膝関節の解剖と運動:基本情報のまとめ

はじめに

膝関節 knee joint の解剖(構造)と運動について基本的なところをまとめます。

膝関節は,大腿骨,脛骨,膝蓋骨で構成されます。
そして,内側脛骨大腿関節,外側脛骨大腿関節,膝蓋大腿関節の 3 つの関節で構成される複合関節です。

目次

膝関節を構成する骨と関節面

脛骨大腿関節 tibiofemoral joint

  • 大腿骨内側顆,大腿骨外側顆(凸面)
  • 脛骨内側顆,脛骨外側顆,半月板8)(凹面)

大腿骨の内・外側顆は,矢状面と前額面で凸面です。

内側顆と外側顆では関節面の曲率半径が異なり,面積も内側顆の方が広くなっています11)

大腿骨遠位部の関節面
図 1: 大腿骨遠位部の関節面1)

脛骨内側顆の関節面は,前額面,矢状面ともに凹面です。
脛骨外側顆の関節面は,前額面では凹面ですが,矢状面では凸面です9)

脛骨近位部の関節面
図 2: 脛骨近位部の関節面12)

外側顆の関節面は平坦もしくは若干凸状との記述1)もあります。

脛骨と半月板をあわせたときに関節面の凹凸がどうなるのかは不明です。

関節面同士の骨形状は適合しないため,関節の安定性は軟部組織による制動で得られます。

大腿骨の関節面の脛骨と接している部分を,膝屈曲位のときと伸展位のときで比べると,伸展位のときのほうがより平坦に近くなります。
そのため,伸展位のほうが,骨形状の適合性は高くなり,より安定します5,2)

膝蓋大腿関節 patellofemoral joint

  • 大腿骨滑車溝
  • 膝蓋骨関節面

大腿骨側の関節面の呼び方は文献により異なり,滑車溝1),大腿骨顆部の前方および末梢部2),大腿骨内外顆膝蓋面4),大腿骨の膝蓋面6)などがあります。

滑車溝の関節面には外側小関節面と内側小関節面があります(図 1)。

滑車溝は,左右方向では凹状で,前後方向(矢状面)ではわずかに凸状です1)

外側・内側小関節面それぞれの形状についての詳細な記述は見つかりません。

外側小関節面は内側小関節面よりも急斜面で,大腿四頭筋による膝蓋骨の外側方向への牽引による脱臼を防ぐ働きがあります1)

膝蓋骨後面の関節面には垂直稜があり,関節面を外側小関節面と内側小関節面に分けます。
内側小関節面の内側縁には余剰小関節面(内側縁小関節面,オッドファセット odd facet)があります。
外側小関節面は凹面(上下方向,左右方向ともに凹)です1,2)
内側小関節面は個人差が大きく1),平面あるいは凸面としている文献12,21)や,凹面としている文献9)があります。

垂直稜が矢状面において凸であるか凹であるのかについては明確な記載がありません。
余剰小関節面の形状についても記載がありません。

膝蓋大腿関節における膝蓋骨と大腿骨の適合はわずかです。

大腿脛骨角(femorotibial angle: FTA)

膝外側角あるいは生理的外反とも呼ばれます。

大腿骨の長軸と脛骨の長軸がなす角度です。
正確な定義(大腿骨の長軸とはどこか?など)はないようです。

正常値は文献によって異なり,170 〜 175° 1,11)あるいは 175 〜 178° 21)などとなっています。
165° 以下の場合を過度の外反膝(X 脚),180°以上の場合を内反膝(O脚)とよびます1)

脛骨の後方傾斜角21)

脛骨垂直軸の垂線と脛骨関節面がなす角度を脛骨の後方傾斜角と呼びます。
内側で 12°,外側で 9° ほどです。
立位では,脛骨に対して大腿骨が後方に滑り落ちるような力がかかることになります。

脛骨の後方傾斜角
図 3: 脛骨の後方傾斜角21)

ファベラ fabella

腓腹筋外側頭の筋腹内にある種子骨です。
発現頻度については報告によって 10 〜 53% と幅があります。
ファベラが存在する場合,大腿骨外側顆と関節を形成しているタイプがほとんどです18)

関節の分類

脛骨大腿関節

  • 可動性による分類:滑膜性関節(可動結合)
  • 関節面の形状と動きによる分類:顆状関節
  • 運動軸による分類:2 軸性
  • 骨数による分類:単関節

顆が 2 つあるので,双顆関節(二軸性顆状関節)とよぶこともあります14)

