關(guān)節(jié)生物力學(xué)

關(guān)節(jié)生物力學(xué)節(jié)關(guān)節(jié)的基本結(jié)構(gòu)與功能1一、關(guān)節(jié)的基本結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)的主要結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)面關(guān)節(jié)囊關(guān)節(jié)腔關(guān)節(jié)的輔助結(jié)構(gòu)韌帶關(guān)節(jié)內(nèi)軟骨關(guān)節(jié)盂緣

關(guān)節(jié)靜止不動(dòng)，滑液會(huì)膠化凝固，所以，運(yùn)動(dòng)之前應(yīng)作適當(dāng)準(zhǔn)備活動(dòng)，使關(guān)節(jié)“活動(dòng)開”。2二、關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)和軸屈伸內(nèi)收外展旋轉(zhuǎn)環(huán)展3三、關(guān)節(jié)的靈活性和穩(wěn)固性靈活性和穩(wěn)固性是關(guān)節(jié)功能同時(shí)存在的兩個(gè)方面。利于關(guān)節(jié)靈活的結(jié)構(gòu)：關(guān)節(jié)腔，關(guān)節(jié)面軟骨、關(guān)節(jié)腔內(nèi)的滑液、關(guān)節(jié)皺襞、粘液囊利于關(guān)節(jié)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)：關(guān)節(jié)囊、韌帶、關(guān)節(jié)軟骨、關(guān)節(jié)腔內(nèi)的負(fù)壓其他使關(guān)節(jié)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)：骨骼、肌肉45第二節(jié)髖關(guān)節(jié)的生物力學(xué)6解剖學(xué)概念正常髖內(nèi)翻髖外翻正常骨盆前移骨盆后移78運(yùn)動(dòng)范圍正常運(yùn)動(dòng)范圍前屈0～145°，后伸0～30°外展0～30°，內(nèi)收0～25°外旋0～90°，內(nèi)旋0～70°外旋后外展0～160°正常生活最少運(yùn)動(dòng)范圍前屈120°外展20°外旋20°，內(nèi)旋20°9關(guān)節(jié)面運(yùn)動(dòng)髖關(guān)節(jié)的面活動(dòng)可認(rèn)為是股骨頭在髖臼上的滑動(dòng)。球與窩在三個(gè)面上的樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，環(huán)繞股骨頭中心的活動(dòng)，產(chǎn)生關(guān)節(jié)面的滑動(dòng)。若股骨頭不平整，滑動(dòng)就不能與關(guān)節(jié)面平行或正切，關(guān)節(jié)軟骨也將受異常擠壓或牽伸。10動(dòng)力學(xué)－靜力學(xué)兩下肢于站立位時(shí)，身體的重力線通過恥骨聯(lián)合的后側(cè)。由于髖關(guān)節(jié)是一個(gè)穩(wěn)定的關(guān)節(jié)，不需肌肉收縮來達(dá)到直立狀態(tài)，只需關(guān)節(jié)囊和關(guān)節(jié)韌帶就能起到穩(wěn)定作用。若在髖關(guān)節(jié)周圍不需有肌肉活動(dòng)所產(chǎn)生的力矩，則關(guān)節(jié)反應(yīng)力的計(jì)算可變得很簡單。在站立位，每一個(gè)股骨頭所承受的力為人體重量的一半。由于每個(gè)下肢的重量是體重的1／6，每一髖關(guān)節(jié)的反作用力將是剩余的2／3體重的一半，即整個(gè)體重的1／3。若髖關(guān)節(jié)周圍肌肉收縮以防止搖晃和保持身體于直立位，即持續(xù)于站立位．則髖關(guān)節(jié)所承受的力與肌內(nèi)活動(dòng)量將成正比的增加。11若一個(gè)人自兩足站立改為一足站立，身體的重力線將在所有的三個(gè)面上移動(dòng)，髖關(guān)節(jié)周圍產(chǎn)生的力矩必須有肌力來抗衡．也將增加關(guān)節(jié)的反作用力。力矩的大小，即關(guān)節(jié)反作用力的大小取決于脊椎的姿勢(shì)、非負(fù)重下肢和上肢的位置、特別是骨盆的傾斜度。1960年Rydell作了人體試驗(yàn)證明，單腿站立時(shí)作用在股骨頭上的力為2.6倍體重。慢步行走時(shí)為1.6倍體重，在跑步時(shí)作用在股骨頭上的力約力5倍體重。1213

對(duì)單腿站立時(shí)股骨頭受力情況再做一粗略計(jì)算。

設(shè)作用在股骨頭上的力為T。為了維持骨盆的水平位置，需外展肌力來平衡。外展肌力Fm與水平軸大約為60°角。肌力臂dM與體重力臂dG之比為1：2到1：3.5，若取1：3.0，在除去一條支持腿時(shí)，體重bW≈5/6W，如人體重為660N，則bW＝550N由力矩平衡有：即：由力平衡有：由于dM和dG之不同，可以得出不同結(jié)果。如假設(shè)dG不變，而由于股骨的頸干角之不同也直接影響到dM的數(shù)值。一般的頸干角為125°左右。如大于125°時(shí)，則dM減小，從而外展肌力增大，如小于125°時(shí)，則dM增大而減小肌力。16

從上述可以看出，要減少外展肌力，也可以使dG力臂減小。也就是說體重(除去支持腿)重心盡可能靠向病腿髖關(guān)節(jié)。例如當(dāng)外展肌受損或麻痹時(shí)，不能提供平衡用肌力，此時(shí)病人只好把人體重心(除去支持腿)置于股骨頭中心的正上方，在這種情況下，就顯出所謂：“饋病”步態(tài)，即將身體傾斜到肌肉受損的一邊。長期處于這種“饋病”步態(tài)，由于股骨頭承受垂直向下的力，從而引起骨端軟骨板的位移，骨將向上方生長，形成“外反股”病態(tài)，為了避免這種情況，可借用手杖來減小外展肌力。設(shè)手杖離股骨頭中心為do＝50cm，手杖作用力FC＝100NG＝5/6W＝550NdG＝0.15m，dM=0.05m則依杠桿平衡有：－Fm×0.05-100×0.5+550×O.15＝0解得外展肌力Fm=650N接近體重(660N)

