Колено состоит из двойной суставной структуры, включающей тибиофеморальный сустав (медиальная тибиофеморальная суставная поверхность, латеральная тибиофеморальная суставная поверхность) и пателлофеморальный сустав. Первая 1/3 латеральной поверхности большеберцовой кости представляет собой постепенно восходящую вогнутую поверхность, а вторые 2/3 — постепенно нисходящую вогнутую поверхность. Медиальная тибиофеморальная суставная поверхность представляет собой чашеобразное углубление. Таким образом, приподнятая суставная поверхность бедра и вдавленная суставная поверхность тибиофеморального сустава совпадают друг с другом, позволяя колену сгибаться и разгибаться в сагиттальной плоскости; однако характерная вогнутая структура латеральной тибиофеморальной суставной поверхности не позволяет латеральной тибиофеморальной суставной поверхности полностью совпадать, что позволяет колену сгибаться и разгибаться не коаксиально, а с несколькими переходными центрами движения.
Движение коленного сустава в поперечном сечении
Когда колено полностью разогнуто, вращение колена полностью ограничено из-за сцепления мыщелков бедренной и большеберцовой костей, в основном потому, что медиальный мыщелок бедра длиннее латерального мыщелка.
При сгибании колена диапазон вращения увеличивается, достигая максимума при 90° сгибания, 0-45° наружной ротации и 0-30° внутренней ротации.
Когда сгибание превышает 90°, диапазон внутренней и внешней ротации начинает уменьшаться, в основном потому, что мягкие ткани ограничивают вращательное движение.
Движение коленного сустава во фронтальной плоскости
Абдукция и аддукция во фронтальной плоскости также зависят от степени сгибания сустава.
Когда колено полностью разгибается, почти все движения во фронтальной плоскости предотвращаются.
При сгибании колена до 30° пассивная абдукция и аддукция увеличиваются, но максимальное изменение составляет всего несколько градусов.
При сгибании колена более чем на 30° движение во фронтальной плоскости также начинает уменьшаться из-за функциональных ограничений мягких тканей.
Механизм фиксации тибиофеморального сустава
Если при разгибании колена голень вращается кнаружи, то при сгибании колена это движение меняется на противоположное. Тибиофеморальный сустав не является чисто сгибательным суставом, он имеет спиральную и винтообразную плоскость движения. Структура медиального мыщелка бедренной кости приводит к спиралевидному движению большеберцовой кости относительно бедренной во время сгибания и разгибания коленного сустава. В нормальном колене медиальный мыщелок на 1,7 см длиннее латерального, поэтому при сгибании и последующем разгибании колена происходит вращательное движение между бедренной и большеберцовой костями по отношению друг к другу.
Этот биомеханический механизм известен как «механизм «винт-дом» или, как некоторые называют его, механизм спирального самонаведения. При наличии проблем с этим механизмом (недостаточное или чрезмерное вращение) может произойти изменение в работе мышц четырехглавой мышцы, что приведет к дисбалансу мышечного тонуса, который является одной из основных причин пателлофеморального болевого синдрома.
Крестообразные связки
Передняя и задняя крестообразные связки обеспечивают контроль и стабильность всего коленного сустава при сгибании и разгибании.
Передняя крестообразная связка (ACL): ACL тянет бедренную кость вперед во время разгибания колена. Разрезание этой связки позволяет вывихнуть большеберцовую кость вперед над бедренной (знак переднего выдвижного ящика). Разрыв ACL у трупа показывает, что голень смещается на 7 мм вперед относительно бедра. У нормальных людей это движение очень незначительно. Среднее значение теста переднего выдвижного ящика у здоровых студентов университета при 90° сгибания колена составляет от 1,2 до 2,7 мм. Подчиненной функцией ACL обычно считается ограничение внутренней и внешней ротации.
Задняя крестообразная связка (ЗКС): ЗКС ограничивает заднее смещение большеберцовой кости относительно бедренной (знак заднего выдвижного ящика). И наоборот, PCL помогает предотвратить смещение вперед мыщелка бедренной кости над мыщелком большеберцовой кости (вывих) при приземлении на беговую стопу в видах спорта с замкнутой цепью. PCL обычно допускает лишь небольшое количество пассивных движений. Среднее значение смещения в тесте с отведением назад при 90° сгибания колена у здоровых студентов университета варьировалось от 0,6 до 1,0 мм у мужчин и от 1,2 до 1,9 мм у женщин.
Пателлофеморальный сустав
При полном разгибании и полном сгибании колена надколенник перемещается примерно на 7 см между мыщелками бедренной кости.
При сгибании более чем на 90° надколенник ротируется наружу, и только медиальная суставная поверхность бедренной кости образует сочленение с надколенником
При полном сгибании надколенник соскальзывает в межкондилярную борозду.
Площадь контакта увеличивается при увеличении сгибания колена и при увеличении напряжения квадрицепса.
Взаимосвязь между контактной поверхностью пателлофеморального сустава и углом сгибания и разгибания колена
В норме надколенник не лежит полностью в таранной кости бедра, а поверхность межпателлофеморального контакта постоянно меняется при сгибании и разгибании колена.
При 10°-20° сгибания колена медиальная и латеральная суставные поверхности нижнего полюса надколенника одновременно контактируют с таранной костью бедра. По мере увеличения степени сгибания поверхность контакта между надколенником и трохантером постепенно смещается проксимально и латерально.
При 45° сгибания колена площадь пателлофеморального контакта достигает максимума.
После 90° сгибания, при дальнейшем увеличении сгибания, медиальная и латеральная контактные поверхности надколенника, соответствующие бедренной кости, постепенно разделяются и становятся независимыми друг от друга.
Q-угол
Угол Q — это угол между линией силы четырехглавой мышцы и линией силы связки надколенника, т.е. линия от передней верхней подвздошной ости до средней точки надколенника — это линия силы четырехглавой мышцы, а линия от средней точки надколенника до высшей точки бугра большеберцовой кости — это линия силы связки надколенника.
Факторы, влияющие на угол Q: угол Q зависит от наклона шейки бедра и ротации голени и измеряется в положении лежа с полностью раздвинутыми бедром и коленом.
При легком сгибании колена угол Q уменьшается из-за внутренней ротации голени относительно бедра. При внутренней ротации бедра угол Q увеличивается.
Чем больше угол Q, тем больше наружная сила на надколенник и тем больше нестабильность надколенника, что приводит к аномальному распределению давления на пателлофеморальный сустав.