膝关节生物力学在生理条件和病理如何影响:一个系统综述

摘要

膝关节作为下肢主要的运动关节，是最脆弱、最易受影响的关节。膝关节损伤严重影响患者的正常生活能力和心理健康。了解正常和病变膝关节的生物力学是设计膝关节辅助装置和优化康复训练方案的迫切需要。本文系统检索了ScienceDirect、Web of Science、PubMed、谷歌Scholar和IEEE/IET电子图书馆等电子数据库(2000年至2019年11月)中可能存在的相关文章。在删除重复的文章，并对标题、摘要和全文适用纳入标准后，仍有138篇文章有待审查。选取的文章分为两组进行分析。首先，讨论和分析了正常膝关节在矢状面和冠状面正常行走、跑步、爬楼梯和坐立四种日常运动的真实运动情况和正常膝关节生物力学。其次，综述了膝关节常见肌肉骨骼疾病和膝关节神经系统疾病的运动生物力学效应的研究现状。最后，对目前研究中存在的问题进行了讨论，并对今后的研究提出了建议。总的来说，这篇综述表明，目前还没有关于正常和病变膝关节生物力学的明确评估。 The biomechanics properties could be significantly affected by knee musculoskeletal or neurological disorders. Deeper understanding of the biomechanics of the normal and diseased knee joint will still be an urgent need in the future.

1.介绍

随着世界范围内老年和肥胖人数的逐年增加，对人体运动功能障碍的研究越来越受到重视。膝关节作为下肢主要的运动关节，是最易受损伤和易感的关节[1]．膝关节损伤是影响患者正常生活能力和心理健康的常见生理问题[2]．影响因素主要有支撑体重量、辅助下肢摆动、吸收冲击冲击[3.]．运动生物力学是生物力学的一个重要分支，研究骨骼、肌肉、韧带和肌腱在人体各种运动中的协调作用[4]．这些结构的复杂相互作用使膝关节在各种正常运动中承受巨大的力量[1]．因此，研究正常膝关节和患病膝关节的运动生物力学，以辅助或恢复人体的运动功能是迫切需要的。

近十年来，出现了几篇相关综述论文，主要分为正常膝关节生物力学和疾病膝关节生物力学两个方面。对于前者，Masouros等人[5]详细分析了膝关节的运动学、力学及周围软组织。研究指出，这些结构的知识对诊断和评价治疗是非常有用的。Wang等[6综述了人体肌肉骨骼系统的建模与仿真方法。讨论了步行、慢跑、上楼梯、下楼梯、下蹲和跪等六种常见运动的膝关节运动学和动力学。Chhabra等人[1报道了未损伤膝关节的解剖结构及其相互关系，为多韧带损伤膝关节的重建提供了重要的指导。Madeti等人[4]讨论了膝关节的各种模型公式，包括数学模型、二维模型和三维模型。对作用在膝关节上的力也进行了比较。对于后者，Flandry等人[7]概述了膝关节的外科解剖，并强调了结缔组织结构和常见的损伤模式。吴等人[8[膝关节韧带损伤后，综述了正常膝关节韧带的生物和生物力学知识，以及目前重建知识的解剖学，生物学和功能视角。该研究还提供了改善膝关节韧带损伤治疗的指导。louw等人。［9[评估视力障碍对正常人群和前交叉韧带损伤或重建患者在进行如蹲、下步、落地、跳跃和切割等功能活动时膝关节运动学和动力学的影响。Sosdian等人[10展示膝关节成形术对正常行走姿势期间正面平面和矢状平面的运动学和动力学的影响。结果表明，峰值膝关节凸起角度和时刻的峰值锥形弯曲力矩增加，但膝关节置换术后增加。然而，为了我们的知识，没有综述综合文献讨论了正常和患病膝关节的运动生物力学。

了解膝关节生物力学是设计膝关节辅助装置和优化康复训练的先决条件。本文综述了目前有关正常和损伤膝关节的生物力学知识。为了更好地评估膝关节的功能，我们回顾和比较了不同研究人员在不同日常运动中的生物力学参数，包括角度、力矩、动力和刚度。为了更好地理解真实膝关节运动的运动学和动力学，本文还讨论了矢状面多中心旋转和冠状面生物力学。此外，还对常见的膝关节疾病，包括肌肉骨骼和神经系统疾病及其对膝关节生物力学的影响进行了综述和讨论。我们假设，对膝关节生物力学在生理和病理条件下的全面了解，可以显著改善膝关节辅助装置和康复运动方案的设计。