蝶番関節に分類する場合もあります5,6)
この場合,膝関節は屈曲と伸展を行う 1 軸性の関節であると捉えていることになります。

膝蓋大腿関節

  • 可動性による分類:滑膜性関節(可動結合)
  • 関節面の形状と動きによる分類:鞍関節4,6)
  • 運動軸による分類: 多軸性
  • 骨数による分類:単関節

関節面の形状は鞍状に近いため,鞍関節に分類されますが,典型的な鞍関節のような 2 軸性の関節ではありません。

膝蓋骨の関節面は凹凸はあるもののほぼ平面であるため,平面関節とする場合14)もあります。

膝関節の靱帯

関節包靭帯と副靭帯の区別については,ほとんどの靭帯において記載がありませんでした。

前十字靭帯 anterior cruciate ligament: ACL

脛骨から大腿骨に向かって,後・上・外側方向に走る靭帯です。

関節腔の外にある靭帯で,関節包の線維膜の内側で滑膜の外側にあります2)
関節包の一部分と考えることができます9)ので,おそらく関節包靭帯に分類されると思います。

  • 近位付着部:大腿骨外側顆の内面後部
  • 遠位付着部:脛骨前顆間区の内側部
  • 靱帯が緊張する動き:伸展,過度の脛骨前方移動(大腿骨後方移動),過度の内反,外反,軸回旋(とくに内旋)1)
脛骨上面における十字靭帯と半月板の付着部
図 4: 脛骨上面における十字靭帯と半月板の付着部1)

ごく少数の線維が内側半月の前角にも付着します9)

大腿骨付着部の前縁に沿って骨の隆起があり resident’s ridge と呼ばれています26)

前十字靭帯は 2 つの線維束からなり,前内側線維束と後外側線維束があります1)
この名称は脛骨での付着部を表しています。

膝関節を伸展すると前十字靭帯は緊張する1,11,22)のですが,膝関節屈伸の角度と前十字靭帯の緊張の関係は単純ではありません12)
前十字靭帯を構成する線維は平行に走行するのではなく,捻れるように走行しており,付着部も異なり,同じ長さではありません。
そのため,屈伸の可動域全体において,構成線維のいずれかが緊張しています。
そのなかで,とくに後外側線維束は,膝関節が完全伸展に近づくと緊張が増していきます1)
前内側線維束は屈曲 45° 付近で最も緊張します26)

90° 以上の屈曲位の場合,外旋の初期 15 〜 20° の間では弛緩しますが,さらに外旋すると再び緊張します9)

後十字靭帯 posterior cruciate ligament: PCL

脛骨から大腿骨に向かって前・上・内側方向に走る靭帯です。
前十字靭帯の内側を通ります。

前十字靭帯と同様で,関節腔の外にある靭帯です。
関節包の線維膜の内側で滑膜の外側にあります2)

  • 近位付着部:大腿骨内側顆の内面前部
  • 遠位付着部:脛骨後顆間区の外側部
  • 靱帯が緊張する動き:屈曲,過度の脛骨後方移動(大腿骨前方移動),過度の内反,外反,軸回旋1)

前外側線維束と後内側線維束があります1,24)

屈伸の角度と後十字靭帯の緊張の関係については諸説がありますが,屈曲で緊張する線維があることは確かで,前外側線維束が屈曲で緊張する24,26)ようです。
また,後内側線維束は角度に関わらず緊張しています24)

回旋についても諸説があります。
後十字靭帯は外旋で緊張し内旋で弛緩するとしている文献9)がある一方で,ある程度の内旋制御機能も有するとしている文献22)もあります。

内側側副靱帯 medial collateral ligament: MCL

Tibial collateral ligament 5)とも呼ばれます。

大腿骨から脛骨に向かって斜め下前方に走り,外側側副靭帯とは交叉するするように走ります。

関節包の内側を補強します1)

  • 近位付着部:大腿骨内側上顆(内転筋結節のすぐ下方5),関節裂隙より 5cm 上方24)
  • 遠位付着部:脛骨内側顆(鵞足の付着部の後上方5),関節裂隙より6〜7cm下方24)
  • 靱帯が緊張する動き:外反,伸展,過度の軸回旋(とくに外旋)1,26)

上述の内側側副靱帯の付着部は,内側側副靱帯浅層の付着部です。
教科書等で簡単な説明にとどめる場合,浅層のみを内側側副靱帯と呼んでいるようです24)
そして,より詳しい説明をしている文献では,内側側副靱帯は浅層と深層の 2 層で構成されるとしていることが多く,3 層で構成されるとしている文献24)もあります。

浅層をさらに細分化2,7,12,22)することもあります。
文献によって分け方が異なりますが,おおまかには前方と後方に分けています。

深層は関節包と一体化した関節包靭帯で,内側半月板や半膜様筋腱と結合します1,12,24,26)
深層の付着部については,文献によって書かれていることが異なるため,この記事では省略します。

