髕股關節疼痛（PFP）的解剖及生物力學機制，PT師應該懂得更多

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Janice K. Loudon 楓葉之國話康復 ID fyzghkf123

上期《髕骨，小籽骨，大學問》對髕骨的解剖結構進行了詳細的講解（也可見文末延伸閱讀），這期將重點介紹膝關節開鏈和閉鏈運動時髕股關節的力學表現以及相關的臨床應用。

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正文

對臨床人員來說，比評估髕骨靜態對位更重要的是其動態運動，就是通常所說的髕骨軌跡（Patellar tracking）。脛股關節活動時髕骨的運動依賴股四頭肌的收縮、相關結締組織的可伸展性（Extensibility）以及髕骨/滑車溝的形狀等。作為滑動關節（gliding joint）,髕骨活動是多平面活動。這些活動包括上/下滑動，內/外側滑動，內/外側傾斜（Tilt）以及內/外側旋轉。髕骨上滑也叫做髕骨伸展（patellar extension），是股四頭肌收縮後對髕骨的上拉作用。

髕骨下滑即髕骨屈曲（patellar flexsion），發生在脛股關節屈曲時。內/外側滑動是指冠狀面的髕骨平移，與脛股關節的活動相對應。在髕骨外移時，髕骨外側緣離膝關節的外側面更近（圖10），同樣，髕骨內移時，髕骨內側緣朝向膝關節內側移動。傾斜（tilt）發生在髕骨長軸。傾斜以所涉關節面的移動方面為準。髕骨內傾（medial tilt）是指髕骨後內側面更多的傾向股骨內側髁（medial femoral condyle），相反，髕骨外傾是髕骨後外側面更多的靠近股骨外側髁（lateral femoral condyle）。

圖10 髕骨外移

開鏈運動

在膝關節的開鏈運動中，髕骨隨脛骨運動，原因是遠端髕腱（Patellar tendon）止於脛骨結節（Tibial tubercle）。屈膝時，髕骨向下滑動，伸膝時髕骨向上滑動（圖11）。股四頭肌的收縮運動可以使得髕骨往上移動約10毫米³²。

圖11 伸膝時，髕骨上移

當膝關節屈曲時，髕骨的關節活動面隨著膝關節活動範圍的變化而變化。關節面接觸點沿髕骨近端以及沿股骨髁後下方移動（圖12）。髕骨接觸面積隨膝關節屈曲的增加而增加，這有利於膝關節應力在更大的接觸面上進行分散。在髕股關節對位正常的人群中，這種外力分散使得膝關節能承受從常規性應力活動到具更高壓縮應力活動的挑戰。

圖12 不同屈膝角度時，髕骨接觸面示意圖

有文獻報道，當膝關節伸直時，髕骨正好位於股骨滑車溝近端、髕上脂肪墊（suprapatellar fat pad）和髕上滑膜(suprapatellar synovium)處^15,16,25,26。相反，Power等人的結果表明在膝關節伸直時，髕骨和滑車（trochlea）存在接觸³³。此外，滑車溝(trochlear groove)在此位置最淺，容易導致髕骨穩定性受損，存在潛在的很大的髕骨不穩定性風險。

當膝關節開始屈曲，髕骨的下方和股骨髁的最上方部分接觸。這種接觸最先始於股骨外側髁和髕骨外側面之間，但是屈膝30°時，這種接觸就非常均勻的分布在兩側股骨髁，總體的接觸面據估計可以接近2平方厘米。初始接觸面積較小，但隨著關節活動協調性增加，接觸面積逐漸加大。在屈膝60°時，髕骨上半部分與股骨滑車溝的接觸面位置略低於屈膝30°時的接觸面。隨著關節活動協調性增加，接觸面積逐漸加大。

