第 16 章：腕部活动中的受力分析（Analysis of the Forces at the Wrist during Activity）

16.1 腕部受力分析（ANALYSIS OF FORCES AT THE WRIST）

手是上肢的"工作端"，参与无数产生腕手部大载荷的活动。常见例子包括拧开拧紧的瓶盖、挖掘花园中的花球等。其他涉及腕手部高载荷的活动包括上肢承重——正如肩肘章节所述，上肢常通过拐杖及其他辅助器具在下肢功能受损时参与行走；上肢甚至可通过轮椅完全替代下肢的推进。手与腕还参与冲击性活动，如击打网球或高尔夫球、锤钉、操作风镐等，这些活动使腕部承受极大载荷。腕部能够承受这种载荷证明了其精妙的设计。

许多与前臂及腕结构相关的损伤直接地或间接地与腕部产生的载荷相关，包括"网球肘"（肱骨外上髁炎）、腕管综合征、退行性关节炎等。本章旨在检视腕部在活动中承受的载荷，并讨论这种载荷对腕部损伤患者及治疗这些患者的临床医师的意义。本章的具体目的为：（1）给出腕部受力二维分析的实例；（2）考察腕关节及周围结构在活动中的受力；（3）回顾腕部复合体特定结构的载荷模式与应力；（4）讨论腕部载荷大小与位置对有/无损伤个体的临床意义。

第 10 章（肩）与第 13 章（肘）的分析中采用了简化假设以减少未知量数量，使力和力矩方程可解——这些假设假定每次只有一块肌肉或一组肌肉收缩。在腕部，对于某些承重活动可作合理假设，因为腕部肌肉是必需的而手指肌肉可较为放松。然而，在需要用力抓握的活动中，显然指屈肌与腕伸肌必须同时收缩。在这些条件下计算关节力更为复杂，因为未知量多于方程数，导致静不定问题（第 1 章）。本章用一个简化实例（Examining the Forces Box 16.1）复习在"只有一组肌肉活动"假设有效时求解关节力与肌力的方法。

该实例考察一名卒中后使用手杖支撑的个体。该患者在患侧站立期承担约 50% 体重，因此手杖必须支撑剩余的 50%。在支撑相，手杖向上推手，在腕部产生伸力矩（图 16.1）。该瞬间指肌并非必需，因此假设只有专司腕屈的肌肉参与活动；同时所有腕屈肌合并为一个屈肌力。该假设虽不精确，但允许对运动方程求解以确定肌肉力与关节反力。简化分析显示平衡手杖所产生的伸力矩所需的腕屈肌总力约为体重的 1/8。进一步分析估算腕部关节反力在腕骨上略高于体重的 50%。

该例的一个重要假设是手杖反力的位置。手杖反力越靠近关节轴，所产生的伸力矩越小；反之，若个体更多地将体重承于手掌，则伸力矩及相应的肌力与关节反力随之增大。盒中的具体求解步骤：设腕屈肌拉力距腕关节轴的距离 X1 = 2.0 cm，手杖反力距腕关节轴的距离 X2 = 0.5 cm，手杖反力 FC = 1/2 BW，腕屈肌合力为 FM，上肢重量约为体重的 7%。对腕关节取矩 ΣM = 0：(0.5 × BW × 0.005 m) − (F × 0.02 m) = 0，解得 F = 0.125 BW（即腕屈肌总力约为 12.5% BW）。再列竖直方向力平衡 ΣFY：JY + FY − 0.07 BW + 0.5 BW = 0，代入 FY = 0.125 BW 解得 JY = −0.555 BW，因此腕部关节反力约为体重的 55.5% 且方向竖直向下。该例所给的数值只是对现实的粗略近似，但说明腕部可承受极大载荷。跌倒撑地会给腕部带来更大载荷，因为手可能承受超过 50% 的体重；即便是从 3–6 cm 的低高度跌落的实验跌落，也可在腕部产生 50–55% 体重的载荷。从站立高度的跌落必然产生更大载荷，加之身体在碰撞瞬间的速度使身体的动能传递到腕部，难怪桡骨会骨折或韧带会撕裂。

16.2 腕部受力回顾（REVIEW OF THE FORCES ON THE WRIST）

目前尚无已知研究考察拐杖行走时腕部的受力。轮椅推进与拐杖行走并不完全相似，但两任务的相似性足以让已发表的轮椅研究数据帮助理解拐杖行走。两个任务都不要求指屈肌的明显活动，都要求腕部承载一产生伸力矩的载荷（图 16.2）。手动轮椅使用者在轮椅手轮圈上的载荷据报告高达 90 N（约 20 lb）。拐杖对手的载荷可能远大于轮椅手轮圈上的载荷，因为个体可在拐杖上承受多达 50% 的体重。因此拐杖行走很可能比轮椅推进在腕部产生更大的载荷。