内側側副靱帯には膝窩筋が付着します2)

内側膝蓋支帯と融合します1,24)

大部分の線維は回転軸の後方にあるため,伸展によって緊張します。
一部の線維は全可動域にわたって緊張しています1)

屈伸に伴う側副靭帯の緊張の変化
図 5: 屈伸に伴う側副靭帯の緊張の変化9)

内側側副靱帯は膝関節に対する外反力に抵抗する主要な因子です。
表層部は膝屈曲 20 〜 30° での外反を制動し,深層部は膝完全伸展位での外反を制動します1)

外側側副靭帯 lateral collateral ligament: LCL

Fibular collateral ligament 5)とも呼ばれます。

大腿骨から脛骨に向かって斜め下後方に走り,内側側副靭帯とは交叉するするように走ります。

紐状で,半月板への付着はありません(ただし,外側半月に付着するとしている文献6)もあります)。
外側側副靭帯と外側半月板のあいだを膝窩筋腱が通ります。

関節包の外側と後外側を補強します1)

  • 近位付着部:大腿骨外側上顆(膝窩筋の腱が付着する溝のすぐ上方5)
  • 遠位付着部:腓骨頭
  • 靱帯が緊張する動き:内反,伸展,過度の軸回旋(とくに外旋22,26)

腓骨頭のどこに付着するかについては,文献によって様々な表現があり,腓骨頭の外側面2),腓骨頭外側面の陥凹部5),腓骨頭の尖端および外側面6),腓骨頭尖より前方で大腿二頭筋の停止より深部に付着9)などとなっています。

大腿骨の付着部は回転軸の後上方にあり,伸展によって外側側副靭帯は緊張します(図 5)。

膝関節に対する内反力に抵抗する主要な靭帯です。
完全伸展位では内反力に対する保護力の半分を担い,25° 屈曲位では内反力に対する保護力の約 70% を担います2)
屈曲すると弛緩していきますが,全可動域で内反力に抵抗しています22,26)

斜膝窩靱帯 oblique popliteal ligament

関節包の後方を補強する靭帯です。

  • 近位付着部:大腿骨外側顆に隣接する関節包1)
  • 遠位付着部:後内側関節包,半膜様筋腱の内側1)
  • 靱帯が緊張する動き:伸展,外旋1)

半膜様筋腱から分かれた線維が上方に向かって,大腿骨側に付着するという構造です。

近位付着部についての記述は文献によって異なり,大腿骨外側顆としている文献2,4,6)があります。
遠位付着部についても,脛骨であるとしている文献2)があります。

弓状膝窩靱帯 arcuate popliteal ligament

関節包の後方と後外側を補強する靭帯です。

腓骨頭から出て Y 字状に分岐します。

膝窩筋が弓状膝窩靱帯の深部を通ります。

  • 近位付着部:脛骨の後顆間区,大腿骨外側上顆の後部,ファベラ1)
  • 遠位付着部:腓骨頭
  • 靱帯が緊張する動き:伸展

近位付着部について,脛骨や大腿骨ではなく関節包としている文献7,9)があります。

腓骨頭のどこに付着するのかは不確かです。
腓骨頭尖としている文献4,7)がありますが,図1,2)では腓骨頭尖よりは遠位に付着しているように描かれています。

この靭帯の分類には別のものもあるようなのですが,詳しいことは分かりません。

膝窩腓骨靭帯 popliteal fibular ligament

関節包の後外側を補強する靭帯です1)

膝窩筋腱腓骨靭帯26)とも呼ばれます。

  • 近位付着部:大腿骨外側上顆の近くの膝窩筋の筋腱移行部2)
  • 遠位付着部:腓骨頭尖2)
  • 靱帯が緊張する動き:外旋22,26),内反1)

後斜走靱帯 posterior oblique ligament

内側の関節包の後方 1 / 3 は,比較的輪郭が明らかで,後斜走靱帯と呼ばれます1)

  • 近位付着部:内側側副靱帯浅層の大腿骨付着部後方26)
  • 遠位付着部:半膜様筋腱の一部とともに脛骨後内側の関節包に移行26)
  • 靱帯が緊張する動き:不明

後斜走靱帯が緊張する動きについての記述は見つけられていませんが,「内側半月板後節を介して脛骨内側顆部の前方への亜脱臼を制御している26)」とあります。

膝蓋靭帯 patellar ligament

大腿四頭筋の停止腱です5)

