关节生物力学.pptx

关节生物力学关节生物力学第一节 关节的基本结构与功能一、关节的基本结构一、关节的基本结构l关节的主要结构关节的主要结构关节面关节面关节囊关节囊关节腔关节腔l关节的辅助结构关节的辅助结构韧带韧带关节内软骨关节内软骨关节盂缘关节盂缘 关节静止不动，滑液会胶化凝固，所以，运关节静止不动，滑液会胶化凝固，所以，运动之前应作适当准备活动，使关节动之前应作适当准备活动，使关节“活动开活动开”。二、关节的运动和轴二、关节的运动和轴l屈伸屈伸l内收外展内收外展l旋转旋转l环展环展三、关节的灵活性和稳固性三、关节的灵活性和稳固性l灵活性和稳固性是关节功能同时存在的两个方面。利于关节灵活的结构：利于关节灵活的结构：关节腔，关节面软骨、关节腔内的滑液、关节皱襞、粘液囊关节腔，关节面软骨、关节腔内的滑液、关节皱襞、粘液囊利于关节稳定的结构：利于关节稳定的结构：关节囊、韧带、关节软骨、关节腔内的负压关节囊、韧带、关节软骨、关节腔内的负压其他使关节稳定的结构：其他使关节稳定的结构：骨骼、肌肉骨骼、肌肉第二节第二节 髋关节的生物力学髋关节的生物力学解剖学概念解剖学概念正常 髋内翻 髋外翻正常 骨盆前移 骨盆后移运动范围运动范围l正常运动范围n前屈0145，后伸030n外展030，内收025n外旋090，内旋070n外旋后外展0160l正常生活最少运动范围n前屈120n外展20n外旋20，内旋20关节面运动关节面运动l髋关节的面活动可认为是股骨头在髋臼上的滑动。球与窝在三个面上的枢轴转动，环绕股骨头中心的活动，产生关节面的滑动。若股骨头不平整，滑动就不能与关节面平行或正切，关节软骨也将受异常挤压或牵伸。动力学静力学动力学静力学l两下肢于站立位时，身体的重力线通过耻骨联合的后侧。由于髋关节是一个稳定的关节，不需肌肉收缩来达到直立状态，只需关节囊和关节韧带就能起到稳定作用。若在髋关节周围不需有肌肉活动所产生的力矩，则关节反应力的计算可变得很简单。在站立位，每一个股骨头所承受的力为人体重量的一半。由于每个下肢的重量是体重的16，每一髋关节的反作用力将是剩余的23体重的一半，即整个体重的13。l若髋关节周围肌肉收缩以防止摇晃和保持身体于直立位，即持续于站立位则髋关节所承受的力与肌内活动量将成正比的增加。l若一个人自两足站立改为一足站立，身体的重力线将在所有的三个面上移动，髋关节周围产生的力矩必须有肌力来抗衡也将增加关节的反作用力。l力矩的大小，即关节反作用力的大小取决于脊椎的姿势、非负重下肢和上肢的位置、特别是骨盆的倾斜度。l1960年Rydell作了人体试验证明，单腿站立时作用在股骨头上的力为2.6倍体重。慢步行走时为1.6倍体重，在跑步时作用在股骨头上的力约力5倍体重。对单腿站立时股骨头受力情况再做一粗略计算。对单腿站立时股骨头受力情况再做一粗略计算。设作用在股骨头上的力为设作用在股骨头上的力为T。为了维持骨盆的水平位。为了维持骨盆的水平位置，需外展肌力来平衡。外展肌力置，需外展肌力来平衡。外展肌力Fm与水平轴大约为与水平轴大约为60角。肌力臂角。肌力臂dM与体重力臂与体重力臂dG之比为之比为1：2到到1：3.5，若取，若取1：3.0，在除去一条支持腿时，体重，在除去一条支持腿时，体重bW5/6W，如人体重，如人体重为为660N，则则bW550N由力矩平衡有：即：由力平衡有：l由于由于d dM M和和d dG G之不同，可以得出不同结果。之不同，可以得出不同结果。l如假设dG不变，而由于股骨的颈干角之不同也直接影响到dM的数值。一般的颈干角为125左右。如大于125时，则dM减小，从而外展肌力增大，如小于125时，则dM增大而减小肌力。从上述可以看出，要减少外展肌力，也可以使dG力臂减小。也就是说体重(除去支持腿)重心尽可能靠向病腿髋关节。例如当外展肌受损或麻痹时，不能提供平衡用肌力，此时病人只好把人体重心(除去支持腿)置于股骨头中心的正上方，在这种情况下，就显出所谓：“馈病”步态，即将身体倾斜到肌肉受损的一边。长期处于这种“馈病”步态，由于股骨头承受垂直向下的力，从而引起骨端软骨板的位移，骨将向上方生长，形成“外反股”病态，为了避免这种情况，可借用手杖来减小外展肌力。设手杖离股骨头中心为do50cm，手杖作用力FC100N G5/6W550N dG0.15m，dM=0.05m则依杠杆平衡有：Fm0.05-1000.5+550O.150解得外展肌力 Fm=650N 接近体重(660N)另外，减少髋关节负荷最简单的方法是减轻另外，减少髋关节负荷最简单的方法是减轻体重。