當屈膝至90°時，接觸面積達到將近6平方厘米。此時，髕骨上半部分正好在髁間切跡（Notch）上方與股骨滑車溝相接觸。在屈膝90°至120°之間，髕骨上半部分與股骨滑車溝接觸面正好圍繞著髁間切跡（intercondylar notch）。在深度屈膝時，髕骨實際上跨越髁間切跡，僅在髕骨遠中部及外側緣接觸³⁴。當全部屈膝時，單關節面（odd facet）是髕骨與股骨內側髁的外側面間唯一的關節接觸面。

除了髕骨往上和往下的活動，從伸膝到屈膝的過程中，還涉及到髕骨的外側-內側-外側軌跡¹⁶。正常情況下，由於髕骨相對處在滑車溝中心，在屈膝時很少發生過度的內側或外側偏移。需要注意的是，在全伸膝時，因為脛骨的外旋，使髕骨稍偏向外側。在內外側每個方向上，髕骨的位移大約為3毫米。

當屈膝時，髕骨往內側滑動並位於滑車溝的中部。從45°位伸膝至0°時，髕骨從相對於股骨滑車溝的外傾位置轉為內傾5-7°³⁵。在大約屈膝30°時，髕骨滑向外側，並在隨後的膝部屈曲角度中（30°至0°），一直保持這種外側滑動。這種運動通常稱為C曲線模式（C-curve pattern）²⁶。在正常情況下，當膝關節處於伸展位時或屈曲早期時，髕骨表現為外側傾斜（髕骨外側緣下壓），但是這種傾斜非常的輕微，且認為「可被弱化（reducible）」（髕骨外側緣很容易從股骨外側髁處抬離，使髕骨保持水平。）

閉鏈運動

在膝關節閉合鏈運動中，髕骨相對的拴在股四頭肌肌腱內，因此隨著股骨在橫斷面內的旋轉，使得股骨表面在髕骨後側產生滑動¹²。當股骨過度內旋（internal rotation）,髕骨外側面接近於股骨外側髁前緣³⁵。髖關節內收（adduction）/內旋(internal rotation)的加大已被認為是造成PFP的風險因素之一³⁶。冠狀面的投射角度在臨床上已被用於判斷PFP患者的關節動力學是否存在錯誤（圖13）³⁷。

圖13 髕股關節反應性應力（PFJRF）

髕股關節反應性應力（Patellofemoral joint reaction force, PFJRF），該應力是作用於關節的壓縮性應力，取決於膝關節的角度以及肌肉張力（圖13）²⁶。髕股關節的實際受力為PFJRF除以髕股關節接觸面積，稱為單位面積的關節應力。髕骨與股骨的接觸面積越大，關節組織的所受應力就越小¹⁶。較高的PFJRF加上較小的接觸面積往往導致較高的髕骨關節應力並可能對關節軟骨造成損傷。該應力可被較差的髕骨對位所放大，這在後面我們會做進一步討論。

隨著膝關節活動中，髕骨和滑車溝接觸點的變化，相對地，關節應力也因為槓桿系統的變化而變化。非負重狀態下，0-90°的屈膝過程中，髕骨和滑車溝的接觸面增加，因此，隨屈膝角度的增加，髕股應力降低。為了最大限度地減少髕股關節應力，建議開鏈練習應該在膝關節屈曲90°到30°的範圍內進行。

當足部固定時，膝關節屈曲從90°到45°過程中，PFJRF增加，而在膝關節接近伸直時PFJRF下降¹⁶。即使是簡單的日常活動，PFJRF和髕股關節應力變化也非常大，更不用說專業體育運動了³⁸。研究表明，水平向移動時，髕股關節應力是體重的1.3倍，上下樓梯時，是3.3倍，跑步時是5.6倍，在深蹲時更達到7.8倍³⁹。