另外，減少髖關(guān)節(jié)負(fù)荷最簡單的方法是減輕體重。體重每減少1kg，單腿站立時(shí)髖關(guān)節(jié)承受的靜力可減少近3kg。上述計(jì)算只在額狀面內(nèi)的粗略計(jì)算，而且還沒有考慮到動(dòng)態(tài)加速度的影響，就是在靜態(tài)情況下，其它二面內(nèi)也受有力。例如病人在床上平抬大腿小腿時(shí)，在矢狀面內(nèi)髖關(guān)節(jié)就受有前屈肌群(髂腰肌等)的拉力。假設(shè)前屈肌群作用力的合力距股骨頭中心為5cm。有的情況比這個(gè)距離還小。其外力只考慮下肢的重量，據(jù)解剖學(xué)知單腿重約為體重的1/6，如體重為660N則單腿重力110N，其重心在距股骨頭中心40cm處。21

差不多等于體重660的1.3倍，從解剖得知，這個(gè)力臂比值可達(dá)15：1，這樣肌力要更大，上述近似計(jì)算與Rydell的試驗(yàn)數(shù)值接近。

上述計(jì)算肌力，只是在腿剛剛離床而還未抬起時(shí)最大受力情況，當(dāng)腿越抬越高，由于下肢重心距股骨頭中心也越來越小，則肌力也就隨之下降了。

-G×0.40十Fm×0.05＝0數(shù)據(jù)代入-110×0.40十Fm×0.05＝O求得肌力Fm＝880N取杠桿平衡有在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)，行走時(shí)出現(xiàn)的體重單位的髖關(guān)節(jié)反應(yīng)力23

在男性，當(dāng)外展肌收縮來穩(wěn)定骨盆時(shí)，在站立相可產(chǎn)生兩個(gè)頂峰力。一個(gè)頂峰是剛在后跟著地時(shí)，達(dá)體重的4倍；另一個(gè)在足離地以前，可達(dá)體重的7倍。足放平時(shí)，關(guān)節(jié)反應(yīng)力降至接近體重，因?yàn)橹匦难杆贉p速。在擺動(dòng)相時(shí)，關(guān)節(jié)反應(yīng)力受伸肌收縮的影響，使大腿減速，幅度仍保持于較低度，約與體重相等。在女性，力的模式基本相同，僅幅度略低，在站立相后期，幅度僅達(dá)到體重的4倍。女性的低關(guān)節(jié)反應(yīng)力幅度可能繼于以下幾個(gè)因素：女性骨盆較寬、股骨頸干角的傾斜度不同、鞋不同和步態(tài)模式不同。24髖部疲勞性骨折經(jīng)?；顒?dòng)的64歲退休男性為準(zhǔn)備馬拉松賽跑而改變了訓(xùn)練方式，關(guān)節(jié)超負(fù)荷而導(dǎo)致股骨頸疲勞性骨折。25在日常生活中髖關(guān)節(jié)負(fù)荷可高可低從矮椅子站立時(shí)的負(fù)荷約等于體重8倍。拐杖用在患肢同側(cè)時(shí)髖關(guān)節(jié)負(fù)荷約等于體重的3.4倍。拐杖用在患肢對(duì)側(cè)時(shí)髖關(guān)節(jié)負(fù)荷約等于體重2.2倍。26第三節(jié)膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)272829一、運(yùn)動(dòng)學(xué)（一）運(yùn)動(dòng)范圍脛股關(guān)節(jié)矢狀面：0°～140°

冠狀面：在膝完全伸直時(shí)由于產(chǎn)生扣鎖機(jī)制而不能旋轉(zhuǎn)。當(dāng)膝屈曲時(shí)，旋轉(zhuǎn)范圍隨著增加，待屈至90°時(shí)，旋轉(zhuǎn)可達(dá)到最大程度，在這位置，外旋可自0°～45°，內(nèi)旋可自0°～30°。超過90°膝屈曲，內(nèi)旋和外旋幅度又將減小，這主要是受到軟組織的限制。30在額狀面上的活動(dòng)．外展和內(nèi)收同樣受關(guān)節(jié)屈曲度的影響。在完全伸直時(shí)，額狀面上的所有活動(dòng)幾乎完全消失。當(dāng)膝屈至30°時(shí)，被動(dòng)的外展和內(nèi)收會(huì)有所增加，但最大僅有數(shù)度。若膝屈曲超過30°，額狀面的活動(dòng)又將減少，這也是由于軟組織限制其活功。31髕股關(guān)節(jié)自完全伸直至完全屈曲，髕骨在股骨髁處向下滑動(dòng)約7cm。股骨的內(nèi)髁與外髁在完全伸直和90°屈曲時(shí)，均與髕骨連接。超過90°，髕骨外旋，只有股骨內(nèi)髁與髕骨連接。在完全屈曲時(shí)，髕骨沉人髁間溝內(nèi)。3233（二）膝關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)的軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心：轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)節(jié)瞬間速度為零的點(diǎn)