体重每减少体重。体重每减少1kg，单腿站立时髋关节承受的，单腿站立时髋关节承受的静力可减少近静力可减少近3kg。l上述计算只在额状面内的粗略计算，而且还没有考虑到动态加速度的影响，就是在静态情况下，其它二面内也受有力。l例如病人在床上平抬大腿小腿时，在矢状面内髋关节就受有前屈肌群(髂腰肌等)的拉力。l假设前屈肌群作用力的合力距股骨头中心为5cm。有的情况比这个距离还小。l其外力只考虑下肢的重量，据解剖学知单腿重约为体重的1/6，如体重为660N则单腿重力110N，其重心在距股骨头中心40cm处。差不多等于体重660的1.3倍，从解剖得知，这个力臂比值可达15：1，这样肌力要更大，上述近似计算与Rydell的试验数值接近。上述计算肌力，只是在腿刚刚离床而还未抬起时最大受力情况，当腿越抬越高，由于下肢重心距股骨头中心也越来越小，则肌力也就随之下降了。-G0.40十Fm0.050数据代入数据代入-1100.40十Fm0.05O求得肌力求得肌力Fm880N取杠杆平衡有取杠杆平衡有在一个步态周期内，行走时出现的体重单位的髋关节反应力 在男性，当外展肌收缩来稳定骨盆时，在站立相可产生两个顶峰力。一个顶峰是刚在后跟着地时，达体重的4倍；另一个在足离地以前，可达体重的7倍。足放平时，关节反应力降至接近体重，因为重心迅速减速。在摆动相时，关节反应力受伸肌收缩的影响，使大腿减速，幅度仍保持于较低度，约与体重相等。在女性，力的模式基本相同，仅幅度略低，在站立相后期，幅度仅达到体重的4倍。女性的低关节反应力幅度可能继于以下几个因素：女性骨盆较宽、股骨颈干角的倾斜度不同、鞋不同和步态模式不同。髋部疲劳性骨折髋部疲劳性骨折 经常活动的64岁退休男性为准备马拉松赛跑而改变了训练方式，关节超负荷而导致股骨颈疲劳性骨折。在日常生活中髋关节负荷可高可低在日常生活中髋关节负荷可高可低l从矮椅子站立时的负荷约等于体重8倍。l拐杖用在患肢同侧时髋关节负荷约等于体重的3.4倍。l拐杖用在患肢对侧时髋关节负荷约等于体重2.2倍。第三节第三节 膝关节的生物力学膝关节的生物力学一、运动学一、运动学（一）运动范围胫股关节胫股关节矢状面矢状面：0140 冠状面冠状面：在膝完全伸直时由于产生扣锁机制而不能旋转。当膝屈曲时，旋转范围随着增加，待屈至90时，旋转可达到最大程度，在这位置，外旋可自外旋可自045，内旋可自内旋可自030。超过90膝屈曲，内旋和外旋幅度又将减小，这主要是受到软组织的限制。l在额状面额状面上的活动外展和内收同样受关节屈曲度的影响。l在完全伸直时，额状面上的所有活动几乎完全消失。当膝屈至30时，被动的外展和内收会有所增加，但最大仅有数度。l若膝屈曲超过30，额状面的活动又将减少，这也是由于软组织限制其活功。髌股关节髌股关节l自完全伸直至完全屈曲，髌骨在股骨髁处向下滑动约7cm。l股骨的内髁与外髁在完全伸直和90屈曲时，均与髌骨连接。l超过90，髌骨外旋，只有股骨内髁与髌骨连接。l在完全屈曲时，髌骨沉人髁间沟内。（二）膝关节屈伸运动的轴（二）膝关节屈伸运动的轴瞬时转动中心：瞬时转动中心：转动环节瞬间速度为零的点转动环节瞬间速度为零的点 屈伸运动轴是由股骨髁的形状和屈伸运动轴是由股骨髁的形状和关节的运动形式所决定的。股骨髁不关节的运动形式所决定的。股骨髁不是圆形的，在前部略成扁平，在后部是圆形的，在前部略成扁平，在后部近似圆形，前部之曲率半径较大，而近似圆形，前部之曲率半径较大，而后部之曲率半径较小，最前方的半径后部之曲率半径较小，最前方的半径与最后方的半径比为与最后方的半径比为9：5。（三）膝关节的滚动与滑动（三）膝关节的滚动与滑动l滚动滚动是指移动部分的等距离的点与静止部分等距离的点相互接触，构成滚动运动。l滑动滑动是指关节运动的一端在移动时，这一端上的许多点与相对面静止一端的某一点相接触。l纯滑动（纯滑动（pure slidingpure sliding）：）：股骨在胫骨上转动时，接触股骨在胫骨上转动时，接触点没有变化。点没有变化。l纯滚动（纯滚动（pure rolling):pure rolling):股股骨在胫骨上转动时，接触点骨在胫骨上转动时，接触点时刻变化。时刻变化。l胫胫股关节运动：股关节运动：滚动滑动滚动滑动l股骨髁上股骨髁上1 1与与2 2两点间，与胫骨髁的接两点间，与胫骨髁的接触点是等距离的，这种运动形式是触点是等距离的，这种运动形式是滚滚动动。