外行学习之膝关节的构造

我们常常说，请收下我的膝盖， 给跪了，此时想必不会意识到这样对膝盖的损伤吧。直到突然有一天膝痛发生的时候，才发现不知不觉中，我们给膝盖了太多的压力，让它有些不堪重负了。

膝盖的罢工，给了我当头一棒。我决定研究一下身体的这个部分。
No pain, no gain.

膝盖是人体最大也最复杂的的关节。
膝关节连接了股骨（大腿骨）和胫骨（小腿内侧骨），使我们的腿可以弯曲，从而行走、蹲坐，而不是像电影中僵尸那样，因不能弯曲而只能通过僵尸跳行进。可以说我们的每个行动，都离不开膝关节的支持。

膝关节是怎么构成的呢？
说起来很复杂，包括骨骼、韧带、肌腱、软骨、滑膜囊、脂肪垫等。

说到这里，有必要插入一些名词解释，懂了这些，才能进一步明白它们的功能。

• 骨骼是人体的支架和运动支架。
• 关节是骨与骨的一种连接方式。
• 肌腱是肌肉末端的结缔组织纤维束，肌肉通过它附着于骨骼或其它结构。它往往跨越关节，从而在肌肉收缩时，在不同的骨间产生作用力，带动关节的运动。
• 韧带质地坚韧，有弹性，把不同的骨骼连接在一起。
• 软骨位于骨骼连接面之间，光滑有弹性，它能够承重，可以压缩和弯曲，使相连接的骨骼不会直接碰撞和摩擦。
• 滑膜囊位于结构摩擦面之间，如肌腱、韧带、肌肉与骨面等紧密接触而又相互滑动处。它的内侧滑膜能够分泌滑液，从而增加滑润，减少摩擦。
• 脂肪垫位于滑膜外，作为填充物分布在骨和韧带之间，起衬垫和润滑作用。

从这些概念的功能上来看，它们协同工作，来完成身体的运动。

都说无图无真相，但是关节的解剖图对于外行来说还是太复杂了，因此还是略过解剖学的关节构造图，来阐述膝关节吧。

假设我们要制作一种机器人，需要实现机器人的膝关节，那么这个膝关节需要具有什么功能呢？

• 可以使大小腿协同运动。在大腿固定的情况下，小腿可以前后以一定角度转动。
• 可以固定和承重。在机器人站立时，使大小腿在一条线上，同时稳定地支撑小腿以上的重量，使机器人不会倾倒。

打孔是一个简单的方式，然而考虑到己所不欲勿施于人，我们决定对机器人好一点，不采用暴力破坏结构的方式来做，于是只能加一些辅助结构来完成了。

首先，我们需要将大小腿连接起来，于是在大小腿的靠近部分的系上绳子，将它们连在一起，这样它们就不会脱节了，这就是韧带。为了让它们连接得更牢靠，一条绳子还不行，我们会在多角度系上多根绳子，保证牢固和稳定。
接下来我们希望它们能受控地动起来，因此系上一些绳子连接小腿的上端和大腿的后上方和前上方，当后方绳子收紧、前方绳子放松时，小腿就会向后和大腿靠近，夹角变小，当后方绳子放松、前方绳子收紧时，小腿就会向下伸直，和大腿在一条线上。小腿上端的这部分就是肌腱。当肌肉收缩和放松时，就会以关节为轴，带动关节两端的骨骼运动。当然实际过程中，这是由若干肌肉协同运动完成的。
为了不让机器人的腿部活动角度过大而造成不稳定，我们会在大小腿的连接处前方，放置一个固定的木块，阻止小腿向前方的转动，这就是髌骨，也就是膝盖向前突出的那一块骨。
看起来似乎大功告成了，然而两条腿的连接处叮叮当当，碰撞声不断，这可不好，会降低使用寿命。于是我们决定在这之间加上一个结构，它的形状完全贴合小腿骨的上端和大腿骨的下端，且非常光滑，使腿骨能很容易地转动，从而减少摩擦和磨损。这就是关节软骨，在膝关节处有一个专有名称——半月板。
最后，我们在这些有接触的地方附近，放入一些小口袋，口袋里有少许润滑液，有节奏地将润滑液滴入每个摩擦面之间，降低其摩擦力。这些小口袋就是滑膜囊，润滑液是滑膜液。

至此，机器人的膝关节就可以完成了。缺少其中的任一部分，或是任一部分的功能出现问题时，机器人都无法正常完成其行走和站立的功能。

对人体来说，也是一样的。
我们再映射回人体的生理构造。

• 大腿骨：股骨
• 小腿骨：胫骨、腓骨。腓骨仅与胫骨相连，不直接连接膝关节。
• 韧带：髌韧带、胫侧副韧带、腓侧副韧带、腘斜韧带包裹在膝关节的外部，前后左右都很齐全，将两骨牢牢地固定起来。前交叉韧带、后交叉韧带则在关节内部，小心拉扯着两骨，使它们能够不会前后左右地肆意晃动，这两条韧带并成为十字交叉韧带。
• 膝关节的关节盘叫半月板，位于胫骨的关节面上，内外侧软骨均为半月形，因此而得名。外周较厚，内缘薄锐。
• 膝关节周围的滑膜囊则有很多个，上方附着在股骨内、外侧髁关节面周缘及髁间窝的后缘，下方前部绕过髌骨至胫骨内、外侧髁的前缘，后部位于交叉韧带的前方和两侧。其中比较大的滑膜囊有，髌上囊、腘肌囊、半膜肌滑囊、内外侧腓肠肌腱下囊、髌下深囊、鹅足腱囊。

当膝盖疼痛时，就意味着以上的结构中若干个出了状况。判断是哪个结构的问题却并不容易，往往需要专业的医学检查，磁共振检查（MRI）因其能较为清晰地对关节内结构成像而成为目前普遍采用的比较诊断方法。

参考书目：
人体解剖学彩色图谱 运动系统 7th Edition, Werner Platzer 著，凌树才、吴仲敏 译
终结膝痛， 张付 著