A artéria poplítea surge como a continuação da artéria femoral ao passar pelo hiato no tendão do adutor magno a cerca de 8-10 cm acima do joelho. Entra na fossa politeal no lado medial do fémur. Mantém-se relativamente profundo e inclina-se ligeiramente de medial para lateral ao longo do seu trajeto.
Proximalmente, está separado da superfície femoral apenas por gordura. O vasto medial é imediatamente medial. O músculo vasto lateral e a cabeça curta do bíceps femoral são imediatamente laterais. Situa-se profunda e medialmente ao nervo tibial; ao longo da fossa poplítea, a veia poplítea interpõe-se entre a artéria e o nervo tibial. O semimembranoso e o semitendinoso são mais superficiais.
Posteriormente à articulação do joelho, é superficial e aderente ao ligamento poplíteo que reforça a cápsula posterior. A cabeça medial do gastrocnémio é imediatamente medial; o plantar e a cabeça lateral do gastrocnémio são laterais. A veia poplítea e o nervo tibial são novamente superficiais.
Distalmente, a artéria poplítea encontra-se livre e superficial à fáscia do poplíteo e depois ao tibial posterior. Ocasionalmente, passa profundamente ao poplíteo. Superficialmente, o nervo tibial e a veia poplítea passam de medial para lateral. Mais superficialmente, a veia, a artéria e o nervo são cobertos pelo plantaris. A cabeça medial do gastrocnémio é superficial e medial ao sartório e à artéria. A cabeça lateral do gastrocnémio encontra-se lateral e superficialmente.
Vinte centímetros distalmente à sua origem, logo após a borda distal do músculo plantar, a artéria poplítea passa profundamente ao arco fibroso do sóleo. Neste ponto, termina dividindo-se em artérias tibiais anterior e posterior.
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