Đầu gối là khớp bản lề được sửa đổi, cho phép các chi uốn cong và mở rộng cũng như xoay nhẹ bên trong và bên ngoài. Khớp gối được xem là khớp lớn nhất trong cơ thể của người được cấu tạo bởi 4 thành phần chính đó là xương, sụn, dây chằng và gân. Khớp đầu gối nối đùi và phần chân dưới bao gồm hai khớp: một là ở giữa xương đùi và xương chày và một là ở giữa xương đùi và xương mác. Đầu gối rất dễ bị tổn thương dẫn đến khả năng tiến triển của viêm xương khớp.

Cấu tạo đầu gối được hình thành bởi 3 xương là: xương đùi, xương chày và xương bánh chè tạo nên một khớp phức hợp bao gồm khớp bản lề giữa xương đùi với xương chày và khớp phẳng giữa xương bánh chè với xương đùi.

Mặt khớp: Các mặt khớp của khớp giữa xương đùi và xương chày là hai lồi cầu xương đùi và hai mặt khớp trên của xương chày, ở khớp giữa xương đùi và xương bánh chè, mặt sau xương bánh chè tiếp khớp với mặt bánh chè của đầu dưới xương đùi. Hai mặt khớp trên xương chày còn được làm sâu thêm nhờ các sụn chêm trong và ngoài. 

Sụn chêm trong (medial meniscus) có hình chữ C, sụn chêm ngoài (lateral meniscus) gần có hình chữ O. Mỗi sụn chêm đều có một sừng trước và một sừng sau lần lượt dính vào các diện gian lồi cầu trước và sau của xương chày. Sừng trước của hai sụn chêm được nối với nhau bằng dây chằng ngang khớp gối (transverse ligament of knee). Bờ chu vi của mỗi sụn chêm thì dày, lồi và dính vào bao khớp, còn bờ trong thì mỏng và lõm. Mặt trên của sụn chêm không phẳng như mặt dưới mà lõm để tiếp xúc với lồi cầu xương đùi. Bờ chu vi của sụn chêm trong còn dính vào dây chằng bên chày nên sụn này được cố định tốt hơn sụn chêm ngoài. Hai dải mô xơ từ bờ sau của sụn chêm ngoài chạy theo dây chằng bắt chéo sau (ở trước và sau dây chằng bắt chéo sau) để đến bám vào xương đùi được gọi là các dây chằng chêm - đùi trước và sau (anterior/posterior meniscofemoral ligament). 

Bao khớp bám vào rìa các mặt khớp của xương chày và xương đùi, vào các bờ xương bánh chè và vào bờ chu vi của các sụn chêm.

Màng hoạt dịch lót mặt trong bao khớp, bám vào rìa các mặt khớp và bờ chu vi của các sụn chêm. Ở phía trước, màng hoạt dịch kéo dài lên trên xương bánh chè khoảng 3 khoát ngón tay (do bao khớp bám không kín), tạo nên một túi bịt nằm sau cơ tứ đầu gọi là túi hoạt dịch trên bánh chè (suprapatellar bursa). Từ phần sau của bao khớp, màng hoạt dịch lật ra trước để phủ lên mặt trước của các dây chằng bắt chéo nên những dây chằng này nằm trong bao khớp nhưng ngoài ổ hoạt dịch. Khi màng hoạt dịch từ rìa dưới mặt khớp xương bánh chè lật xuống dưới và ra sau ở trên cục mỡ dưới bánh chè, nó tạo nên nếp hoạt dịch dưới bánh chè (infrapatellar synovial fold). Nền của nếp này là cục mỡ dưới bánh chè (infrapatellar fat pad), còn các bờ tự do của nó được gọi là các nếp cánh (alar folds).

