肢体和脊柱运动学

肢体和脊柱运动学康复中心韩尚富一．肩部关节概述就广义而言，肩是把上臂连结到胸的一组结构，其功能是使肱骨定位并在空间运动，肩是身体中最复杂的关节。由于肩运动范围大，组成成分多，以及各组成成分在大小和形状上面存在很强的个体差异，因而要对肩作一完全定量的生物力学阐述是很不实际的。肩的活动范围和活动轴绕额状轴的矢状面活动—前屈180°、后伸50°绕矢状轴的额面活动—外展180°、内收45°绕垂直轴的水平面活动—内旋70°、外旋90°环转包括一个近似半球形凸出的肱骨关节面和一个含骨质与软组织的盂，盂肱关节的稳定性主要取决于合适的盂、盂窝和肱骨头，完整的关节囊、盂唇、关节韧带及其周围的肌肉。1、盂肱关节肩锁关节是锁骨远端与肩峰近端肩的小滑液关节。肩锁关节的稳定性主要来自锥状韧带和斜方韧带。肩锁关节通常有一个半月板，把关节分为两个功能单位。在肩峰和半月板之间发生绕锥状韧带的旋转，在半月板与锁骨之间产生斜方韧带的铰链作用。2、肩锁关节肩锁关节胸锁关节是胸骨柄与锁骨近段间的一个滑膜关节。关节内有一块半月板，上连锁骨，下接第一肋软骨，这块半月板将胸锁关节分为两个腔。上下滑动发生于锁骨与半月板之间，前后滑动则发生在半月板与胸骨之间。胸锁关节的主要稳定结构是肋锁韧带，将锁骨固定在第一肋上。3、胸锁关节•肩胛骨除了与肩锁关节和胸锁关节相连外它与胸廓没有骨或韧带的连接。•在肩胛骨作各种运动时，肩胛骨通过相关肌肉可作前伸、后缩、上举、下降及旋转。4、肩胸“关节”（又称为肩胛胸壁关节）相关肌肉运动肩胛骨的肌群：上提：斜方肌、肩胛提肌、菱形肌下降：斜方肌、胸小肌前伸：前锯肌、胸小肌后缩：斜方肌、背阔肌运动肩关节肌群：前屈：三角肌、喙肱肌、胸大肌后伸：背阔肌、大圆肌、三角肌、肱三头肌长头外展：三角肌、冈上肌内收：胸大肌外旋：冈下肌、小圆肌旋内：肩胛下肌、大圆肌、胸大肌应用：肩关节外展力学分析开始外展时，三角肌实际并没有作用，其力点几乎与上臂杠杆平行，但有使肱骨头产生上方脱位的倾向。冈上肌在外展时，则处于最有效率的位置，其力E有一个强有力并有效的沿切线方向的分力(Et)，迫使肱骨头紧贴关节盂，阻止了三角肌向上脱位的倾向。外展一旦开始并达到45~60度时，这两组肌肉的作用发生逆转。冈上肌效率减退，而三角肌则变得更为有效且在外展中占主要地位。近期的力学研究认为在大多数情况下三角肌不论其微弱的分力如何，均起到始动的作用，同时三角肌的早期收缩有利于固定肱骨头于关节盂，也有利于其外展。二、肘关节肘连接臂与前臂，其功能是使腕手在空间定位，肘由于有较深的骨性臼，所以是一个比较稳定的关节。肘关节的运动功能肘关节由三个关节合为一体，三个关节是肱尺、肱桡和近侧桡尺关节。肘关节主要具有两种运动：屈、伸（0～90°）和前臂旋转（旋前和旋后各90°）。肱尺关节肱挠关节近侧挠尺关节相关肌肉屈肘肌：肱二头肌、肱桡肌、肱肌伸肘肌：肱三头肌旋前肌：旋前圆肌、旋前方肌旋后肌：旋后肌、肱二头肌肘关节屈曲的力学分析当肘处于伸展位时，肌作用力方向几乎平行于杠杆臂的轴。此时起屈肘肌仅是弱的横向力。当肘屈曲至中间位时，肌肉的拉力几乎垂直于杠杆臂，白箭头代表肱二头肌，黑箭头代表肱桡肌），因而向心力的组成为零；而沿切线方向的力组成与肌肉的牵拉相一致而被充分利用。从作功来看，肱二头肌在80°~90°之间达最大，肱桡肌则在100°~110°之间。肘关节伸展的力学分析当肘全伸展时，肌肉力量可以分解成离心方向和切线方向。肘略屈至20~30度时，沿半径组成的力变为零，而有效切线组成的力与肌肉牵拉同向，在此位置肱三头肌具有最大功效。当肘进一步屈曲时，有效的切线组成随向心力的增加而减少。因肱三头机长头是双关节性的，因此其功效以及整块三头肌的功效也以肩关节的位置而定。肘关节伸展的限制伸展受三个因素限制：鹰嘴在鹰嘴窝内的冲击碰撞关节前韧带的张力屈肌的阻挡如果肘过伸必然出现下述情况之一：鹰嘴骨折及关节囊撕裂,伴肘关节后脱位；肌肉虽然通常不受累，但肱动脉可被扯断。