臨床運用

過度的髕股關節應力可以造成PFP^3.10。關節應力可能因為解剖結構異常或對位不齊，髕骨軌跡不正，較差的關節動力學鏈以及關節的過度使用所致⁸。對髕股關節檢查評估的目標是明確癥狀產生的可能原因。Wiberg建議將髕骨形狀作為髕骨疼痛發生的可能影響因素⁴⁰。Wiberg設計了一個基於髕骨關節面形狀的分類系統⁴⁰。然而，影像學並不能足以描述各種不同的形狀，而且也不一定如Wiberg所說的那麼有幫助。不同形式的髕骨發育不良與半脫位和脫位有關。可能的髕骨發育不良包括高山獵人帽、卵石、大髕骨和帕爾瓦髕骨。有些患者存在滑車發育不良，未能形成正常的關節面。外側滑車比正常相比顯得較小的患者更容易發生髕股關節的外側向脫位或半脫位。除了解剖結構異常，髕骨的異常對位（外側向移位）可對髕骨外側面造成過度的壓縮應力，誘發PFP。

髕骨異常滑動軌跡也會造成髕骨關節的過度應力。髕骨外側和內側穩定性的平衡對於維持恰當的髕股關節生物動力學非常重要。根據Powers等人的研究，只有50%的PFP患者存在髕骨軌跡不正，這表明可能有其它因素參與其中。最近，對於PFP的治療有一些新的治療建議，包括髖關節力量和運動評估和干預。研究人員^41.42通過對髖關節力量的評估，發現女性PFP患者的髖外展肌，外旋肌和屈肌存在肌力不良。部分研究還發現這種肌力不良還和PFP患者的關節動力學改變，例如髖內收和內旋增大相關。這種髖關節位置變化加大動態Q角度¹²或者促進膝關節內收（medilization）從而導致髕骨往外側向的軌跡不正。女性的動態Q角度在活動時通常大於男性，例如下樓梯，跑步，跳躍，急停等^43-45.

此外，還應考慮足部姿勢對髕骨位置的影響^7，46。因為各解剖節段之間生物力學上的關係，直覺上就認為遠端的足部問題（扁平足或高弓足）會對近端結構造成影響。Tiberio建立了一個理論模型專門討論距下關節前旋（pronation）對於膝關節的影響⁷。在該模型中，足過度旋前（over pronation）造成脛骨內旋以及隨後的股骨內旋，從而造成髕骨位置相對靠外側，引發PFP。相比之下，另外兩個單獨的研究小組則報道PFP患者在步態評估時缺乏足旋前^46，47。其它影響膝關節動力學的遠端因素還有踝部背屈（dorsiflexion）受限以及足中部過度活動。

結論

對影響髕股關節功能的結構和應力的全面了解，對於理解髕股關節的各種臨床問題至關重要。這些知識可用於檢查和評估患者，以及在制定康復干預方案時，幫助患者把運動練習帶給受損或易損結構的應力降到最小。

全文完！

延伸閱讀：髕骨及髕股關節的解剖

髕股關節疼痛（Patellofemoral joint pain, PFP）是運動物理治療師最常碰到的疾病之一¹。在很多運動人群中，包括跑步者²，網球運動員³等都有該病的發生。女性更為常見，對此存在許多假設^5-8。

造成PFP最常見的原因之一是生物力學功能不良⁵。髕骨和滑車溝之間的關節活動變化很大，有些人兩者之間配合的並不好⁹。同時，髕股關節需要周圍軟組織結構維持一種複雜的平衡。任何一組結構的不平衡都可能導致髕骨和股骨之間應力的變化從而導致疼痛^10-12。為了有效的治療PFP，作為物理治療師必須完全理解髕股關節的解剖結構和生物力學機制¹³。

功能性解剖

骨結構/軟骨

髕股關節是由髕骨後表面和股骨遠端滑車前表面組成的雙平面關節。髕骨是人體最大的籽骨（sesamoid）。外表上看，髕骨像倒立的三角形，嵌於股四頭肌遠端的髕腱內。上緣為底部（base），下緣為尖部（apex）見圖1。大小平均為長4-4.5cm，寬5-5.5cm，厚2-2.5cm^14,15。