  • 近位付着部:膝蓋骨尖,膝蓋骨内側縁,膝蓋骨外側縁5)
  • 遠位付着部:脛骨粗面
  • 靱帯が緊張する動き:記載なし

内側膝蓋支帯 medial patellar retinaculum, tibial patellar retinaculum

関節包の前方および内側を補強します。

  • 近位付着部:内側広筋を覆っている結合組織の延長1)
  • 遠位付着部:脛骨内側顆6)
  • 靱帯が緊張する動き:膝蓋骨の外方偏倚

「大腿骨,脛骨,膝蓋骨,大腿四頭筋と膝蓋腱,側副靭帯および半月板の広範囲に連結する1)」とありますが,具体的にどのように連結するのかについての情報は見つけられていません。 

走行については,縦走する6,7),下内側に走る1,2),下外側に走る22)などとなっており,文献によって異なります。

大腿四頭筋による膝蓋骨を外側方向に引く力に抵抗します1)

内側膝蓋大腿靱帯 medial patellofemoral ligament; MPFL

内側膝蓋支帯の深層にあって大腿骨から膝蓋骨のあいだを横走する靭帯です。
内側側副靱帯に対してはその表層を走行します30)

  • 大腿骨側付着部:内側側副靱帯付着部と内転筋結節の間28)
  • 膝蓋骨側付着部:膝蓋骨上部 2 / 3 の内側縁30),中間広筋腱,内側広筋の深層筋膜28)
  • 靱帯が緊張する動き:膝蓋骨の外方偏倚29)

膝蓋骨側は扇形に広がるように付着します28)

内側膝蓋支帯のことを内側膝蓋大腿靭帯と呼ぶ1)ことがありますので注意が必要です。

外側膝蓋支帯 lateral patellar retinaculum, fibular patellar retinaculum

関節包の前方および外側を補強します。

  • 近位付着部:外側広筋を覆っている結合組織の延長1)
  • 遠位付着部:脛骨外側顆6)
  • 靱帯が緊張する動き:記載なし

走行については,縦走する6,7),下外側に走る1,2),下内側に走る22)などとなっており,文献によって異なります。

大腿直筋の少数の線維からも外側膝蓋支帯がつくられる7)とも書かれています。

外側膝蓋支帯が緊張する動きについての記述は見つかりませんでしたが,膝蓋骨を固定する2,4)とありますので,膝蓋骨の内方偏倚で緊張するだろうと思います。

腸脛靱帯の Kaplan fiber31)

腸脛靱帯の一部で大腿骨と脛骨外側顆を結ぶ線維を Kaplan fiber と呼びます。

  • 近位付着部:大腿骨遠位部外側
  • 遠位付着部:脛骨外側顆(Gerdy結節)
  • 靱帯が緊張する動き:内旋22)

腸脛靱帯全体としては,外側関節包を補強1)と膝蓋骨の安定化2)に作用します。

膝の前外側靱帯 anterolateral ligament of knee5)

  • 近位付着部:大腿骨外側上顆
  • 遠位付着部:脛骨近位端前外側領域
  • 靱帯が緊張する動き:内旋

膝横靭帯 transverse ligament of knee

  • 付着部:内側半月板と外側半月板の前面をつなぐ6)
  • 靱帯が緊張する動き:記載なし

両半月板の前角に付着する2)との記載もあります。

膝蓋下脂肪体を介して膝蓋骨にもつながります9)

Humphrey 靱帯(Humphrey の前線維束,前半月大腿靱帯)

  • 近位付着部:大腿骨内側顆背側面24)
  • 遠位付着部:外側半月板後角24)
  • 靱帯が緊張する動き:記載なし

後十字靭帯の腹側にある靭帯ですが,後十字靭帯を構成する線維束であるとしている文献9)もあります。
また,近位付着部は後十字靭帯と共通であるとしている文献1,2,9)もあります。

靱帯が緊張する動きについては記載がありませんでしたが,後十字靭帯が損傷したとき,脛骨の後方偏位を防ぐ役割を果たします24)

Wrisberg 靱帯(Wrisbergの半月大腿線維束,後半月大腿靱帯)

  • 近位付着部:大腿骨内側顆背側面24)
  • 遠位付着部:外側半月板後角24)
  • 靱帯が緊張する動き:記載なし

後十字靭帯の背側にある靭帯です。
Humphrey 靱帯と同様で,後十字靭帯を構成する線維束であり,9),近位付着部は後十字靭帯と共通であるとしている文献1,2,9)があります。

靱帯が緊張する動きについては記載がありませんでしたが,後十字靭帯が損傷したとき,脛骨の後方偏位を防ぐ役割を果たします24)