本文的其余部分组织如下。节2，提供了文献综述采用的检索策略。节3.，对所选文献，包括正常膝关节的生物力学特性和膝关节病变对生物力学的影响进行综述。节4本文简要讨论了当前研究的局限性，并对今后的研究提出了建议。

2.方法

本综述是根据系统综述和荟萃分析首选报告项目(PRISMA)进行的[11]．我们系统地搜索了包括ScienceDirect、Web of Science、PubMed、谷歌Scholar和IEEE/IET电子图书馆在内的电子数据库，寻找可能的相关文章。以下术语被用作关键词(所有数据库都相同):“膝关节”、“步态”、“膝关节生物力学”、“膝关节疾病”和“运动生物力学”。考虑到采集设备和膝关节生物力学理论研究的快速发展，搜索时间范围设定为2000年至2019年11月。最初共检索了1787篇文章。本综述主要考虑日常生活活动，排除有关深蹲、跳、切动作等较复杂活动的文章。剔除679篇文章后，选取1108篇关于日常生活活动的文章。此外，对所选文章所引用的所有文献进行回顾，并进一步深入了解其他相关作者的研究，得出了另外35篇可能被纳入的文章。然后将所有选中的文章输入Excel，消除重复。剔除511个重复后，对632篇文献进行纳入评估。

符合以下纳入标准的研究被认为是合格的:正常膝关节运动学相关、正常膝关节动力学相关、患病膝关节运动学相关、患病膝关节动力学相关、英文和全文文章。两位审稿人(LZ和ZW)独立评估了潜在研究的标题和摘要。在初步决定之后，在做出最终决定之前，对可能符合纳入标准的研究全文进行评估。在涉及分歧的案件中，咨询了一位高级审查员。在排除无关标题和筛选摘要后，仍然有203篇文章。随后，根据纳入标准进行详细的全文筛选，剔除65篇文章。最后，对138篇全文文章进行了全面审查。使用图中所示的图演示了搜索过程1．

3.结果

我们选取符合文献检索纳入标准的138篇文献，将其分为正常膝关节生物力学特性和病变膝关节生物力学特性两组。前者讨论分析了正常膝关节在矢状面和冠状面正常行走、跑步、爬楼梯和坐立等四种日常运动的真实运动和正常膝关节生物力学。对于后者，本文综述了常见膝关节肌肉骨骼疾病(KOA)和膝关节神经系统疾病(SCI、卒中和CP)的运动生物力学效应的现有知识。

３．１．正常膝关节的生物力学特性

3.1.1。矢状平面日常运动的膝盖生物力学

行走、跑步、爬楼梯、坐立是人们日常生活中非常频繁的动作。在所有的运动中，膝关节的主要功能包括支撑身体重量(BW)，吸收脚跟冲击的冲击，辅助下肢摆动[3.]根据以往的研究，被动屈膝可以达到160 在矢状面上的角度[1，5，12]．通过膝关节的峰值负荷是步行时2-3 BW，坐-立-坐时2-5 BW，爬楼梯时4-6 BW，跑步时7-12 BW [12- - - - - -14]．本节主要讨论膝关节的ROM、最大力矩、最大功率和刚度，因为它们是膝关节辅助装置设计和康复训练优化的关键指标。

