Giải phẫu chức năng khớp gối

1. Phức hợp khớp gối

Có ba khớp ở vùng gọi là khớp gối: khớp chày đùi, khớp bánh chè đùi, và khớp chày mác trên.

Hình: Cấu trúc khớp gối phức tạp với các lồi cầu xương đùi không đối xứng tạo khớp với các mặt không đối xứng ở mâm chày. Xương bánh chè di chuyển trong rãnh lồi cầu xương đùi.
1.1. Khớp chày đùi
Khớp chày đùi là khớp giữa hai xương dài nhất cơ thể, xương đùi và xương chày. Nó được xem là một khớp lồi cầu đôi hoặc khớp bản lề thay đổi kết hợp một bản lề và một khớp xoay. Ở khớp gối, gấp và duỗi xảy ra tương tự như khớp khuỷu, nhưng gấp kèm theo một mức độ xoay nhỏ nhưng đáng kể.
– Lồi cầu trong và lồi cầu ngoài xương đùi. Lồi cầu ngoài dẹt hơn, diện khớp lớn hơn, hướng ra sau hơn, canh thẳng với xương đùi. Lồi cầu trong dài và hướng vào trong hơn, canh thẳng với xương chày.
– Mâm chày, có hai mặt khớp lõm nhẹ trong (hình oval, lớn hơn, dài hơn theo hướng trước sau, lõm hơn) và ngoài (hình tròn, hơi lồi).
– Sụn chêm:

Sụn chêm ngoài hình oval, ở phía trước nhận bám tận từ cơ tứ đầu đùi và ở phía sau từ cơ khoeo và dây chằng chéo sau.
Sụn chêm trong hình bán nguyệt, ở phía trước nhận bám tận từ cơ tứ đầu đùi và dây chằng chéo trước, dây chằng bên trong ở bên, và cơ bán mạc ở phía sau.
Các sụn chêm đóng vai trò quan trong trong khớp gối, gia tăng sự vững khớp, làm giảm chấn động bằng hấp thụ lực và phân tán lực (do đó bảo vệ sụn khớp và xương dưới sụn). Diện tiếp xúc ở khớp giảm 2/3 khi không có sụn chêm, làm tăng áp lực lên các mặt tiếp xúc và tăng nguy cơ chấn thương. Trong các tình huống lực tải thấp, tiếp xúc chủ yếu lên các sụn chêm, nhưng trong các tình huống lực tải cao, diện tiếp xúc tăng lên, và 70% lực tải vẫn lên các sụn chêm. Sụn chêm ngoài chịu nhiều lực tải hơn đáng kể. Các sụn chêm cũng tăng làm trơn khớp theo cơ chế choán chổ, cho phép phân tán nhiều dịch khớp hơn đến bề mặt của xương chày và xương đùi. Cuối cùng, các sụn chêm hạn chế vận động giữa xương chày và xương đùi. Khi gấp và duỗi, các sụn chêm di chuyển với các lồi cầu xương đùi. Khi gấp gối, các sụn chêm di chuyển ra sau bởi vì sự lăn của xương đùi và hoạt động của cơ khoeo và cơ bán mạc. Vào cuối của vận động gập, các sụn chêm lấp đầy phần sau của khớp, hoạt động như một miếng đệm choán chổ. Ngược lại, khi duỗi gối, cơ tứ đầu đùi và xương bánh chè hỗ trợ di chuyển các sụn chêm ra phía trước trên mặt khớp. Ngoài ra khi xoay các sụn chêm di chuyển theo xương chày.