一般的には,Humphrey 靱帯と Wrisberg 靱帯のどちらかがあります2)

冠状靱帯 coronary ligaments(半月脛骨靱帯)8)

テキスト等には載っていないことが多く,詳細は不明です。
内側の冠状靱帯は,内側半月板からでて脛骨の近位内側部と内側側副靱帯に付着します。
外側の冠状靱帯は,外側半月板からでて脛骨の近位外側に付着します。

各半月板の外縁は,冠状靱帯を介して脛骨と近傍の関節包に付着する1)という記述もあります。

半月膝蓋靭帯 meniscopatellar ligament37,9,12)

テキスト等には載っていないことが多く,詳細は不明です。
内側部と外側部があります。
関節包靭帯です。

  • 膝蓋骨側の付着部:膝蓋骨の下内側(内側部),膝蓋骨の下外側(外側部)
  • 半月板側の付着部:内側半月板の前内側縁(内側部),外側半月板の前外側縁(外側部)
  • 靱帯が緊張する動き:伸展

膝関節の関節包

脛骨大腿関節と膝蓋大腿関節は関節包(関節腔)を共有しています。

関節包の付着部は,大腿骨前面では関節面の縁より約 1 cm 高いところで,側面と後面では軟骨縁に接しています6,9)
脛骨では軟骨縁を取り囲むように付着しますが,十字靭帯は関節包外になるように付着します。

線維膜

線維膜は靱帯によって補強され,前面よりも後面のほうがより強靭です11)

腓腹筋の内側頭と外側頭の深部が関節包に付着しているところは,関節包が肥厚しており顆状板と呼ばれています9)

滑膜

滑膜には関節腔側に伸びるひだがあり,滑膜ひだと呼ばれます。

以下の 4 つ32)があります。
今回調べた文献からこれらの滑膜ひだの形状を読み取ることができませんでした。

  • 膝蓋上滑膜ひだ plica synovialis suprapatellaris
  • 膝蓋内側滑膜ひだ plica synovialis mediopatellaris:膝関節の内壁から膝蓋下脂肪体まで
  • 膝蓋外側滑膜ひだ lateral patellar plica
  • 膝蓋下滑膜ひだ plica synovialis infrapatellaris:前十字靭帯と平行に走る。膝蓋下脂肪体の下部を覆っている滑膜が後方に伸びたもの5,12)

膝蓋上滑膜ひだと膝蓋下滑膜ひだは胎生期に膝関節腔を分割していた壁が退縮したもので,膝蓋上滑膜ひだは膝関節腔と膝蓋上包を分けていたもの,膝蓋下滑膜ひだは関節腔を内側と外側に分けていたものと考えられています32)

翼状ひだ alar folds 5,6,12)と呼ばれているものもあります。
膝蓋内側滑膜ひだと膝蓋外側滑膜ひだを合わせたものが翼状ひだであると想像できる記述6)や,膝蓋内側滑膜ひだが翼状ひだ plica alaris tibialis から始まるという記述33)があり,はっきりしたことは分かりませんでした。

半月板 menisci

半月あるいは関節半月6)とも呼ばれます。

断面が三角形の線維軟骨です。
内縁は薄く遊離しています。

内側半月板と外側半月板があります。

内側半月板は関節包の線維膜に付着しています。
外側半月板については,線維膜には付着しないとしている文献5)がありますが,前方 1 / 2 が付着するとしている文献12)もあります。
半月膝蓋靭帯という関節包靭帯があることから,一部は付着しているということでほぼ間違いないと思います。
滑膜には両方の半月板が付着しています5,7)

大腿四頭筋と半膜様筋は両方の半月板に付着し,膝窩筋は外側半月板に付着します1)

前十字靭帯の一部が内側半月板に付着します9)
後十字靭帯は外側半月板に付着します(Humphrey 靱帯,Wrisberg 靱帯)。

半月板の先端は脛骨に付着します(図 4)。
さらに,冠状靱帯(半月脛骨靱帯)を介して脛骨に付着します。
半月板の先端の脛骨に付着している部分を前角および後角と呼びます。
半月板の付着部については教科書によって違いがありますし,詳しく書かれていないこともあります。
この記事では,とりあえず日本人体解剖学6)の内容を書いています。

内側半月板 medial meniscus

  • 内側半月板前角の付着部:脛骨前縁のほぼ中央6)
  • 内側半月板後角の付着部:後顆間区6)

C字状です。

外側半月板 lateral meniscus

  • 外側半月板前角の付着部:顆間隆起の前
  • 外側半月板後角の付着部:外側顆間結節

前角と広角の間が狭く,O 字に近い形です。

半月板の機能1,2,11,25)

