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〜膝の運動学

1.膝関節を構成する主な部品の名称及び概論

2.大腿骨顆部の形状

3.横から見た大腿骨(矢状面図)

4.生理的外反(X脚)を生む要素

5.脛骨近位端部の形状と名称

6.脛骨内側顆と脛骨外側顆の形状の違い(1)

7.脛骨内側顆と脛骨外側顆の形状の違い(2)

8.膝は緩めて立つのが正しい

9.膝蓋骨の形状

10.膝蓋骨を安定化する筋肉

11.関節半月の存在する場所

12.関節半月の機能

13.関節半月の運動(膝の屈曲伸展に伴う関節半月の動き)

14.膝関節回旋運動時の関節半月の動き

15.関節半月の動きを制御する組織



1.膝関節を構成する主な部品の名称及び概論




一般に「膝の関節」と言われている関節は2つの関節からなっています。 一つは「大腿脛骨関節」FTJ(femorotibial joint):と呼ばれている場所で、大腿骨下端の内側顆・外側顆と脛骨上端の内側顆・外側顆が関節している、一般にいわれている膝関節です。 もう一つは「大腿膝蓋関節」PFJ(patellofemolal joint):で、大腿骨下端前面と膝蓋骨が関節している場所です。

膝関節の運動


膝は関節を曲げたり伸ばしたりする時(それぞれ、屈曲、伸展といいます)、脛骨関節面と大腿骨の関節面は2つの運動を複合して行ないます。 それは脛骨関節面に比べて大腿骨関節面は2倍の長さがあるからです。 ですから、ただ単に「ころがり運動」のみしていると、大腿骨は脛骨関節面からこぼれ落ちてしまいます。 その関係で「すべり運動」も組み合わせて屈曲・伸展を行っているのです。

人は四足歩行から二足歩行へと進化しました。 その時、下肢はからだ全体を支えなければならないという新しい役目を持つことになりました。 なるべく、最小限の筋力で立つ姿勢を持続するために、膝を伸ばすときに脛骨は大腿骨に対し外旋していきます。 そして最終伸展時に膝の関節をより外旋状態にロックし、最小限の筋力で立つことが出来るようになったのです。 この外旋を終末回旋:(Screw home movement)といいます。 この終末回旋は自分の意思とは関係ない自動回旋運動です。 尚、膝の完全伸展状態から屈曲する際にLockをはずすのは膝窩筋です。 反張膝状態の人はこの膝窩筋が発達しますから膝の裏が少しぽっこりします。

膝関節の役割


膝関節の役割は大きく分類すると次の4つです。

1.立位姿勢を安定させる
2.歩行時の推進力を生む
3.歩行時の衝撃を和らげる
4.血液やリンパ液を上半身に送り出す

といった役割があります。 特に、?B、は非常に重要な役割です。 歩行時に膝関節にかかる荷重はFTJで体重の3倍、PFJで0.5倍に達すると言われています。 また膝関節の荷重増加は、走行や階段昇降で著明に増加します。 特にPFJでは階段昇降時には平地走行時の7倍(体重の3.3倍)にも激増します。

歩行時に踵骨(かかとの骨)にかかる荷重は体重の1.2〜1.3倍程度ですから、膝関節にかかる荷重は非常に大きなことが理解できます。 これは、踵骨が接地面に対して角度を伴うことにより荷重を分散することができるのに対し、膝関節は歩行時に軽度屈曲を保持しなければならなく、また、足関節において分散した荷重を集積し動力へ変換するといった役割があるからです。 このような荷重をうまく分散出来ませんと、特に頸部に負担がかかり、様々な神経症状を引き起こす原因となります。

膝関節屈曲 knee flexion
運動範囲 0から145度
制限因子 大腿四頭筋の緊張 ふくらはぎと大腿後面との衝突
主動作筋 大腿二頭筋長頭 大腿二頭筋短頭 半腱様筋 半膜様筋(ハムストリングス)


膝関節伸展 knee extension
運動範囲 145度から0度
制限因子 斜膝窩靭帯 膝十字靭帯 側副靭帯の緊張 ハムストリングスの緊張
主動作筋 大腿直筋 中間広筋 内側広筋 外側広筋