– Các dây chằng: Khớp chày đùi có bốn dây chằng chính

Dây chằng bên trong (MCL) là dây chằng hình tam giác dẹt bao phủ một phần rộng mặt trong khớp. MCL nâng đỡ chống lại lực từ bên ngoài (valgus) và một phần kháng lại xoay trong và xoay ngoài. MCL cung cấp 78% tổng lực kháng valgus ở tư thế gối gấp 25°.
Dây chằng bên ngoài (LCL) mỏng hơn MCL, chống lại lực từ bên trong (varus), căng khi duỗi và giảm chiều dài khoảng 25% khi gấp tối đa. LCL cung cấp 69% lực kháng varus ở tư thế gối gấp 25°.
Dây chằng chéo trước (ACL) tạo cản chính (85%) vận động ra trước của xương chày so với xương đùi. ACL dài hơn PCL 40%. Các phần khác nhau của ACL căng ở tư thế gối khác nhau nhưng nối chung ACL được xem là căng ở tư thế gối duỗi.
Dây chằng chéo sau (PCL) tạo cản chính (95%) vận động ra sau của xương chày lên xương đùi. Nó căng tối đa ở tầm gập gối 45° đến 60°. PCL được xem là căng ở tư thế gối gập. Cả hai dây chằng chéo làm vững, hạn chế xoay, và gây trượt của các lồi cầu lên xương chày khi gập. Chúng cũng đem lại một phần làm vững chống lại lực vẹo trong và vẹo ngoài.

Hình: Dây chằng chéo trước (ACL) hạn chế vận động xương chày ra trước so với xương đùi trong khi dây chằng chéo sau (PCL) hạn chế vận động ra sau của xương chày so với xương đùi.
– Bao khớp:Bao khớp được củng cố bởi nhiều dây chằng và cơ, bao gồm MCL, các dây chằng chéo.

1.2. Khớp bánh chè đùi
Khớp giữa xương bánh chè với rãnh ròng rọc của xương đùi. Xương bánh chè là một xương vừng hình tam giác bị bao quanh bởi các gân của cơ tứ đầu đùi. Vai trò chính của xương bánh chè là gia tăng thuận lợi cơ học của cơ tứ đầu đùi.
Mặt sau của xương bánh chè được bao phủ bởi một lớp sụn rất dày. Một gờ xương dọc chia mặt sau xương bánh chè thành các mặt trong và ngoài, và mỗi mặt có thể được chia thành mặt khớp nhỏ trên, giữa và dưới. Có một mặt thứ bảy, được gọi là mặt lẻ (odd facet), ở mặt trong cùng của xương bánh chè. Trong động tác gấp duỗi bình thường, thường có năm mặt khớp nhỏ này tiếp xúc với xương đùi. Xương bánh chè kết nối với lồi củ chày qua gân bánh chè rất chắc. Nó được nối với xương đùi và xương chày bởi các dây chằng bánh chè đùi và bánh chè chày mà thật ra là sự dày lên của mạc cơ duỗi bao quanh khớp..

Hình: Xương bánh chè tăng thuận lợi cơ học của cơ tứ đầu đùi. Các mặt khớp nhỏ mặt sau xương bánh chè
– Góc Q: góc giữa một dường từ gai chậu trước trên của xương cánh chậu đến giữa xương bánh chè và một đường từ giữa xương bánh chề đến lồi củ chày. Góc Q tốt nhất cho hoạt động của cơ tứ đầu đùi là khoảng 10° vẹo ngoài. Góc Q bình thường ở nam là 10° đến 14° , nữ từ 15° đến 17°.
Góc Q tạo lực ép vẹo ngoài lên gối, và nếu quá lớn có thể gây các vấn đề bánh chè đùi. Góc Q > 17° được xem là quá mức và được gọi là gối vẹo ngoài (genu valgum) hay chân chữ X. Góc Q rất nhỏ gọi là gối vẹo trong, chân hình chữ O.

Hình: Góc Q
1.3. Khớp chày mác trên
Là một khớp nhỏ, giữa đầu xương mác và mặt sau dưới ngoài của mâm chày. Là khớp trượt di chuyển trước sau, trên –dưới và xoay theo sự xoay của xương chày và bàn chân (132). Xương mác xoay ngoài và di chuyển lên trên, ra ngoài khi bàn chân gập mu và nhận khoảng 16% lực tải tĩnh tác động lên chân.
Các chức năng chính của khớp chày mác trên là phân tán lực xoắn vặn do các vận động của bàn chân và giảm gập góc xương chày ra ngoài. Khớp chày mác và xương mác hấp thụ và kiểm soát lực căng hơn là lực ép lên chi dưới. Phần giữa của xương mác có khả năng chịu được các lực căng nhiều hơn bất kỳ phần nào khác của khung xương.

