节在屈曲和伸展时髌骨相对于股骨滑车　的运动过程。髌骨在正常的轨迹上滑动是维持膝关节正常功　能的重要因素之一，髌骨的运动非常复杂，当膝关节绕额状轴　屈伸、垂直轴内旋和外旋时，髌骨的运动随之发生变化。屈膝　初期，髌骨从起始位置向远端滑移的同时，也开始向膝关节内　侧移动，屈膝到１５。一２０￣时，髌骨内移达到最大，然后转向外侧　移动，至屈膝４０￣时，髌骨又回到中位线上，继续屈膝，髌骨继续　向外移动，至１２０￣时外移达最大［２】。表２可知，膝关节的角度在　１２０￣时，股四头肌的肌力臂最大，膝关节从９０￣　１８０￣伸展过程　中，肌力臂由小到大，再由大到小，实验组都大于对照组。膝关　Ｎｏ．２　２００８　节伸的角度不同，股四头肌四个头所起的作用及参与活动的时　间顺序也不同。当膝关节从３５。　９０￣伸时，股直肌肌电活动较　明显；从９０。一１６５。股外侧肌肌电活动较明显；从１６５。一１８０￣时，　股内侧肌肌电活动较明显　ｊ。当膝关节屈曲时髌骨总体上是　向外滑动，当膝关节伸展时总体上是向内侧滑动。当膝关节从　伸展到屈曲和从屈曲到伸展时，髌骨运动轨迹是不同的，所以　增强膝关节的力量训练手段要与专项特点相适应。　表２膝关节从９０￣伸展到１８０￣时股四头肌的肌力臂变化　膝关节的角度不同，对肌力发挥有很大的差异，我国１０名　优秀短跑运动员，最大缓冲时，膝关节的角度平均值为１３８．３。，　在最大跑速跑步时，脚掌着地的一瞬间，新手与高手的关节角　度仅差４。　６。，这时肌肉的肌力臂在该瞬间可差１．３　１．４　倍　。当下蹲较深时，作用于膝关节的阻力矩也较大，在做跳　跃动作时，下肢力量强的运动员蹲得较深，开始做蹬伸动作时　膝关节角度较小，腿部力量弱的运动员反之。在各项运动技术　中，膝关节开始蹬伸的角度是不同的。总之需要发挥较大力量　时，下蹲较浅，膝关节角度大，反之较小。　３结论　３．１实验组髌骨的厚度大于对照组，股四头肌的肌力臂增大，　实验组髌骨的高度和宽度大于对照组，增加了髌韧带和股骨之　间的接触面积，使压力更均匀地分布在股骨上，长期训练且肌　肉发达的运动员，其骨上的粗隆与结节比普通人明显，所以通　过运动训练能够使骨的形态发生变化，改善肌肉的发力条件。　运动效果好。因此，髌骨的测定对研究运动员下肢的运动能力　及运动员选材具有较大的实用价值。　３．２膝关节的角度在１２０￣时，髌骨向外移动最大，股四头肌的　肌力臂最大，实验组大于对照组，膝关节绕额状轴从９０￣　１８０￣　伸的过程中，股四头肌的肌力臂由小到大，再由大到小。不同　的膝关节角度，对股四头肌的肌力发挥有很大的差异，所以，增　强膝关节的力量训练手段要与专项特点相适应。　参考文献：　［１］教材编写组．人体解剖学［Ｍ］．北京：人民卫生出版社，１９７９：　２６５．　［２］何志勇．国人髌骨形态学研究及国人髌骨假体设计［Ｄ］∥上　海：第二军医大学。２ＯＯ４．　［３］教材编写组．运动生物力学［Ｍ］．北京：人民体育出版社。　１９９９：１４１—１５１．　６１