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1、肘关节生物力学 肘关节生物力学 肘关节的屈曲旋转轴穿过冠状突和肱骨滑车 稍向外上侧方向倾斜 肘关节一般有外翻角 正常外翻角 提携角 为肱骨纵径朝外大约15度角 前臂与上臂形成约163度 不正常 过度外翻畸形 前臂朝外侧偏离30度左右 内翻畸形 前臂朝内侧偏离5度左右 肘关节生物力学 屈曲伸展旋前旋后 肘关节生物力学 肱桡关节的屈曲和伸展涉及桡骨凹沿着肱骨小头的滚动并滑行 主动屈曲时 桡骨头凹被肌肉收缩力拉向肱骨小头 完全屈曲时 尺骨的冠状突与肱骨冠突窝刚好咬合 注 内外侧旋转轴位于肱骨小头中心 屈曲时 外侧 尺侧 副韧带被拉伸 肘窝组织松弛 肘关节伸直时 肱骨内外上髁和尺骨鹰嘴三点位于一条直线
2、上 屈曲至90度时 三点的连线构成一尖端朝下的等腰三角形 肘关节发生脱位时 这三点的位置关系发生改变 但是肱骨髁上骨折时 三点位置关系不变 总结 屈 伸运动以肱尺关节为主 尺骨在肱骨滑车上运动 桡骨头在肱骨小头上运动 肘关节的提携角使关节处于伸位时 前臂远离正中线 增大了运动幅度 关节处于屈曲位时 前臂贴近正中线 有利于生活和劳动的操作 肘关节生物力学 生物力学表明 在最大力活动中 肱桡关节上受到的压力是体重的三到四倍 掌根支撑时 穿过腕部的压力有80 都由桡腕关节传递 其余20 力则通过腕内侧尺腕间隙的软组织传递 坠落过程中 若手臂外伸则桡骨骨折可能性很大 肘关节伸展状态提重物时 撑开力几乎
3、全部施加在桡骨上 从而使骨间膜松弛 拉伸状态下 桡骨头与环状韧带相对滑动 使环状韧带紧张 同时肱桡肌的力量传到上臂 注 1 若手术切除桡骨头 会使桡骨向近端位移 腕部骨骼不对称 近 远端尺桡关节不对称 发生明显疼痛 功能丧失 2 长时间持重后 前臂出现深度疼痛 可能是肱桡肌和其他肌肉疲劳所致 3 服务员托盘子时 重力穿过桡骨朝向近端 使骨间膜均匀地分散前臂所承受的重量 1 强力拉扯手部可导致桡骨头滑出环状韧带远端 儿童尤其容易发生此症状 幼儿4岁以前 桡骨头尚在发育之中 环状韧带松弛 从而发生桡骨小头半脱位 又称 扯肘症 常见于父母或宠物狗大力拉扯儿童的手臂 肘关节生物力学 肘关节生物力学 2
4、 网球肘 肱骨外上髁炎 时肘关节外侧前臂伸肌起点处肌腱发炎疼痛 3 高尔夫球肘也称肱骨内上髁炎或屈肌总腱损伤 为旋前屈肌群肌腱起始部过度疲劳而引起的损伤 肘关节生物力学 前臂旋转是围绕着从桡骨头到尺骨头的一条轴线发生的 手掌出现旋转的动作 是因为手与腕部紧密连接着桡骨 而未与尺骨相连 注 1 肱尺关节的稳定性使桡骨 腕骨 手之间得以稳固相连 2 桡骨头通过成骨纤维环 25 尺骨桡切迹 75 环状纤维 与尺骨近端保持相对稳定 肘关节生物力学 健康人一般可做0 85 旋前及0 75 旋后 前臂旋转中立位 或零基准位 为 拇指向上 姿势 图示为肘部100 功能弧形区 但是不是运动的终极范围 注 在某