  • 緩衝作用:脛骨大腿関節にかかる圧縮ストレスを半月板が吸収します。また,関節面の適合面積が大きくなることで単位面積当たりの圧力は小さくなります
  • 関節の安定化:関節窩を深くする,過伸展2)や前方動揺25)を制動する
  • 関節包内運動の誘導
  • 固有感覚
  • 関節軟骨の栄養と潤滑:滑液を関節面に広げる2)機能があるようですが,なぜそうなるのかについての記載はありません
  • 関節包が関節内に入り込むのを防止2)

膝蓋下脂肪体 infrapatellar fat pad

滑膜と膝蓋靭帯のあいだにあり5),膝蓋靭帯の深層に付着12)しています。

膝蓋下脂肪体の下部を覆っている滑膜が後方に伸びたものが膝蓋下滑膜ひだです。5,12)

膝伸展位では,膝蓋腱の後方に位置し,屈曲位では大腿骨顆間窩に入っています27)

膝蓋大腿関節における圧や衝撃を緩衝する機能があります23)

膝伸展位では,膝蓋骨の左右で触れることができます27)

脂肪体は他にもあります1,23)が,詳細は不明です。

膝関節の滑液包 6)

滑液包の名前は統一されていません。
また,全ての滑液包を網羅している文献は無いようです。

  • 膝蓋前皮下包:膝蓋骨前面の皮下
  • 膝蓋前筋膜下包:「膝蓋骨前面で,大腿四頭筋腱と大腿筋膜の間6)」とありますが,矛盾した表現です。詳細は不明です。欠ける場合があります7)
  • 膝蓋前腱下包:「大腿四頭筋腱と膝蓋骨前面の間 6)」とありますが,矛盾した表現です。詳細は不明です。欠ける場合があります 7)
  • 膝蓋上包:膝蓋骨の上で大腿骨遠位骨端前面と大腿四頭筋の間,膝関節腔と交通
  • 膝蓋下皮下包:膝蓋骨の下方で,皮下にある。欠ける場合があります7)
  • 深膝蓋下包:膝蓋靭帯と脛骨6)および線維膜7)の間,関節腔と交通することもあります7,11)
  • 脛骨粗面皮下包:脛骨粗面前面の皮下
  • 鵞足包:脛骨内側面と鵞足の間
  • 半膜様筋(の滑液)包:半膜様筋と脛骨粗面内側の間,膝関節腔と交通7)
  • 腓腹筋半膜様筋包:腓腹筋内側頭と半膜様筋の間,Baker 嚢腫が生じる32)
  • 腓腹筋の外側腱下包:腓腹筋外側頭と大腿骨外側上顆の間,膝関節腔と交通7)
  • 腓腹筋の内側腱下包:腓腹筋内側頭と大腿骨内側上顆の間にあり,膝関節腔と交通6,7)
  • 大腿二頭筋の下腱下方(下大腿二頭筋腱下包36)):大腿二頭筋腱と腓骨頭の間
  • 膝窩筋下陥凹(膝窩筋包):膝窩筋腱と外側半月の間5),膝関節腔と交通11)
  • 縫工筋の腱下包:縫工筋腱と大腿筋膜の間

内側側副靱帯の浅層と深層に滑液包があります2,24)が,名前は無いようです。

外側側副靭帯と大腿二頭筋腱の間,内側側副靱帯と鵞足の間にも無名の滑液包があります1)

膝関節の運動

膝関節は屈伸と軸回旋が可能です。
前額面での動きは受動的にのみ可能で,可動範囲は 6 〜 7° です1)

屈曲と伸展

矢状面における内外側軸での動きです。

運動軸は内側側副靱帯の大腿骨付着部(内側上顆溝)と外側側副靭帯の大腿骨付着部(外側上顆突出部)を通ります19)

  • 屈曲の可動域(他動):130° 3)
  • 屈曲の制限因子:下腿後面の筋腹と大腿後面の筋腹の接触,または踵と殿部の接触,または大腿直筋の緊張13)
  • 屈曲のエンドフィール:軟部組織性または結合組織性13)

可動域は文献1,2,9,11,12)により 120 〜 160° の範囲で幅があります。
下腿後面と大腿後面の筋量によって可動域は変わります。

  • 伸展の可動域(他動):0° 3)
  • 伸展の制限因子:関節包後部,斜膝窩靱帯,弓膝窩靱帯,側副靭帯,前十字靭帯,後十字靭帯の緊張13)
  • 伸展のエンドフィール:結合組織性13)

