第三节 上肢生物力学

一、肩关节生物力学

盂肱关节被视为一个万向关节，因为这里发生所有三个维度的运动。盂肱关节的主要活动为弯曲与伸展、外展与内收以及内旋转与外旋转（图5-3-1）。通常，盂肱关节处还界定了第四种活动，即水平弯曲与伸展（也被称为水平内收与外展）。该活动的起始姿势为90°的外展。当水平弯曲时，肱骨向前移动；当水平伸展时，肱骨向后移动。

盂肱关节处的活动范围采用0°解剖位置或中立参考点。例如，在矢状面中，弯曲被描述为肱骨向0°方位的前旋转。相反，伸展被描述为肱骨向0°方位的后旋转。

事实上，盂肱关节任何有目的的活动都涉及肩胛胸壁关节处的活动，包括胸锁关节与肩锁关节处的相关运动。但是，下文集中讨论盂肱关节的独立运动学特征。

1．外展与内收运动的关节运动学特征 外展与内收通常被定义为肱骨在额状面中绕着前后方向轴进行的旋转（图5-3-1）。虽然报告的数值是多种多样的，但在正常情况下，健康人的肩胛胸壁关节外展可达120°。盂肱关节的外旋转自然地伴随着外展，通过触诊可以证实这一点。这种伴随的外旋转使肱骨的大结节向后延伸至肩峰突，因而避免了对肩峰下空间内结构（尤其是冈上肌肌腱）的干扰。肩复合体的完全外展要求肩胛骨同时进行约60°的向上旋转。

外展的关节运动学特征涉及肱骨凸头的向上滚动与同时向下滑动。滚动与滑动关节运动是沿着或靠近关节窝的纵径进行的。内收的关节运动学特征与外展相似，但方向相反。

除了产生外展，肌肉的主动收缩将上囊拉紧，进而保护其免受肱骨头与肩峰突下面的挤压。该肌肉力还增加了关节的动态稳定性（动态稳定性指的是当关节运动时实现的稳定性）。当外展时，主要的肱骨头展开并拉紧下囊韧带的腋下袋，由此导致的下囊中的张力充当吊床或吊索的作用，支撑着肱骨头。

2．滚动与滑动运动的关节运动学特征 滚动与滑动运动的关节运动学特征对全范围外展的完成至关重要。肱骨头关节面纵径的大小几乎是关节窝上纵径大小的2倍。外展的关节运动学特征展示了同时发生的滚动与滑动允许一个更大的凸面滚压到一个较小的凹面上，而不会滚出关节面。

在外展时，如果没有同时发生充分向下滑动，肱骨头的向上滚动最终会导致肱骨头对坚硬的喙肩弓的侵扰。如果成年人的肱骨头滚动到关节窝上而不存在同时发生的向下滑动，在仅22°的扩展之后，肱骨头将会移动穿过10mm的喙肩空间。这种情况将导致对冈上肌肌腱与肱骨头和喙肩弓之间的肩峰下囊的撞击。这种撞击会阻碍进一步的外展。采用活体X线技术对健康的肩进行的测量显示：当肩胛骨发生外展时，肱骨头的中心仍然是稳定的或仅向前移动了可忽略不计的距离。同时发生的肱骨头接触点向下滑动抵消了肱骨头在外展时固有的向上移动的大部分趋势。

对于健康人来说，这种滚动-滑动关节运动学的抵消作用与易受损伤的下囊对维持外展时正常的肩峰的下部空间有帮助。但是，如果过度僵硬或腋下袋的体积减小，肱骨头通常会在外展时被迫向上移动很大的距离，并抵到肩峰下部空间中的脆弱组织。这种不自然且重复的挤压可能会使冈上肌肌腱、肩峰下囊、肱二头肌长头肌腱与囊上部损坏或发炎。久而久之，这种重复的挤压可能会导致一种很疼痛的情况，即肩峰下撞击综合征。

3．弯曲与伸展运动的关节运动学特征 盂肱关节处的弯曲与伸展被定义为肱骨在邻近的矢状面内绕着内外旋转轴进行的旋转。关节运动学特征涉及肱骨头围绕关节窝进行的旋转。肱骨头的旋转导致周围大多数囊结构绷紧，被拉紧的后囊的张力可以导致肱骨在弯曲达到极限程度时向前轻微移动。盂肱关节上可实现的弯曲至少可达到120°。将肩弯曲至接近180°需要伴随肩胛胸壁关节的向上旋转。

在主动运动时，肩的完全伸展位置位于额状面后的65°（被动运动时，角度为80°）。这一活动的极限会拉紧前囊韧带，导致肩胛骨轻微地向前倾斜。这种前倾可以增大后伸的幅度。

4．内旋转与外旋转运动的关节运动学特征 从解剖位置来看，盂肱关节的内旋转与外旋转被定义为肱骨在水平面内的绕轴旋转（图5-3-1）。该旋转是绕着一条贯穿肱骨干的垂直轴或纵轴而发生的。外旋转的关节运动学特征发生在肱骨头与关节窝的横径上方。肱骨头同时在关节窝上后滚动与向前滑动。内旋转的运动学特征与此相似，但滚动与滑动的方向相反。

