下肢运动学与力学

一、髋 关 节

（一）运动学与力学特点

1．结构 髋关节为杵臼关节，与盂肱关节的关节面相比，股骨头和髋臼的关节面互相匹配得更好，连接更为牢固，这增加了关节的稳定性但限制了关节的运动范围。髋关节主要将人体上肢和躯干的重量通过髋传递到下肢。

2．韧带 髋关节的韧带较强厚，加强了关节囊的四周，屈髋时松弛，伸髋时紧张。髂股韧带在关节囊的前上方，站立位时可防止骨盆在股骨上向后运动（髋的过伸）。耻股韧带在关节囊的前下方，限制髋的外旋。坐股韧带在关节囊的后上方，限制髋的内旋。耻股韧带和坐股韧带的张力限制髋关节的外展，髂股韧带上部的张力限制髋关节的内收。

3．肌肉 髋关节的肌群分布较为复杂，具有一肌多用途的特点。其活动发生在三个轴和三个面，最大运动发生在矢状面，即0°～145°屈曲和0°～30°伸展。对髋关节而言并没有真正意义上的内收，只有内旋伸展或内收屈曲的复合运动，一般范围仅为0°～25°。至于水平面的旋转运动，在膝伸直位情况下仅表现为趾尖向外或向内。

4．负重 在双腿站立位时，重力线通过耻骨联合的后方，因髋关节的稳定作用，此时仅通过关节囊和韧带的稳定作用，而无需肌肉收缩即可达到直立。由此可知，直立时作用在股骨头上的反作用力为压在上方体重的1／2。因每侧下肢为1／6体重，故每个髋关节上的载荷为余下2／3体重的一半，即1／3体重。若为防止晃动并保持身体直立，髋关节周围的肌肉要收缩，这个1／3体重的力将按肌肉活动量成正比增大。

（二）正常活动范围

1．运动轴 髋关节可沿3个轴运动。

（1）冠状轴（经髋臼中心与股骨头中心）的屈伸运动。

（2）矢状轴（经股骨头中心）做内收、外展运动。

（3）垂直轴（经股骨头中心与股骨内外侧髁之间的髁间窝）做旋内、旋外运动。由于股骨头深藏于髋臼窝内，关节囊相对紧张而坚韧，又受多条韧带限制，其运动幅度远不及肩关节，而具有较大的稳固性，以适应其承重和行走的功能。

2．附加运动 髋关节的附加运动为向远侧牵开和外、前、后的滑动。正常情况下，关节腔的负压防止关节的牵开和脱位。在成年人，髋关节需要高于40kg的牵引力才能使关节发生有意义的分离。当髋关节在过伸、内旋和内收的紧锁位时，关节囊和韧带紧张并产生对附加运动和脱位阻抗。

3．活动范围 中立位为髋关节伸直，髌骨向前。

屈曲130°～140°；后伸10°～15°外展；外展30°～45°；内收20°～30°；伸位旋转（内旋或外旋），正常外旋30°～40°，内旋40°～50°；屈曲位旋转（内旋或外旋）：外旋30°～40°，内旋40°～50°（图3-11）。

图3-11　髋关节正常活动范围

A．屈曲；B．后伸；C．外展；D．内收；E．外旋；F．内旋

二、膝 关 节

膝关节是一个复合关节，从功能上，在站立位时膝具有支持体重而不需要肌肉的收缩；在坐、蹲、攀登等运动中，膝参与降低或抬高体位；在着地时膝还允许身体的旋转。在步行时，正常的膝通过减少身体重心垂直和侧方的震荡来减少能耗，支撑相当于体重4～6倍垂直的力。膝关节的损伤常由于力作用于股骨和胫骨的长杠杆臂而产生较大的力矩造成的。

（一）运动学与力学特点

1．力学特点 膝关节传递载荷，参与运动，为小腿活动提供力偶。膝关节是两个相互独立且相互抵消的统一：要求膝关节在承受体重和有关长杠杆力的作用情况下，在全伸展位时有较大的稳定性；要求在一定程度的屈曲下具有很大的活动性。

（1）面关节运动：在任意关节的矢状面和额状面内可以描述面关节运动，即一个关节在两个关节面之间的运动，但不能在水平面内加以描述。在膝部，面关节运动分别发生在股骨髁和胫骨嵴之间和股骨与髌骨之间。在股骨髁和胫骨嵴之间，面关节运动可以同时发生在所有三个平面上，但在股骨与髌骨之间，面关节运动同时发生在额面和水平面两个面上。

（2）髌股关节：膝关节屈曲时，髌骨在股骨上的正常运动是沿股骨的髌面中心沟直到髁间窝的垂直移位。在正常情况下，髌骨由股四头肌将它用力贴在股骨沟内，屈曲越多，贴力越大，在伸展终末时减弱。膝从伸直到完全屈曲时，髌骨在股骨髁上向尾侧移动约7cm，从完全伸直到屈曲90°时，股骨内外侧小圆面均与髌骨相关节，屈曲超过90°，髌骨外旋，只有股骨内小圆面和髌骨相关节，完全屈曲时，髌骨陷入髁间窝内。

（3）髌骨：为膝提供两个重要的生物力学功能，它在整个运动范围内借助延长股四头肌力臂来帮助膝伸直，并以增加髌骨与股骨之间的接触面来改善股骨上的压应力分布。完全屈曲时，髌骨在髁间窝内，股四头肌肌腱的前移很小，对股四头肌力臂长度所起的作用最小，当膝伸直时，髌骨从髁间窝抬起，产生显著的肌腱前移。