2. Các đặc điểm Vận động

Tầm vận động bình thường ở khớp gối là gấp 130° đến 145° và quá duỗi 1° đến 2°. Ở tư thế gối gập 90°, xoay trong xương chày đạt 6° đến 30° và xoay ngoài xấp xỉ 45°. Tầm vận động dạng và khép nhỏ khoảng 5° .
Chức năng của gối phức tạp bởi vì khớp không đối xứng của các mặt khớp trong và ngoài và cơ chế của xương bánh chè ở trước.

Khi gấp được bắt đầu ở tư thế chuỗi đóng (chịu trọng lượng), xương đùi lăn ra sau trên xương chày và xoay ngoài và dạng so với xương chày. Trong một vận động chuỗi mở như đá bóng, gấp bắt đầu với vận động của xương chày lên xương đùi, làm cho xương chày di chuyển ra trước, xoay trong và khép. Ngược lại trong động tác duỗi đùi chuỗi đóng, xương đùi lăn ra trước, xoay trong, và khép và xương chày lăn ra sau, xoay ngoài và dạng với hoạt động chuỗi mở. (Vào cuối tầm vận động thường có vận động trượt lên nhau của hai đầu xương).
Xoay ở gối được tạo ra một phần bởi vận động nhiều hơn của lồi cầu ngoài lên xương chày qua quãng đường gần như gấp hai lần. Xoay chỉ có thể xảy ra với khớp có một phần gập nào đó. Do đó, ở tư thế duỗi, là tư thế khóa không có sự xoay. Xoay trong của xương chày cũng xảy ra khi bàn chân gập mu và sấp. Xoay ngoài xương chày cũng kèm theo gấp lòng và ngữa bàn chân.

Hình: A. Vận động tại khớp gối gồm gấp, duỗi, xoay trong, xoay ngoài. B. Khi gối gập, kèm thep vận động xoay trong của xương chày lên xương đùi (không chịu trọng lượng).Khi duỗi, xương chày xoay ngoài lên xương đùi. C. Cũng có vận động dịch chuyển của xương đùi lên xương chày. Trong động tác gập, xương đùi lăn và trượt ra sau.

Xoay ở 20° cuối cùng của động tác duỗi được gọi là cơ chế xoay khóa gối (screw-home mechanism). Cơ chế xoay khóa là điểm mà ở đó các lồi cầu trong và ngoài bị khóa để tạo nên tư thế khóa của khớp gối. Cơ chế khóa di chuyển lồi củ chày ra ngoài và tạo nên một dịch chuyển vào trong ở gối. Một trong các nguyên nhân giả định của cơ chế khóa là do trong 20⁰cuối tầm duỗi, xương chày vẫn tiếp tục trượt ra trước ở diện lồi cầu trong tạo nên sự xoay ra ngoài của xương chày trong chuỗi chuyển động mở (vì diện lồi cầu trong dài hơn diện lồi cầu ngoài) hoặc là dây chằng chéo trước bị căng ngay trước khi xoay, và kéo các lồi cầu theo hướng ngược lại, tạo nên vận động xoay. Một lý do khác là hướng kéo ra ngoài của cơ tứ dầu khi duỗi gối. Cơ chế khóa gối bị tổn hại khi tổn thương dây chằng chéo trước bởi vì xương chày di chuyển ra trước (nhiều hơn) trên xương đùi. Cơ chế này không bị ảnh hưởng đáng kể khi mất dây chằng dọc sau, chứng tỏ rằng dây chằng dọc trước có vai trò chính.