内旋转与外旋转的同时滚动与滑动允许肱骨头较大的横径滚动到较小的关节窝面上，这些前后滑动的重要性是显而易见的。但是，现在想象一下肱骨头滚动到关节窝横径上方的情形。例如，如果不同时具备向前滑动的向后滚动导致了角度达75°的外旋转，肱骨头会向后脱位约38mm。这一移动量使关节完全脱落，因为关节窝整个横径的长度大约为25mm，但是完全外旋转通常会导致肱骨头仅向后移动1～2mm，证明存在具有“抵消”作用的向前滑动伴随着向后滚动。

从解剖位置来看，内旋转的角度通常可达到75°～85°，外旋转的角度通常可达到60°～70°，但这也因人而异。在90°外展的姿势中，外旋转的活动范围通常增大到90°。无论这些旋转发生在什么姿势中，肩胛胸壁关节处通常会发生一些联合运动。从解剖位置来看，肩的完全内、外旋转分别包括不同程度的肩胛骨伸出与缩回。

二、肘关节生物力学

1．弯曲与伸展的功能考虑 肘的弯曲提供了一些重要的生理学功能，如拉、提、进食与打扮。例如，无法主动地把手抬到嘴边进食大大限制了功能性独立的水平。患有C5神经根上方脊髓损伤的人由于肘屈肌的全部麻痹而在这方面存在严重障碍。

当做抛、推与伸手去够等活动时，肘会伸展。由于肘弯曲挛缩而导致的完全伸展功能损失经常由肘屈肌过度坚硬产生。长期固定弯曲与缩短姿势会使肌肉变得异常坚硬。长期弯曲可能由骨折、肘关节炎症、肘屈肌痉挛、肱三头肌麻痹或肘前侧上方皮肤瘢痕之后做投掷动作而引起。除了屈肌的紧张，在前囊与副韧带前侧纤维也可能发生肘屈曲性挛缩。

肘关节可以实现的最大的被动活动范围是从中线伸展（0°）之外的5°～145°的屈曲。但是研究表明，日常生活中的一些普通活动使用更有限的“功能运动弧”，通常为30°～130°的屈曲。与下肢关节（例如膝关节）不同，肘关节运动极限程度的损失通常仅会导致最小的功能缺陷。

2．肱尺关节的关节运动学特征 肱尺关节是尺骨的凹形滑车切迹与凸形的肱滑车之间的连接。在滑车上，透明软骨覆盖了大约300°的关节面，而在滑车切迹上，透明软骨则只覆盖了180°的关节面。这种关节的自然一致性和形状主要限制了肱尺关节矢状切面上的活动。

为了充分伸展肱尺关节，肘前侧的皮肤、屈肌、前囊以及内侧副韧带前侧纤维需要具备充分的伸展性（图5-3-2A）。完全伸展还要求鹰嘴突突出的尖部楔入鹰嘴窝中。因此，鹰嘴窝周围的过度异位骨的形成会限制其充分伸展。通常，一旦关节伸展，健康的肱尺关节主要由关节一致性来稳固，也由被拉伸的结缔组织中增大的张力来稳固。

在肱尺关节屈曲过程中，滑车切迹的凹面在凸面滑车上滚动过或者滑过（图5-3-2B）。肘部完全屈曲需要后囊、伸肌、尺神经以及侧副韧带的某些部分（尤其是内侧副韧带的后侧纤维）伸长。在被延长或重复的肘部屈曲活动中，尺神经的伸展可能导致神经疾病。针对这种情况，常见的外科治疗方法是转移肱骨内上髁前侧的尺神经，从而降低屈曲过程中的神经张力。

严重肘损伤时，尺骨的滑车切迹可能会在肱骨滑车的后侧脱位。这种脱位常由跌倒时单侧手臂伸出撑地导致，因此也常伴有桡骨骨折。

3．肱桡关节的关节运动学特征 肱桡关节是桡骨头的杯状凹面与相反形状的圆形小头之间的连接，屈曲和伸展运动的关节运动是由滚过或滑过小头凸面的桡骨的凹面构成。在主动屈曲过程中，桡骨凹面被收缩的肌肉推到小头上。

与肱尺关节相比，肱桡关节为肘提供的结构稳定性很小。但是，肱桡关节的确提供了与外翻力相抗衡的重要骨抵抗力。

三、腕关节生物力学

（一）运动学

腕的运动学特征表现为两个自由度，即屈与伸以及外展与内收。腕的环行是腕进行的环形运动，它是上述运动的组合，而不属于第三自由度。

腕部大多数固有的动态运动将额状面和矢状面中的因素联合在一起：伸伴随着外展，而屈则伴随着内收。腕部所产生固有的运动路径稍微倾斜，与标枪投掷者的运动类似。这种固有的运动组合伴随着其他功能一起产生，例如系鞋带或者梳理头发。在腕部受到伤害后的康复过程中，应该考虑这些固有的运动特征。