肘关节屈曲的限制主动屈曲受限上臂及前臂前方肌肉的相挤。相对骨面的接触和关节囊韧带的后方张力。被动屈曲受限肌肉的紧密接触。桡骨头紧贴在桡骨窝以及冠突抵住冠突窝。后关节韧带和肱三头肌被动产生的张力。三、髋关节髋关节属于杵臼关节，具有内在的稳定性，但同时具有很大的活动度，从而为完成日常生活提供应有的活动基础。髋关节是杵臼关节，由髋臼和股骨头组成。髋臼：位于组成骨盆三块骨的会合处，呈半球形，以髋臼缘为界。股骨头：股骨头为一球形的2/3，股骨头被股骨颈所支撑，股骨颈与股骨干连接。股骨颈轴向上、前延伸。髋的稳定性：髋的稳定性主要借助于前后方韧带以及坚强的关节囊。髋关节运动功能绕额状轴的矢状面活动—前屈125°（屈膝）、90°（直膝）、后伸15°绕矢状轴的额状面活动—外展45°、内收30°绕垂直轴的水平面活动—内旋45°、外旋45°运动肌群屈髋肌：髂腰肌、股四头肌、缝匠肌、阔筋膜张肌伸髋肌：臀大肌、帼绳肌（股二头肌、半腱肌、半膜肌）外展肌：臀中肌、臀小肌内收肌：耻骨肌、长收肌、短收肌、大收肌、股薄肌内旋肌：臀小肌、臀中肌外旋肌：内收肌群、臀大肌、梨状肌髋关节动力学若双腿站立时，作用在股骨头上的反作用力为压在上方体重的1/2。因为每个下肢为1/6体重，所以每个髋关节上的载荷就是余下2/3体重的一半，即1/3体重。若为了防止晃动并保持身体直立时，髋关节周围的肌肉要收缩，这个1/3体重的力还将按肌肉活动量成正比增大。若单腿直立时，上部身体重力线在三个平面内偏移，对髋关节产生力矩使关节的反作用力增大。髋关节生物力学分析男性在外展肌肉收缩以稳定骨盆时，站立相中有两个峰值力，发生在足跟刚刚着地时的一个约4倍体重的峰值，以及发生在足尖离地时的一个约7倍体重的更大的峰值。足放平时，因身体重心迅速下移，关节反力减少，小于体重。摆动相时，为使大腿减速，有伸肌群收缩产生关节反力，反力值较低，约等于体重。女性的力型与男性相同，但其值较低，在站立相后期，最大值约为4倍体重。女性关节反力较低是由下述因素引起：女性骨盆较宽，股骨的颈干角不同，所穿鞋袜和一般步态型的不同。髋关节生物力学分析四、膝关节生物力学概述膝关节传递载荷，参与运动，为小腿活动提供力偶。膝关节是人体内最大、最复杂的关节。膝关节由胫股和髌股关节组成的双关节结构，两个关节可以承受比通常想象要大得多的力。骨股骨下端：内外侧髁内外上髁髌面髁间窝骨胫骨上端：内外侧髁髁间隆起髌骨膝关节的骨骼：股骨、胫骨和髌骨韧带髌韧带胫侧副韧带侧副韧带腓侧副韧带前交叉韧带交叉韧带后交叉韧带半月板内侧半月板外侧半月板膝关节的正面观髌骨相当额部，髌腱如象鼻，脂肪垫如象眼，侧方的关节间隙如象牙，股四头肌的内、外侧头如象耳。膝关节力学特点是矛盾的统一①要求膝关节在承受体重和有关长杠杆力的作用下，在全伸展位时，有较大的稳定性。②要求在一定程度的屈曲下，具有很大的活动性。膝关节以高度精巧的机械装置解决了这一问题，但由于关节面不足以相互交织（这是高度活动性的要求），使它容易遭受损伤。膝关节的运动功能膝关节的主要运动为伸和屈：髋屈曲体位——膝关节主动屈曲可达140°，髋伸展体位——膝关节只能屈120°，被动屈曲可以达到160°，可使足跟与臀部相接。膝关节严格地说并没有绝对的伸展，尽管有时可获得被动伸展5°～10°。运动肌群伸膝肌：股四头肌屈膝肌：腘绳肌（股二头肌、半腱肌、半膜肌）、腓肠肌、缝匠肌旋转肌（小腿，胫骨相对于股骨）：外旋：股二头肌内旋：半腱肌、半膜肌肌肉股直肌股内侧肌股四头肌股外侧肌股中间肌股二头肌腘绳肌半腱肌半膜肌膝关节受力分析直立位，膝受力为体重减小腿足重。如体态不正确，则需要肌肉力量来平衡。当其屈膝站立，慢步，上楼，膝受力3~5倍体重。半月板的重要作用：把股骨传来的力分散到颈骨平台，没有半月板则会集中一点，这将导致损伤。关节受冲击时，半月板起缓冲作用。负荷轻时，半月板分隔股、胫骨负荷重时，股软骨与胫平台接触。