人体膝关节在最大自主等长伸膝中的计算生物力学，重点关注关节中心定位的作用

这对酸痛或受伤的膝盖为何重要

对于任何在爬楼梯时感到膝盖疼痛或正在从伤病中恢复的人来说，大腿肌力测试是康复过程中常见的一部分。这项研究在最常见的测试之一——坐姿“对抗固定带”伸膝——的内部进行了考察，提出了一个影响深远的简单问题：当我们测量股四头肌有多强时，膝关节内部到底发生了什么，我们的计算模型到底有多少是对的、多少是错的？

在力量测试中观察膝关节内部

作者使用了基于一位健康年轻女性膝关节建立的高级数字腿部复制模型。该模型没有把膝关节当作简单的铰链，而是包含了骨骼、软骨、半月板、韧带以及穿过关节的十二块肌肉。他们模拟了标准的最大自主等长收缩（MVIC）测试：受试者坐姿，髋部屈约90度，膝关节保持固定角度，下腿向前推压一个向后施力的软垫杆。他们考察了三种常见的屈膝角度——30度、60度和90度，并改变了用力强度、绑带在小腿上的附着位置，以及同时收紧的股二头肌与小腿肌的程度。

肌肉出力如何转化为关节负荷

随着虚拟受试者用力加大，股四头肌的力量急剧上升，在最深的屈曲时超过体重的六倍。髌腱力以及髌骨与股骨之间的接触力也随屈膝角度稳步增加，而主要膝关节面间的压强呈更复杂的变化：在30度时最低，约在60度时达到峰值，90度时略有缓和。在较深的角度，髌骨后方的接触面积增大，同时峰值压强也上升，达到远高于典型行走时的数值。这些模式有助于解释为何在深屈膝角度下进行的练习尽管对增强力量非常有效，但可能加剧膝前部疼痛。

绑带位置与“辅助”肌肉的真实作用

研究发现，将绑带位置往小腿远端移动（使外力具有更长的杠杆臂）会改变剪切力在膝关节上的作用方式。更远的绑带位置减少了对小腿的后拉，从而导致前交叉韧带（ACL）张力显著增加，而后交叉韧带（PCL）的负荷则降低。通常被鼓励用于稳定关节的股二头肌与小腿肌的同时收紧确实会增加总体肌力，但与绑带位置和整体用力相比，对ACL负荷的影响有限。这些结果表明，诸如垫子放在小腿何处等训练设置中的小选择，可能会显著改变在力量测试或训练中对交叉韧带的安全加载方式。

计算模型中“关节中心”选择为何重要

为了解析运动捕捉和力量数据，研究者常使用将膝关节视为位于单一“关节中心”的完美铰链的简化肌骨软件。作者将他们的详细可变形关节模型与一种广泛使用的开源程序（使用这种简化）进行了对比。当他们仅将假定的关节中心前后移动几厘米时，简化模型对股四头肌力的估计就改变了超过30%，内部韧带和接触负荷也随之大幅变化。相比之下，能够让关节面和韧带自然分担负荷的详细模型则使肌肉力和接触力基本保持不变；仅关节内部的被动平衡力矩会随选定参考点而变化。

对患者与临床/训练者的要点

简单来说，这项工作表明坐姿伸膝测试会在膝关节内部产生非常大的力量，尤其在较深的屈膝角度下，并且绑带位置等细节会显著影响ACL及其他结构所承受的应力。研究还揭示了常用来解释此类测试的简化计算工具，如果过度简化膝关节枢轴位置，可能会误判肌肉与韧带的负荷。对临床医生和教练而言，建议在测试位置设置上要审慎，并在基于简化模型做出有关伤病风险或康复计划决策时保持谨慎。对患者而言，这解释了为何某些角度会更不适，并说明通过细心调整练习设置可以使增强训练更安全、更有效。

引用: Salehi, P., Shirazi-Adl, A. Computational biomechanics of human knee joint in maximum voluntary isometric extension with focus on the role of joint center positioning. Sci Rep 16, 8582 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39495-3

关键词: 膝关节生物力学, 股四头肌力量, 前交叉韧带负荷, 计算建模, 康复练习