Knee Joint Kinesiology
Amir H. Bakhtiary
PhD, PT
Associate Professor
Physiotherapy Department
Rehabilitation faculty
Semnan University of Medical Sciences
Knee Extensors Muscles
Gluteus Max and
Soleus may help
knee Ext in Closed
Kinematic Chain
(Movements
‫‪Quadriceps‬‬
‫عضله چهارسر رانی‬
‫• تنها بخش دومفصلی آن رکتوس فموریس است‬
‫• جهت نیروی کشش آن نسبت به تنه فمور‬
‫• ‪ 10-7‬درجه به داخل و ‪ 3‬تا ‪ 5‬درجه به جلو‬
‫• جهت کشش ‪ 35 VL‬درجه بطرف خارج‬
‫• جهت کشش ‪ VI‬موازی با تنه فمور‬
‫• جهت کشش ‪VM‬‬
‫‪ −‬الیاف فوقانی ‪18 – 15‬درجه بطرف داخل‬
‫‪ −‬الیاف تحتانی یا مایل ‪ 55-50‬درجه بطرف داخل‬
‫• بخش ‪ VM‬درانتهای دامنه ‪ Ext‬زانو فعال می شود‬
Compress
force
‫نقش پاتال بر عملکرد عضله چهار سررانی را تعریف کنید؟‬
‫قرار گرفتن پاتال در داخل تاندون عضله چهار سررانی‬
‫• افزایش گشتاور نیروی عضله چهارسررانی از طریق‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫• افزایش ‪ MA‬تاندون چهار سررانی‬
‫• افزایش فاصله تاندون کوادریسپس و پاتال از محور حرکت زانو‬
‫تغییر جهت خط کشش عضله کوادریسپس‬
‫افزایش زاویه کشش تاندون‬
‫کاهش اصطکاک بین تاندون و سطح فمور‬
‫نقش ی بیشتر از یک قرقره ساده بازی کرده‬
‫• هم تغییر جهت نیرو‬
‫• هم تغییر اندازه نیرو‬
‫• برداشتن پاتال موجب کاهش نیروی کوادریسپس تا ‪ %49‬بدلیل کاهش ‪MA‬‬
The role Of patella in
improving Quadriceps Torque
Anterior Translation Force
of Quadriceps
Increase the muscle force
by Knee Ext in OKC
Cause More tension on the ACL
Decease the muscle
force by Knee Ext in
OKC
Cause Less tension on the ACL
Quadriceps Weakness
‫‪Patellofemoral Joint‬‬
‫نقش پاتال در مفصل پاتلوفمورال مانند قرقره اکسنتریک آناتومی شامل ‪ )1‬تغییر جهت‬
‫نیرو‪ )2 ،‬افزایش اثر نیرو و ‪ )3‬کاهش اصطکاک بین سطوح‬
‫• بستگی به قابلیت تحرک چهار گانه آن دارد‬
‫• ‪( Patellar Flexion/Extension‬تحرک اصلی)‬
‫• ‪( Patellar Tilt‬اجازه تطبیق پاتال با کندیلهای نامتقارن فمور)‬
‫• ‪( Med Tilt‬بین ‪ 30-0‬الی ‪ 100‬درجه ‪)Flex‬‬
‫• ‪( Lat Tilt‬بین ‪ 20‬الی ‪ 100‬درجه ‪)Flex‬‬
‫• ‪( Med & Lat Rotation‬چرخش زاویه تحتانی پاتال به تبعیت از تیبیا)‬
‫• بین ‪ 25‬الی ‪ 100‬درجه ‪ Flex‬پاتال ‪ 7-6‬درجه به خارج می چرخد‬
‫• ‪ Medio-lateral Translation‬یا ‪Patellar Shift‬‬
‫• ‪ :Active‬در انتهای ‪ 7/5 EXT‬تا ‪ mm 10‬جابجایی خارجی‬
‫• ‪:Passive‬‬
‫‪( Full Ext −‬جابجایی داخلی‪ ،9.6 mm :‬جابجایی خارجی‪)5.4 mm :‬‬
‫‪ −‬در ‪35‬درجه ‪( Flex‬جابجایی داخلی‪ ،9.4 mm :‬جابجایی خارجی‪)10 mm :‬‬
Open kinematics Chain
Patella
Movement
During
Knee
Flexion
Patella Movement
During Knee Flexion
Closed kinematics Chain
Patellar Tilting
Medial and Lateral rotation
Medial and Lateral Shift
‫‪Patellofemoral Joint Surface‬‬
‫سطح مفصلی پاتلوفمورال‬
‫• ناسازگارترین سطوح مفصلی بدن‬
‫• سطح مفصلی پاتال بسیار کوچکتر از فمور‬
‫• خصوصیات غضروفی ان از یک نقطه به نقطه دیگر متفاوت است‬
