膝関節の脛骨大腿関節や膝蓋大腿関節への荷重や圧力により、関節軟骨は削られていきます。
関節の中には血液は流れていません。関節包の滑膜から分泌される関節液に栄養が入っています。膝関節は歩行などで荷重・非荷重を繰り返すことで、関節軟骨はスポンジのように関節液を浸潤・排出を繰り返し、それによって軟骨は栄養されています。
そのため軟骨が削れていくと栄養のある関節液の出入りが減り、栄養障害が起き、軟骨やその下の骨は次第に変性し硬くもろくなり、変形していきます。
関節の軟骨表面に凹凸や毛羽立ちのような変化を生じ、関節の辺縁に骨棘（骨のトゲ）ができ、軟骨の下の硬骨がはストレスにより硬化（硬くもろくなる）したり、骨嚢腫（骨のうしゅ）という気泡に似た空洞状のものがみられるようになります。
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関節包（靭帯は関節を袋状に包んでいる）の内面にある滑膜が炎症すると水がたまる（関節水腫）ことがあります。
関節が冷えたり、正座やイスから立ち上がる時に痛かったり、
階段昇降（特に降り）などで膝の痛みを感じるようになり、
次第に膝関節の屈曲・伸展が制限されてきます。
関節のきしむ音やズレる音がすることもあります。
他にも歩き始めの痛みなどの症状もあります。
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これらが変形性膝関節症の原因と症状です。
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