屈伸運(yùn)動(dòng)軸是由股骨髁的形狀和關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)形式所決定的。股骨髁不是圓形的，在前部略成扁平，在后部近似圓形，前部之曲率半徑較大，而后部之曲率半徑較小，最前方的半徑與最后方的半徑比為9：5。3435（三）膝關(guān)節(jié)的滾動(dòng)與滑動(dòng)滾動(dòng)是指移動(dòng)部分的等距離的點(diǎn)與靜止部分等距離的點(diǎn)相互接觸，構(gòu)成滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。滑動(dòng)是指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的一端在移動(dòng)時(shí)，這一端上的許多點(diǎn)與相對(duì)面靜止一端的某一點(diǎn)相接觸。36純滑動(dòng)（puresliding）：股骨在脛骨上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，接觸點(diǎn)沒有變化。純滾動(dòng)（purerolling):股骨在脛骨上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，接觸點(diǎn)時(shí)刻變化。脛股關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)：滾動(dòng)＋滑動(dòng)37股骨髁上1與2兩點(diǎn)間，與脛骨髁的接觸點(diǎn)是等距離的，這種運(yùn)動(dòng)形式是滾動(dòng)。股骨髁自3以后至8這許多點(diǎn)，在與脛骨接觸時(shí)僅與脛骨上一點(diǎn)3相接觸，因此所形成的運(yùn)動(dòng)是滑動(dòng)，但是股骨髁上的3點(diǎn)并不與脛骨髁上的3點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，這說明在滑動(dòng)中還兼有少量的滾動(dòng)。一般認(rèn)為膝關(guān)節(jié)從180～160°是滾動(dòng)，而從160°到完全屈曲則主要是滑動(dòng)。滾動(dòng)較滑動(dòng)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定。38394041

從完全伸直至完全屈曲的每一個(gè)運(yùn)動(dòng)間隔，正常膝關(guān)節(jié)上的線與脛骨面呈正切，表明股骨在脛骨髁上的滑動(dòng)。

確定脛股關(guān)節(jié)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心后，在每組重疊的X線片上，可確定脛股關(guān)節(jié)面的接觸點(diǎn)(關(guān)節(jié)節(jié)間隙的最窄點(diǎn))，將這點(diǎn)與瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心畫一條連線。

與這條線畫一條垂直線，表明接觸點(diǎn)的變位方向。42半月板桶柄式紊亂的異常即刻行程

若膝關(guān)節(jié)保持勉強(qiáng)活動(dòng)，它會(huì)逐漸適應(yīng)這種變位瞬時(shí)中心的環(huán)境，或牽拉韌帶及其他支持的軟組織，或在關(guān)節(jié)上施加異常高壓。

如果膝關(guān)節(jié)在不正常的瞬時(shí)中心上屈伸，脛股關(guān)節(jié)面不會(huì)在運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)有正切滑動(dòng)，而是被拉開或擠壓。（四）膝關(guān)節(jié)的扣鎖機(jī)制

(MechanismofScrewHome)當(dāng)膝關(guān)節(jié)伸直至最后20°時(shí)(即160°～180°)，股骨發(fā)生內(nèi)旋，脛骨相對(duì)外旋，每伸直1°約有0.5°股骨內(nèi)旋，當(dāng)完全伸直時(shí)，這一旋轉(zhuǎn)活動(dòng)也最終完成，這一過程有如旋緊螺絲釘之最后動(dòng)作故稱之為扣鎖機(jī)制。在扣鎖機(jī)制完成以后，膝關(guān)節(jié)非常穩(wěn)定，這時(shí)，股骨髁與脛骨髁的負(fù)重面最大，負(fù)重壓力也最大，膝關(guān)節(jié)不發(fā)生旋轉(zhuǎn)及側(cè)方活動(dòng)?？坻i機(jī)制的完成主要靠股骨髁的解剖形狀，而韌帶與肌肉的作用適合于這一過程的完成。4445Helfet測(cè)試驗(yàn)證“鎖定”機(jī)制是否完整(A)正常膝屈曲90°，脛骨粗隆與髕股的內(nèi)半側(cè)排列成一條直線。(B)當(dāng)膝完全伸直時(shí)，脛骨粗隆與髕股的外半側(cè)排列成直線46二、動(dòng)力學(xué)上樓時(shí)靜力學(xué)分析

此例所計(jì)算的只是關(guān)節(jié)反力的最小值。若考慮到其他肌力，如穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)時(shí)腘繩肌收縮所產(chǎn)生的力，關(guān)節(jié)反力還會(huì)增大。作用在下肢主要有三個(gè)力：①地面反作用力W(已知大小、方向、作用點(diǎn))；②髕韌帶力P(已知方向、作用點(diǎn)，未知其值大?。?；③關(guān)節(jié)力J(已知作用點(diǎn)位置，未知數(shù)值大小、方向)。如已知W，力P＝3.2W，則由力三角形求得J＝4.1W。47小腿登上樓梯時(shí)的分離體圖由于小腿的重量小于體重的1/10，在此忽略小腿的重量。4849動(dòng)態(tài)力學(xué)分析

在作動(dòng)力分析時(shí)，除了靜力分析中所要考慮的諸因素之外，還要考慮兩個(gè)因素：（1）所研究的那部分身體的加速度。（2）該部分身體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

動(dòng)力活動(dòng)時(shí)計(jì)算某一特定瞬間作用在關(guān)節(jié)上力的最小值，可按下述步驟進(jìn)行：

1.確定產(chǎn)生力的解剖結(jié)構(gòu)。

2.確定身體運(yùn)動(dòng)部分的角加速度。

3.確定身體運(yùn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

4.計(jì)算作用在關(guān)節(jié)上的力矩。

5.計(jì)算加速那部分身體的主要肌力值。

6.計(jì)算特定瞬間的關(guān)節(jié)反力值。50M＝I×β力矩＝轉(zhuǎn)動(dòng)慣量×角加速度M＝F×d力矩＝力×力臂51例：踢球時(shí)下肢力學(xué)分析

踢球時(shí)小腿最大瞬時(shí)角加速度為453rad/s2，小腿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.35Nm2。

