第二节
关节的生物力学

关节是指两块或多块骨的支点或连接处，身体的活动主要是产生于骨与个别关节间的相对旋转，关节同时可以传递及缓冲外来的重力及肌肉活动的力量。人体的运动是肌肉收缩使骨在关节处绕着不同的“轴”在特定的“面”上做出相应的活动。

一、人体解剖学定位术语

每一个关节的运动都可以分解为三个平面的运动，这三个平面相互垂直，即矢状面、水平面、冠状面。按照解剖学姿势，人体有三种互相垂直的轴，即矢状轴、冠状轴、垂直轴。轴在叙述关节运动时是非常重要的概念（图1-14）。

（一）人体的基本切面

1. 矢状面 沿人体前后方向，将身体分为左右两个部分的平面称矢状面。其中，在正中将身体分为左右相等的两半部，该矢状面称为正中面。矢状面可以有数个，但正中面只有一个。

2. 冠状面 沿人体左右方向，将身体分为前后两个部分的平面称为冠状面，又称额状面。

3. 水平面 将身体分为上下两个部分，与地面相平行的平面称为水平面。

矢状面、冠状面、水平面三者相互垂直，又称横切面。

（二）人体运动的基本轴

1. 矢状轴 前后平伸与水平面平行，与冠状面垂直的轴称为矢状轴。

2. 冠状轴 左右平伸与水平面平行，与矢状面垂直的轴称为冠状轴，又称额状轴。

3. 垂直轴 与人体纵轴平行，与水平面垂直的轴称为垂直轴。

（三）人体的基本运动

1. 屈伸 人体绕着额状轴在矢状面上运动，向前的运动称为屈，向后的运动称为伸；膝关节以下相反，如胫骨向前的运动称为伸膝，足部向前的运动称为踝背伸。

2. 展收 人体绕着矢状轴在额状面上运动，离开中线的称为外展，靠近中线的称为内收。

3. 旋转 人体绕着垂直轴在水平面上运动，向前旋转称为内旋或旋前，向后旋转称为外旋或旋后。

二、关节的分型

关节可根据运动轴心或自由度（即关节所允许完成的自由运动数）多少分成以下类型：

1. 单轴关节 此类关节仅有一个自由度，即只能绕一个轴在一个平面上运动。包括滑车关节（如肱尺关节、指间关节）及车轴关节（如桡尺近端关节、寰枢关节）。

2. 双轴关节 此类关节有两个自由度，可以围绕两个互为垂直的运动轴在两个平面上运动。包括椭圆关节（如腕关节）及鞍状关节（如胸锁关节、拇指腕掌关节）。

3. 三轴关节 或称多轴关节，此类关节有三个自由度，即在三个相互垂直的运动轴上多方向运动。包括球窝关节（如肩关节）、杵臼关节（如髋关节），以及平面关节（如腕骨间关节、跗骨间关节）。

凡具有两个或两个以上自由度的关节都可以行环绕运动。

三、关节的活动度和稳定性

关节的功能取决于其活动度和稳定性。一般稳定性大的关节活动度小，上肢关节活动度大于下肢，下肢稳定性大于上肢。

影响关节的活动度和稳定性的因素：①构成关节两个关节面的弧度差；②关节囊的薄厚、松紧度；③关节韧带的强度和多少；④关节周围肌群的力量强弱与伸展性。大多数情况下，骨骼和韧带对关节的静态稳定起主要作用，肌肉拉力则对动态稳定起主要作用。

四、肌肉骨骼杠杆

在人体，内力与外力在整个骨骼杠杆系统中产生扭矩，而环境中影响骨骼肌肉杠杆最重要的力量是由肌肉、重力及身体接触所产生的，支点则落在关节上。如同跷跷板，骨骼肌肉系统中的内力与外力扭矩可能是相等的，如在等长收缩的时候，或者更常见的是两个相对扭矩的其中一个占优势而在关节上产生动作的时候，内力与外力扭矩相等。

1. 第一种杠杆 也称为平衡杠杆，其旋转轴位在相对的力量中间，如头与颈部的伸肌群，它们在矢状面上控制头部的姿势。当肌肉力量乘以它的外力臂等于头部重量乘以它的外力臂时，头部是保持平衡的状态。在第一种杠杆中，虽然产生的扭矩在相对的旋转方向上，但是内力与外力典型地作用在相似的线性方向上（图1-15）。

2. 第二种杠杆 也称为省力杠杆，具有两种特征：第一，它的旋转轴落在骨骼肌其中一个的末端；第二，肌肉（或内力）拥有比外力大的杠杆。第二种杠杆在肌肉骨骼系统中非常少见，典型的例子是以脚尖站立时小腿肌群所产生的扭矩：这个动作的旋转轴被假定为跖趾关节，基于这个假设，小腿肌肉的内力臂永远超过体重的外力臂（图1-16）。

3. 第三种杠杆 也称为速度杠杆。如同第二种杠杆，第三种杠杆的旋转轴也落在骨骼其中一个的末端，手肘屈曲肌群使用第三种杠杆来产生屈曲扭矩，以支持手中握住的重量。与第二种杠杆不同的是，第三种的外力永远拥有比肌肉力量大的杠杆。第三种杠杆是肌肉骨骼系统最常用的杠杆（图1-17）。