膝关节功能膝关节有伸屈功能：伸0°、屈曲150°膝关节旋转功能：膝关节屈曲时小腿內旋、伸直时小腿外旋行走时膝关节功能要求：平路行走时膝关节屈曲70°，上下台阶时膝关节屈曲要达到110°-120°坐起时膝关节功能：由坐位到站起膝关节屈曲90°－100°股四头肌肌力练习注意角度股内侧肌：0°~15°股外侧肌：15°~90°股直肌：90°~150°屈膝时髌骨的运动轨迹屈膝初期,髌骨从起始位置向远端滑移的同时,也开始向膝关节内侧移动。屈膝至15°～30°时,髌骨内移达最大,然后转向外侧移动,至屈膝40°时,髌骨又回到中位线上。继续屈膝,髌骨继续向外移动,至120°时外移达到最大．五、脊柱1.脊柱的解剖学基础脊柱结构特征多个椎体单元、多重关节。众多肌肉和韧带支持。“S”形生理弯曲、整体活动。兼顾坚固性和可动性。三维活动方向（前后、左右、上下）。六个自由度（屈伸+转动+滑动）。脊柱活动自由度前后屈伸脊柱活动自由度左右屈伸脊柱活动自由度上下移动脊柱活动自由度水平旋转脊柱活动自由度前后滑动脊柱活动自由度左右滑动－非常微小椎骨椎体的骨小梁应力线有三组：在整个椎体斜行交叉。从椎体上面向后延伸，至椎弓根水平时呈扇形分布于下关节突与棘突。从椎体下面向后延伸到椎弓根水平时呈扇形分布于下关节突与棘突。应力集中在椎体后部椎体脊椎椎体主要是承担压应力，承重越大，椎体就越大（腰椎胸椎颈椎）。脊椎中部构成椎管，保护脊髓。脊椎后部是肌肉附着点，控制运动节段的运动和方向。2.脊柱的功能单位运动节段脊柱的功能单位是运动节段，它由两个脊椎和介于它们之间的软组织组成。两个叠在一起的椎体、椎间盘和纵韧带形成节段的前部。相应的椎弓、椎间关节、横突和棘突以及韧带组成节段的后部。椎弓和椎体形成椎管以保护脊髓。运动节段运动节段的前部：椎体的设计主要是为了承担压缩负荷，上部身体的重量加大时，椎体就相应变得更大，因此腰椎的椎体比胸椎和颈椎的椎体要高，其横截面积也大一些。运动节段的后部：后部控制运动节段的运动。运动的方向取决于椎间小关节突的朝向。整个脊柱中，小关节突的朝向在横面和额面上改变。椎间盘内部为髓核，外部为纤维环。髓核为半液态，由富亲水性的葡萄糖胺酸聚糖的胶状凝胶所组成。下腰椎的髓核位置偏后，其余脊椎的髓核均位于椎间盘的正中。椎间盘的纤维环纤维环为多层致密的结缔组织彼此斜行交织而成，自边缘向心分布，致密的纤维环开始是垂直的，越接近中心越倾斜，到中心接触髓核时，几乎近水平走向，并围绕髓核成椭圆形。保护髓核、分解压力。椎间盘压力分布椎间盘受压时，髓核承受75%的压力，其余25%的压力分布到纤维环。椎间盘厚度的昼夜变化椎间盘总厚度约为脊柱全长的25%。白天站立和行走的压力使髓核丧失少量水分，而在睡眠或休息时由于髓核压力减小，水分又得到重储存。因此早晚身高有2厘米的差异。椎间盘衰老20岁以后髓核对水分重储存能力减退。由于提重物和年龄增长产生的微损伤使纤维环纤维成分增加，而能复原的弹性成分相对减少。因此30－50岁的成年人纤维环易遭受损伤，继后髓核脱出而压迫神经根。椎间盘髓核移位髓核同时具有稳定脊柱运动的功能—在伸展运动时，上方椎体向后移位，缩减了椎间隙后缘，髓核受挤向前方偏移。在前屈运动时，正好相反，从而使椎体获得较强的自稳性。椎间盘压缩腰椎间盘偏移腰椎间盘突出椎小关节椎小关节(zygapophysealandfacetjoints)。椎小关节由相邻椎体的上下关节突构成椎小关节和椎间盘的载荷分配随脊柱位置而异，一般承受0~30%的脊柱载荷。脊柱过伸位时小关节突承载力显著增加。3.脊柱韧带韧带解剖：前纵韧带、后纵韧带、棘间韧带、棘上韧带和黄韧带。多数脊柱韧带由延伸度较小的胶原纤维构成。黄韧带含较高比例的弹力纤维。韧带功能：维持脊柱的静态稳定性。促进拉伸载荷在椎体间的传递，使脊柱在生理范围内以最小的阻力进行平稳运动。4.脊柱的功能运动偶联运动由几个节段联合产生的动作，称为偶联运动。影响偶联运动的骨性结构有胸廓和骨盆。胸廓限制胸椎运动骨盆倾斜增加躯干