則力矩M＝453×0.35＝158.5Nm

已知人的髕腱到脛股關(guān)節(jié)瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離d為0.05m

則F＝M/d＝158.5/0.05＝3170N

此為踢球運(yùn)動(dòng)時(shí)由股四頭肌施加的最大力值已知髕腱力、小腿重力后，可根據(jù)靜力平衡原理推知脛股關(guān)節(jié)面反作用力?？砂l(fā)現(xiàn)此力只略小于髕腱力。52從計(jì)算中可以明顯看出，在動(dòng)力狀態(tài)下，影響關(guān)節(jié)力大小的是身體部分的加速度和它的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。增加身體部分的角加速度，將使關(guān)節(jié)力矩按比例增加。雖然在身體內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是由解剖學(xué)決定的，但可受到外部力操縱。例如，對(duì)膝伸肌進(jìn)行康復(fù)鍛煉的過程中，在足上穿一重靴，它的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就會(huì)增加。正常情況下，當(dāng)膝由屈曲90°到完全伸直時(shí)，關(guān)節(jié)反力約為體重的50％。體重70公斤的人，這個(gè)力約為350牛頓。如果足穿一10公斤重的靴，由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增加，將使關(guān)節(jié)反力增加1000N，所產(chǎn)生的關(guān)節(jié)反力是沒有穿重靴時(shí)的4倍。53

足跟著地瞬間，關(guān)節(jié)反力約為體重的2—3倍，并與腘繩肌收縮有關(guān)。腘繩肌對(duì)膝有減速和穩(wěn)定效應(yīng)。膝屈曲位站立相開始時(shí)，關(guān)節(jié)反力約為體重2倍，并與股四頭肌收縮有關(guān)，股四頭肌防止膝壓曲。關(guān)節(jié)反力峰值發(fā)生在站立相后期足尖離地前。該力約為體重的2—4倍。在擺動(dòng)相后期，腘繩肌收縮引起的關(guān)節(jié)反力約等于體重。步態(tài)周期中，關(guān)節(jié)反力從外側(cè)脛骨平臺(tái)移向內(nèi)側(cè)。在站立相，當(dāng)出現(xiàn)峰值力時(shí)，主要由內(nèi)側(cè)平臺(tái)承受；在擺動(dòng)相，當(dāng)力很小時(shí)，主要由外側(cè)平臺(tái)承受。脛骨內(nèi)側(cè)平臺(tái)的接觸面積約比外側(cè)平臺(tái)大50％。內(nèi)側(cè)平臺(tái)上的軟骨也比外側(cè)平臺(tái)的厚3倍。內(nèi)側(cè)平臺(tái)有較大的尺寸和厚度能使它更易于承受加于其上的較高的力。55

三、髕骨功能

髕骨為膝提供二個(gè)重要的生物力學(xué)功能：它在整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)借延長股四頭肌力臂來幫助膝伸直，并以增加髕骨與股骨間的接觸面來改善股骨上的壓應(yīng)力分布。56完全屈曲時(shí)，髕骨在髁間窩內(nèi)，股四頭肌腱的前移很小，對(duì)股四頭肌力臂長度所起的作用最小(約為力臂總長度的10％)，當(dāng)膝伸直時(shí)，髕骨從髁間窩中抬起，產(chǎn)生顯著的肌腱前移。在伸直到45°時(shí)，股四頭肌力臂長度迅速增長，此時(shí)，髕骨延長力臂約30％。

在膝由完全屈曲到完全伸直時(shí)，髕骨對(duì)股四頭肌力臂長度所起的作用也在改變。膝繼續(xù)伸直，股四頭肌力臂長度稍有減少。在伸直最后45°時(shí)，隨著力臂長度的減小，四頭肌為保持相同的膝力矩必須施加較大的力。膝伸直最后15°時(shí)，股四頭肌力需要增加大約60％。57

在切除髕骨的膝中，髕腱比正常膝更靠近髕股關(guān)節(jié)的瞬時(shí)中心。由于髕腱作用在更短的力臂上，在伸直最后45°時(shí)，要保持膝上正常所需的力股四頭肌必須產(chǎn)生更大的力。切除髕骨的膝在完全主動(dòng)伸直時(shí)，所需的四頭肌力比正常膝約大30％。對(duì)四頭肌這種增加的要求在某些病人中可能超過股四頭肌的能力，這對(duì)有關(guān)節(jié)內(nèi)疾病或年齡較大的病人，更為明顯。正常膝髕骨切除后5859髕股關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)當(dāng)膝屈至5°時(shí)，髕腱（P）和股四頭肌腱(Q)之間的角度為35°；待屈至90°時(shí)，兩腱形成的角將為80°。這是用兩根金屬絲放在肌腱上，拍攝X線片所量得的角度。髕股關(guān)節(jié)反作用力（J）為髕腱(P)和股四頭肌腱(Q)兩個(gè)等力的合力。由于膝的更大屈曲，這兩個(gè)力的組成之間的角將更呈銳形，從而關(guān)節(jié)反作用力的合力將變得更大。6061膝屈至90°時(shí)所顯示的髕股關(guān)節(jié)反應(yīng)力和股四頭肌力62一位30歲的籃球運(yùn)動(dòng)員在跳高落下時(shí)膝關(guān)節(jié)發(fā)生了一個(gè)強(qiáng)力的屈曲。股四頭肌的強(qiáng)烈離心收縮在髕骨上產(chǎn)生了異常的高張力負(fù)荷。在這種情況下，股四頭肌的肌力大于髕骨的骨性強(qiáng)度，因此發(fā)生了髕骨骨折。髕骨是最弱的連接處。該圖顯示了髕骨骨折同時(shí)伴隨的由于股四頭肌牽拉力導(dǎo)致顯著的骨折分離。63四、半月板64半月板的作用