圖1 髕骨示意圖

髕骨前表面無論是前後方向（anterior-posterior）還是內外方向(medial-lateral)均為凸面。髕骨後表面分為兩個不同關節面（facets）,見圖2。一個垂直的較大隆起將之分為內關節面和外關節面2個部分。這2個部分可進一步分為7個關節小面，其中3組位於水平方向：近端，中部和遠端，還有一個關節小面(Odd facet)位於髕骨後部較內側（far medial）。髕骨關節面的凸面結構是為了適應股骨內側端較寬的凹型面，以維持髕骨的對位。髕骨關節面的大部分都覆蓋有較厚的關節軟骨，可厚達7mm¹⁶。該軟骨的功能是吸收股四頭肌收縮後關節活動時帶來的應力。

圖2 髕骨關節面

股骨遠端的結構為內陷U型髁間槽（intercondylar groove），也叫滑車溝（trochlear sulcus）,由凹面的內外兩關節小面（facet）組成，同樣覆蓋有薄薄的一側關節軟骨，見圖3。和髕骨一樣，滑車溝的外側關節面較大，更向近端延伸，提供骨性支撐並改善髕骨穩定性。影像學檢查（地平線觀）可以定義滑車溝角度，即內外側股骨髁線之間的夾角。見圖4。通常，該角度在138± 6°¹⁶。角度過大表明滑車溝淺，易導致髕骨半脫位（subluxation）。

圖3 股骨髁及滑車溝

圖4 滑車溝角度

周圍軟組織

由於髕骨和滑車溝之間相對較淺以及並非嚴絲合縫，所以髕股關節的穩定需要依靠周圍軟組織結構的靜態或動態支持¹⁵。靜態穩定依靠髕腱，關節囊以及韌帶結構。髕股關節的內側結構在減少外側平移時非常重要。限制向外側移動的最主要結構是內側髕股韌帶（Medial patellofemoral ligament, MPFL）。該韌帶始於內收肌結節，止於髕骨內緣。Desio等認為屈膝20°時，MPFL提供了60%的髕骨外移限制^15，17。次要結構包括半月板髕骨韌帶，該結構始於半月板前側，止於髕骨的下1/3。另外還包括表面覆蓋肌纖維的內側支持帶（medial retinaculum）,並於內側副韌帶和內側髕腱相互交錯¹⁷。

在髕股關節外側端，下列結構起到穩定髕骨的作用：外側髕股韌帶，關節囊，髂脛束（ITB）以及外側支持帶。外側支持帶由較薄的淺層(從ITB延伸至髕骨和四頭肌)和較厚的深層(與股外側肌、髕股韌帶和髕脛韌帶交叉)組成¹⁸。在屈膝小於20-30°時，因為幾乎沒有骨性穩定性支撐，所以髕股關節的穩定性必須依靠內側，外側支持帶以及關節囊。

股四頭肌、鵝足肌群（pes anserine）和股二頭肌（Biceps femoris）這類具收縮能力的結構可有助於動態地維持髕骨對位。股內斜肌(VMO)的重要性在文獻中已被廣泛討論^18-20。VMO附著於髕骨中部、內側髕股韌帶(MPFL)和大收肌(adductor magnus)肌腱。與股內長肌(vastus medialis longus)相比，股內斜肌的斜向排列為髕骨的內側穩定提供了力學優勢^21，22。股直肌(rectus femoris)止於髕骨上緣的前部。股中間肌向後止於髕骨底部。股外側肌與ITB、表層斜行支持帶共同動態增強外側力量²³。ITB的緊張可導致髕骨移動或者往外側傾斜。下行方向的固定，髕骨主要依靠髕腱及其與脛骨結節的附著。