如图所示2(一个)，步行步态可分为两个主要阶段:站立阶段(约占步态的0-65%)和摆动阶段(约占步态的65-100%)[15，16].站姿阶段包括三个子阶段：初始阶段（脚跟撞击至平足）、中间阶段（脚跟撞击至相反的脚跟撞击）和结束阶段（相反的脚跟撞击至脚趾离开）[16，17]．站姿阶段的膝关节被视为接受BW的减震机制[18]．摆动阶段包括两个子阶段:初始阶段(脚趾离开膝盖最大屈曲)和最终摆动阶段(膝盖最大屈曲到脚跟打击)[16，17].摆动阶段膝关节的主要功能是协助脚趾间隙的屈曲伸展、脚的放置以及在下一步承担负荷[19，20.]．郑(21]报道膝关节生物力学主要受行走速度的影响。随着速度的增加，ROM、最大延伸力矩和最大吸收功率均增大。数字2 (b)显示典型的膝关节角度-时间曲线。有两个最大的弯曲角(A和C)和伸展角(B和D)。A点和B点出现在站姿阶段，C点和D点出现在摆动阶段。比较两个弯曲角的峰值，摆动相位的值总是大于站立相位的值。表格1给出18项研究中这些点的值。点A、B、C和D的范围为6到28 摄氏度-2至5度 摄氏度，53至78度 摄氏度，和-5到16度 通常，ROM大约在53到75之间 正常行走的度数。图2 (c)显示典型的膝关节力矩-时间曲线。有两个峰伸展(E和G)和弯曲(F和H)力矩。H点出现在摆动阶段，其他点出现在站姿阶段。表格2给出了11项研究中这些点的值。不同研究中这些点的值差异很大。点E、F、G和H的范围为0.129到0.945 牛米/千克-0.675至0.067 牛米/千克，0.101至0.466 纳米/千克，以及-0.420至0.086 Nm/kg。第一个峰值伸展力矩总是大于第二个。但很难确定两个峰值屈曲力矩之间谁更大。一般来说，力矩范围约为0.458到1.265 正常行走时为Nm/kg。图2 (d)显示了典型的膝关节力量-时间曲线。其中包括一个峰值发电功率(J)和三个峰值吸收功率(I、K、L)，点L位于摆相，点L位于站相。对于膝关节来说，摆动阶段只有吸收力。在整个步态周期中，膝关节吸收力远大于产生力。穆尼和赫尔[22]发现平均净膝功率约为- 18w(平均产生功率约为18w，吸收功率约为- 36w)。表格3.从10项研究中给出了这些点的价值。点I、点J、点K、点L的取值范围分别为-1.736 ~ -0.116 W/kg、0.286 ~ 0.834 W/kg、-1.935 ~ -0.403 W/kg、-2.712 ~ -0.321 W/kg。一般情况下，正常行走功率范围约为1.035 ~ 3.214 W/kg。

如图所示3(一个)，跑步循环可分为四个主要阶段:站姿(脚跟蹬地至鞋尖脱落)，第一飘浮(脚跟蹬地至对脚跟脱落)，摆动(对脚跟蹬地至对脚跟脱落)，第二飘浮阶段(对脚跟蹬地至鞋尖脱落)[14]．跑步时膝关节的主要功能与走路时相似。比较数据2和3.，可以看出，跑步时的角度、力矩、功率曲线与步行时的曲线相似。Hamner和Delp [23据报道，膝关节生物力学主要受运行速度的影响。随着速度增加，ROM，最大延长力矩和最大吸收功率会增加。数字3 (b)显示步态周期和表格中的典型膝关节角度-时间曲线4给出了7项研究中的A、B、C和D点的角度。A点、B点、C点和D点的温度范围分别为36 ~ 60℃、13 ~ 29℃、80 ~ 129℃和10 ~ 21℃。一般情况下，跑步时膝关节的ROM在60 ~ 115℃左右。数字3 (c)显示跑步循环和表格中的典型膝关节力矩-时间曲线5给出5项研究中E、F、G和H点的力矩。E、F、G和H点的范围为1.157到2.574 牛米/千克-0.259至0.320 牛米/千克，0.135至0.585 和-1.474至-0.277 力矩范围约为1.434至3.904 运行时为Nm/kg。图3 (d)显示了典型的膝关节在跑步周期和时间曲线6给出6项研究中I、J、K和L点的幂。I、J、K和L点的范围为-1.706到-12.567 重量/千克，2.739至9.405 重量/千克-3.456至-1.525 重量/千克，以及-3.456至-6.732 功率范围为8.724～21.972 W/kg。这强调了跑步时膝关节角度、力矩和力量的范围远大于正常行走时的范围。