在受載狀態(tài)下，脛股關(guān)節(jié)在去除半月板后所受的應(yīng)力比有半月板的高3倍。65半月板的作用增強(qiáng)關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性；避免周圍軟組織被擠入關(guān)節(jié)；富有彈性，能緩沖重力，吸收震蕩減少摩擦，散布滑液，潤滑關(guān)節(jié)。

當(dāng)膝關(guān)節(jié)伸直時(shí)，半月板被股骨髁推擠向前活動(dòng)，膝關(guān)節(jié)屈曲時(shí)，向后活動(dòng)。膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩半月板一個(gè)向前，一個(gè)向后。膝屈伸時(shí)，股骨內(nèi)外二髁活動(dòng)于半月板的上面，膝旋轉(zhuǎn)時(shí)，半月板固定于內(nèi)外髁的下面，其轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生在半月板下面與脛骨平臺(tái)之間。因此，半月板的破裂多發(fā)生于板的下面。旋轉(zhuǎn)活動(dòng)為造成半月板破裂的主要原因。66

半月板損傷的機(jī)制

半月板與十字韌帶以及與其周圍的關(guān)節(jié)囊、韌帶、肌腱的密切聯(lián)系，半月板的前后角附著于脛骨上，因此當(dāng)半月板受到股骨髁與脛骨髁的擠壓作用而變形或變位時(shí)由于受到關(guān)節(jié)囊、韌帶以及其他連結(jié)結(jié)構(gòu)的牽拉作用，半月板有恢復(fù)到原來正常位置的彈性趨勢(shì)，在不正常的屈伸運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，半月板不能恢復(fù)到正常的位置，又抵抗不了周圍結(jié)構(gòu)的牽拉應(yīng)力，從而可以發(fā)生撕裂。67損傷類型①半月板周圍結(jié)構(gòu)對(duì)半月板的牽拉作用，可以使之撕裂，如半月板凹形內(nèi)側(cè)線之橫裂。②股骨髁與脛骨髁的沖擊作用可以使半月板發(fā)生縱行撕裂，并使撕裂部向髁間凹部位移動(dòng)。③屈膝位時(shí)的旋轉(zhuǎn)活動(dòng)發(fā)生于半月板與脛骨髁之間，旋轉(zhuǎn)外力可以造成半月板的水平撕裂，或發(fā)生半月板脛骨面的磨損。造成半月板損傷必須有三個(gè)條件：

膝關(guān)節(jié)半屈位、擠壓和旋轉(zhuǎn)。686970第四節(jié)肩關(guān)節(jié)71肩關(guān)節(jié)是自肩至指尖的杠桿機(jī)械鏈上的第一個(gè)交聯(lián)。從廣義上來說，它是一組連接臂與胸的結(jié)構(gòu)。四個(gè)關(guān)節(jié)，即盂肱關(guān)節(jié)、肩鎖關(guān)節(jié)、胸鎖關(guān)節(jié)和肩胛胸關(guān)節(jié)的聯(lián)合與協(xié)同動(dòng)作，可使臂置于最有效的空間位置。它的活動(dòng)范圍比任何一個(gè)關(guān)節(jié)都易達(dá)到最廣泛的空間，肱骨的活動(dòng)空間可超過半球。7273一、運(yùn)動(dòng)學(xué)

肩關(guān)節(jié)復(fù)合體的四個(gè)連接的和諧節(jié)奏給予肩關(guān)節(jié)一個(gè)近似球形的運(yùn)動(dòng)幅度，其總和大于任何一個(gè)單純連接所能獲得的運(yùn)動(dòng)。脊椎的活動(dòng)可使肱骨能達(dá)到的位置予以擴(kuò)大。741．肩關(guān)節(jié)復(fù)合體的運(yùn)動(dòng)范圍前屈180°，后伸60°外展180°，內(nèi)收75°水平前屈135°，水平后伸45°旋內(nèi)旋外180°手臂在體前30°～45°位置時(shí)上抬女性有28％，男性有4％可超過180°

752四個(gè)肩連接的運(yùn)動(dòng)在旋轉(zhuǎn)時(shí)，臼內(nèi)的接觸點(diǎn)保持恒定；在臼內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，只是球上的接觸點(diǎn)有所變化（圖a）在滾動(dòng)時(shí)，每一個(gè)關(guān)節(jié)面上的接觸點(diǎn)有等量變化(圖b)。在位移時(shí)，球上的接觸點(diǎn)保持恒定，而臼上的接觸點(diǎn)發(fā)生變化(圖c)。盂肱關(guān)節(jié)的表面運(yùn)動(dòng)主要是旋轉(zhuǎn)，但也結(jié)合滑動(dòng)和滾動(dòng)。靈活的盂肱關(guān)節(jié)表現(xiàn)為其表面運(yùn)動(dòng)屬典型的杵臼關(guān)節(jié)，在這關(guān)節(jié)內(nèi)，任何一個(gè)平面上可有三類表面運(yùn)動(dòng)，即旋轉(zhuǎn)、滾動(dòng)和滑動(dòng)。（1）盂肱關(guān)節(jié)76（2）肩鎖關(guān)節(jié)

肩鎖關(guān)節(jié)是鎖骨遠(yuǎn)端和肩峰近側(cè)的一個(gè)小的滑膜性連接。關(guān)節(jié)由致密的纖維關(guān)節(jié)囊所包圍，包括上肩鎖韌帶和下肩鎖韌帶。關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性主要來自喙鎖韌帶的兩個(gè)部分，即錐狀韌帶和斜方韌帶，它們將肩胛骨懸掛于鎖骨上。這些韌帶可使肩胛骨在鎖骨上按三個(gè)軸活動(dòng)。77