l股骨髁自股骨髁自3 3以后至以后至8 8这许多点，在与胫这许多点，在与胫骨接触时仅与胫骨上一点骨接触时仅与胫骨上一点3 3相接触，因相接触，因此所形成的运动是此所形成的运动是滑动滑动，但是股骨髁，但是股骨髁上的上的3 3点并不与胫骨髁上的点并不与胫骨髁上的3 3点相对应，点相对应，这说明在滑动中还兼有少量的滚动。这说明在滑动中还兼有少量的滚动。l一般认为膝关节从一般认为膝关节从180180160160是滚动，是滚动，而从而从160160到完全屈曲则主要是滑动。到完全屈曲则主要是滑动。滚动较滑动的运动稳定。滚动较滑动的运动稳定。从完全伸直至完全屈曲的每一从完全伸直至完全屈曲的每一个运动间隔，正常膝关节上的线与个运动间隔，正常膝关节上的线与胫骨面呈正切，表明股骨在胫骨髁胫骨面呈正切，表明股骨在胫骨髁上的滑动。上的滑动。确定胫股关节的瞬时转动中心确定胫股关节的瞬时转动中心后，在每组重叠的后，在每组重叠的X线片上，可确线片上，可确定胫股关节面的接触点定胫股关节面的接触点(关节节间关节节间隙的最窄点隙的最窄点)，将这点与瞬时转动，将这点与瞬时转动中心画一条连线。中心画一条连线。与这条线画一条垂直线，表明与这条线画一条垂直线，表明接触点的变位方向。接触点的变位方向。半月板桶柄式紊乱的异常即刻行程半月板桶柄式紊乱的异常即刻行程 若膝关节保持勉强活动，它会逐渐适应这种变位瞬时若膝关节保持勉强活动，它会逐渐适应这种变位瞬时中心的环境，或牵拉韧带及其他支持的软组织，或在关节中心的环境，或牵拉韧带及其他支持的软组织，或在关节上施加异常高压。上施加异常高压。如果膝关节在不正常的瞬时中心如果膝关节在不正常的瞬时中心上屈伸，胫股关节面不会在运动范围上屈伸，胫股关节面不会在运动范围内有正切滑动，而是被内有正切滑动，而是被拉开拉开或或挤压挤压。（四）膝关节的扣锁机制四）膝关节的扣锁机制(Mechanism of Screw Home)l当膝关节伸直至最后20时(即160180)，股骨发生内旋，胫骨相对外旋，每伸直1约有0.5股骨内旋，当完全伸直时，这一旋转活动也最终完成，这一过程有如旋紧螺丝钉之最后动这一过程有如旋紧螺丝钉之最后动这一过程有如旋紧螺丝钉之最后动这一过程有如旋紧螺丝钉之最后动作故称之为作故称之为作故称之为作故称之为扣锁机制扣锁机制扣锁机制扣锁机制。在扣锁机制完成以后，膝关节非常稳定，这时，股骨髁与胫骨髁的负重面最大，负重压力也最大，膝关节不发生旋转及侧方活动。l扣锁机制的完成主要靠股骨髁的解剖形状，扣锁机制的完成主要靠股骨髁的解剖形状，而韧带与肌肉的作用适合于这一过程的完成。二、动力学二、动力学上楼时静力学分析上楼时静力学分析 此例所计算的只是关节反力的最此例所计算的只是关节反力的最小值。若考虑到其他肌力，如稳定膝小值。若考虑到其他肌力，如稳定膝关节时腘绳肌收缩所产生的力，关节关节时腘绳肌收缩所产生的力，关节反力还会增大。反力还会增大。作用在下肢主要有三个力：地面反作用力W(已知大小、方向、作用点)；髌韧带力P(已知方向、作用点，未知其值大小）；关节力J(已知作用点位置，未知数值大小、方向)。如已知如已知W，力，力P3.2W，则由力三角形求得则由力三角形求得J4.1W。小腿登上楼梯时的分离体图小腿登上楼梯时的分离体图由于小腿的重量小于体重的1/10，在此忽略小腿的重量。足跟着地瞬间，关节反力约为体重的足跟着地瞬间，关节反力约为体重的23倍，并与腘绳肌倍，并与腘绳肌收缩有关。腘绳肌对膝有减速和稳定效应。膝屈曲位站立收缩有关。腘绳肌对膝有减速和稳定效应。膝屈曲位站立相开始时，关节反力约为体重相开始时，关节反力约为体重2倍，并与股四头肌收缩有关，倍，并与股四头肌收缩有关，股四头肌防止膝压曲。关节反力峰值发生在站立相后期足股四头肌防止膝压曲。关节反力峰值发生在站立相后期足尖离地前。该力约为体重的尖离地前。该力约为体重的24倍。在摆动相后期，腘绳倍。在摆动相后期，腘绳肌收缩引起的关节反力约等于体重。肌收缩引起的关节反力约等于体重。l步态周期中，关节反力从外侧胫骨平台移向内侧。l在站立相，当出现峰值力时，主要由内侧平台承受；在摆动相，当力很小时，主要由外侧平台承受。l胫骨内侧平台的接触面积约比外侧平台大50。内侧平台上的软骨也比外侧平台的厚3倍。内侧平台有较大的尺寸和厚度能使它更易于承受加于其上的较高的力。