如图所示4（a），楼梯爬循环（包括楼梯上升和下降）可分为两个主要阶段：姿势相（约0-62％的循环）和摆动阶段（约62-100％的循环）[24，25]．站姿阶段由三个阶段组成:初始阶段(脚接触到对侧脚趾)，中间阶段(脚接触到对侧脚趾)，最后阶段(脚接触到对侧脚趾)[24，26，27]．Riener等[24]表明膝关节生物力学主要受腿长比率和楼梯高度的影响。图4（b）显示了典型的膝关节在楼梯上升和楼梯下降周期的角度-时间曲线。它们都包括一个最大的弯曲(A)和伸展(B)角度。对于爬梯，点A出现在摆动阶段，点B出现在末端站姿阶段。对于楼梯下降，点A出现在末端站姿阶段，点B出现在摆动阶段。表格7从7项研究中给出了这些点的价值。A点和B点的范围分别为83 - 102℃和0 - 11℃，楼梯的范围分别为83 - 105℃和1 - 19℃。一般来说，上楼梯时膝关节活动度为78 ~ 94度，下楼梯时膝关节活动度为76 ~ 90度。数字4（c）显示楼梯上升和下降循环中的典型膝关节时刻曲线。它们都包括两个峰值延伸（E和G）和屈曲（F和H）时刻。对于楼梯上升，点E和F发生在姿势相位和G和H在摆动阶段。对于阶段下降，点E，F和G在姿势阶段和H在摆动阶段发生。表格8从7项研究中给出了这些点的价值。点的范围E, F, G和H从0.454到1.409 Nm /公斤,-0.556到-0.145 Nm /公斤,0.027到0.144 Nm /公斤,和楼梯上升-0.314到-0.121 Nm /公斤,从0.007到1.512 Nm /公斤,-0.070到0.662 Nm /公斤,0.365到1.620 Nm /公斤,-0.266和0.040 Nm /公斤楼梯后裔,分别。一般来说，爬楼梯的力矩范围为1.010 ~ 1.815 Nm/kg，下楼梯的力矩范围为0.435 ~ 1.815 Nm/kg。数字4（d）显示典型的膝关节在楼梯上升和下降周期的功率-时间曲线。它们都包括两个峰产生(I和K)和吸收(J和L)功率。对于上楼梯，整个曲线大部分位于生成区。而对于楼梯下降，整个曲线大部分位于吸收区。表格9从4项研究中给出了这些点的价值。点我的范围,J, K和L从-1.044到2.887 W /公斤,-0.228到0.071 W /公斤,0.447到1.020 W / kg,和楼梯上升-0.739到-0.265 W / kg和从-0.212到0.569 Nm /公斤,-3.621到-0.248 Nm /公斤,-1.326,-0.429,和-5.485到-2.077 Nm /公斤楼梯后裔,分别。一般情况下，上楼梯功率范围为1.309 ~ 3.481 W/kg，下楼梯功率范围为2.114 ~ 6.054 W/kg。

如图所示5（a）从坐到站，从坐的姿势开始，到站的姿势结束。数据5（b）- - - - - -5（d）分别示出了位于静止周期中的典型膝关节时间，时刻和功率时曲线。对于膝关节，只有延伸角，延伸力矩和整个坐足式运动中的发电。最大角度，时刻和功率几乎同时发生臀部离开椅子。Hurley等人[28研究表明，膝关节的生物力学主要受腿长和椅高的比例影响。表格10给出了6项研究中膝关节角度的实验结果。A点和B点的范围分别为82 - 96℃和-3 - 22℃。一般来说，坐立循环时膝关节的ROM约为60至87度。表格11给出了9项研究的膝力矩实验结果。E点和F点的范围分别为0.619 ~ 2.187 Nm/kg和-0.198 ~ 0.609 Nm/kg。一般来说，坐立循环的力矩范围约为0.619至1.578 Nm/kg。研究人员对坐立时膝盖力量的研究很少，目前只有两名研究人员被发现。Spyropoulos等[29据报道，膝盖力量约为1.973 w / kg，适用于静止。但是Kamali等。［30.]指出，位于静坐的值为约0.560W / kg。