肩胛旋轉(zhuǎn)的垂直軸通過錐狀韌帶額面內(nèi)水平軸，肩胛骨在額面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的水平軸通過斜方韌帶矢狀面內(nèi)水平軸，肩胛骨在矢狀面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的水平軸，通過肩鎖韌帶78鎖骨與肩胛骨之間的運(yùn)動(dòng)范圍錐狀韌帶上的30°旋轉(zhuǎn)；斜方韌帶上的60°運(yùn)動(dòng)弧；肩鎖關(guān)節(jié)在矢狀面上橫軸上的30°運(yùn)動(dòng)弧。肩于外展和前屈時(shí)，肩鎖關(guān)節(jié)上的鎖骨抬舉為20°，主要是在開始活動(dòng)時(shí)的臂抬舉于30°和最后的45°。79（3）胸鎖關(guān)節(jié)是胸骨柄和鎖骨近側(cè)之間的滑膜性關(guān)節(jié)。肋鎖韌帶將鎖骨固定于第1肋骨上，控制鎖骨與胸骨柄之間的扁平關(guān)節(jié)面，成為肩關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)明顯滑動(dòng)的一個(gè)支點(diǎn)。80胸鎖關(guān)節(jié)在水平面的前伸、后縮，運(yùn)動(dòng)支點(diǎn)是肋鎖韌帶胸鎖關(guān)節(jié)在額狀面的上升、下降，運(yùn)動(dòng)支點(diǎn)是肋鎖韌帶鎖骨繞其縱軸的旋轉(zhuǎn)81胸鎖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍按上臂的不同面上的活動(dòng)而異。上臂在額狀面和矢狀面上的抬舉如為40°，則在抬舉開始時(shí)每抬舉10°鎖骨將抬高4°；若超過90°，不再考慮鎖骨在胸鎖關(guān)節(jié)上的活動(dòng)。沿鎖骨縱軸的旋轉(zhuǎn)幅度約為40°82當(dāng)鎖骨伸展和回縮、抬舉和下沉?xí)r，胸鎖關(guān)節(jié)的活動(dòng)與肩鎖關(guān)節(jié)的活動(dòng)恰相反，只有在旋轉(zhuǎn)活動(dòng)，兩者是一致的。例如鎖骨內(nèi)側(cè)端下沉?xí)r，鎖骨的外側(cè)端必然抬舉；當(dāng)鎖骨外側(cè)端伸展時(shí)，其內(nèi)側(cè)端必然回縮，而鎖骨兩端在旋轉(zhuǎn)時(shí)則是一致的。83（4）肩胛胸關(guān)節(jié)肩胛骨除肩鎖關(guān)節(jié)和胸鎖關(guān)節(jié)有連接外，它與胸壁沒有骨性或韌帶性連接。這種不穩(wěn)定情況猶如肩“掛在鎖骨上”，以致肩胛骨可有很廣泛的活動(dòng)度。這些活動(dòng)包括伸展、回縮、抬舉、下沉和旋轉(zhuǎn)。在前后方向，則按不同的軸而活動(dòng)。8485

當(dāng)上臂在額狀面和矢狀面上抬舉(外展和前屈)時(shí)，約有2／3的活動(dòng)(約120°)發(fā)生于盂肱關(guān)節(jié)，其他1／3活動(dòng)(約60°)發(fā)生于肩胛胸連接處。

上臂在抬舉開始的30°～60°時(shí)，肩胛骨活動(dòng)很不規(guī)則，好似有賴于肩胛的休息位置。以后盂肱活動(dòng)與肩胛胸活動(dòng)以2：1狀態(tài)保持恒定。

在肩胛胸連接處的肩胛活動(dòng)只可能有60°，因?yàn)樵阪i骨兩端的關(guān)節(jié)產(chǎn)生同等幅度的活動(dòng)，20°在肩鎖關(guān)節(jié)，40°在胸鎖關(guān)節(jié)。86二、動(dòng)力學(xué)(1)由于盂肱關(guān)節(jié)缺乏堅(jiān)實(shí)的穩(wěn)定力，作用于肱骨的肌肉必須與其他肌肉協(xié)調(diào)配合，才能防止在關(guān)節(jié)上產(chǎn)生脫位的力。

肩部肌肉及其作用肩部共有17塊肌肉。肩關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)的內(nèi)在復(fù)雜性是由于肩部有大量肌肉，以及其肌肉動(dòng)作所產(chǎn)生的三個(gè)不同的作用。

由于肩關(guān)節(jié)活動(dòng)將涉及大量的肌肉，要正確計(jì)算作用于肩關(guān)節(jié)復(fù)合體上的負(fù)荷是非常復(fù)雜的工作。87(2)肩關(guān)節(jié)存在多骨交接，如鎖骨、肩胛骨和肱骨，單一肌肉可以跨越幾個(gè)關(guān)節(jié)，在每一個(gè)關(guān)節(jié)上都能起作用。

例如背闊肌起于胸壁，止于肱骨，它跨越肩胛胸連接、胸鎖關(guān)節(jié)、肩鎖關(guān)節(jié)和盂肱關(guān)節(jié)。(3)肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的廣泛范圍可造成肌肉作用的不同改變，取決于上臂在空間的位置。例如肱骨在外旋時(shí)，肱二頭肌長頭成為肩外展的輔助肌肉，但在肩內(nèi)旋時(shí)，就無此作用。88三、盂肱關(guān)節(jié)上的負(fù)荷計(jì)算肩關(guān)節(jié)上的受力情況，可簡化為一杠桿系統(tǒng)。

手臂平抬，手臂重量為體重的1／20。設(shè)體重為600N，則手臂重為30N，設(shè)其重心作用在離肱骨頭中心30cm處。為了平衡手臂的重量，假設(shè)肌力F。平行手臂并離中心3cm，依平衡原理Fm×0.03－30×0.30＝0所以，F(xiàn)m=300N在肩關(guān)節(jié)上產(chǎn)生反作用力T≈300N8990四、肩關(guān)節(jié)脫位