2.大腿骨顆部の形状




膝蓋面 膝蓋骨と関節します(膝蓋大腿関節)。
外側顆 脛骨の外側関節面と関節し、外側コンパートメントを形成します
内側顆 脛骨の内側関節面と関節し、内側コンパートメントを形成します。
顆間窩 内側顆と外側顆の間にある空間です。前十字靭帯と後十字靭帯がここに付着します。膝関節に安定性を与えるのに欠かせない構造になっています
外側上顆
内側上顆
大腿骨体

大腿骨の下端の左右へ膨らんだ部分を大腿骨顆部といいます。 この部分は、内側と外側では大きさが随分と異なり、それが立ったときに余計な筋力なしに姿勢を保持できるようにしたり膝の微妙な動きを可能にしたりします。 外側顆と内側顆では外側顆の方が長く、成人の場合、内側顆より10〜15%ほど外側顆は長くなりますが、関節面では内側顆の方が長くなっています



3.横から見た大腿骨(矢状面図)



大腿骨の関節面は脛骨の関節面に比べて曲率半径は小さくなっています。これは両者が同じ曲率半径ですと安定性は増しますが動性は小さくなってしまうからです。

大腿骨の曲率半径を小さくすることでころがり運動とすべり運動を行ないやすくしているのです。 大腿骨の関節面は、もう一つ大きな特徴があります。 それは大腿骨の内外側顆は「螺旋形状」という特殊な形をしていることです。 簡単に説明いたしますと、大腿骨顆部の彎曲の曲率半径は後部へいくに従って短くなっているのです。 図は大腿骨の顆部を横から見たときのものです。 お分かりいただけると思いますが顆部は後ろに飛び出たような楕円形になっています。 このような曲線を描くことによって、伸展位から屈曲位になると、ころがり運動からすべり運動へ移行しやすくなっているのです。 細かく書きますと伸展位から最初の20°以内はころがり運動が主ですが、屈曲位になるにつれ、すべり運動が多くなります。



4.生理的外反(X脚)を生む要素




正常な脚の形はまっすぐではありません。軽度のX脚状態になっているのが正常です。これを生理的外反といいます。この生理的外反は大腿骨の内側顆と外側顆の形と大腿骨頸部の頸体角が関与しています。特に膝の関節では内側顆と外側顆の形が大きく関係します。

地面から垂直に大腿骨を立てた状態がA図です。お分かりいただけると思いますが、外側顆と内側顆の高さを比べますと外側顆の方が少し短くなっており、立ったときに少し隙間が開きます。この長さの違いによって大腿骨と脛骨が関節したときに傾きが生まれ、生理的外反をつくるのです(この角度を大腿脛骨角といい、おおよそ170〜175度となります)。この生理的外反は膝を屈曲するとなくなります。

B図は膝を曲げた時の図ですが、内側顆と外側顆の長さは同一線上に位置しています。ですから座ったときには生理的外反はなくなり、脚を揃えて座ることができるようになるのです。



5.脛骨近位端部の形状と名称




内側顆 後面に半腱様筋が付着して終末回旋を抑制します。
外側顆 腓骨と関節します。
脛骨粗面 太ももの前面にある大腿四頭筋が膝蓋骨を介して付着する部位です。この部分は膝の外旋状態をみる目標部位となります。
顆間隆起 前後の十字靭帯の付着部となっています。
外側顆間結節
内側顆間結節
外側関節面 大腿骨の外側顆と関節し外側コンパートメントを形成します。外側半月がここに収まります。
内側関節面 大腿骨の内側顆と関節し内側コンパートメントを形成します。内側半月がここに収まります。




6.脛骨内側顆と脛骨外側顆の形状の違い(1)



「2.大腿骨顆部の形状」で説明しましたが、大腿骨側では関節面は内側顆の方が外側顆よりも長い」状態になっていました。脛骨を見てみますと、同様に「内側顆の方が外側顆よりも長く」なっています。この事から膝の運動時では外側の方は内側に比べて、ころがり運動が多くなります。