5、种程度上 旋前及旋后幅度减小可分别通过肩部的内旋和外旋补偿 肘关节生物力学 近侧尺桡关节旋后时 桡骨头在成骨纤维环内旋转 成骨纤维环对桡骨头束缚很紧 阻止标准的 滚动 滑行 关节运动 旋前的过程就是桡骨及手掌相对于固定不动的肱骨和尺骨做旋转运动 在旋前过程中 桡骨小头凹朝肱骨小头旋转 前臂旋前时旋前圆肌为收缩状态 此时旋前圆肌牵拉桡骨近端使之拉向肱骨小头 从而使肱桡关节内的压力增大 换句话说 主动旋前时桡骨自然移向近端 伴随肱桡关节压力增大 被称为 拧紧 机理 肘关节生物力学 旋前及旋后的旋转轴与骨间膜中间束近乎平行 仅偏离大约10 12 注 任意一种平行于旋转轴的力均不产生阻力力矩 旋前旋后
6、的过程中 旋转轴与骨间膜间并不是完全平行 所以在旋转形成的弧度区 骨间膜长度仍可发生一些变化 前臂骨折 长期夹板固定的患者 通常前臂保持部分旋前位 长期旋前易产生骨间膜硬度更强 更容易导致旋前挛缩 远端状态 在旋前及旋后的极端位上 桡骨尺切迹表面仅有10 与尺骨头相连 中立位上 桡骨尺切迹表面有60 与尺骨头相连 肘关节生物力学 肘关节生物力学 屈曲扭矩的大小与年龄 性别 举重经验 肌肉收缩速度 关节在上肢所处的位置有关 Gallagher及其同事研究报告 在优势位置上产生的屈曲扭矩 所做的功 能量比劣势位置所产生的屈曲扭矩 所做的功和能量大 前臂处于旋后位时 肘屈肌产生的力矩比前臂完全旋前位
7、时肘屈肌产生的力矩大20 25 肘关节生物力学 肘曲和肘伸过程中 最大等轴内旋扭矩要比旋前 旋后大得多 男性平均最大等轴内旋扭矩要比女性大的多 几乎成2倍关系 肘屈肌的结构和生物力学变量的关系如下表 肌肉的横截面积越大 产生的力越大 注 肱肌的唯一功能是屈肘 基于生理横截面积 肱肌可产生比肘部其他肌肉都大的力 肘关节生物力学 肘关节生物力学 根据生物力学数据测得 肘屈曲90 时 所有的肌肉出现最大力矩 左上图 屈肌最大力出现在屈曲80 左右 右上图 平均最大力臂值出现在屈曲100 左右 此关节角度下 肱二头肌肌腱以90 角垂直汇入桡骨 下图 注 决定屈肌最大转矩角曲线的整体形状的主要因素有两种
8、 1 肌肉产生的最大屈曲力矩 2 内力壁长度 三种主要的肘屈肌的力线在上图已经描述 以肘关节屈曲90 并前臂中立位这一姿势来对抗肘屈方向的力 可使肱桡肌突起 越过肘关节 绷成弓弦状态 肌电活动研究表明 肱桡肌是最重要的肘屈肌 特别是在快速抵抗外部对抗力量时 注 肱桡肌绷成弓弦状态增大了肘关节的屈力臂 所增大的幅度超过其他肘屈肌收缩增大的屈力臂幅度 肘关节生物力学 正常人的肱二头肌长度约30cm 收缩1s 肱二头肌缩短至23cm 肘关节完成90 屈曲 肩关节45 屈曲 此时 7cm s 图B 当肱二头肌协同后三角肌运动时 肱二头肌缩短为25cm 肘关节屈曲90 肩关节伸展45 此时 5cm s
9、注 当某种肌肉的收缩速度接近0或做等距收缩时 其 最大肌力输出 较大 肘关节生物力学 肘肌启动并维持低水平肘伸力的第一束肌 随着伸展力和角度的逐渐增大 肱三头肌内侧头随之加入 随着力量增加到中 高水平 肱三头肌外侧头加入 随后是肱三头肌长头参与 注 肱三头肌内侧头是伸肌中的 负荷肌 对抗肱肌 肘关节生物力学 高速同心或偏心运动才可产生较大的动态伸展力矩 如 快速推门 从生物力学角度考虑 肩部屈曲和肘部伸展的结合最大程度减小了肱三头肌完全伸展肘部所需的缩短速度和幅度 如图示 伸肌和屈肌都在90 产生峰值最大力矩 但出现最大内力臂的关节角度相差却很大 肘曲最大内力臂为90 肘伸最大内力臂为完全伸展