肩關(guān)節(jié)脫位分前脫位和后脫位兩種。以前者多見，多因間接暴力所引起。如當(dāng)上肢外展、外旋及后伸時(shí)，手或肘部著地，暴力即沿肱骨縱軸向近側(cè)端沖擊，肱骨頭突破關(guān)節(jié)囊前壁或自下方脫出，移位至喙突下或鎖骨下方。

肩關(guān)節(jié)后脫位多為直接暴力從前往后打擊肩關(guān)節(jié)，更多的是由于電擊和癲癇發(fā)作的結(jié)果；或由于肩周圍肌群收縮不協(xié)調(diào)，造成關(guān)節(jié)猛烈內(nèi)旋所致。9192第五節(jié)肘關(guān)節(jié)93肘關(guān)節(jié)復(fù)合體由三個(gè)分開的滑膜關(guān)節(jié)組成肱尺關(guān)節(jié)：肱骨遠(yuǎn)端滑車和尺骨近端相反形狀的滑車窩的連接關(guān)節(jié)。近側(cè)尺橈關(guān)節(jié)：橈骨頭和尺骨的橈側(cè)切跡組成。肱橈關(guān)節(jié)：肱骨遠(yuǎn)端的小頭和橈骨頭相連。94一、運(yùn)動(dòng)學(xué)屈伸范圍：140°～146°

當(dāng)肘關(guān)節(jié)完全伸直，前臂完全旋后時(shí)，肱骨長軸和尺骨長軸成外翻角，又稱為攜物角或提攜角。

在成人為10°～15°

女性往往比男性大。旋前：68°～71°旋后：74°～88°

（與測(cè)量方法有關(guān)）95肘的內(nèi)外翻

肘內(nèi)翻為肘的遠(yuǎn)端內(nèi)移，使提攜角小于正常，甚至消失變成負(fù)值。多由于肱骨髁上骨折復(fù)位不良或生長紊亂所致。不便于提攜物品。

肘外翻為肘的遠(yuǎn)端外移，使提攜角大于正常。通常為骨折后生長紊亂所致。減弱了上肢的提攜力量。

如果需要用肘作支撐動(dòng)作，比如體操運(yùn)動(dòng)員支撐倒立，或木工用手推木刨等動(dòng)作，則肘內(nèi)、外翻畸形者不便于用力。手支撐地面或阻礙物時(shí)反作用力經(jīng)肘上傳，如果肘有內(nèi)、外翻畸形，勢(shì)必加重肘部負(fù)擔(dān)，作用力產(chǎn)生側(cè)向分力，引起肘關(guān)節(jié)不穩(wěn)。嚴(yán)重的肘外翻，必然牽拉內(nèi)側(cè)的尺神經(jīng)，在肘關(guān)節(jié)屈伸過程中，尺神經(jīng)處于緊張狀態(tài)下受到磨損，久之伴發(fā)尺神經(jīng)炎，引起尺神經(jīng)麻痹等癥狀。96

當(dāng)前臂屈曲某一角度時(shí)，肌肉力Fm(主要為二頭肌及肱肌)可以分解為兩個(gè)分力，一個(gè)力沿著前臂方向(S)壓緊肘關(guān)節(jié)，起穩(wěn)定作用，也稱為穩(wěn)定力；垂直前臂軸線的力為R，它起著前臂屈伸旋轉(zhuǎn)的作用，也稱為旋轉(zhuǎn)力。設(shè)肌力的作用點(diǎn)與肘關(guān)節(jié)之轉(zhuǎn)動(dòng)中心距離為dR(常數(shù))。二、動(dòng)力學(xué)

從圖中可以看出，當(dāng)前臂屈曲角度不同，旋轉(zhuǎn)力R大小也不相同，在屈曲接近90°時(shí)，R最大。力R與屈曲角度并非成正比，而是非線性關(guān)系。當(dāng)接近90°時(shí)，力R增大較快。97

最簡單情況是上臂垂直下垂，前臂屈曲90°，此時(shí)肌力Fm幾乎與前臂軸線垂直，則依杠桿原理有

－Fm×dM＋G×dG＝0如已知

dM＝0.05m，dG=0.13mG=20N（前臂及手重），計(jì)算得

Fm＝52N肘關(guān)節(jié)反作用力垂直向下為T＝Fm－G＝32N98－Fmsinφ×dM+Gcosφ×dG+Qcosφ×dL=0待入數(shù)據(jù)－Fmsin45°×0.05+15cos45°×0.15+50cos45°×0.35＝0Fm=395N

計(jì)算得Tx＝－Fmcosφ+Gsinφ+Qsinφ

＝－395cos45°+15sin45°+50sin45°

＝－233.3N(與假設(shè)方向相反)Ty＝Fmsinφ－Gcosφ－Qcosφ

＝395sin45°－15cos45°－50cos45°=233．3N

T＝330Nθ＝－45°φ=45°99伸肘時(shí)肘關(guān)節(jié)反力100

假設(shè)病人用手杖時(shí)，前臂屈曲30°角，手杖反力為Fc＝150N，此時(shí)手臂不是屈曲力而是伸直力，也就是肱三頭肌力Fm起主要作用。

病人用手杖時(shí)，作用在肘關(guān)節(jié)上的力應(yīng)如何?假設(shè)l1=3cm，l2=36cm。依對(duì)肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心之力矩平衡，有：Fm×dM-Fc×dc=0Fm×l1cos60°-Fc×l2cos60°=0Fm×0.03cos60°-150×0.36×cos60°=0