Các dây chằng đầu gối

• Các dây chằng ngoài bao khớp: Ở phía trước có dây chằng bánh chè (patellar ligament) từ bờ dưới xương bánh chè chạy tới bám vào lồi củ chày. Ngoài ra, còn có các mạch hãm bánh chè trong và ngoài (medial/ lateral patellar retinaculum) liên kết gân bám tận cơ tứ đầu đùi với mạc sâu của đùi (fascia lata). Ở hai bên có dây chằng bên chày (tibialcollateral ligament) từ mỏm trên lồi cầu trong xương đùi chạy tới lồi cầu trong xương chày, và dây chằng bên mác (fibular collateral ligament) từ mỏm trên lồi cầu ngoài xương đùi chạy tới chỏm xương mác. ở phía sau có hai dây chằng. Dây chằng khoeo chéo (oblique popliteal ligament) từ chỗ bám tận của gân cơ bán mạc chạy lên trên, ra ngoài tới bám vào lồi cầu ngoài xương đùi. Có thể coi dây chằng này như một chẽ quặt ngược của gân cơ bán mạc. Dây chằng khoeo cung (arcuate popliteal ligament) là chỗ dày lên tại bờ lỗ khuyết của mặt sau bao khớp, nơi có cơ khoeo chui qua. Hai bó của dây chằng này từ chòm xương mác chạy tới bám vào đầu trên xương chày và lồi cầu ngoài xương đùi. 

• Các dây chằng trong bao khớp: Có hai dây chằng rất chắc bắt chéo nhau trong hố gian lồi cầu. Dây chằng bắt chéo trước (anterior cruciate ligament) từ mặt trong lồi cầu ngoài xương đùi chạy xuống dưới và ra trước để bám vào diện gian lồi cầu trước của xương chày. Dây chằng bắt chéo sau (posterior cruciate ligament) từ mặt ngoài lồi cầu trong xương đùi chạy xuống dưới và ra sau bám vào diện gian lồi cầu sau của xương chày.

Các cơ và những cử động: 

• Gấp cẳng chân: cơ bụng chân và các cơ ụ ngồi - cẳng chân.

• Duỗi cẳng chân: cơ tứ đầu đùi. Nhóm cơ tứ đầu gồm 4 cơ: cơ thǎng đùi, cơ rộng giữa, cơ rộng bên, cơ rộng trung gian. Ở cuối đoạn xa, chúng hợp lại với nhau tạo nên gân cơ tứ đầu. Gân này liên kết với xương bánh chè và bám tận vào ụ xương chày, góp phần cho sự ổn định đáng kể khớp trước.

• Giải đai chậu - chày bám vào xương chày và là cấu trúc quan trọng đem lại sự ổn định mặt bên của đầu gối.

• Nhóm gân khoeo bám vào mặt sau của xương chày và giúp đề phòng duỗi quá mức của khớp gối.

Cấu trúc đầu gối là một trong những khớp quan trọng nhất và lớn nhất của cơ thể, đóng một vai trò thiết yếu trong chuyển động liên quan đến việc mang trọng lượng cơ thể theo hướng ngang như chạy, đi bộ và dọc là nhảy. 

Tầm vận động bình thường ở khớp gối ở tư thế gối gấp là 130° đến 145° và quá duỗi  là 1° đến 2°. Ở tư thế gối gập là 90°, xoay trong xương chày đạt 6° đến 30° và xoay ngoài xấp xỉ 45°. Tầm vận động khớp gối dạng và khép nhỏ khoảng 5°.

Chức năng của gối khá phức tạp bởi vì khớp không đối xứng của các mặt khớp trong và ngoài cũng như cơ chế của xương bánh chè ở trước.

• Khi gấp được bắt đầu ở tư thế chuỗi đóng tức là chịu trọng lượng thì xương đùi lăn ra sau trên xương chày, xoay ngoài và dạng so với xương chày. Trong một vận động chuỗi mở như đá bóng thì 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 thì xương đùi lăn ra trước, xoay trong và khép, đồng thời  xương chày lăn ra sau, xoay ngoài và dạng với hoạt động chuỗi mở. Vào cuối tầm vận động thường có sự trượt lên nhau của hai đầu xương.

• Xoay ở gối chỉ có thể xảy ra với khớp có một phần gập nào đó và 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. Vì vậy, ở tư thế duỗi là tư thế khóa nên 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 ngửa bàn chân.

• Xoay ở 20° cuối cùng của động tác duỗi được gọi là cơ chế xoay khóa gối, là điểm mà ở đó các lồi cầu trong và ngoài bị khóa. 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 20° cuối tầm duỗi, xương chày vẫn tiếp tục trượt ra trước ở diện lồi cầu trong gây ra sự xoay 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 trước khi xoay kéo các lồi cầu theo chiều ngược lại tạo nên vận động xoay. Một lý do khác là hướng kéo ra ngoài của cơ tứ đầu 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 và không bị ảnh hưởng đáng kể khi mất dây chằng dọc sau chứng minh rằng dây chằng dọc trước có vai trò chính.