2．运动学特点 膝关节的主要运动为屈伸运动。膝屈曲的范围依髋关节的位置而异，同时还要看是被动还是主动。在髋屈位下膝关节主动屈曲可达到140°，在髋伸位时只能屈120°，原因为大腿后群肌在髋伸展时丧失了一部分效率。被动屈曲可达到160°，可使足跟和臀部接触。只有在膝屈曲下，小腿才可沿纵轴做旋转运动。

膝关节屈曲时，股骨与胫骨髁的接触点向后移，关节伸展时则向前移。两侧半月板向后移动的距离不同，从伸直到屈曲，外侧半月板较内侧半月板的后移距离大一倍。半月板因有前、后角两个固定点，在后移同时还发生变形，所以具有了半月板，应力可均匀地分布在胫骨平台宽阔的面上。

（1）轴旋转：当屈膝时轴旋转发生在水平面上。当膝关节完全伸直时，内外侧副韧带相当紧张，关节稳定，几乎无旋转运动。当屈膝时，这些韧带松弛，而外侧副韧带较内侧副韧带更加松弛，故在股骨髁和胫骨髁之间的运动外侧大于内侧。而旋转的纵轴位于胫骨的髁间隆起内侧，所以认为是外侧髁围绕内侧髁旋转。当减少屈膝的程度时，轴的旋转运动范围也变小。旋转运动的主要功能意义在于闭链运动中。此时股骨在固定的胫骨上旋转，像从跪、坐或蹲位转换姿势以及跑步时突然改变方向。

（2）膝关节的终末旋转：当伸膝关节时，胫骨在固定的股骨上外旋约20°，这种旋转运动在伸膝的最后20°发生，称膝关节的终末旋转。这是纯粹的机械现象，不能随意产生和终止。它允许人类在直立时不需要股四头肌收缩以及在伸膝降低肌力情况下抵抗前-后向的力。虽然终末旋转的量不大，但它对正常的膝关节功能如同轴旋转一样是必需的。成功的膝关节康复，这两个运动必须评估和修复。

（3）附加运动：膝关节的紧锁位是完全伸直，在这个位置终末旋转使韧带和关节囊结构紧张，牢固地稳定关节。在这位置不产生任何附加运动。但若膝关节屈曲25°或更大时，胫骨可从股骨上牵开几个毫米，向前、后、内侧或外侧滑动1～3mm以及内收和外展。过度的滑动可能提示软组织松弛，如韧带、半月板或关节囊。

（二）正常活动范围

膝关节是人体中负重大、运动量大的关节，主要进行屈伸运动，在屈膝时，尚可做轻度移动和旋转。其主要功能为负重，传递载荷，参加运动，为小腿提供力偶。膝在伸直时具有最大稳定性，屈曲时又有灵活性，以适应不同地面的走、跑、跳等运动。

活动范围：膝关节中立位为膝关节伸直，活动范围为屈曲：0°～135°（150°），过伸：0°～5°（10°），旋转：屈膝时内旋约10°，外旋20°（图3-12）。

图3-12　膝关节正常活动范围

A．屈曲；B．伸直

三、踝足关节

（一）运动学与力学特点

踝关节是只有一个运动自由度的屈戌关节。胫骨的内外髁尖端下方的连线与踝关节轴方向接近。当膝关节的水平轴垂直于人体中线（如矢状面）时，内踝尖端通常在外踝尖端的前上方。因此，踝关节的轴倾斜于矢状面和额状面，垂直轴也与水平轴倾斜。踝关节的轴为三向轴，与主要面均不垂直，而与这三面相交，环绕这个轴可做所有三个面的运动，从踝关节的自然位可产生30°的跖屈，测出在矢状面（跖屈）上为28°以上，在水平面（内旋）上为1°以及在额状面（旋前）上为4°。在踝关节背屈30°时，在矢状面上的运动为23°，水平面上为9°（外旋）以及在额状面（旋后）上为2°。

踝关节的距骨滑车前宽后窄，当背屈时，较宽的滑车前部嵌入关节窝内，踝关节较稳定。当跖屈时，由于较窄的滑车后部进入关节窝内，足能做轻微的侧方运动，关节不够稳定，故踝关节扭伤多发生在跖屈（如下山、下坡、下楼梯）的情况。

正常的背屈终末感是坚硬的，在屈膝位时限制来自韧带结构，伸膝位时限制来自腓肠肌的长度或抵抗，跖屈的终末感也是坚硬的，这是来自关节囊的、韧带和背屈肌的抵抗。

踝背屈时总伴有足的外翻，踝跖屈时总伴有足的内翻，但足的内外翻实际上发生在跗骨间关节。当足固定做内外旋时，腓骨绕着胫骨旋转，胫骨在固定的距骨上旋转；当足由跖屈到背伸时，腓骨对胫骨在水平面上旋转，同样，胫骨也在固定的距骨上旋转。

完全背屈是踝关节的紧锁位，因此附加运动仅发生在跖屈时，内外踝连结较稳固。因此，正常距骨可被动在前后方向移动有2～3mm。过度的向前或向后的运动分别称为前屉征和后屉征，这提示有韧带松弛或破坏的可能。

（二）踝及足部关节活动范围

踝关节中立位为足与小腿间呈90°，而无足内翻或外翻。足的中立位不易确定。踝关节背屈：应于屈膝及伸膝位分别测量，以除去小腿后侧肌群紧张的影响，正常20°～30°；踝关节跖屈：40°～50°；距下关节之内翻30°，外翻30°～35°；跗骨间关节（足前部外展或内收）之活动度，采用被动活动，跟骨保持中立位。正常各约25°；跖趾关节运动：跖屈和背屈活动，尤以趾为重要。正常背屈约45°，跖屈为30°～40°（图3-13）。

图3-13　距小腿关节正常活动范围

（郭友华）