足踝生物力学

2013/10/2711足踝部的生物力学同济大学附属同济医院骨科俞光荣演讲提纲•足的进化与结构•人行进运动学及步态•足踝的功能解剖•踝关节的生物力学特点•距下关节的生物力学特点•足部稳定机理•足弓的解剖与生物力学特点•足踝部联合运动特点•主要足中前关节的生物力学特点足的进化与结构足的演进－第一跖骨的增厚、肥大足的演进－足跟的肥大•站立时跟骨负担约50％体重，行走时可至约4倍体重•根据Wolf定律，长期行走使跟骨增大、骨小梁排列改变•但结构远不够完美，因此，跟骨是最易骨折部位之一2009SynthesFoot&AnkleSeminar足的演进－楔骨靠拢•正常负重使跗骨逐渐转位楔形，且由坚强韧带固定为拱形整体•第1、2楔骨间存在微动，使第1跖骨不稳定•有人认为此结构与扁平足和拇外翻有关2013/10/272足的结构与功能特点•26(＋2)块骨与关节的复合体•依靠:–稳定的结构–力的缓冲作用–适应地面•前、中、后足的主要功能–后足：承重和平衡稳定–中足：吸收振荡–前足：推进、把持和承重韧带骨关节肌肉稳定结构足踝的解剖学和生物力学特点•不规则骨为主，以至活动度相对较小•稳定性静力性：骨性、软组织性动力性：内在肌、外在肌以静力韧带稳定为主以复合体维持为主•活动单向少，多向以及复合活动为主•骨折特点：隐匿、撕脱、复合不稳定现代足结构的意义运动力–最低的能量消耗–最低的躯干抬起稳定性–行走功能–支撑体重–肌肉收缩的稳定平台人行进运动学及步态人行进运动学－侧方身体移位•A：双足靠拢行走时，身体发生轻度侧方移动•B：双足分开行走时，身体明显增加侧方移动2013/10/273步态分期•步态周期=站立相+摆动相•站立相=接触期+支撑中期+推进期=双足站立初期+单足站立期+双足站立末期–推进期=主动+被动推进期–接触期=足跟+足底着地期一个步态周期中双侧足的步态分期60％40％足底压力分布变化•步态周期12%：全足底开始触地•步态周期22%：足底压力大部分从足跟转到跖骨头•步态周期32%：足底压力多转到跖骨头•步态周期42%：足底压力开始转到足趾上•步态周期51%：跖骨头和足趾所受压力几乎相同行走生物力学•压力中心的变化•迅速的前进•从跟部-跖骨-足趾•站立期30%，负重位于在足趾上足踝的功能解剖足与踝关节－－整体•距小腿关节•距下关节•跗横关节•跖跗关节•跖趾关节结构、功能密切联系2013/10/274胫腓骨间膜•下胫腓联合•应力传递•踝骨折的一种类型足踝部的结构距小腿关节•距骨呈楔形，坐于踝穴内•距骨前部较后部宽•内踝高于外踝•负重时，关节稳定性由关节面提供•非负重，关节周围韧带提供87％的稳定性距小腿关节–距骨,胫骨,腓骨关节结构侧重于稳定而非运动踝关节稳定因素•非负重踝关节稳定性–外侧韧带前稳定占70%to80%–三角韧带后稳定占50%to80%–两韧带旋转稳定占50%to80%•负重踝关节稳定性–踝关节的几何形状占100%平移，60%旋转稳定–跖屈位不稳定–背伸位很稳定三角韧带生物力学特点•三角韧带的浅层和深层共同限制距骨外翻和后移•三角韧带浅层可防止距骨的外旋和外翻•三角韧带深层主要限制距骨外翻、后移和外移•深层为内侧稳定的主体踝关节的生物力学特点距小腿关节滑车结构•距骨就像截头去尾的一个圆锥体•当踝关节活动时，距骨顶沿其外侧基底发生旋转•踝关节在正常活动时距骨始终与踝穴完全匹配距骨前宽后窄，踝关节跖屈时关节不稳定？NO！！2013/10/275距小腿关节力学特点•内踝高于外踝•以内侧为支点的内翻运动幅度大于外翻•约85-90％踝关节扭伤为外侧结构受累•踝关节扭伤时，外踝对韧带提供较多保护•踝关节内翻损伤时需高度怀疑外踝骨折踝关节运动范围•屈伸运动约50°，个体差异较大•同肌肉强度、骨性结构对位情况、韧带稳定性及年龄有关•10°背伸是完成正常步态所必须的CLINICALORTHOPAEDICSANDRELATEDRESEARCHNumber424,pp.27–31正常步态中的踝关节运动M.D.Castro/FootAnkleClinNAm7(2002)679–693力学特点重视外踝的作用•外踝长度是维持下胫腓稳定的关键因素•外踝旋转或短缩都会显著影响踝穴的接触特性踝关节运动轴同冠状面夹角20-30度同水平面夹角8度2013/10/276踝关节运动轴•大致为内外踝尖的连线•涉及运动：背伸/外展跖屈/内收•随关节运动，运动轴本身也发生运动，非单一、固定运动轴踝关节运动的经验轴•踝关节运动的经验轴——位于内踝尖下方5mm；外踝尖前侧8mm，下方3mm踝关节运动轴及经验轴胫骨中线与Mortise位的天花板经验轴2009SynthesFoot&AnkleSeminar踝穴•踝关节非铰链关节：•背伸——距骨外旋和腓骨外移及外旋•跖屈——距骨的内旋•正常的踝关节可外翻3O，踝穴相对于膝关节为外旋20O～30O•踝穴增宽1mm，踝关节的最大接触压力将增加50％距下关节的生物力学特点距下关节•由跟骨、距骨、舟骨构成–运动轴与横截面成42°角，与矢状面成16°•距下关节的三维运动–旋前–旋后2013/10/277距下关节•其基本功能为在支撑相中和股骨、胫骨的旋转•其次为吸收消散地面的反作用力后足关节•距舟关节和距下关节的活动具有高度的相关性•融合距舟关节，距下关节的活动度将全部消失•融合距下关节，距舟关节的活动度将减少75％•融合跟骰关节不影响距下关节的活动度；而距舟关节的活动度可保留67％足部稳定机理足踝稳定模型“3-腿”凳子概念距骨•凳子的稳定取决于腿的位置足踝稳定模型“3腿”凳子概念正常的排列，前足和后跟垂直足跟＝中立位前足＝中立位2013/10/278前足内翻（未被距下关节活动抵销），前足外侧缘相对内侧缘跖屈足跟＝中立位前足＝内翻（旋后）内侧外侧前足内翻（被距下关节活动抵销），前足水平，后足外翻足跟＝外翻前足＝内翻足弓的解剖与生物力学特点足的结构－纵弓内侧纵弓跟、距、舟、3块楔骨及内侧3块跖骨构成外侧纵弓跟、骰及外侧2块跖骨构成。横弓足的结构－横弓•横弓由三块楔骨及五个跖骨基底呈宽面向上，窄面向下楔形排列•五个跖骨头形成前横弓，均衡负重2013/10/279足的结构－跖筋膜•跖筋膜连接于跟骨和前足•跖筋膜对足弓起到稳定作用，完全断裂将导致足弓高度丧失跖腱膜的机制足趾牵拉跖腱膜，跖骨头紧贴地面，提升纵弓稳定全足站立相后半段发生卷场机制使足纵弓抬升足弓的功能－以最小的肌力提供直立姿态所必需的稳定性－提供灵活性以适应不平坦的路面－提供弹性以减轻震荡－行走时充当杠杆增加推进力足踝部联合运动特点胚胎期和成人期足踝的运动轴胫距关节－运动转化距下关节－精细调节复合运动足踝部的运动------复合运动•旋后（supination）：跖屈、内收、内翻•旋前（pronation）：背伸、外展、外翻2013/10/2710足部旋前•包括:–踝关节背伸–跟骨（距下关节）外翻–前足外展•效果放大•髋关节外旋•胫骨扭转•前足外展•结局•负重转向足部内侧•内侧纵弓应力增加足部旋后–包括:–踝关节跖屈–跟骨（距下关节）内翻–前足内收–结局–足部结构坚强–关节活动度减少踝关节背伸•原动肌–胫骨前肌•辅助肌–其他背伸肌群–其他内翻肌群•原动肌（外翻）–腓骨长肌–腓骨短肌•辅助肌–伸趾长肌–第三腓骨肌同时伴有一定程度足外翻踝关节跖屈•原动肌–腓肠肌–比目鱼肌–跖肌•辅助肌–胫骨后肌–腓骨长、短肌•非负重位踝关节跖屈，主要依靠韧带获得稳定–原动肌(内翻）–胫骨后肌–辅助肌–屈趾长肌–伸拇长肌同时伴有一定程度足内翻AJA胫骨前肌拇长伸肌趾长伸肌腓骨长肌跟腱腓骨短肌拇长屈肌趾长屈肌胫骨后肌足踝部动力结构STJA足的结构－后足关节后足生物力学机制后足外翻时，距舟关节和跟骰关节轴相平行。这种对线关节使这些关节处于解锁状态后足内翻时，距舟和跟骰关节轴呈发散状，这会“锁住”Chopart关节，使足弓僵硬步态周期中，在足跟抬高阶段，胫后肌腱翻转后足使足弓僵硬，因此跟腱的力量便可以通过足弓传至跖骨头主要足中前关节的生物力学特点2013/10/27112009SynthesFoot&AnkleSeminarLisfranc关节（复合体）构成•跖跗关节•近侧跖骨间关节•前方跗骨间关节•扁平关节•过度旋前会发生关节炎•活动度大•引起前足畸形的原因之一第一跖楔关节：2009SynthesFoot&AnkleSeminar不同跖跗关节的活动度•第4、5TMT第1TMT第2、3TMT•第1TMT活动度实验较多，6～11º•第2、3TMT比较固定•第4、5TMT活动度相对较大–第4TMT矢状面18.5º±2.5º，水平面2.8º±0.7º–第5TMT矢状面20.2º±2.8º，水平面7.4º±1.7º•包括距舟和跟骰关节•该关节松弛会导致平足畸形•距舟关节:活动范围较大(球窝关节)Chopart关节2009SynthesFoot&AnkleSeminar足部关节的重要性关节名称重要性踝关节距下关节距舟关节跟骰关节舟楔关节跖楔关节跖骰关节跖趾关节趾间关节必要必要必要非必要非必要非必要必要必要非必要踝关节背伸不足距下关节旋前代偿中足、前足背伸中足塌陷2013/10/2712小结•足踝部的稳定性较活动度更为重要•稳定取决于静力结构及动力平衡•足踝部运动为复合运动•正常步态至少需要10°踝关节背伸•足踝部结构及力线正常是获得良好功能的基础2009SynthesFoot&AnkleSeminar