また関節面の状態から内側はしっかりと関節し、外側は関節状態が不安定と言えるかもしれません。この大腿骨と脛骨の左右の顆長の不一致と生理的外反によって、内側は安定性を生み、外側は動性を生む基礎となります。



7.脛骨内側顆と脛骨外側顆の形状の違い(2)



脛骨内側顆と外側顆の形状はただ単に長さが違うだけではありません。今度は脛骨を横から見てみると、内側顆は凹状の形になっていますが、外側顆は反対に凸状になっています。これによって内側は大腿骨との接触面を大きくすることでより安定性を生み、外側は接触面を小さくすることでころがり運動を促して動性を生むのです。



8.膝は緩めて立つのが正しい



きれいな立ち方としてよく紹介される「膝を伸ばしきって立つ」立ち方は膝にとっては負担にしかなりません。これに付いて少しばかり説明します。

脛骨の上関節面は、脛骨を垂直に立てた時、僅かに後傾(後反)しています。この後傾は幾つかの作用を与えます。一つは、歩行時に膝を過伸展させないように働き、歩行時の衝撃から膝を保護する作用、二つ目は歩行時の推進力を効率的に下腿に伝える作用、そして三つ目は大腿骨が脛骨関節面をころがり運動するときにその働きを促す作用です。

もちろん、関節面が後傾しているのですから、立ったときに膝を横から見た場合、膝は軽度屈曲状態になるのです。ですが、大腿部の筋力低下などにより反張膝が起きてしまい、それが終末回旋を強めXO脚の原因となります。それを予防(改善)するためにはこの後傾に逆らわない立ち方をしなければなりません(こういった正しい状態を機能肢位といいます)。

反張膝の原因

1足関節の底屈拘縮(尖足)
大腿四頭筋の弱化及び痙性麻痺
ハムストリングス(大腿後面の筋)の弱化
4反対側の股関節・膝関節屈曲拘縮
5膝関節包、靱帯の弛緩



9.膝蓋骨の形状



膝蓋骨は膝の前面にある扁平で三角形をした骨です。種子骨と呼ばれるもので、種子骨の中で最も大きなものです。これは膝関節の一部(PFJ)を構成し、膝を保護する作用があります。上端は広く下端は尖っている逆三角形で、関節面は滑らかですが前面は凸凹した感じです。

膝蓋骨の機能

膝蓋骨の機能をまとめてみました。

1膝を外力から保護する
2膝の伸展機構の作用効率を高める

膝を伸展するときの主な筋肉は大腿四頭筋と呼ばれる太ももの前面にある筋肉です。この筋肉は膝蓋骨を介して膝蓋靭帯として脛骨粗面に付着します。これらを膝伸展機構といいます。膝蓋骨は、膝屈伸の中心軸と伸展機構の距離を大きくすることによって、伸展機構の作用効率を5割ほど高め、運動性や安定性を高めているのです。
膝関節の軸 大腿骨内側外側上顆(顆部の最も幅の厚い高さ)中央と後ろ1/3の間
大腿骨下端の関節面での前後径における後部1/3
且つ関節面から2〜3cm上がったところに屈伸の運動軸がある。




10.膝蓋骨を安定化する筋肉



膝を伸展するときに大腿四頭筋が関与すると書きましたが、この筋肉は外側広筋、大腿直筋、中間広筋そして内側広筋という筋肉からなっています。このうち内側広筋は、膝蓋骨を安定化し、膝を伸ばす時の最後の段階で伸展力として作用しています。

最初に書きましたが、脚は本来軽いX脚常態になっています。その上に終末回旋や膝関節外旋状態になりますと、膝蓋骨は外方へ牽引される形になります。また、図を見て下さい。膝蓋骨に付着する4つの筋のうち内側に引っ張る筋肉は内側広筋しかありません。ですから膝蓋骨運動を滑らかにし安定させるためには内側広筋が重要です。



11.関節半月の存在する場所



関節半月は脛骨関節面の内側と外側にそれぞれ一つずつあります。関節半月は内側と外側では形が異なり、膝の運動に協調性を与えています。それぞれの特徴をまとめてみました。