据研究，腕部运动的旋转轴通过了头状骨的头（图5-3-3）。一般而言，当进行屈和伸运动时，旋转轴会沿着原位置附近的内侧-外侧的方向运行；当进行外展和内收运动时，旋转轴会沿着原位置附近的前侧-后侧方向运行。尽管旋转轴为静止的轴，但实际上其在整个运动过程中产生轻微的迁移。头状骨和第3掌骨基部之间的稳固关节促使头状骨的旋转对准整个手部的骨运动途径。

腕在矢状面上旋转130°～160°。一般来说，腕的屈在0°～85°，伸在0°～70°。与所有的动关节一样，腕部的活动范围也因年龄和健康程度以及主动运动或者被动运动的不同而存在很大的差异。完全屈的角度通常比伸的角高出10°～15°。最大范围的伸通常受到很厚的桡腕掌侧韧带强度的限制。就部分人而言，桡骨远端高出一般水平的掌侧倾斜还可能会限制伸展的范围。

腕在冠状面旋转到50°～60°，腕部的外展和内收用桡骨和第3掌骨骨干之间的角度衡量。内收在0°～40°，外展在0°～20°，主要由于桡骨远端的内收，最大的内收通常是最大的外展的两倍。

（二）关节运动学特征

1．腕的伸展与屈曲 把腕部形象化为一个铰链式的中柱，可了解腕部矢状面运动的基本运动学特征。该中柱是由桡骨、月骨和头状骨的远端以及第3掌骨之间的一系列连接而形成的。在该柱内，桡腕关节是由桡骨与月骨之间的关节连接而代表的，而腕中关节的内侧室是由月骨与头状骨之间的关节连接而代表的。腕掌关节是由头状骨与第3掌骨之间的半牢固关节连接的。

2．关节内的动态配合与腕的中柱 腕伸的关节运动学特性的基础是桡腕关节与腕中关节处的同时凸凹旋转。当月骨的凸面向背侧在桡骨上滚动且同时向掌侧滑动时，会发生伸。旋转是朝着月骨远端面的背侧伸展方向发生的。头状骨的头向背侧在月骨上滚动并同时朝掌侧方向滑动，两个关节的关节运动学特征的合并产生了腕伸。两个关节促成一项运动的优势为某个全范围的活动可通过单个关节的适度旋转来完成。因此，在力学上，每个关节在相对受限，并且更加稳定的运动范围内进行运动。

腕的完全伸展拉长了桡腕掌侧韧带以及穿过腕部掌侧的所有肌肉，这些拉伸结构中的张力有助于把腕固定在严格的伸展位置。当在某些活动中（如利用手与膝盖爬行，以及当从轮椅换到床上时的掌下压）利用上肢来承重时，腕伸时的稳定性是非常重要的。

腕屈曲的关节运动学特征与伸展时的关节运动学特征相似，但是方向相反。

利用简化的中柱模型描述腕的屈与伸，可以使复杂的情况很好的概念化。但是，模型的限制性使其无法描述参与活动的所有腕骨。例如，该模型忽略了桡腕关节处舟状骨的运动学特征。简而言之，在屈和伸运动中，舟状骨在桡骨上的运动学特征与月骨在桡骨上的运动学特征相似，一个特征除外。根据两块骨不同的大小和曲率，舟状骨在桡骨上滚动的速度与月骨在桡骨上滚动的速度是不同的，这种差异导致了舟状骨和月骨在进行完全运动之前存在轻微的位移。通常，在健康的腕关节中，通过限制韧带的运动，尤其是舟月韧带，可将位移的程度降至最低。该重要韧带的破裂发生频率相对较高，并且可能会极大地改变关节运动学特征并且转移近排腕骨中的受力。创伤、风湿性关节炎，甚至外科腱鞘囊肿切除术都可能损害该韧带。

3．腕的内收和外展

（1）桡腕关节和腕中关节的动态配合：与腕屈伸运动一样，内收和外展是通过桡腕关节与腕中关节的同时凸凹旋转而产生的。在内收时，腕中关节在很小程度上有助于桡腕关节对整个腕的运动。在桡腕关节中，舟状骨、月骨以及三角骨在尺骨上滚动并且沿着桡骨的方向滑动很远。在完全内收时，月骨相对于尺骨的最终位置可以证明桡骨滑动的程度。

全范围的内收导致三角骨接触到关节盘钩骨对三角骨的压力推动近排腕骨，并使其依靠在桡骨茎突上。在需要较大握力的活动中，这种压力有助于稳定腕。

腕的外展通过与内收相似的关节动力学特征产生。当腕骨的桡侧撞击桡茎突时，外展的程度就会受到限制。因此，腕中关节便产生了更大程度的外展。

（2）涉及近排腕骨的其他关节运动学特征：对射线活动摄影或连续静止X线片的仔细观察，揭示出比之前的描述更加复杂的关节运动学特征。在冠状面的运动中，近排腕骨轻微“摆动”（并较小程度的“扭动”）至屈与伸。在舟状骨中的摆动最明显，在月骨中的摆动显得较弱。当外展时，近排腕骨轻微弯曲；当内收时，近排腕骨轻微伸。

（徐静 熊宝林）