三、髌骨功能三、髌骨功能 髌骨为膝提供二个重要的生物力学功髌骨为膝提供二个重要的生物力学功能：能：它在整个运动范围内借延长股四头肌它在整个运动范围内借延长股四头肌力臂来帮助膝伸直，并以增加髌骨与股骨力臂来帮助膝伸直，并以增加髌骨与股骨间的接触面来改善股骨上的压应力分布。间的接触面来改善股骨上的压应力分布。l完全屈曲时，髌骨在髁间窝内，股四头肌腱的前移很小，完全屈曲时，髌骨在髁间窝内，股四头肌腱的前移很小，对股四头肌力臂长度所起的作用最小对股四头肌力臂长度所起的作用最小(约为力臂总长度的约为力臂总长度的1010)，当膝伸直时，髌骨从髁间窝中抬起，产生显著的，当膝伸直时，髌骨从髁间窝中抬起，产生显著的肌腱前移。在伸直到肌腱前移。在伸直到4545时，股四头肌力臂长度迅速增长，时，股四头肌力臂长度迅速增长，此时，髌骨延长力臂约此时，髌骨延长力臂约3030。在膝由完全屈曲到完全伸直时，髌骨对股四头肌在膝由完全屈曲到完全伸直时，髌骨对股四头肌力臂长度所起的作用也在改变。力臂长度所起的作用也在改变。l膝继续伸直，股四头肌力臂长度稍有减少。在伸直最后膝继续伸直，股四头肌力臂长度稍有减少。在伸直最后4545时，随着力臂长度的减小，四头肌为保持相同的膝力时，随着力臂长度的减小，四头肌为保持相同的膝力矩必须施加较大的力。膝伸直最后矩必须施加较大的力。膝伸直最后1515时，股四头肌力需时，股四头肌力需要增加大约要增加大约6060。在切除髌骨的膝中，髌腱比正常膝更靠近髌股关节的瞬时中心。由于髌腱作用在更短的力臂上，在伸直最后45时，要保持膝上正常所需的力股四头肌必须产生更大的力。切除髌骨的膝在完全主动伸直时，所需的四头肌力比正常膝约大30。对四头肌这种增加的要求在某些病人中可能超过股四头肌的能力，这对有关节内疾病或年龄较大的病人，更为明显。正常膝正常膝髌骨切除后髌骨切除后髌股关节动力学髌股关节动力学l当膝屈至5时，髌腱（P）和股四头肌腱(Q)之间的角度为35；待屈至90时，两腱形成的角将为80。l这是用两根金属丝放在肌腱上，拍摄X线片所量得的角度。l髌股关节反作用力（J）为髌腱(P)和股四头肌腱(Q)两个等力的合力。l由于膝的更大屈曲，这两个力的组成之间的角将更呈锐形，从而关节反作用力的合力将变得更大。一位30岁的篮球运动员在跳高落下时膝关节发生了一个强力的屈曲。股四头肌的强烈离心收缩在髌骨上产生了异常的高张力负荷。在这种情况下，股四头肌的肌力大于髌骨的骨性强度，因此发生了髌骨骨折。髌骨是最弱的连接处。该图显示了髌骨骨折同时伴随的由于股四头肌牵拉力导致显著的骨折分离。四、半月板四、半月板半月板的作用半月板的作用 在受载状态下，胫股关节在去除半月板后所受的应在受载状态下，胫股关节在去除半月板后所受的应力比有半月板的高力比有半月板的高3倍。倍。半月板的作用半月板的作用l增强关节的稳定性；l避免周围软组织被挤入关节；l富有弹性，能缓冲重力，吸收震荡l减少摩擦，散布滑液，润滑关节。当当膝关节伸直时，半月板被股骨髁推挤向前活动，膝关节膝关节伸直时，半月板被股骨髁推挤向前活动，膝关节屈曲时，向后活动。膝关节旋转时，两半月板一个向前，一个屈曲时，向后活动。膝关节旋转时，两半月板一个向前，一个向后。膝屈伸时，股骨内外二髁活动于半月板的上面，膝旋转向后。膝屈伸时，股骨内外二髁活动于半月板的上面，膝旋转时，半月板固定于内外髁的下面，其转动发生在半月板下面与时，半月板固定于内外髁的下面，其转动发生在半月板下面与胫骨平台之间。因此，半月板的破裂多发生于板的下面。旋转胫骨平台之间。因此，半月板的破裂多发生于板的下面。旋转活动为造成半月板破裂的主要原因。活动为造成半月板破裂的主要原因。半月板损伤的机制半月板损伤的机制 半月板与十字韧带以及与其周围的关节囊、韧带、肌腱的密切联系，半月板的前后角附着于胫骨上，因此当半月板受到股骨髁与胫骨髁的挤压作用而变形或变位时由于受到关节囊、韧带以及其他连结结构的牵拉作用，半月板有恢复到原来正常位置的弹性趋势，在不正常的屈伸运动或旋转运动时，半月板不能恢复到正常的位置，又抵抗不了周围结构的牵拉应力，从而可以发生撕裂。损伤类型损伤类型 半月板周围结构对半月板的牵拉作用，可以使之半月板周围结构对半月板的牵拉作用，可以使之撕裂，如半月板凹形内侧线之横裂。撕裂，如半月板凹形内侧线之横裂。股骨髁与胫骨髁的冲击作用可以使半月板发生纵股骨髁与胫骨髁的冲击作用可以使半月板发生纵行撕裂，并使撕裂部向髁间凹部位移动。行撕裂，并使撕裂部向髁间凹部位移动。