三、髌骨的静态力学分析

在下肢屈伸运动过程中，来自股四头肌四块肌腹不同方向的应力均聚焦于髌股关节，并经其传导至小腿，使其承受着巨大的应力，如在屈膝130°时所产生的应力相当于7.8倍的体重；同时，髌股关节软骨是人体软骨最厚者也印证了髌股关节作用力的强大。

（一）髌股关节的作用力

髌股关节上的作用力是和股四头肌及髌韧带的合力相等而方向相反的力。髌股关节上的作用力随着膝关节屈曲程度的增加而增长，因为屈曲度加大，股四头肌与髌韧带之间的夹角随之减小，同时，股骨和胫骨的作用力臂也减小。膝屈曲于30°位时，伸膝装置的力臂，及髌腱与该位置的旋转中心垂距最长，所以此时的力矩最大；而当屈曲至120°时，力臂最短，力矩也最小，需要更大的股四头肌肌力以抵抗体重对膝关节形成的屈曲力矩。

（二）髌股关节的压应力

髌股关节的压应力是指髌股关节单位面积所承受的力。对于髌股关节面压应力的分布，文献也有不同的看法。Wiberg认为，外侧关节面的压应力总是低于内侧关节面。许多学者也认为这种观点解释了为什么内侧关节面的髌骨软化发生率高于外侧关节面。Burke和Ahmed认为在髌股关节接触区的中央有条均匀的压应力峰值带，在中央带周围的压应力呈同心状递减。Huberti发现在屈膝过程中，处于相同的屈膝角度时，髌骨内外接触面上各点的压应力变化很小（±0.25MPa），他认为尽管髌股关节有十分复杂的几何外形和复杂的载荷机制，但是在较大的活动范围中，髌股关节面并没有出现局部压应力过大的现象，这样可以有效地避免软骨的病变。而当下肢力线排列紊乱，如Q角的增大或减小，会使原来关节面上均匀分布的压应力变得不一致，局部发生应力集中，其他的部位应力下降。关节面间异常的应力分布可使关节软骨承受的负荷超过其阈值并致不可逆改变，最终造成髌股关节软骨损伤及骨关节炎等严重后果。

髌股关节的压应力在男女性中有显著的差异。研究显示在初始的屈膝过程中女性的压应力明显高于男性，而且对股内侧肌的负荷变化十分敏感。这提示在髌骨未完全被滑车沟限制之前，软组织在髌股关节的生物力学平衡上起着重要的作用。女性的Q角比男性要大，女性的膝关节在很大程度上依靠股内侧肌的力量来降低髌股关节的接触应力。在股内侧肌负荷增加时，髌股关节的接触面积会增加，尤其从屈膝0°到30°时增加更为明显，这一点在两性之间没有显著差异。股内侧肌的力量对于在屈膝角度较小时的髌骨生物力学的影响是十分明显的。