‫• سطح مفصلی پاتال توسط غضروف ضخیمی پوشیده شده‬
‫• توسط یک ستیغ مرکزی به دو بخش داخلی و خارجی تقسیم شده‬
‫• هر دو بخش صاف تا کمی محدب (در دو صفحه ساژیتال و فرونتال)‬
‫• در ‪ %30‬موارد فاست داخلی تری به نام ‪Odd Facet‬‬
‫• سطح مفصلی فمور با یک شیار به دو بخش داخلی و خارجی‬
‫• در فرونتال مقعر و در ساژیتال محدب (فاست خارجی محدب تر)‬
‫• زاویه بین دو فاست ‪( 138°‬از ‪ 116‬تا ‪ 151 °‬بین افراد مختلف متغییر)‬
Patellar Joint Surface
Patellofemoral Joint
Surfaces
‫‪Patellofemoral Contact Surface‬‬
‫سطح تماس پاتال با فمور‬
‫• هیچ تماس ی در ‪ Full ext‬وجود ندارد‬
‫• با افزایش ‪ Flex‬تماس سطوح افزایش یافته (از پایین به باال)‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫در ‪ 10‬تا ‪ 20‬درجه ‪ Flex‬اولین تماس با سطح تحتانی پاتال‬
‫در ‪ 45‬درجه ‪ flex‬نیمه میانی پاتال وارد تماس شده‬
‫در ‪ 90‬درجه ‪ flex‬تمام قسمتهای پاتال وارد تماس شده‬
‫با ‪ flex‬بیش از ‪ 90‬درجه پاتال وارد شیار بین کندیلی شده و ‪ Odd facet‬در تماس‬
‫قرار گرفته‬
‫در ‪ 135‬درجه ‪ flex‬تماس فقط در فاست خارجی و ‪Odd Facet‬‬
‫• فاست داخلی بیشترین تماس و ‪ odd Facet‬کمترین تماس را تجربه‬
‫• عدم تعادل در نیروهای وارده بر غضروف مفصلی منجر به تغییرات دژنراتیو در این فاستها می‬
‫گردد‬
‫‪Reaction Force on the‬‬
‫‪Patellofemoral Joint‬‬
‫نیروهای وارده روی مفصل پاتلو فمورال‬
‫• در ‪ Full ext‬نیروهای کوادریسپس و پاتال یکدیگر را خنثی کرده‬
‫• پاتال در حالت تعادل در مقابل فمور قرار دارد‬
‫• با افزایش ‪ Flex‬برآیند این دو نیرو موجب فشرده شدن پاتال روی فمور‬
‫• با افزایش ‪ Flex‬این نیرو افزایش یافته‬
‫• موجب نیروی عکس العمل روی سطوح مفصلی گردیده که میزان آن تحت تاثیر‬
‫• ‪Knee Flexion‬‬
‫• ‪Quadriceps Force‬‬
‫• ‪Elastic Passive Force‬‬
‫• اندازه نیروی عکس العمل‬
‫• راه رفتن عادی (‪ 10‬تا ‪ 15‬درجه ‪ Flex‬زانو) ‪ %50‬وزن بدن‬
‫• باال و پائین رفتن از پله (‪ 60‬تا ‪ 90‬درجه ‪ Flex‬زانو) ‪3.5‬برابر وزن بدن‬
‫• فعالیتهای همراه با ‪ Flex‬شدید زانو (‪ 135‬درجه ‪ )Flex‬تا ‪ 8‬برابر وزن بدن‬
Reaction force on
the patellofemoral
surface
Medial shift of Patella during Flexion
Mechanism of Lateral
force on the patella
What is the Compensatory Mechanisms for
Compressive Force Distribution in
patelofemoral joint?
• Contact area  with knee flexion
• Medial facet contact from 30-70
•
Thickest hyaline cartilage in body
• Largest QF MA 30-70
•
QF torque as MA decreases
• QF tendon contacts condyles 70-90
‫‪What are the Medial and Lateral Stability‬‬
‫?‪factors of Patellofemoral Joint‬‬
‫ثبات طرفی مفصل ‪ PF‬تحت تاثیر متقابل دو مکانیسم قرار دارد‬
‫• مکانیسم عرض ی (رتیناکولوم اکستانسوری)‬
‫• مکانیسم طولی (تاندونهای پاتال و کوادریسپس)‬
‫• تعادل بین این دو مکانیسم منجر به حرکت صحیح پاتال هنگام حرکات زانو‬
‫میشود یا ‪Patellar Tracking‬‬
‫• در صورت بر هم خوردن تعادل بین عوامل فوق حرکت پاتال روی فمور‬
‫دچار اختالل می گردد‬
Normal Patella
Tracking