可動域は文献1,2,9,11,12)により 0 〜 15° の範囲で幅があります。

弓膝窩靱帯と弓状膝窩靱帯は同じ靱帯だと思いますが,文献の情報からは断定できません。
後十字靭帯が伸展を制限するかどうかについては諸説があります。

屈曲と伸展における関節包内運動

屈曲初期は転がり運動だけですが,徐々に滑り運動が加わり,屈曲の最終段階には,滑り運動だけになります11)

内側と外側とでは,転がりと滑りの割合が異なります。
内側では屈曲初期の 10 〜 15° が転がり運動のみになり,外側では屈曲初期の 20° が転がり運動のみになります9)

前十字靭帯は大腿骨が転がり過ぎるのを防ぎます9,12)

終末強制回旋 screw-home rotation

終末強制回旋運動,強制的終末回旋,終末回旋,スクリューホームメカニズム,screw-home movement など,様々な呼び方があります。

膝関節伸展の最後の 10 〜 30° で膝関節の外旋が 5 〜 20° 生じることです。
逆に,伸展位から屈曲するときには内旋が生じます。

回旋は,大腿骨の形状や靭帯の張力などによって屈伸と連動して生じるものであり,随意的に止めることはできません。

立位で膝関節を完全伸展位にしたとき,膝関節が外旋することで機械的にロックされ,膝関節は屈曲しにくくなります。
そして,膝関節を内旋してロックを外すときには膝窩筋が作用します1)

内旋と外旋

水平面における垂直軸での動きです。

随意的な内外旋は膝関節屈曲位のときに起こります。
膝関節完全伸展位での回旋はほとんど起こりません。
膝関節が屈曲するにつれて回旋の可動域は増加します1)
しかし,「膝関節屈曲90°では,回旋の全可動域は 40 〜 45° になる1)」と書かれているだけで,その他の屈曲角度での回旋可動域は不明です。
外旋と内旋の可動域の比率はおおよそ 2:1 です1)

Closed kinetic chain で脛骨が固定されている場合は,大腿骨が内旋すれば膝関節は外旋,大腿骨が外旋すれば膝関節は内旋になります。

運動軸は脛骨の顆間隆起より内側にあります2,8)。 
運動軸は内側結節を通るとしている文献もあります9)
いずれにしても,運動軸が中心にはないため,外側の方がより動くことになります2,9)

回旋の制限因子については,膝伸展位で回旋が起こらないようにしている制限因子と,膝屈曲位での回旋最終域における制限因子がありえるのですが,文献ではどちらであるのかが曖昧になっていることがあります。
以下に述べる回旋の制限因子は,やや不確かな情報になります。

  • 内旋の可動域(他動):10 〜 35°1,7,9,11)
  • 内旋の制限因子:前十字靭帯,後十字靭帯7,9)の緊張
  • 内旋のエンドフィール:結合組織性1,2)

内旋では前・後十字靭帯が互いに巻きつくことによってより緊張が増します7,9)

  • 外旋の可動域(他動):20 〜 50°1,7,9,11)
  • 外旋の制限因子:内・外側側副靭帯4),内側半月板7,12)の緊張
  • 外旋のエンドフィール:結合組織性1,2)

内旋と外旋における関節包内運動

回旋に際しては,脛骨の上で大腿骨と半月板が動きます7)(屈伸では半月板の上で大腿骨が動く)。

膝蓋大腿関節の動き

膝蓋大腿関節は膝関節全体の骨運動と連動して動きます。
主な動きは,膝関節屈伸において脛骨と連動して生じる上下の動きです(大腿骨滑車溝の曲面に沿った動きであり純粋は上下ではありません)。

大腿骨上での膝蓋骨の動き
図 6: 大腿骨上での膝蓋骨の動き1)

大腿骨が膝蓋骨に接する部分は移動します。
膝関節が伸展するにつれて,接触する部分は膝蓋骨の上極から下極に移動します1)

深屈曲時には外側小関節面と余剰小関節面(内側縁小関節面,オッドファセット odd facet)の 2 点で大腿骨に接します2,4,21)

大腿骨が膝蓋骨に接する部分
図 7: 大腿骨が膝蓋骨に接する部分1,21)

膝蓋骨の動きを表す用語には様々なものがあり,統一されていません。
ここでは一例2)のみを図 8 に示します。

膝蓋骨の動きを表す用語
図 8: 膝蓋骨の動きを表す用語

Closed kinetic chain(立位)で膝関節を屈曲したときの膝蓋大腿関節にかかる単位面積あたりの圧縮力は,屈曲 60 〜 90° で最大になり1),伸展するにつれて減少します2)
Open kinetic chain での膝蓋大腿関節にかかる圧縮力は,伸展位で最大となり,膝関節が 90° まで屈曲するにつれて減少します2)