得

Fm＝1800N

關(guān)節(jié)反力T＝Fm＋Fc=1800+150=1950N取前臂及手為研究對(duì)象，則力學(xué)模型如圖。101第六節(jié)踝關(guān)節(jié)踝關(guān)節(jié)復(fù)合體包括脛距關(guān)節(jié)、腓距關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)側(cè)脛腓關(guān)節(jié)102一、運(yùn)動(dòng)學(xué)

在矢狀面上踝關(guān)節(jié)的全范圍運(yùn)動(dòng)為45°，背屈為10°－20°，跖屈為25°～35°，這可隨人的年齡而異。

后跟著地時(shí)，踝有一些跖屈。待足放平，跖屈將增加，但運(yùn)動(dòng)很快轉(zhuǎn)為背屈，身體移至支持足上。待站立相后期后跟離地后，運(yùn)動(dòng)回復(fù)到跖屈；在擺動(dòng)相開始，足趾離地時(shí)，踝處于跖屈位；在擺動(dòng)中期，運(yùn)動(dòng)返回至背屈；在后跟著地時(shí)，踝再轉(zhuǎn)至微跖屈位。從后跟著地至足放平，跖屈幅度取決于鞋跟的高度。鞋跟越高，跖屈也越大。在步態(tài)周期內(nèi)，鞋跟加高，踝關(guān)節(jié)的總的運(yùn)動(dòng)量將減小。103

在正常踝關(guān)節(jié)內(nèi)，關(guān)節(jié)面在運(yùn)動(dòng)開始時(shí)有一定分離，然后發(fā)生移動(dòng)。關(guān)節(jié)面相互卡住后，運(yùn)動(dòng)停止，在相反活動(dòng)時(shí)，開始時(shí)擠壓面被拉開，在整個(gè)活動(dòng)范圍內(nèi)顯示滑動(dòng)，然后再卡住。很可能在運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)，脛距關(guān)節(jié)面所發(fā)生的拉開和卡住，是關(guān)節(jié)潤滑的重要作用。

從完全跖屈位至完全背屈位，正常踝關(guān)節(jié)的脛距關(guān)節(jié)面運(yùn)動(dòng)的即刻中心行徑的示意圖所有即刻中心均在距骨內(nèi)，接觸點(diǎn)變位的方向表現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)開始時(shí)(點(diǎn)1和點(diǎn)2)被拉開，然后再滑移(點(diǎn)3和點(diǎn)4)104二、動(dòng)力學(xué)－靜態(tài)分析

當(dāng)兩足站立時(shí)，每一個(gè)踝關(guān)節(jié)幾乎支持體重的一半。身體的重力線通過踝關(guān)節(jié)橫軸前的數(shù)厘米處，所以體重將在關(guān)節(jié)上產(chǎn)生背屈轉(zhuǎn)矩，這就需要有一定跖屈肌活動(dòng)。當(dāng)這些肌肉和小腿的其他肌肉在平衡人體時(shí)，踝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)反應(yīng)力的增加和需用這些平衡活動(dòng)的肌力將成正比。

105

在脛骨受壓力時(shí)，踝關(guān)成一不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)(圖a)，為了保持其穩(wěn)定小腿前群肌肉及后群肌肉形成一穩(wěn)定力系(圖b)。正如為了使旗桿穩(wěn)定一樣，兩邊要用繩索牽牢(圖c)。很明顯由于要維持穩(wěn)定就增加了在距骨上的壓力。106

例如在身體向前傾時(shí)，重心前移，如體重為600N，在每一足上承受300N，精確應(yīng)是體重減去兩足重，但其所占比例很小，故可忽略。

如G=300N，dG=0.02m，dM=0.03m

則Fm＝200N如粗略認(rèn)為Fm，G平行，則作用在距骨上之反力為

T=Fm+G=200+300=500N=5／6體重根據(jù)力的平衡：G×dG－Fm×dM＝0G107Fm×dM－R×dR

＝0

設(shè)R=600N，利用三角形，如已知肌力Fm之方向并延長與R力線交于一點(diǎn)。平面三力平衡必交匯于一點(diǎn)，故踝關(guān)節(jié)力T必通過這交點(diǎn)。利用圖解法可求出Fm＝900N和T＝1440N108a代表正常人和踝關(guān)節(jié)置換術(shù)前后在站立相時(shí)的踝關(guān)節(jié)反應(yīng)力的擠壓部分。b代表a組病人和正常人的剪切力

正常人于行走時(shí)，穿越踝關(guān)節(jié)的主要擠壓力來自腓腸肌和比目魚肌的收縮，經(jīng)跟腱向下傳導(dǎo)。脛骨前肌收縮所產(chǎn)生的力只作用于站立相早期，而且很輕(小于體重的20％)。在站立相后期，跟腱力很大，啟動(dòng)離地足的跖屈。這時(shí)在關(guān)節(jié)上的擠壓力最大，約為體重的5倍(圖a)。在后跟離地的站立相后期，剪切力最大，約為體重的0.8倍。

患病踝關(guān)節(jié)的擠壓力較小，約為體重的3倍(圖a)。力的頂峰出現(xiàn)比正常人早，剪切力也低（圖b）109二、動(dòng)力學(xué)——?jiǎng)討B(tài)分析

快速時(shí)可以有兩個(gè)頂峰力，為體重的3～5倍，一個(gè)出現(xiàn)于站立相早期，一個(gè)出現(xiàn)于站立相后期。慢速時(shí)只出現(xiàn)一個(gè)頂峰力，在站立相后期，約為體重的5倍。

Stauffer等的研究顯示正常人的兩種行速對(duì)踝關(guān)節(jié)反應(yīng)力的作用。兩種速度的模式可以不同，但頂峰力的幅度則相等。110第七節(jié)人工關(guān)節(jié)置換的力學(xué)效應(yīng)——人工髖關(guān)節(jié)置換的力學(xué)效應(yīng)（一）正常髖關(guān)節(jié)的應(yīng)力雙足站立、單足站立、行走111112