Maintains maximum
congruence
Passive restraints
Active restraints
Abnormal Patella Tracking



↓ congruence
Stretches capsule & retinacula
↓ contact area
Lateral
Medial
Causes of Abnormal Tracking




Skeletal abnormalities
Strength imbalance in QF
Strength imbalance in fibrous tissues
Compensatory movements in knee due to
abnormal foot movement
Causes of Abnormal Tracking




Skeletal abnormalities
Strength imbalance in QF
Strength imbalance in fibrous tissues
Compensatory movements in knee due to
abnormal foot movement
‫‪Skeletal Abnormalities:‬‬
‫‪Q-angle‬‬
‫مقدار طبیعی = ‪ 10‬تا ‪15°‬‬
‫با ‪ Flex‬کاهش یافته‬
‫عوامل موثر بر افزایش آن‬
‫‪ .1‬پهنتر بودن لگن‬
‫‪ .2‬افزایش ‪ anteversion‬فمور‬
‫‪ .3‬افزایش ‪Valgus‬زانو‬
Increases in Q-angle are associated with:
femoral anteversion
external tibial torsion
laterally displaced tibial tubercle
genu valgus
 Wide Hips (female runners)
Pronation of the feet
Subluxating Patella
High riding patella (Patella Alta)
Weak Vastus Medialis
Q Angle and contact
pressure
Skeletal Abnormalities:
Genu Varum & Genu Valgum




Q angle  w/ age
Varum common in
very young children
Valgum seen in
growing children
Menisectomy effects
Skeletal Abnormalities:
Patella Alta & Patella Baja

Index of Insall & Salviti





LP/LT
Normal = 1.0
Patella alta = 0.8
Patella baja = 1.2
Women  ratio
Skeletal Abnormalities:
Patella Surface Lateral Border



Appositional forces ↓ in full
extension
Prominence of lateral
border prevents lateral
displacement
Underdevelopment
common in children as
growing
Skeletal Abnormalities:
Femoral & Tibial Torsion

Lateral tracking
Causes of Abnormal Tracking




Skeletal abnormalities
Strength imbalance in QF
Strength imbalance in fibrous tissues
Compensatory movements in knee due to
abnormal foot movement
QF Strength Imbalance
Causes of Abnormal Tracking




Skeletal abnormalities
Strength imbalance in QF
Strength imbalance in fibrous tissues
Compensatory movements in knee due to
abnormal foot movement
Fibrous Tissue Strength
Imbalance
IT
Causes of Abnormal Tracking




Skeletal abnormalities
Strength imbalance in QF
Strength imbalance in fibrous tissues
Compensatory movements in knee due to
abnormal foot movement
Compensatory Movement



Pronation of foot accompanied by medial rotation of
tibia  medial rotation & medial translation of patella
Pronation coupled w/ forceful quadriceps femoris
leads to anterior tilt
EX: jumping, landing, running
Knee pathology
Meniscal lesion
Meniscal lesion can also occur through a
collision and is thought deep knee bends can
also be a cause.
A transverse tear of the lateral meniscus
A transverse tear of the lateral
meniscus
A longitudinal tear of the lateral
cartilage meniscus
Damage to the medial
meniscus at it's attachment to
the ligament. Also shown a
longitudinal tear in the lateral
meniscus.
The cartilage gets squeezed
between the bones with most
of your bodyweight on top!
McMurray's click test for the integrity of the meniscus. This
test is done to "pinch" the menisci against the femur. Internal
rotation of the tibia on the femur stresses the posterior medial
and the anterior lateral menisci
McMurray's click test for the integrity of the meniscus. This
test is done to "pinch" the menisci against the femur. External
rotation stresses the anterior medial menisci and the posterior
horn of the lateral menisci.
Osteocartilage
degenerative changes
History of Injury
• Acceleration Mechanisms
• (lower leg slipping forwards)
• Deceleration Mechanisms
• (lower leg stops suddenly)
• Hyper Extension Mechanisms
• (Bad Tackle)
• Torque ('twisting') Mechanisms (jumping while
twisting, when the foot lands and grips the ground
surface, while the body continues the twisting
motion with the full weight of the person behind it.
ACL & PCL injury
Anterior Drawer Sign
The ACL ligament
is injured through
twisting the knee or
through an impact to
the side of the knee
- often the outside.
Posterior Drawer Sign
The posterior Cruciate ligament is injured through
hyperextension of the knee or bending it backwards.
Jumpers Knee
(Patellar tendinopathy - sometimes called
Patellar tendinitis)
Under extreme stresses such as those
involved in jumping a partial rupture
can occur. This can often lead to
inflammation and degeneration of
the tissue. Inflammation can also
result from overuse.
Patella Alta
Patella alta – the patella rides so high it loses the
passive stabilisation of the lateral condylar ridge.
Side to Side
Unstability
Collateral Ligaments
Injury
If the force from the injury is great enough, other
ligaments may also be torn. The most common
combination is a tear of the MCL and a tear of the
anterior cruciate ligament (ACL).