屈膝位时的旋转活动发生于半月板与胫骨髁之间，屈膝位时的旋转活动发生于半月板与胫骨髁之间，旋转外力可以造成半月板的水平撕裂，或发生半旋转外力可以造成半月板的水平撕裂，或发生半月板胫骨面的磨损。月板胫骨面的磨损。造成半月板损伤必须有三个条件：造成半月板损伤必须有三个条件：膝关节半屈位、挤压和旋转。膝关节半屈位、挤压和旋转。第四节第四节 肩关节肩关节l肩关节是自肩至指尖的杠杆机械链上的第一个交联。从广义上来说，它是一组连接臂与胸的结构。l四个关节，即盂肱关节盂肱关节、肩锁关节肩锁关节、胸锁关节胸锁关节和肩胛胸关节肩胛胸关节的联合与协同动作，可使臂置于最有效的空间位置。l它的活动范围比任何一个关节都易达到最广泛的空间，肱骨的活动空间可超过半球。一、运动学一、运动学l 肩关节复合体的四个连接的和谐节奏给予肩关节一个近似球形的运动幅度，其总和大于任何一个单纯连接所能获得的运动。l脊椎的活动可使肱骨能达到的位置予以扩大。1肩关节复合体的运动范围肩关节复合体的运动范围l前屈180，后伸60l外展180，内收75l水平前屈135，水平后伸45l旋内旋外180l手臂在体前3045位置时上抬 女性有28，男性有4可超过180 2 四个肩连接的运动四个肩连接的运动l在旋转时，臼内的接触点保持恒定；在臼内旋转时，只是在旋转时，臼内的接触点保持恒定；在臼内旋转时，只是球上的接触点有所变化（图球上的接触点有所变化（图a a）l在滚动时，每一个关节面上的接触点有等量变化在滚动时，每一个关节面上的接触点有等量变化(图图b)b)。l在位移时，球上的接触点保持恒定，而臼上的接触点发生在位移时，球上的接触点保持恒定，而臼上的接触点发生变化变化(图图c)c)。l盂肱关节的表面运动主要是旋转，但也结合滑动和滚动。盂肱关节的表面运动主要是旋转，但也结合滑动和滚动。灵活的盂肱关节表现灵活的盂肱关节表现为其表面运动属典型为其表面运动属典型的杵臼关节，在这关的杵臼关节，在这关节内，任何一个平面节内，任何一个平面上可有三类表面运动，上可有三类表面运动，即旋转、滚动和滑动。即旋转、滚动和滑动。（1）盂肱关节）盂肱关节（2）肩锁关节）肩锁关节 肩锁关节是锁骨远端和肩峰近侧的一个肩锁关节是锁骨远端和肩峰近侧的一个小的滑膜性连接。小的滑膜性连接。关节由致密的纤维关节囊所包围，包括关节由致密的纤维关节囊所包围，包括上肩锁韧带和下肩锁韧带。上肩锁韧带和下肩锁韧带。关节的稳定性主要来自喙锁韧带的两个部关节的稳定性主要来自喙锁韧带的两个部分，即锥状韧带和斜方韧带，它们将肩胛骨分，即锥状韧带和斜方韧带，它们将肩胛骨悬挂于锁骨上。这些韧带可使肩胛骨在锁骨悬挂于锁骨上。这些韧带可使肩胛骨在锁骨上按上按三个轴三个轴活动。活动。肩胛旋转的垂直轴通过锥状韧带额面内水平轴，肩胛骨在额面内旋转的水平轴通过斜方韧带矢状面内水平轴，肩胛骨在矢状面内运动的水平轴，通过肩锁韧带锁骨与肩胛骨之间的运动范围锁骨与肩胛骨之间的运动范围l锥状韧带上的锥状韧带上的3030旋转；旋转；l斜方韧带上的斜方韧带上的6060运动弧；运动弧；l肩锁关节在矢状面上横轴上的肩锁关节在矢状面上横轴上的3030运动弧。运动弧。l肩于外展和前屈时，肩锁关节上的锁骨抬举肩于外展和前屈时，肩锁关节上的锁骨抬举为为2020，主要是在开始活动时的臂抬举于，主要是在开始活动时的臂抬举于3030和最后的和最后的4545。（3）胸锁关节）胸锁关节l是胸骨柄和锁骨近侧之间的滑膜性关节。l肋锁韧带将锁骨固定于第1肋骨上，控制锁骨与胸骨柄之间的扁平关节面，成为肩关节活动时明显滑动的一个支点。胸锁关节在水平面的前伸、胸锁关节在水平面的前伸、后缩，运动支点是肋锁韧带后缩，运动支点是肋锁韧带胸锁关节在额状面的上升、胸锁关节在额状面的上升、下降，运动支点是肋锁韧带下降，运动支点是肋锁韧带锁骨绕其纵轴的旋转锁骨绕其纵轴的旋转l胸锁关节的运动范围按上臂的不同面上的胸锁关节的运动范围按上臂的不同面上的活动而异。活动而异。l上臂在额状面和矢状面上的抬举如为上臂在额状面和矢状面上的抬举如为4040，则在抬举开始时每抬举，则在抬举开始时每抬举1010锁骨将抬高锁骨将抬高44；若超过；若超过9090，不再考虑锁骨在胸锁关，不再考虑锁骨在胸锁关节上的活动。节上的活动。l沿锁骨纵轴的旋转幅度约为沿锁骨纵轴的旋转幅度约为4040l当锁骨伸展和回缩、抬举和下沉时，胸当锁骨伸展和回缩、抬举和下沉时，胸锁关节的活动与肩锁关节的活动恰相反，锁关节的活动与肩锁关节的活动恰相反，只有在旋转活动，两者是一致的。只有在旋转活动，两者是一致的。