由于潜在生物机制的复杂相互作用，膝关节在常见的运动中表现出类似弹簧的行为[31- - - - - -33]．数字6显示矢状平面中的典型膝盖力矩角曲线。在静坐的静坐期间可以看到线性关系，以及行走，跑步和楼梯的重量验收和摆动阶段。Quasistiffy指的是线性拟合到膝关节角度曲线的斜率[33]．在行走、跑步和爬楼梯过程中，可以观察到在重量接受阶段刚度较高，而在摆动阶段刚度较低。对于步行，Zhu等人[20.]和王[12]发现，站立期膝关节准刚度分别为3.0和2.27 Nm/deg左右。Sridar等[34表明膝关节摇摆阶段的准刚度约为1.07 Nm/deg。对于跑步，Elliott等人[35，36]发现膝关节的准刚度在摆动阶段约为0.38 Nm/deg，在站立阶段约为6.6 Nm/deg。对于爬楼梯，Riener等[24]报道膝关节准刚度在上楼下楼重量接受阶段约为2.37 Nm/deg和2.42 Nm/deg，在上楼下楼摆动阶段约为0.19 Nm/deg和0.04 Nm/deg。对于坐到站，Wu等人[37]报道膝关节准刚度约为1.1 Nm/deg。

3.1.2。膝关节的真正运动和冠状平面生物力学

由于膝关节关节面形状不均匀，股骨和胫骨的物理结构复杂，膝关节运动不能像完美铰链那样简单地建模[38- - - - - -40]．真正的膝关节以多中心运动，在旋转过程中旋转中心发生变化[41]．股骨和胫骨可以近似为双椭圆结构，因此在屈伸运动中，胫骨在股骨上滚动导致前后(a -p)平移[40]．当旋转角度小于20°时，a - p会有很小的平移。因此，一个真正的膝关节的运动可以近似为围绕固定中心的纯滚动。但当旋转角度大于20°时，A-P平移开始增大，振幅可超过19 mm。因此，膝关节运动可以近似为从纯滚动、滚动和滑动耦合运动到纯滑动的渐进过渡[38，40，42]．Smidt [43]报道称，膝关节中心的轨迹在矢状面上似乎是一条J形曲线。

除了在矢状平面中的运动之外，膝关节还在水平面中具有内部外部旋转[44]．在最后10-15°在完全延伸之前，内侧股骨髁内旋转，胫骨外部旋转。与此同时，侧向弯月面向前翻译，内侧半月板被翻译。由于内侧胫铁纤维接头的较大接触表面，内侧股骨髁的长度比横向的长度长，而且由于在膝关节运动上的十字形韧带和Quadriceps股骨的局限性，膝关节是自我的锁定为偏心轮，以在膝盖延伸运动期间保持关节的稳定性[44，45]．Blankevoort等人[46]，丘吉尔等人。［47]，以及Hollister等人[48]发现膝关节的屈伸和内外旋导致膝关节中心轨迹呈螺旋曲线。

在冠状面，膝关节内收力矩和膝关节内侧和外侧腔室的载荷是生物力学的关键参数。对于前者，Gaasbeek等人[49],罗素[50，以及Briggs等人[51]的最大内收矩分别约为0.31、0.36和0.26 Nm/(kg⋅m)。费伯等人[52辛克莱],[53和Gehring等[54最大内收力矩分别为0.52、0.53和0.58 Nm/(kg⋅m)。法律(26]还有穆塞尔曼[27时，最大内收力矩分别为0.44 Nm/kg和0.34 Nm/kg。Trepczynski等人[55]报道，坐立时最大内收力矩约为0.45 Nm/kg。对于后者，罗素[50发现正常的膝关节始终有一点差异，换句话说，内侧隔室比横向隔室更多的负载。Specogna等人。［56[报道，在步态的每个阶段，负重线（WBL）不同。Cao [57]报道，内侧腔室承受60-80%的负荷。Pagani等人[58]发现约70%的联合力通过内侧腔室到达地面。

３．２．病变膝关节的生物力学特性

膝关节疾病按病因主要可分为肌肉骨骼和神经系统疾病。前者的病因在膝关节内，但这些患者的神经控制系统正常。膝关节骨性关节炎(KOA)、膝关节韧带损伤和半月板损伤是这些疾病最常见的形式，本节将主要讨论。有证据表明，外部机制的部分帮助可以缓解症状[59]．对于后者，膝盖的执行器正常，但膝盖控制系统或更先进的控制系统受损。虽然医学上不认为是膝关节疾病，但神经系统疾病会影响膝关节运动的生物力学。脊髓损伤(SCI)、中风和脑瘫(CP)是这些疾病中最常见的形式，本节将主要讨论。一些研究人员指出，外部机制和康复训练的部分或全部协助，可恢复该病人的活动能力[60，61]．