大腿四頭筋による張力は膝蓋骨を上方に引くだけでなく,外側にも引きますので,膝蓋骨は外側へ脱臼する傾向にあります。

しまりの肢位(CPP)と最大ゆるみの肢位(LPP)

脛骨大腿関節

  • CPP:最大伸展位 + 最大外旋位8)
  • LPP:約 25° 屈曲位8)

LPP は 45 〜 60° 屈曲位としている文献4)もあります。

屈曲 20 〜 60° では側副靭帯と十字靭帯が弛緩します12)

膝蓋大腿関節

  • CPP:最大屈曲位4)
  • LPP:完全伸展位2,4)

関節内圧

関節内圧が最も低くなるのは半屈曲位9)です。
具体的な角度については記載がありません。

膝関節に作用する筋

解剖学的肢位で筋が求心性収縮をしたときの作用が主です。
主動作筋と補助動筋に分けていますが,その区別の基準は決まっていないようです。
ここでは主に基礎運動学 11) を参考にして分けています。
はっきりしないものは補助動筋にしました。

膝関節の屈曲に作用する筋

  • 主動作筋
    • 半腱様筋
    • 半膜様筋
    • 大腿二頭筋
  • 補助動筋
    • 縫工筋
    • 薄筋
    • 腓腹筋
    • 膝窩筋
    • 足底筋

膝窩筋に膝関節屈曲の作用はないとしている文献2)もあります。
また,膝関節屈曲位では膝窩筋は膝関節伸展に作用します9)

大腿筋膜張筋は 30° 以上の屈曲位のときに屈曲に作用します11,16)

膝関節の伸展に作用する筋

  • 主動作筋
    • 大腿四頭筋
  • 補助動筋
    • 大腿筋膜張筋

膝関節筋は膝関節伸展の作用はありませんが,膝関節伸展時に関節包を引っ張ることで伸展に貢献しています2)

内側広筋の斜頭には膝関節伸展の作用はないかもしれません2)

等尺性収縮において膝関節伸展筋のトルクが最大となるのは,屈曲 60° のときです2)

膝関節の内旋に作用する筋

  • 主動作筋
    • 半腱様筋
    • 半膜様筋
  • 補助動筋
    • 縫工筋
    • 薄筋
    • 膝窩筋1,2)

膝窩筋は,膝関節伸展位では他の内旋筋よりもモーメントアームは大きくなります1)ので,主動作筋にいれてもいいのかもしれません。

膝関節の外旋に作用する筋

  • 主動作筋
    • 大腿二頭筋
  • 補助動筋
    • 大腿筋膜張筋

膝関節の安定化に作用する筋1,2)

  • 大腿四頭筋:関節包の前方を補強,広筋群は膝関節側方の安定化9)と膝蓋骨の安定化に作用,内側広筋ではとくに斜頭が膝蓋骨の安定化に作用する
  • 腓腹筋:関節包に付着して関節包の後方を補強,屈曲約 30° から伸展位まで,大腿四頭筋と共同収縮することで膝関節の安定化
  • 膝窩筋:関節包の後方と外側を補強,脛骨の上での大腿骨が前方にすべるの防ぐ
  • 大腿二頭筋:関節包の後方と外側を補強,外側側副靭帯と融合している
  • 半腱様筋:関節包の後方を補強,鵞足として関節包の内側を補強
  • 半膜様筋:関節包の後方と内側を補強,ハムストリングスの中では半膜様筋腱がとくに重要
  • 縫工筋:鵞足として関節包の内側を補強
  • 薄筋:鵞足として関節包の内側を補強

大腿四頭筋と半膜様筋は両方の半月板に付着し,膝窩筋は外側半月板に付着します。
これらの筋により,半月板が関節面の適合性を最良に保つ位置に移動します1)

大腿骨に付着する筋はこちら
脛骨に付着する筋はこちら
腓骨に付着する筋はこちら

主な血液供給5)

  • 大腿動脈の枝
  • 膝窩動脈の枝
  • 外側大腿回旋動脈の枝
  • 腓骨回旋枝
  • 前脛骨反回動脈の反回枝

半月板は血行が乏しく,辺縁のみが関節包由来の血行をうけます。

膝関節の感覚神経支配1,5)

  • 後脛骨神経:膝関節内のほとんどの組織の感覚
  • 閉鎖神経:関節包の後方と後内側の一部の感覚
  • 大腿神経:関節包の前内側と前外側の大部分の感覚
  • 総腓骨神経:関節包の外側の感覚25)

髄節レベルは L3 〜 L5 です1)

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参考文献

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2022年6月26日

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