1-0 基礎概論Basic Science
 
解剖
 
基本上膝關節(knee joint)，是個樞紐關節(Hinge type Joint)。但還加上有轉動(rolling)及滑動(gliding)的動作。其周圍相關的構造，包括：韌帶(ligament)、半月板(meniscus)、關節囊(capsule)、肌肉(muscle)等軟組織(soft tissue)。這些軟組織對於膝關節的功能，也佔重要角色。以下分別簡介之：
 
半月板Meniscus
 
半月板除了在popliteal Hiatus外，都是在關節囊內的。據研究，內側半月板的外圍20-30%及外側半月板的外圍10-25%，是有血管供應的(vascularized)，主要由內側及外側膝動脈(medial and lateral geniculate a.)來供應。外側半月板在腿彎部缺孔(popliteal hiatus)附近也是較少血管供應。內側半月板的形狀是呈較大是”C”型，外側半月板較小，呈半”O”型，兩者在前面有橫韌帶(transverse ligament)相連接。半月板位置所在的脛骨平台(tibia plateau)呈凹陷型。半月板可幫助力量的傳遞(load transmission)，減少股骨和脛骨間的接觸壓力，幫助潤滑(lubrication)及軟骨的營養供應(chondral nutrition)。
 
骨及軟骨Bone & cartilage
 
膝關節包括股骨髁(femur condyle)、脛骨平台(tibial plateau)及髕骨(patella)三個骨頭。關節軟骨主要是玻璃狀軟骨(hyaline cartilage)，而髕骨的軟骨有身體最厚的軟骨厚度。
 
滑膜Synovium
 
膝關節的滑膜由軟骨邊緣，在關節內形成膝關節內的被膜。滑膜下主要是脂肪組織(adipose tissue)，並形成絨毛樣突出(villi)以增加滑膜總面積。滑膜有充足的血管供應，它的功能主要有二： 經滑膜灌注(transsynovial perfusion)以提供關節內軟骨的營養。 滑膜細胞(synoviocyte)可以維持滑膜本身的新陳代謝平衡(metabolic homeostasis)，也可以藉著分泌及吸收而調節整個關節液的生化環境。

韌帶Ligaments
 
膝關節主要有4個韌帶：前十字韌帶(ACL)、後十字韌帶(PCL)、內側側韌帶(MCL)及外側側韌帶(LCL)。
 
前十字韌帶Anterior cruciate ligament；ACL
 
ACL是最廣被研究的韌帶。ACL在脛骨的附著點是較寬、不規則、菱形狀，就在脛骨突起(tibia eminence)的前面。而在股骨端的附著點，則在外股骨髁(lateral femoral condyle)的後內側，半圓形的ACL長約33公厘，直徑約11公厘，在脛骨端較寬。ACL約可分兩大束：前內束(anteromedial bundle)在膝彎曲(flexion)時會變緊；而後外束(post-lateral bundle)在膝伸直時(extension)時會變緊。在組織學上來看ACL 90% 是第一型膠原纖維(type I collagen fiber)，10% 是第三型(type Ⅲ)。血液供應則主要從中膝動脈(middle geniculate a)及下內及下外膝動脈(inferior medial and　lat. geniculate a.)。ACL也可發現有壓力接受器神經末端（mechanoreceptor n. ending），主要是本體（proprioception）作用。

後十字韌帶Posterior cruciate ligament；PCL
 
後十字韌帶近來也成為研究的大課題。後十字韌帶的脛骨端附著點在脛骨後面，在關節面之下，因此基本上後十字韌帶是屬於滑膜外組織（extra-synovial tissue）。其在股骨端附著點呈半月形，在內股骨髁(medial femoral condyle)的前外側(anterolateral)處。後十字韌帶長大約38公厘，直徑約13公厘，在股骨端較粗。後十字韌帶可分2個主要部份，即前外束和後內束(anterolateral and　posteromedial portion)兩個主要部份，但近來有人又可分出另外兩個較小的部份。前外束在膝彎曲時會變緊，後內束則在膝伸直時變緊。另外有兩條半月板股骨韌帶（meniscofemoral ligament）。在後十字韌帶前面的叫韓彿瑞氏韌帶(Humphry ligament)。在後十字韌帶後面叫瑞斯堡氏韌帶(Wrisberg ligament)。他們的起點在外側半月板的後角(post horn)，分別附著在後十字韌帶在股骨附著點的前面及後面。後十字韌帶的神經血管供應(neurovascular supply)與ACL相同。

內側側韌帶Medial collateral ligament, MCL
 
MCL是寬而平的韌帶。可分淺部(superficial)及深部(deep)兩部份。淺部MCL也叫脛骨側韌帶(tibia collateral ligament)，就位在薄片肌(gracilis)及半腱肌腱(Semitendinosus tendon)的深層，由內股骨髁(medial femoral epicondyle)到脛骨的後內側的骨皮質。在鵝蹼(pes anserinus)的深處。淺部MCL在功能上來看，也可分前面及後面部份。前部份在90°內彎曲時會變緊，後部纖維在膝伸直時變緊。深部MCL又叫中關節囊韌帶(middle capsular ligament)，其實是關節囊增厚而已，會在脛骨附著點處與淺層MCL相融合。深部MCL通常也可依在半月板上下而分半月板股骨韌帶(meniscofemoral ligament of deep MCL)及半月板脛骨韌帶(meniscotibial ligament of deep MCL)，又叫冠狀韌帶(coronary ligament)。