人體運動學（kinesiology）/生物力學

功能

髕骨的功能是多方面的。主要功能是作為股四頭肌的機械性滑輪，在膝關節活動範圍內，隨著髕骨改變伸力的方向。膝部伸力越大，髕骨的機械性滑輪作用越強。根據Huberti和Hayes的研究，髕骨在伸膝時的最後30°範圍內，起到關鍵性作用²⁴。在全伸膝時，髕骨佔到伸膝力矩中的31%，而屈膝90至120°時，僅佔13%。此外，髕骨還起到保護前部滑車的骨性盾牌作用並且因為處於股四頭肌肌腱和股骨之間，故還起到防止股四頭肌肌腱和股骨髁之間過度摩擦的作用^25，26。

靜態時的髕骨對位（alignment）

髕骨的靜態對位關係和滑車溝的深淺，股骨外上髁的高度以及髕骨形狀關係密切。通常，總體的對位關係可以通過患者仰卧位檢查進行評估。McConnell²⁷為此建立了評估標準，然後，該評估標準的區間內可信度受到質疑²⁸。對於臨床工作人員，雖然明顯異常的觀察性分析仍舊具有臨床意義，但還是具有主觀性強且不容易量化的缺點。雖然有研究認為當膝關節全伸時（從冠狀面觀察），儘管髕骨有些輕度外偏，但通常還是位於兩股骨髁的中間位置¹²。在該位置，髕骨在滑車溝上方，髕骨和股骨的接觸最小，因此，處於該位置的髕骨可移動性最強。

臨床上，Q角度也經常用於進行股四頭肌肌力線的對位識別。Q角度是股四頭肌力線（髂前上棘到髕骨中部）與髕骨中心和脛骨粗隆（tibial tuberosity）連線之間的夾角。見圖5。Q角度的正常值，男性為10-13°，女性為15-17°。Q角度增加，則認為通過弓弦效應（bowstring effect）在髕骨上產生了過多的往外側的牽拉力量^10，16。最近，相關研究表明靜態Q角度與髕股動力學或者疼痛沒有相關性^29，30。因此評估Q角度的最佳方法是通過錄像分析動態運動時的Q角度³¹。

圖5 Q角度

在矢狀面，當膝關節輕度屈曲，髕尖僅位於或略接近關節線。另一種較為複雜的測量矢狀面髕骨位置的方法叫做Insall-Salvati比率³²，是屈膝30°時髕腱長度與髕骨高度之間的比值。正常比值為1。如果比值小於0.8表示低位髕骨，可能是因為髕腱縮短所致。如果比值大於1.2，則表示高位髕骨。見圖6。如果髕骨相對高位，那麼髕骨到達股骨滑車溝這一骨性限制的距離較遠，以致於髕骨處於半脫位的更大風險之中。

圖6 髕骨位置

此外，髕骨應該保持其上/下緣與股骨的距離相等。如果髕骨的任何錶面出現往前或往後的偏離，這都叫傾斜（tilt）。在矢狀面，這些動作可描述為髕骨下極位置內陷（下傾 inferior tilt）或上抬（上傾 superior tilt）見圖7。髕骨下傾可能造成問題，因為會擠壓或刺激位於髕腱下方的髕骨脂肪墊。

圖7 髕骨上/下傾

在橫斷面，髕骨應該保持水平，內/外側緣與股骨距離相等。髕骨外傾時，內側緣高於外側緣，可導致外側髕股壓力綜合征⁴。見圖8。

圖8 髕骨外側傾斜

圍繞前後軸發生的髕骨旋轉，通常按照髕骨下極（inferior pole of the patella）的方向來定義。髕骨外旋指得是髕骨下極指向膝關節外側，相反，則為內旋。見圖9。這種旋轉性髕骨位置可能表明脛骨存在潛在扭轉，如脛骨的外側扭轉。

圖9 髕骨內/外旋轉

接第一部分，便是本文的完整版。

因篇幅原因，參考文獻（略）。

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