Hình: Cơ chế xoay khóa gối (screw home mechanism) ở chuyển động chuỗi mở và chuỗi đóng

– Vận động của xương bánh chè:

Khi gối gấp xương bánh chè đi xuống với quãng đường khoảng hai lần chiều dài của nó. Khi gối duỗi, xương bánh chè trở lại vị trí nghỉ ở trên ngoài xương đùi trên rãnh ròng rọc ở đệm mỡ trên xương bánh chè. ở tư thế gấp vận động xương bánh chè hạn chế do gia tăng tiếp xúc với xương đùi.
Vận động của xương bánh chè bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi mặt khớp và chiều dài của gân bánh chè và ít bị ảnh hưởng bởi cơ tứ đầu đùi. Trong 20° đầu tiên của gập, xương chày xoay trong và xương bánh chè bị kéo khỏi vị trí trên ngoài của nó xuống vào trong rãnh, khi đó nó tiếp xúc bằng mặt khớp trong. Sự vững được tạo bởi lồi cầu ngoài là quan trọng nhất bởi vì hầu hết bán trật và trật xương bánh chè xảy ra ở tầm vận động ban đầu này.
Xương bánh chè đi dọc theo rãnh cho đến 90° gập, vào lúc này tiếp xúc là ở các mặt khớp trên của xương bánh chè (Fig. 6-25). Lúc đó, xương bánh chè một lần nữa di chuyển ra ngoài trên lồi cầu. Nếu gập tiếp tục đến 135° , tiếp xúc của xương bánh chè là mặt khớp lẻ (odd facet). Ở động tác gập, các vận động thẳng và dịch chuyển của xương bánh chè là ra sau và xuống dưới, tuy nhiên xương bánh chè cũng có một ít vận động góc ảnh hưởng đến vị trí của nó. Trong khi gấp gối, xương bánh chè cũng gấp, dạng và xoay ngoài và ngược lại khi duỗi (duỗi, khép, xoay trong).

Hình: Di chuyển của xương bánh chè và diện tiếp xúc khi gập gối.

3. Các hoạt động cơ

Duỗi gối: cơ tứ đầu đùi (gồm cơ thẳng đùi và rộng giữa ở phần giữa, cơ rộng ngoài ở bên ngoài và rộng trong ở bên trong) là một trong những nhóm cơ mạnh nhất của cơ thể, có thể mạnh hơn cơ gập gối đến ba lần. Cơ lớn nhất và dài nhất của cơ tứ đầu đùi là cơ thẳng ngoài. Cơ thẳng đùi thường không đóng góp đáng kể vào lực duỗi gối trừ phi khớp háng ở tư thế thuận lợi (duỗi háng). Khi đi và chạy, cơ thẳng đùi góp phần vào lực duỗi ở thời kỳ nhấc ngón khi đùi ở tư thế duỗi. Tương tự, khi đá, hoạt động của cơ thẳng đùi đạt tối đa trong giai đoạn chuẩn bị khi đùi quá duỗi ra sau và gối ở tư thế gấp.
Gấp gối: nhóm cơ chính hoạt động gấp gối là các cơ hamstring, gồm cơ nhị đầu đùi ở ngoài và các cơ bán mạc, cơ bán gân ở trong. Đây là các cơ hai khớp tác động cả lên khớp háng. Chúng cũng là các cơ xoay của khớp gối vì bám tận ở mặt bên gối (xoay ngoài với cơ nhị đầu đùi, xoay trong với cơ bán gân và bán mạc). Với vai trò cơ gấp, các cơ hamstring có thể tạo lực lớn nhất khi gối gấp 90° và giảm đi khi gối duỗi (giảm đến 50% ở tư thế duỗi tối đa). Hai cơ thuộc nhóm chân ngỗng khác (ngoài cơ bán gân) là cơ may và cơ thon cũng góp phần vào gấp gối. Cơ khoeo là cơ gấp gối yếu. cơ bụng chân cũng góp phần vào gấp gối đặc biệt khi bàn chân ở tư thế trung tính hoặc gập mu.
Xoay trong xương chày được tạo bởi các cơ bên trong: cơ may, cơ thon, cơ bán gân, cơ bán mạc, và cơ khoeo. Lực xoay trong lớn nhất khi gối gấp 90° và xoay ngoài. Cơ nhị đầu đùi là cơ xoay ngoài duy nhất. Xoay trong và xoay ngoài là những vận động cần thiết cho chức năng của khớp gối.