l例如例如锁骨内侧端下沉时，锁骨的外侧端必然抬举；当锁骨外侧端伸展时，其内侧端必然回缩，而锁骨两端在旋转时则是一致的。（4）肩胛胸关节）肩胛胸关节l肩胛骨除肩锁关节和胸锁关节有连接外，肩胛骨除肩锁关节和胸锁关节有连接外，它与胸壁没有骨性或韧带性连接。它与胸壁没有骨性或韧带性连接。l这种不稳定情况犹如肩这种不稳定情况犹如肩“挂在锁骨上挂在锁骨上”，以致肩胛骨可有很广泛的活动度，以致肩胛骨可有很广泛的活动度。l这些活动包括伸展、回缩、抬举、下沉伸展、回缩、抬举、下沉和旋转。和旋转。l在前后方向，则按不同的轴而活动。在前后方向，则按不同的轴而活动。当上臂在额状面和矢状面上抬举(外展和前屈)时，约有约有23的活动的活动(约约120)发生于盂肱关节，其他发生于盂肱关节，其他13活动活动(约约60)发生于肩胛胸连接处。发生于肩胛胸连接处。上臂在抬举开始的3060时，肩胛骨活动很不规则，好似有赖于肩胛的休息位置。以后盂肱活动与肩以后盂肱活动与肩胛胸活动以胛胸活动以2：1状态保持恒定。状态保持恒定。在肩胛胸连接处的肩胛活动只可能有60，因为在锁骨两端的关节产生同等幅度的活动，20在肩锁关节，40在胸锁关节。二、动力学二、动力学(1)(1)由于盂肱关节缺乏坚实的稳定力，作用于由于盂肱关节缺乏坚实的稳定力，作用于肱骨的肌肉必须与其他肌肉协调配合，才能肱骨的肌肉必须与其他肌肉协调配合，才能防止在关节上产生脱位的力。防止在关节上产生脱位的力。肩部肌肉及其作用肩部共有17块肌肉。肩关节动力学的内在复杂性复杂性是由于肩部有大量肌肉，以及其肌肉动作所产生的三个不同的作用。由于肩关节活动将涉及大量的肌肉，要正由于肩关节活动将涉及大量的肌肉，要正确计算作用于肩关节复合体上的负荷是非常复确计算作用于肩关节复合体上的负荷是非常复杂的工作。杂的工作。(2)肩关节存在多骨交接，如锁骨、肩胛骨和肱骨，肩关节存在多骨交接，如锁骨、肩胛骨和肱骨，单一肌肉可以跨越几个关节，在每一个关节上都能单一肌肉可以跨越几个关节，在每一个关节上都能起作用。起作用。例如背阔肌起于胸壁，止于肱骨，它跨越肩胛例如背阔肌起于胸壁，止于肱骨，它跨越肩胛胸连接、胸锁关节、肩锁关节和盂肱关节。胸连接、胸锁关节、肩锁关节和盂肱关节。(3)肩关节运动的广泛范围可造成肌肉作用的不同改肩关节运动的广泛范围可造成肌肉作用的不同改变，取决于上臂在空间的位置。变，取决于上臂在空间的位置。例如肱骨在外旋时，肱二头肌长头成为肩外展的例如肱骨在外旋时，肱二头肌长头成为肩外展的辅助肌肉，但在肩内旋时，就无此作用。辅助肌肉，但在肩内旋时，就无此作用。三、盂肱关节上的负荷三、盂肱关节上的负荷计算肩关节上的受力情况，可简化为一杠杆系统。计算肩关节上的受力情况，可简化为一杠杆系统。手臂平抬，手臂重量为体重的120。设体重为600N，则手臂重为30N，设其重心作用在离肱骨头中心30cm处。为了平衡手臂的重量，假设肌力F。平行手臂并离中心3cm，依平衡原理 Fm0.03300.300所以，所以，Fm=300N在肩关节上产生反作用力在肩关节上产生反作用力T300N四、肩关节脱位四、肩关节脱位 肩关节脱位分肩关节脱位分前脱位和后脱位前脱位和后脱位两种。以前者多两种。以前者多见，多因间接暴力所引起。如当上肢外展、外旋见，多因间接暴力所引起。如当上肢外展、外旋及后伸时，手或肘部着地，暴力即沿肱骨纵轴向及后伸时，手或肘部着地，暴力即沿肱骨纵轴向近侧端冲击，肱骨头突破关节囊前壁或自下方脱近侧端冲击，肱骨头突破关节囊前壁或自下方脱出，移位至喙突下或锁骨下方。出，移位至喙突下或锁骨下方。肩关节后脱位多为直接暴力从前往后打击肩关肩关节后脱位多为直接暴力从前往后打击肩关节，更多的是由于电击和癫痫发作的结果；或由节，更多的是由于电击和癫痫发作的结果；或由于肩周围肌群收缩不协调，造成关节猛烈内旋所于肩周围肌群收缩不协调，造成关节猛烈内旋所致。致。第五节第五节 肘关节肘关节肘关节复合体由三个分开的滑膜肘关节复合体由三个分开的滑膜关节组成关节组成l肱尺关节：肱骨远端滑车和尺骨近端相反形状的滑车窝的连接关节。l近侧尺桡关节：桡骨头和尺骨的桡侧切迹组成。l肱桡关节：肱骨远端的小头和桡骨头相连。一、运动学一、运动学屈伸范围：屈伸范围：140140146146 当肘关节完全伸直，前臂完全旋后时，当肘关节完全伸直，前臂完全旋后时，肱骨长轴和尺骨长轴成外翻角，又称为肱骨长轴和尺骨长轴成外翻角，又称为携物携物角角或或提携角提携角。