3.2.1之上。膝关节肌肉骨骼疾病及其生物力学效应

KOA是主要的健康问题之一，影响7-17%的人，特别是老年人、肥胖和有肢体损伤史的人[62- - - - - -65]．近46%的成年人一生中至少会有一个膝关节出现KOA疼痛[66]．预计到2020年，残疾儿童死亡率将成为全球第四大残疾原因[67膝关节炎的病因和进展是多因素的，包括胫股动力增大、股骨干曲度改变、骨髓扩大、房室软骨丢失、关节间隙狭窄和胫骨平台压迫。63，68]．从生物力学角度看，这些原因会改变胫股对线，影响载荷分布，进而导致KOA恶化[69]．由于内侧腔室承受约70%的总力，KOA在内侧腔室(MKOA)比外侧腔室更常见，其比例高达4倍[58，59]．

医学放射学评估、运动学分析、动力学分析和膝关节肌肉分析是膝关节炎常用的生物力学方法，如表所示。12．在医学影像学评估方面，全肢x线片上的髋-膝-踝关节角(HKAA)被视为直线测量的金标准，如图所示7（a）［63，69]．Chao等人[70]的报告显示，正常的足侧角约为178.8度，小于膝内翻所代表的角度。罗素(50]发现正常及MKOA的HKAA分别约为177.7度及174.2度。如图所示7（a）、机械-外侧-远股角(mLDFA)、胫骨内侧-近端角(MPTA)、关节线会聚角(JLCA)等也是常用的测量参数[68]．这些角度的正常值分别是85-90度、85-90度和0-2度。mLDFA大于90度，MPTA小于85度，或JLCA大于2度代表膝内翻[71]．机械轴偏差(MAD)是另一种测量方法。正常MAD在内侧约8毫米，大于正常MAD的值代表膝内翻[71]．此外，WBL比值和内侧或外侧关节间隙也被用来表征KOA。罗素(50]指出，正常个体的WBL比值为41.4%，关节内侧间隙为4.5 mm，关节外侧间隙为5.5 mm; MKOA的WBL比值为24.2%，关节内侧间隙为2.8 mm，关节外侧间隙为7.9 mm。在膝关节运动学方面，拉塞尔[50]报道，MKOA患者的膝关节屈曲方式与正常人相似，但屈曲幅度较正常人低，如图所示7（b）．Zhu等[72]发现KOA患者步态时间更长，步幅和活动度较小，足跟着地时膝关节屈曲角较大，站立阶段膝关节屈曲角波动不明显。Alzahrani [73]提示MKOA患者行走速度较慢，步长较短，站立和双支撑时间较长，步频、步幅和膝关节ROM较小。在膝关节动力学方面，Russell [50]描述了膝关节内收力矩模式相似，但MKOA患者行走时的膝关节内收力矩比正常受试者高，如图所示7 (c)．Astephen等[74观察到MKOA患者中位时膝关节内收力矩大于正常组。Guo等[75]发现MKOA患者在爬楼梯时具有更大的内收峰时刻。Rudolph等人[76施密特和鲁道夫[77]指出，KOA患者在站立早期和晚期的膝关节屈曲力矩峰值均小于正常人。菲茨杰拉德等人[78]报道内翻对齐增加4-6度可使单肢负重时内侧腔室负荷增加约70-90%。Lim等人[79]表明膝内翻超过5 基线检查时的deg值与18个月内功能恶化程度大于5个月的值相关 deg或更低。Kemp等人[80]观察到峰值内部含量瞬间增加20％可以提高KOA进展风险。在膝盖肌肉方面，SLEMENDA等。［81， Hurley等[82， Oreilly等[83发现KOA患者的股四头肌力量和肌肉活动较小。Lim等人[79]表明VM和VL的VM和VL的EMG比率之间没有显着的关系。罗素(50]报道，MKOA患者的内侧肌(VM-ST、VM-MG)和外侧肌(VL-BF、VL-LG)共收缩指数与正常人无显著差异，但股四头肌力量明显降低。Alzahrani [73Hubley-Kozey等人[84表示对于KOA患者增加了内侧和横向肌肉椰子术。