Hình: Các cơ vận động khớp gối

Hình: Gân ba cơ chân ngỗng (cơ may, cơ thon và cơ bán gân) ở mặt trước trong dưới gối (pes anserinus)
Vai trò của cơ khoeo: Là một cơ nhỏ ở phía sau gối, cơ khoeo có vai trò bảo vệ phía sau. Tham gia vào động tác gấp gối không đáng kể, nhưng cơ khoeo là một cơ quan trọng được xem là cơ “chìa khóa”, mở khóa duỗi gối với tác dụng xoay trong xương chày (hoặc xoay ngoài xương đùi). Ở tư thế chuỗi đóng (bàn chân tựa), nó mở khóa bằng xoay ngoài xương đùi so với xương chày, ở tư thế chuỗi mở (bàn chân hở đất), nó mở khóa bằng xoay trong xương chày/xương đùi.

Hình: Cơ khoeo
* Vận động kết hợp của háng và gối
Nhiều vận động chi dưới đòi hỏi hoạt động phối hợp ở khóp háng và khớp gối, và càng phức tạp bởi có nhiều cơ hai khớp giữa các khớp này. Sự đồng hoạt động của các cơ chủ vận và đối vận một khớp và hai khớp cần để tạo nên vận động với một lực và hướng phù hợp. Sự điều hợp này là cần thiết cho sự chuyển tiếp không có điểm dừng (cắt ngang) giữa duỗi và gấp. Ví dụ, khi đi, sự đồng hoạt động của cơ mông lớn (một khớp) và cơ thẳng đùi (duỗi gối) là cần thiết để tạo lực vừa duỗi đồng thời cả háng và gối. Thêm vào đó, sự đồng hoạt động của cơ thắt lưng chậu và các cơ hamstring tạo thuận gấp gối bằng cách loại đi vận động ở khớp háng.
Tư thế của khớp háng thay đổi hiệu quả của các cơ hoạt động lên khớp gối. Ví dụ góc khớp háng ảnh hưởng lớn lên cánh tay moment của cơ nhị đầu đùi. Tầm vận động ở gối cũng thay đổi với sự thay đổi tư thế khớp háng. Ví dụ, gối gấp khoảng 145° khi đùi gấp và 120° khi đùi duỗi thẳng. Sự khác biệt tầm vận động này là do mối liên hệ chiều dài- sức căng trong nhóm cơ hamstring.
* Sức mạnh các cơ khớp gối

Các cơ duỗi khớp gối thường mạnh hơn các cơ gấp suốt tầm vận động. Lực duỗi gối tối đa đạt được ở góc gấp gối 50° đến 70°.
Lực gập mạnh nhất ở 20° đến 30° đầu của gấp từ vị trí duỗi. Lực gấp gối mạnh hơn nếu háng gập bởi vì liên hệ chiều dài- sức căng của cơ hamstring được cải thiện. Tỷ lệ sức mạnh co cơ đẳng động giữa cơ hamstring và cơ tứ đầu thường là 0,5 (các cơ hamstring mạnh bằng một nửa cơ tứ đầu đùi).
Lực xoay trong và xoay ngoài thường lớn nhất với gối gập 90° vì ở tư thế này tầm vận động xoay là lớn nhất. Lực xoay trong tăng khoảng 50% từ gấp gối 45° đến gấp gối 90°. Tư thế của khớp háng cũng ảnh hưởng đến lực xoay trong, lực lớn nhất ở góc gấp háng 120°, góc mà cơ thon và các cơ hamstring đạt hiệu quả nhất. Lực xoay trong thường lớn hơn lực xoay ngoài.