ひざ関節のしくみ

膝関節は他の関節と比べても特殊であり、複雑な構造によって成り立っています。二足歩行をする関係で、膝関節は常に体重を支え続け、経年劣化を起こしやすい部分でもあります。そのため、筋力低下や無理な動きに耐え切れず、生活に支障が出ることもあります。
私たちがよく耳にする膝の皿の痛みや、膝に水がたまる、膝の腫れなどは、今回ご紹介するメカニズムなどで理解することで把握が可能です。なぜ膝周辺の筋肉を鍛えなければならないか、その理由を理解するために、膝関節のしくみをチェックしてみてください。

関節とは

関節とは、骨と骨をつなげる部分を指します。関節があることで、様々な動きが行えるようになります。

関節は関節包と呼ばれる筋に包まれています。関節包の内側には、軟骨や滑膜、靭帯があります。そして、関節腔と呼ばれるものの中を見てみると、滑液が入っています。滑液は動きをよりスムーズにするためのものです。これらがあることで、私たちはスムーズな動きができます。

裏を返せば、どこかに1つでも不具合があると、スムーズな動きにつながらず、様々な障害が出やすくなると言えます。

膝関節とは

大腿骨と下腿骨をつなぐ場所

膝関節は大腿骨と下腿骨をつなぐ場所であり、手で触るとゴツゴツとした印象を感じられます。人の体にある関節の中では大きな関節の部類に入ります。

下腿骨は脛骨と腓骨で構成されており、手で触るとゴツゴツとしている部分が膝蓋骨です。腓骨以外の表面には軟骨があり、基本的にツルツルとしています。大腿骨に関しては関節に触れる面は形状が丸くなっており、脛骨は平らな面になっているので、丸くなっている大腿骨が平らな脛骨をコロコロと転がって動きます。

これにより、私たちはスムーズに膝を曲げたり伸ばしたりすることができます。実際に膝を動かすためには、膝蓋骨にくっついている筋肉が動き、脛骨に伝わります。

膝関節の構造

膝関節の構造を詳しく説明すると、大きな関節が2つ存在しています。1つは「大腿脛骨関節」、もう1つは「膝蓋大腿関節」です。「大腿脛骨関節」は大腿骨と脛骨の間に存在し、膝で体重を支える際に最も負担がかかる、重要な役目のある関節です。「膝蓋大腿関節」は大腿骨と膝蓋骨の間に存在し、膝蓋骨が膝を曲げたり伸ばしたりする際に、大腿骨の上を上下に滑るように移動します。通常はあまり負担がかからない関節ではありますが、強く膝を曲げる際に大きな負担がかかる関節です。

膝関節は蝶つがい関節の一種です。蝶つがい関節と呼ばれる理由は、文字通りドアの蝶つがいのように特定の方向しか動かないためです。それによって曲げ伸ばしが行えるようになります。

膝関節には多くの筋肉や腱、靭帯がくっついており、これらがあることでスムーズな曲げ伸ばしが行えます。その中でも重要な部位が大腿四頭筋です。大腿四頭筋は太ももの前面にある筋肉で、膝を曲げ伸ばしする際に体重を支えてくれます。

膝関節にかかわる骨とは

大腿骨

大腿骨は膝関節の上部にある骨であり、膝関節が触れているのは大腿骨の下の部分になります。大腿骨はすねの骨である脛骨と接しており、接地面には軟骨があります。

大腿骨は人間の骨の中では最も長く、およそ40センチとされています。二足歩行の人間にとって大腿骨はかなり重要で、大腿骨骨折の場合、完治までに相当な時間を要するほか、杖をついて歩くにしても1か月はかかってしまいます。

下腿骨

下腿骨は膝関節の下部に当たる骨で、2つの骨で構成されています。1つは脛骨、もう1つは腓骨です。この中で膝関節に触れるのが脛骨で、膝より上の体重を支える大きな役割を担います。

腓骨は脛骨のサポートをする骨で、関節には物理的に触れていませんが、あくまでも脛骨のサポート役なので、関節を安定して活用する役割があります。例えば歩く時に地面からの衝撃がありますが、これを吸収する役割を担っています。

膝蓋骨

膝蓋骨は膝の前面にある骨で、膝の皿と呼ばれますが、膝蓋骨があるのは大腿四頭筋の中です。膝蓋骨があることで膝の動きをスムーズにし、膝を動かす際に中心的な役割を担います。

膝蓋骨とあるので、骨折もあります。膝を強打した時になりやすく、骨折してしまうとこの後ご紹介する膝蓋腱などが骨折している部分を引っ張り、スムーズな動きができなくなるほか、膝が腫れてしまいます。膝の表面にあるので骨折すると骨が折れている様子がわかるのも特徴的です。

膝関節にかかわる骨以外の部分

靭帯

靭帯は骨をつなぐ紐のような形状をしており、この靭帯があることで関節を安定させることができます。この靭帯がないと関節の安定感がなくなり、歩きにくい状態になってしまうのです。