外側側韌帶Lateral collateral ligament
 
又稱腓骨側韌帶(fibular collateral ligament)，是一條繩索狀組織，由外股骨髁(lateral femoral epicondyle)到腓骨頭(fibular head)。因其位置較後，在旋轉軸的後面，故當膝伸直時會變緊，而膝彎曲時會放鬆。
韌帶的顯微結構：主要由第一型膠原纖維(type I collagen fiber)加上少量彈性網狀原(elastin reticulin)所構成。MCL比ACL寬3倍。而單位面積的膠原數目，MCL也比ACL多。ACL的截面積(cross section)越向脛骨附著處越大，而PCL則相反。MCL則在中間部份最大。

髕骨股骨關節Patellofemoral joint
 
髕骨(patellar)是人體最大的種子骨(sesamoid bone)，其關節面可分為內側及外側小面(medial and lateral facet)，中間以中間棘(median ridge)隔開，內側小面(medial facet)有時可再分內側小面本體(medial facet proper)及殘餘小面(odd facet)。殘餘小面只有在非常彎曲的情況下，才會與內股骨髁 相接觸。髕骨的關節軟骨是人體最厚的。因其所承受的力是人體體重的數倍。

肌肉及肌腱Muscle & Tendon
 

膝關節內側的軟組織構造可分三層：
第一層：縫匠肌及肌膜(sartorius & fascia)
第二層：半膜肌(semi-membranosus)、淺層內側側韌帶(superficial MCL)、後斜韌帶(posterior oblique ligament)
第三層：深層內側側韌帶(deep MCL)及關節囊 (Capsule)
在第一、二層之間有：半腱肌(semi tendinosus)、薄片肌(gracilis)及隱神經(saphenous n.)。第一、二層組織在膝前方會融在一起。第二、三層組織在膝後方會融在一起。
 膝關節外側的軟組織構造可分三層：
第一層：外側肌膜(lateral fascia)、腸骨脛骨束(iliotibial tract)、股二頭肌腱(biceps femoris tendon)
第二層：髕骨網狀組織(patellar retinaculum)、髕骨股骨韌帶(patella femoral lig)
第三層：外側側韌帶(LCL)、腓骨韌帶(fabellofibular ligament)、弧形韌帶(arcuate ligament)、關節囊(capsule)
 後外側膝關節構造Posterolateral knee structure
膝關節的後外側關節結構(posterolateral complex)實際包括了以下構造：外側側韌帶(LCL)、腓骨韌帶(fabellofibula ligament)、弧形韌帶(arcuate ligament)、popliteofibular fiber，加腿彎肌腱(popliteal tendon)
 
生物力學 Biomechanics
 
半月板的生物力學Meniscus Biomechanics
 
半月板的膠原纖維(collagen fiber)有兩個方向排列：放射狀(radial)及環繞狀(circumferential)。環繞狀纖維可助分散在膝完全彎曲或伸直的壓力。外側半月板的前後延展度(ant-post extension)約達11MM，約為內側半月板的兩倍。在膝旋轉時，外側半月板也比內側半月板有更大的位移。前十字韌帶缺損的膝關節可使內側半月板的後角部位(posterior horn)有不正常的壓力。
 
韌帶的生物力學Ligament Biomechanics
 
膝關節韌帶的主要角色，在提供膝關節不正常活動時的被動性的限制力(passive restraint)。前十字韌帶對於脛骨向前位移(anterior translator)有85%主要限制力( primary restraint)。後十字韌帶對於脛骨向後位移( post. Translation)有95% 主要限制力。二者對於膝關節的”扭回去”機轉(“screw-home” mechanism)，在膝關節作伸直的最後階段(terminal extension)時會發生脛骨外轉(tibial external rotation)的現象。有調整的功用。內側側韌帶的表層部份(superficial portion)主要當膝外翻(valgus angulation)的主要限制力；而外側側韌帶則當膝內翻(varus translation)的主要限制力。
 
構造特點Structure property
前十字韌帶的張力強度(tensile strength)是2160N，而在年輕人則可能高到2500N；後十字韌帶一般認為高於前十字韌帶，但大小多少，仍有爭論；內側側韌帶大約兩倍於前十字韌帶的硬度(stiffness)及張力強度(tensile strength)；側側韌帶的數據，尚未被報告。關於前十字韌帶移植物(ACL graft)的強度，若用14MM (patellar tendon)則約為前十字韌帶的160%。近來有人用10MM髕骨肌腱移植物(patellar tendon graft)作實驗得到2977N的強度，約為前十字韌帶的140%。如把移植物(graft)旋轉90º，則可增加30%強度。不過在動物體內(in vivo)實驗，移植物的強度在術後6週後，降到其原來強度的20%。另有研究顯示在術後1年，其強度保持在50%左右。但另有人作屍體測試，在術後8個月後的前十字韌帶移植物的張力強度，約為正常前十字韌帶的87%。
 
動力學Kinematics
膝關節韌帶與膝活動的關係，可以用一個四桿連接模式(four-bar linkage model)來解釋。例如，在膝彎曲時，膝關節瞬間旋轉中心(instantaneous center of joint rotate)會往後移(此點是ACL及PCL連結的交點)，因此股骨及脛骨的關節表面(tibiofemoral articular surface)會發生旋轉(rolling)及滑動(gliding)以維持此瞬間中心。韌帶等距點的概念(ligament isometric)曾風迷一時，現則仍未定論。不過理論上，韌帶最好在膝活動時維持在一定的彎曲軸(flexion axis)內，而維持等距點。但用在臨床上則仍有爭論，因為如果為了維持等距使移植物卡到股骨凹痕處(femoral notch)，而致無法完全伸直時可能更得不償失。