特徴 外側半月 内側半月
存在する場所 脛骨外側関節面 (外側コンパートメント) 脛骨内側関節面 (内側コンパートメント)
形状 O型 C型
前後移動幅 成人で約12mm 成人で約6mm
関節包との癒着 前方の1/2のみ 周縁は全て密着
側副靭帯との連絡 連絡せず(膝窩筋腱が存在) 外縁で連絡している
関節半月の動性 大きい(屈伸による前後移動 (12mm)) 小さい(屈伸による前後移動(6mm))
付着する筋 膝窩筋 半腱様筋
その他 外側半月後角から前半月大腿靭帯
(Humphrey靭帯)と後半月大腿靭帯
(Wrisberg靭帯)に連絡
半腱様筋などと連絡(過剰な終末回旋をブロック)

<参考>
前十字靱帯 大腿骨の顆間窩後外側から斜め前内方に走り脛骨前顆間区につく。大腿骨に対する脛骨の前方への滑り出しを防ぐ。膝伸展で緊張し過伸展を防止する。 断裂時 : 前方引き出し現象
後十字靱帯 大腿骨の顆間窩前内側から斜め後外方に走り脛骨後顆間区の外側につく。大腿骨に対する脛骨の後方への滑り出しを防ぐ。屈曲時不明(屈曲位(90°付近)で緊張する)。 断裂時 : 後方引き出し現象
外側側副靱帯 腿骨外側上顆から腓骨頭につき細い紐状で外側半月と結合しない。
内側側副靱帯 大腿骨内側上顆から脛骨内側顆につき外側側副靱帯に比べて幅が広く、内側半月と癒合している。

前十字靭帯 後十字靭帯 外側側副靭帯 内側側副靭帯
膝伸展 緊張 弛緩 緊張 緊張
膝屈曲 弛緩 不明 弛緩 弛緩
膝内旋 緊張 緊張 弛緩 弛緩
膝外旋 弛緩 弛緩 緊張 緊張
※ある出版社の辞典に「十字靭帯は膝の安定性に無関係」と書いてありましたが、そんなことはあり得ません。



12.関節半月の機能



関節半月は膝の運動に協調性を与えると書きましたが、それについてもう少し詳しく書いていきましょう。

大腿骨と脛骨の接合面積を大きくする

先ほど、曲率半径が大腿骨と脛骨では異なることを書きました。この状態ですと、大腿骨と脛骨の接点は非常に小さくなってしまい、運動時の衝撃や加齢などですぐに機能が破綻してしまう可能性があります。そこで大腿骨と脛骨の関節面同士の接点を広げる事によって膝を衝撃などから守り安定性を増したり、過剰な接触による骨壊死を防いでいるのです。

関節の潤滑、関節軟骨への栄養

関節面にある軟骨を栄養するのは滑液と呼ばれるものです。軟骨は滑液に浸ることで栄養を受けているのです。関節半月は、この滑液を大腿骨と脛骨のそれぞれの関節面に接することで常に滑液によって関節面が浸ることが出来る様にしているのです。

関節半月の機能をまとめると次の5つになる

1) 関節の適合作用にする
2) 緩衝作用
3) 可動性を適正にする
4) 関節内圧を均等化する
5) 誘導作用(滑液分散)



13.関節半月の運動(膝の屈曲伸展に伴う関節半月の動き)



関節半月は膝の運動に伴いながら動きます。

膝が屈曲した状態から伸展していくと、大腿骨は脛骨上を前方に移動すると同時に関節半月の前部(前角)を押すので関節半月も前方移動します。反対に屈曲していくときは、大腿骨は脛骨上を後方にすべりこみ後角部を押すので、関節半月もそれに併せて後方移動するのです。このように関節半月は膝運動にリンクして常に関節面がフィットするように移動を行っているのです。



14.膝関節回旋運動時の関節半月の動き



膝関節は「蝶番(ちょうばん)関節」に分類されています。これはドアの蝶番(ちょうつがい)のような運動をするからこのような名称となったのですが、実際には膝の関節は単純な蝶番運動だけではありません。膝は屈曲しながら内旋し、また伸展しながら外旋するという複合運動を行なっているのです。