在成人为在成人为10101515 女性往往比男性大。女性往往比男性大。旋前：旋前：68687171旋后：旋后：74748888 （与测量方法有关）（与测量方法有关）肘的内外翻肘的内外翻 肘内翻为肘的远端内移，使提携角小于正常，甚至消失肘内翻为肘的远端内移，使提携角小于正常，甚至消失变成负值。多由于肱骨髁上骨折复位不良或生长紊乱所致。变成负值。多由于肱骨髁上骨折复位不良或生长紊乱所致。不便于提携物品。不便于提携物品。肘外翻为肘的远端外移，使提携角大于正常。通常为骨肘外翻为肘的远端外移，使提携角大于正常。通常为骨折后生长紊乱所致。减弱了上肢的提携力量。折后生长紊乱所致。减弱了上肢的提携力量。如果需要用肘作支撑动作，比如体操运动员支撑倒立，或如果需要用肘作支撑动作，比如体操运动员支撑倒立，或木工用手推木刨等动作，则肘内、外翻畸形者不便于用力。手木工用手推木刨等动作，则肘内、外翻畸形者不便于用力。手支撑地面或阻碍物时反作用力经肘上传，如果肘有内、外翻畸支撑地面或阻碍物时反作用力经肘上传，如果肘有内、外翻畸形，势必加重肘部负担，作用力产生侧向分力，引起肘关节不形，势必加重肘部负担，作用力产生侧向分力，引起肘关节不稳。稳。严重的肘外翻，必然牵拉内侧的尺神经，在肘关节屈伸过严重的肘外翻，必然牵拉内侧的尺神经，在肘关节屈伸过程中，尺神经处于紧张状态下受到磨损，久之伴发尺神经炎，程中，尺神经处于紧张状态下受到磨损，久之伴发尺神经炎，引起尺神经麻痹等症状。引起尺神经麻痹等症状。当前臂屈曲某一角度时，肌肉力当前臂屈曲某一角度时，肌肉力Fm(主要为二头肌及肱肌主要为二头肌及肱肌)可可以分解为两个分力，以分解为两个分力，一个力沿着前臂方向一个力沿着前臂方向(S)压紧肘关节，起稳定压紧肘关节，起稳定作用，也称为稳定力；垂直前臂轴线的力为作用，也称为稳定力；垂直前臂轴线的力为R，它起着前臂屈伸，它起着前臂屈伸旋转的作用，也称为旋转力旋转的作用，也称为旋转力。设肌力的作用点与肘关节之转动中。设肌力的作用点与肘关节之转动中心距离为心距离为dR(常数常数)。二、动力学二、动力学 从图中可以看出，从图中可以看出，当前臂屈曲角度不同，当前臂屈曲角度不同，旋转力旋转力R大小也不相大小也不相同，在屈曲接近同，在屈曲接近90时，时，R最大。力最大。力R与屈与屈曲角度并非成正比，曲角度并非成正比，而是非线性关系。当而是非线性关系。当接近接近90时，力时，力R增大增大较快。较快。最简单情况是上臂垂直下垂，前最简单情况是上臂垂直下垂，前臂屈曲臂屈曲90，此时肌力，此时肌力Fm几乎与前臂几乎与前臂轴线垂直，则依杠杆原理有轴线垂直，则依杠杆原理有 FmdMGdG0如已知如已知 dM0.05m，dG=0.13m G=20N（前臂及手重），前臂及手重），计算得计算得 Fm52N肘关节反作用力垂直向下为肘关节反作用力垂直向下为TFmG32N伸肘时肘关节反力伸肘时肘关节反力 假设病人用手杖时，前臂屈曲假设病人用手杖时，前臂屈曲30角，角，手杖反力为手杖反力为Fc150N，此时手臂不是屈曲力，此时手臂不是屈曲力而是伸直力，也就是肱三头肌力而是伸直力，也就是肱三头肌力Fm起主要作起主要作用。用。病人病人用手杖时，作用在肘关节上的力应如何用手杖时，作用在肘关节上的力应如何?假设假设l1=3cm，l2=36cm。依对肘关节转动依对肘关节转动中心之力矩平衡，中心之力矩平衡，有有：FmdM-Fcdc=0 Fml1cos60-Fcl2cos60=0 Fm0.03cos60-1500.36cos60=0 得得 Fm1800N 关节反力关节反力 TFmFc=1800+150=1950N取前臂及手为研究对象，则力学模型如图。取前臂及手为研究对象，则力学模型如图。第六节第六节 踝关节踝关节踝关节复合体包括胫距关节、腓距关节和远侧胫腓关节一、运动学一、运动学 在矢状面上踝关节的全范在矢状面上踝关节的全范围运动为围运动为45，背屈为，背屈为1020，跖屈为，跖屈为2535，这可随人，这可随人的年龄而异。的年龄而异。后跟着地时，踝有一些跖屈。后跟着地时，踝有一些跖屈。待足放平，跖屈将增加，但运动很待足放平，跖屈将增加，但运动很快转为背屈，身体移至支持足上。快转为背屈，身体移至支持足上。待站立相后期后跟离地后，运动回待站立相后期后跟离地后，运动回复到跖屈；在摆动相开始，足趾离复到跖屈；在摆动相开始，足趾离地时，踝处于跖屈位；在摆动中期，地时，踝处于跖屈位；在摆动中期，运动返回至背屈；在后跟着地时，运动返回至背屈；在后跟着地时，踝再转至微跖屈位。