10、位 注 是肌肉长度决定肘伸峰值力矩出现在何种运动幅度 而不是杠杆决定的 肘曲90 时 肱三头肌力臂小于肘伸时的力臂 肘关节生物力学 前臂的旋前及旋后与肩部的内旋及外旋在功能上相关 肩部内旋通常伴随旋前 肩部外旋则通常伴有旋后 将肩部的旋转与前臂的旋转相结合 受不得空间旋转可达到接近360 而不止是单独旋前或旋后时的170 180 当肩部外旋和旋后同时发生 旋后力矩的大小比肩部内旋与旋后同时发生大9 肘关节生物力学 首先肌肉必须具有以下两个特征 才被视作旋前或旋后肌 1 该肌肉必须附着在旋转轴的两边 肱骨 尺骨的近端附着点 桡骨或手部的远端 2 该肌肉必须具有围绕旋前或旋后的旋转轴的内力臂 肘关
11、节生物力学 肱二头肌是前臂非常有力的旋后肌 肱二头肌的生理横截面约是旋后肌的三倍 在一系列快速有力的从旋前至旋后的活动中 可扪及肱二头肌的收缩 据此表明其在旋后过程中的主导作用 当前臂旋前时 肱二头肌肌腱包绕桡骨近端 在完全旋前位下 肱二头肌主动收缩 使桡骨急剧旋转至旋后位 屈肘达90 时 肱二头肌作为旋后肌的效率最高 因此 在很多大功率的旋后运动中 肘部总保持自然90 肘部仅屈曲30度时 肱二头肌肌腱与旋转轴之间的交叉角度不存在了 这种角度的改变将肱二头肌机械旋后力矩的产生能力降低了50 肘关节生物力学 旋后肌的生理横截面为旋前肌生理横截面的两倍这一生理结构决定了旋后肌群可产生比旋前肌群大2
12、5 的等长力矩 顺时针方向用螺丝起子拧紧螺丝时 肱二头肌 旋后肌 拇长伸肌大力收缩 肱三头肌产生等长运动 拮抗肱二头肌产生的极大屈肘趋势 肘关节生物力学 肘屈肌含有三种不同的周围神经 肌皮神经分布于肱二头肌 肱肌 桡神经分布于肱桡肌 肱肌外侧 正中神经对应旋前圆肌 肘伸肌 肱三头肌和肘肌 桡神经分布于其中 注 桡神经损伤可导致伸肘完全瘫痪 而支配四种肘屈肌的三种神经同时损伤才可使肘屈肌瘫痪 重要功能无法完成 如进食 梳头 肘关节生物力学 肘和前臂的肌肉的运动均有肌皮神经 正中神经和桡神经三种神经支配 表中列出屈肌 伸肌 旋前肌 旋后肌各由哪些神经支配 以及支配各肌肉的神经来自哪一神经根 肘关节生物力学 骨间后神经卡压症 压痛局限于肱骨外上髁下方2 4cm处 前臂抗阻力旋后可诱发疼痛 临床表现 肘外侧疼痛 特点为休息痛和夜间痛 伸指 伸拇及前臂旋后无力 晚期出现肌肉萎缩 功能严重障碍 注 检查可发现往往会被误诊为顽固性网球肘 肘管综合征 因肘部创伤性关节炎而出现尺神经受压 在尺侧腕屈肌两头之间有一增厚的纤维带 压迫尺神经 称之为肘管综合征 注 在肱骨内上髁与尺骨鹰咀之间有一弧形窄而深的骨沟 有深筋膜横架于上 形成一骨性纤维鞘管 即尺神经沟 也称肘尺管 管内为尺神经及尺侧上副动 静脉 如下图