膝关节韧带损伤是运动损伤中常见而严重的疾病，可显著改变膝关节的生物力学性质。根据损伤部位的不同，膝关节韧带损伤可分为ACL、PCL、TCL、FCL和PL损伤。许多研究人员指出，如果不及时治疗，可能会发生软骨损伤、半月板损伤、KOA等继发性损伤。而韧带重建作为公认的有效治疗手段，可显著恢复膝关节生物力学[85- - - - - -88]．在五种类型的损伤中，近一半的韧带损伤是ACL的孤立性损伤[89]．因此，本节主要讨论ACL损伤。

前交叉韧带的生物力学效应如表所示13．在膝关节运动学方面，Zhao等人[90[据报道，膝关节升降患者在楼梯上攀岩的患者较低。斯莱特等[91]指出，峰值膝关节屈曲角度较小，并且步行患者的ACL损伤患者更大。Cronstrom等人。［92]表示ACL伤害患者的负重活动期间的膝关节内容在步行方面更大。高和郑[93提示acl损伤患者行走速度较慢，步幅较小。在膝关节动力学方面，Alexander和Schwameder [94]分别观察到髌骨损伤患者的髌骨 - 股骨接触力增加430％和475％，分别在上升率和下坡。Goerger等[95发现前交叉韧带损伤后患者负重活动时膝关节内收力矩峰值大于损伤前。斯莱特等[91]报道称，acl损伤患者行走时膝关节外屈曲和内收力矩峰值较小。Thomas和Palmieri-Smith [96]说明前交叉韧带损伤个体和健康个体的外膝内收力矩没有差异。诺克罗斯等人[85显示acl损伤患者在着陆过程中有更大的膝关节能量吸附。

半月板损伤作为一种运动损伤，在运动员和普通人群中很常见[86，89]．弯月球受伤的患者通常与创伤性ACL损伤相结合，可以增加应力并降低延伸和屈曲运动期间膝关节的稳定性[89]．许多研究表明，如果不及时治疗，会发生软骨磨损、KOA等继发性疾病[87，88，97]．根据损伤程度，可选择保守治疗、半月板缝合、半月板切除术等不同的治疗方法。

据我们所知，关于半月板损伤的生物力学效应的研究很少，见表13．Magyar等人[87]表示半月板损伤患者行走速度和膝关节活动度明显变小，半月板损伤患者行走步幅、步长、支撑持续时间和双支撑期明显增大。周(86提示半月板损伤患者的最大屈曲角和最大外展-内收角与健康人无明显差异。半月板损伤患者行走时最小屈曲角较大，最大内外旋角较小。半月板损伤患者行走时膝关节受力面积较小，膝关节压力较大。

3.2.2。膝关节神经障碍及其生物力学效应

SCI是导致运动障碍的主要原因之一，每年在世界各地影响25-50万人，尤其是年轻人[98]．约43%的脊髓损伤患者出现截瘫，且数量逐年增加[99]．脊髓损伤患者出现许多继发性并发症的风险越来越大，包括肌肉萎缩、压疮、骨密度降低和骨质疏松[100，101]站立和行走是这些患者最普遍的愿望，可以刺激血液循环，缓解肌肉痉挛，增加骨密度[98，102]．有证据表明，脊髓损伤患者通过每天站立或步行数小时，可以降低继发性医疗并发症的风险，恢复运动能力[98，99，102，103]．脊髓损伤的生物力学效应见表14．Barbeau等人[104]指出脊髓损伤患者行走时膝关节活动度和最大膝关节摆动屈曲角较低，最大膝关节力矩较大。Desrosiers等[105]发现SCI患者在上坡和下坡走路时膝盖力量较低。Pepin等人[106表明脊髓损伤患者在良好接触状态下的膝关节屈曲较长，并在整个行走站姿阶段保持较长的屈曲。

中风，一种常见的脑血管病，具有高死亡率和残疾率[107，108]．中国大约有700万中风患者，美国有660万。109，110]．中风被认为是导致瘫痪、运动功能丧失、麻痹-肌肉无力、麻痹-肌肉活动完全丧失和肌肉萎缩的原因[34，108，109]．行走障碍和坐立转换是卒中后患者无法独立生活的主要原因[107，108]．大约30%的中风后患者在没有帮助的情况下行走有困难[109]有证据表明，70%的卒中后患者通过康复可以恢复行走能力[108，111]．中风的生物力学效应见表14．Sridar等[109]表明中风后患者的运动学和动力学性能会下降，如行走速度、股四头肌力矩和股四头肌肌力降低。Chen等人[112]显示卒中后患者在行走摆动期出现了膝屈曲。Stanhope等人[113]发现中风后患者可以通过更快的速度行走来补偿他们糟糕的膝关节屈曲。Marrocco等[114]报告了卒中患者步行时动态医学膝关节负荷更大。然而，脑卒中患者与健康受试者行走时膝关节外收和屈曲力矩无显著差异。Novak等人[115]观察到中风患者在步行中段时通过膝伸肌向中心转移的能量较少。脑卒中患者在晚期行走姿势时膝关节伸肌能量吸收较低。