从后跟着地至踝再转至微跖屈位。从后跟着地至足放平，跖屈幅度取决于鞋跟的高足放平，跖屈幅度取决于鞋跟的高度。度。鞋跟越高，跖屈也越大。在步鞋跟越高，跖屈也越大。在步态周期内，鞋跟加高，踝关节的总态周期内，鞋跟加高，踝关节的总的运动量将减小。的运动量将减小。在正常踝关节内，关节在正常踝关节内，关节面在运动开始时有一定分离，面在运动开始时有一定分离，然后发生移动。关节面相互然后发生移动。关节面相互卡住后，运动停止，在相反卡住后，运动停止，在相反活动时，开始时挤压面被拉活动时，开始时挤压面被拉开，在整个活动范围内显示开，在整个活动范围内显示滑动，然后再卡住。很可能滑动，然后再卡住。很可能在运动结束时，胫距关节面在运动结束时，胫距关节面所发生的拉开和卡住，是关所发生的拉开和卡住，是关节润滑的重要作用。节润滑的重要作用。从完全跖屈位至完全背屈从完全跖屈位至完全背屈位，正常踝关节的胫距关节面位，正常踝关节的胫距关节面运动的即刻中心行径的示意图运动的即刻中心行径的示意图所有即刻中心均在距骨内，接所有即刻中心均在距骨内，接触点变位的方向表现在运动开触点变位的方向表现在运动开始时始时(点点1和点和点2)被拉开，然后被拉开，然后再滑移再滑移(点点3和点和点4)二、动力学静态分析二、动力学静态分析 当两足站立时，每一个踝关节几乎支当两足站立时，每一个踝关节几乎支持体重的一半。身体的重力线通过踝关节持体重的一半。身体的重力线通过踝关节横轴前的数厘米处，所以体重将在关节上横轴前的数厘米处，所以体重将在关节上产生背屈转矩，这就需要有一定跖屈肌活产生背屈转矩，这就需要有一定跖屈肌活动。当这些肌肉和小腿的其他肌肉在平衡动。当这些肌肉和小腿的其他肌肉在平衡人体时，踝关节的关节反应力的增加和需人体时，踝关节的关节反应力的增加和需用这些平衡活动的肌力将成正比。用这些平衡活动的肌力将成正比。在胫骨受压力时，踝关成一不稳定结构在胫骨受压力时，踝关成一不稳定结构(图图a)，为了保持其稳定小腿前群肌肉及后群肌肉形成一稳定为了保持其稳定小腿前群肌肉及后群肌肉形成一稳定力系力系(图图b)。正如为了使旗杆稳定一样，两边要用绳。正如为了使旗杆稳定一样，两边要用绳索牵牢索牵牢(图图c)。很明显由于要维持稳定就增加了在距。很明显由于要维持稳定就增加了在距骨上的压力。骨上的压力。例如在身体向前倾时，重心前移，如体例如在身体向前倾时，重心前移，如体重为重为600N，在每一足上承受，在每一足上承受300N，精确应，精确应是体重减去两足重，但其所占比例很小，故是体重减去两足重，但其所占比例很小，故可忽略。可忽略。如如G=300N，dG=0.02m，dM=0.03m 则则Fm200N如粗略认为如粗略认为Fm，G平行，则作用在距骨上之反平行，则作用在距骨上之反力为力为 T=Fm+G=200+300=500N =56体重体重根据力的平衡根据力的平衡：GdGFmdM0GFmdMRdR 0 设设R=600N，利用三角形，如已知肌力，利用三角形，如已知肌力Fm之方向并延长与之方向并延长与R力线交于一点。平面三力平衡必交汇于一点，故踝关节力力线交于一点。平面三力平衡必交汇于一点，故踝关节力T必通必通过这交点。利用图解法可求出过这交点。利用图解法可求出Fm900N和和T1440Na代表正常人和踝关节置换术前后在站立相时的踝关节反应力的代表正常人和踝关节置换术前后在站立相时的踝关节反应力的挤压部分。挤压部分。b代表代表a组病人和正常人的剪切力组病人和正常人的剪切力 正常人于行走时，穿越踝关节的主要挤压力来自腓肠肌和比正常人于行走时，穿越踝关节的主要挤压力来自腓肠肌和比目鱼肌的收缩，经跟腱向下传导。目鱼肌的收缩，经跟腱向下传导。胫骨前肌收缩所产生的力只作用于站立相早期，而且很轻胫骨前肌收缩所产生的力只作用于站立相早期，而且很轻(小小于体重的于体重的20)。在站立相后期，跟腱力很大，启动离地足的跖。在站立相后期，跟腱力很大，启动离地足的跖屈。这时在关节上的挤压力最大，约为体重的屈。这时在关节上的挤压力最大，约为体重的5倍倍(图图a)。在后跟。在后跟离地的站立相后期，剪切力最大，约为体重的离地的站立相后期，剪切力最大，约为体重的0.8倍。倍。患病踝关节的挤压力较小，约为体重的患病踝关节的挤压力较小，约为体重的3倍倍(图图a)。力的顶峰。力的顶峰出现比正常人早，剪切力也低（图出现比正常人早，剪切力也低（图