Vận động của xương bánh chè:

• Khi gối gấp thì xương bánh chè đi xuống với quãng đường khoảng hai lần chiều dài của nó. Khi gối duỗi thì 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 thì vận động của xương bánh chè bị hạn chế do gia tăng tiếp xúc với xương đùi.

• Vận động của xương bánh chè có thể 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 thì xương chày xoay trong và xương bánh chè bị kéo khỏi vị trí trên ngoài của nó xuống vào trong rãnh và  tiếp xúc bằng mặt khớp trong. 

• Xương bánh chè đi dọc theo rãnh cho đến 90° gập tiếp xúc các mặt khớp trên của xương bánh chè và cũng có thể di chuyển ra ngoài trên lồi cầu. Nếu gập tiếp tục đến 135° thì tiếp xúc của xương bánh chè là mặt khớp lẻ. Các vận động thẳng và dịch chuyển của xương bánh chè là ra sau và xuống dưới nhưng xương bánh chè cũng có một ít vận động góc ảnh hưởng đến vị trí của nó. Trong khi gấp gối thì xương bánh chè cũng gấp, dạng và xoay ngoài, ngược lại khi duỗi thì duỗi, khép và xoay trong.

• Duỗi gối: cơ tứ đầu đùi là một trong những nhóm cơ mạnh nhất của cơ thể gồm cơ thẳng đùi và rộng giữa ở phần giữa, cơ rộng ngoài ở bên ngoài và rộng trong ở bên trong. Cơ lớn nhất và dài nhất của cơ tứ đầu đùi là cơ thẳng ngoài, còn cơ thẳng đùi thường không đóng góp đáng kể vào lực duỗi gối ngoại trừ khớp háng ở tư thế thuận lợi như duỗi háng. Khi đi và chạy thì 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 còn các cơ bán mạc và cơ bán gân ở trong, là các cơ hai khớp tác động cả lên khớp háng và cũng là các cơ xoay của khớp gối vì bám tận ở mặt bên gối. Với vai trò cơ gấp thì 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 tham gia  vào gấp gối nhất là khi bàn chân ở tư thế trung tính hoặc gập mu.

• Xoay trong xương chày được tạo bởi các cơ bên trong như 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 xoay ngoài duy nhất là cơ nhị đầu đùi. Xoay trong và xoay ngoài là những vận động thiết yếu cho chức năng của khớp gối.

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 và mở khóa duỗi gối với tác dụng xoay trong xương chày hoặc xoay ngoài của xương đùi. Ở tư thế chuỗi đóng thì nó mở khóa bằng xoay ngoài xương đùi so với xương chày, ở tư thế chuỗi mở thì nó mở khóa bằng xoay trong xương chày/xương đùi.

Nhiều vận động chi dưới đòi hỏi hoạt động phối hợp ở khớp háng và khớp gối, có khi phức tạp hơn bởi có nhiều cơ hai khớp giữa các khớp này. Sự đồng loạt 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 như 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 hoặc 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 ảnh hưởng đến sự thay đổi hiệu quả của các cơ hoạt động lên khớp gối như góc khớp háng ảnh hưởng lớn lên cánh tay moment của cơ nhị đầu đùi. Tầm vận động ở gối cũng thay đổi so với sự thay đổi tư thế khớp háng như 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 và sức căng trong nhóm cơ hamstring.

Sức mạnh của 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° và lực gập mạnh nhất ở 20° đến 30° đầu của gấp từ vị trí duỗi. Lực gấp gối mạnh hơn nếu háng gập vì liên hệ chiều dài- sức căng của cơ hamstring đã 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 còn lực xoay trong thì 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.

• Thoái hóa khớp gối
• Chấn thương dây chằng chéo sau
• Chấn thương dây chằng chéo trước
• Gãy xương

Xem thêm:

• “Triệt” tận gốc viêm khớp vai bằng huyết tương giàu tiểu cầu (PRP)
• "Cứu cánh" cho bệnh nhân thoái hóa khớp háng
• Điều trị dứt điểm thoái hóa khớp nhờ kỹ thuật nội soi hiện đại
• Các phương pháp điều trị thoái hóa khớp gối