膝関節に関する靭帯には4つの種類があります。

脛骨と大腿骨をつないで膝の前の方を安定させる「前十字靭帯」
同じく脛骨と大腿骨をつないで膝の後ろの方を安定させる「後十字靭帯」
脛骨と大腿骨の内側でつながっていることで内側から力がかかってもグラつかないようにする「内側側副靭帯」
脛骨と大腿骨の外側でつながることで外側から力がかかっても安定するようにしてくれる「外側側副靭帯」

若い世代もケガをしやすい靭帯

私たちが屈伸運動をする際、これらの靭帯があることで常に同じ方向に膝が動くようにしてくれますが、1つでも靭帯が機能しないと変な方向に力がかかり、スムーズな動きができなくなります。

若い世代で膝をケガする際には前十字靭帯や内側側副靭帯を負傷し、歩きにくい状態になる場合があります。靭帯を切ると場合によっては長期間歩けない状態になり、手術を要することもあるため、膝関節においては大事な部類と言えます。

Unhappy triad（アンハッピートライアド）：不幸の三兆候

前十字靭帯、内側側副靭帯、内側半月板を同時に損傷することをいいます。スポーツ中の受傷が多く、急な方向転換、ブレーキ、接触時などで、損傷を起こすことが多い症状です。

膝関節の保護機能

骨や靭帯があることで一定の動きを行い続けることができる一方、よりスムーズに、そして日々数えきれないほど動かすためには繰り返しの動きに対応しなければなりません。

そのため、膝関節は膝を安定させることはもちろんのこと、膝にかかる衝撃や摩擦を少しでも軽減させるための保護機能的なものが存在します。

軟骨と半月板

保護機能の1つに軟骨があります。軟骨は膝関節の内側にある骨の表面に付着しています。鶏の軟骨を見るとプルプルと柔らかいものがついていますが、それと同じようなものが膝関節にもついています。軟骨の役割はスムーズに動かすためで、柔らかさがあることでスムーズな動きにつなげられます。

半月板は脛骨と大腿骨の間にあり、半月板があることで軟骨への衝撃を和らげることができます。半月板は文字通り、半月のような形をした軟骨組織であり、2つの半月板が存在します。1つは内側半月板、もう1つが外側半月板です。関節軟骨と比較すると若干硬い分、関節を力強く支えるほか、地面などからの衝撃を和らげる降下を持っています。半月板は若い世代がスポーツでケガをしやすい部分です。

関節包・関節液・滑膜・膝蓋腱

そんな半月板や軟骨、そして、靭帯などは関節包に包まれています。そして、関節包の内部は関節液と呼ばれるものでパンパンに詰まっているのです。関節液には潤滑油のような要素があります。軟骨同士が動くだけでもそれなりにスムーズですが、よりスムーズさをつけるために関節液が存在します。

そしてもう1つ、軟骨への栄養補給を行う役割もあります。軟骨は衝撃を吸収する際に変形し、その後元に戻ります。この戻るタイミングで栄養を使うため、その補給のために関節液が用いられるのです。そして、関節液を作り出す役割を持つ部位が滑膜です。

滑膜は一見すると何の問題も起きにくそうな部分ですが、この滑膜で炎症が起きてしまうと、必要以上に滑膜が働きだしてしまいます。その結果、関節液が大量に作られてしまい、最終的に膝に水がたまることになります。膝に水がたまるというのはよくあることですが、その際の水とは滑膜の過剰反応で生じた関節液を指します。

膝蓋腱は膝蓋骨と脛骨を結んでいる腱です。大腿四頭筋などの筋肉と連携して膝を伸ばし、ジャンプの際などに重要な役割を持ちます。一方でジャンプや走る行為を何度も繰り返しやり続けることで膝蓋腱に負担が生じるのです。そのため、膝蓋腱炎、別名ジャンパー膝と呼ばれる症状も存在します。

膝関節は筋肉でも守られるのか

運動不足の人がいきなり激しい運動を始めることで膝を痛めることがあります。これは膝周辺の筋肉が足りず、圧力に耐えられないからです。膝周辺の筋肉は関節を守る効果があり、筋肉が少ないと関節を守る効果が薄くなることを意味します。

そもそも少し太るだけで膝への負担は相当なものになると言われるくらい、体重との関連性は大きく、筋肉をつけることでカバーできます。

膝を支える筋肉は大腿四頭筋やハムストリングスが有名です。大腿四頭筋は4つの筋肉で構成されており、内側広筋・外側広筋・大腿直筋・中間広筋の4つです。大腿四頭筋を全体的に鍛えることで膝全体を守ります。

一方、ハムストリングは大腿二頭筋・半膜様筋・半腱様筋の3つで構成された筋肉です。ハムストリングスは柔らかい状態が望ましく、硬さがあることで膝への動きだけでなく、腰にも影響が出やすいと言われています。