CP，最常见的儿科神经调味障碍，影响大约0.2-0.3％的活产婴儿[19，116]．发育中的胎儿或婴儿中枢神经系统的损伤是CP的发病机制，它影响运动、平衡和姿势的控制[116，117]．CP患者通常具有强直、痉挛、有氧和无氧能力异常、肌力和耐力下降、肌张力异常、畸形、肌无力等多种特征[19，118，119]．CP的生物力学效应显示在表中14．蹲伏步态是CP患者常见的步态偏差，其特征是站姿阶段膝关节过度屈曲[19，117，118]．希克斯等人[120]报道了CP患者站立阶段的最小膝关节屈曲角超过40度。与正常步态相比，蹲伏步态效率低，消耗能量多[19，116]．为了在走路时保持过度的膝关节屈曲姿势，膝关节及周围肌肉的压力正在增加，这可能导致骨畸形、退行性关节炎、关节疼痛和髌骨应力性骨折，然后导致严重的蹲姿步态[19，118，121]．一些证据表明，通过限制行走时膝关节过度屈曲，可以保留运动功能，减少并发症[118]．

4.讨论和结论

膝关节疾病，包括肌肉骨骼和神经系统疾病，严重影响膝关节生物力学。近几十年来，人们对正常和病变膝关节的生物力学进行了大量研究。在了解正常和病变膝关节在不同常见运动中的运动学和动力学方面取得了许多进展。在正常膝关节生物力学方面，目前还没有明确的评估。不同研究结果之间的差异是显著的。在膝关节生物力学方面，通常观察到较低的膝关节屈曲角度、行走速度、肌肉力量和较高的膝关节接触压力。了解病理学如何影响膝关节生物力学对于设计膝关节辅助装置和优化康复训练计划非常重要。然而，目前的理解仍然不能满足设计师和康复医师的要求。而且很难找到一个能够全面系统地研究膝关节生物力学各个方面的研究。因此，进一步了解正常和病变膝关节的生物力学仍然是未来的迫切需要。

必须注意当前研究的一些局限性。首先，目前对膝关节生物力学的理解是不够的。许多关于膝关节生物力学的理论分析的研究基于数学建模。无论是链路模型还是仿真模型，模型与现实之间存在差异。应始终制作一些简化，例如骨骼，肌肉，软骨等的机械性质，几何形状和相对运动等，因此，目前的计算膝关节生物力学不能完全描述真正的膝关节生物力学。其次，来自不同研究的运动学和动力学产生了巨大不同。结果很难在设计膝关节辅助装置中申请，直接优化康复锻炼计划。因此，必须在实际使用中重做运动学和动力学分析。第三，关于膝关节障碍的生物力学影响的研究主要集中在行走中。在其他日常生活活动中取得了很少的研究，例如跑步，楼梯和坐在静坐。 Fourth, there is an insufficient recognition of the influence of disorders on the knee biomechanics. The influence will always be obtained by patients-normal comparative experiments. And there is severe shortage of deeper rational analyses of the influence.

我们的审查有几个局限性。首先，只收录了用英语发表的文章，这对文章的选择造成了语言偏见。其次，审查结果仅限于由集合搜索策略确定的文章。第三，由于研究设计和高异质性，每个研究的证据质量都很低。

在未来，正常和病变膝关节的生物力学研究将是一个重点研究方向。更真实的生物力学模型和计算方法将进一步发展，以更深入地了解膝关节的运动学和动力学。对于膝关节疾病的生物力学影响，将进一步建立更合理的分析，以设计更好的辅助机制。

的利益冲突

作者没有利益冲突需要声明。

致谢

基金资助:中央高校基本科研业务费资助项目(No. 31020190503004);B13044)。

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