膝関節(下腿)の回旋運動時には図のような関節半月の移動が見られます。注目して欲しいのは外側半月の移動が内側半月に比べて大きいということです。これは半月損傷の発生頻度に大きく関係します。内側半月は外側半月に比べ移動が少なく(外側半月の前後移動幅に比べ、内側半月は1/2程度しか動きません)、厚みもあるため、膝の外反外旋時の応力によって損傷しやすくなります。ですから外傷による損傷は内側半月の方が多くなります(「日本人は外側半月が円板状半月となっている人が多く、その関係で外側半月損傷が多い」と多くの書物で書かれていますが、手術件数を調査しますと実際はそれ程外側半月損傷が多いとはいえないみたいです)。

  外側半月 内側半月


○大腿骨外側顆後面が外側半月後角を後方へ押す
○膝窩筋の収縮により、外側半月は後方へ牽引
○大腿骨内側顆後面が内側半月後角を後方へ押す
○半腱様筋の収縮により内側半月は後方へ牽引
○MCLの後方移動により牽引


○大腿骨外側顆前面が外側半月前角を前方へ押す ○大腿骨内側顆前面が内側半月前角を前方へ押す
○MCLの前方移動により牽引



15.関節半月の動きを制御する組織



関節半月の動きは大腿骨の運動による押圧作用という二次的な動きだけで行なわれているのではありません。もちろん、関節半月自体は筋組織ではありませんから自動性はありません。しかし、大腿骨の運動によるに二次的な動きだけとした場合、関節半月は一定の強度を有していますから迅速な動きに対応できず、走ったり跳んだりすると骨間に挟まり込んだり断裂するなどの関節障害を起してしまいます。

そこで、関節半月は大腿骨の二次的な動きだけでなく多くの関節の付属品により制御を受けているのです。

この図は関節半月の運動に関与する組織をまとめたものです。

前方では内側半月膝蓋靭帯、外側半月膝蓋靭帯という線維状の組織が関節半月に付着しています。これは膝の伸展時に作用する大腿四頭筋の運動とリンクして関節半月を前方に動かす作用があります。

内側では内側半月に癒着する関節包、内側側副靭帯(MCL)があります。特に内側側副靭帯は広範囲にわたり内側半月に接しており、膝関節外旋時に内側半月の移動を抑制します。内側後方においては半膜様筋が内側半月に線維を送っています。この筋肉は膝関節外旋を抑制する働きもあるのですが、膝関節外旋時には内側半月を後方に引く作用があります。

外側側副靭帯は外側半月とは接していませんので、外側半月を外側から制御するのは関節包だけとなります。しかし、外側半月は前方では関節包との癒合があるのですが、後方では関節包と接していませんので、外側半月は前部と後部における運動に違いが現れ、後部の運動が大きくなります。また外側後方では終末回旋によるLookを外す膝窩筋という筋肉が外側半月に線維を送り、膝関節外旋時の外側半月前方移動を抑制します。

この様に、関節包や靭帯といった筋運動に伴って二次的に作用するものと、半膜様筋、膝窩筋という直接的に運動に参加する組織によって関節半月は細かく運動を制御されているのです。



参考文献など
「difficult to stay Without ACL」 http://ogatyacl.tripod.co.jp/index.htm
『ヴォアラ膝』 小林晶等編 南江堂
『図解 膝の機能解剖と靭帯損傷』  弓削大四郎 井原秀俊 協同医書出版
『基礎運動学』 中村隆一 齊藤宏 医歯薬出版
『人体解剖学ハンドブック1』 大谷修 西村書店
『第4版 分冊解剖学アトラス』 越智淳三 文光堂
『図解 関節運動器の機能解剖 下肢編』 井原秀俊 協同医書出版
『分担解剖学』 金原出版
『整形外科クルズス』 中村耕三 南江堂

※この資料で使用している解剖のイラストは上記参考文献などにあるイラストを基に一部改変を加えたものです。
また、イラストの表記は読者の理解を深めるために、一般的な表記原則とは異なり、基本的に上は前方、右に内側が来るようになっています。
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