临床上有一矛盾需要面对：类风湿性关节炎常累及腕部，同时也常累及足、膝、髋，使行走变得困难与疼痛。拐杖、拐与助行器等辅助器具可减少下肢关节载荷并改善行走，但 Box 16.1 的分析显示使用这些器具也会给腕部带来很大载荷。临床医师面临两难——保护下肢关节却可能使腕关节过载。可对这些辅助器具进行改造作为替代方案，如安装让患者用前臂承重而非用手与腕承重的特殊支撑（图 16.3），这种改造可在使下肢得到缓解的同时降低腕部风险。

腕部关节力研究稀少的一个原因是问题的复杂性。多数涉及腕部的活动都要求腕部与手指肌肉同时收缩。这种共收缩使通常"只有一块肌肉或一组肌肉在任一时刻活动"的假设失效。作者们采用多种分析方法研究共收缩情况下腕部承受的载荷。第 4 章讨论的优化技术用于计算受试者在不同握法下拾起中等负荷（2–4 kg）时腕部的关节反力，结果显示腕部关节反力在 1200 到 2200 N（270–500 lb）之间。抓握物体与稳定腕部所必需的指肌与腕肌的共收缩显然是这些巨大载荷的原因。

用于估算腕部在轻抓握活动（约 1 kg 握力）下载荷的理论模型给出的腕部总力估计约为 160 N（36 lb），显著低于前一研究的数值。两种方法学的差异可解释结果的差异：理论模型中的握力是优化技术中所考察握力的四分之一到二分之一；优化分析包含了被举负荷对腕部施加的屈力矩，而理论模型仅考虑了捏物时肌肉的压缩载荷而未对腕部施加额外的外力矩（图 16.4）。两种分析都显示相对肌群的共收缩比只考虑单一肌群时产生更大的关节反力。这些研究还提示即使在诸如抓握与举起 2 kg（不到 1 lb）物体的轻任务中，腕部也承受巨大的关节反力。

更剧烈的活动（如某些体育运动）会使腕部载荷大幅增加。网球击球瞬间腕部峰值内力矩据报告高达 20 Nm，可与轮椅推进时肘部报告的 12 Nm 相比较。竞技体操包括若干涉及上肢承重的事件，通常以很高的加载速率进行弹道式动作。腕部在鞍马与单杠练习中所受载荷已被研究。报道显示在大学龄男性精英体操运动员完成鞍马练习时腕部峰值关节反力可达体重的两倍（图 16.5）。一项单杠练习的运动学研究报告显示精英男性体操运动员在做大回环时杠上的峰值反力高达体重的 2.2 倍。这些杠上的载荷被手与腕部的拉伸力所平衡，后者又必须由周围韧带与肌肉的巨大力来抵消以稳定腕部并防止脱位（图 16.6）。这些研究中所报告的载荷有助于解释体操运动员常见的腕部疼痛主诉。其他娱乐性与职业性活动（如在山地上骑越野摩托、做侧手翻、用风镐凿混凝土）可能产生类似的高载荷并导致腕部的多种损伤与主诉。

这些腕部关节反力的研究提示腕部肌肉与韧带也承受巨大载荷。也有研究报告活动期间产生的肌腱载荷的直接评估。对反手击球时桡侧腕短伸肌峰值力的分析显示，高级网球运动员所承受的载荷为 90 N（20 lb），初学者为 65 N（15 lb）。另一项基于解剖学腕关节模拟器的研究考察维持腕部静态位置所需的力。所报告的载荷因腕位不同而异，桡侧腕屈肌为 5 N（1.2 lb），尺侧腕屈肌与尺侧腕伸肌约为 30 N（6.7 lb）。该模型支持腕部功能需要数块肌肉同时活动的观点，预测在所分析的各位位（20° 屈或伸、10° 尺偏或桡偏）中尺侧腕伸肌、桡侧腕长伸肌、桡侧腕短伸肌、桡侧腕屈肌、尺侧腕屈肌与拇长展肌都发生共收缩。

16.3 活动期间腕关节所承受的应力分析（ANALYSIS OF STRESSES APPLIED TO THE WRIST JOINT DURING ACTIVITY）

虽然腕部关节反力的分析不常见，但文献中有若干研究报告腕部关节面与周围软组织所受应力的计算与直接测量。应力（stress）即压力，定义为力/面积（第 2 章）。直接测量通常在尸体标本上进行：在相邻关节面之间插入压力感测装置以测量加载时的应力。已报告的数据显示桡舟关节的平均应力大于桡月关节。腕位与关节对线是影响这些关节应力的众多因素之一。腕桡偏时桡舟压力增加，腕尺偏时桡月与尺腕应力增加。单标本中报告的应力大到 4.3 MPa（1 兆帕 = 10^6 N/m^2，第 1 章）。这些应力可与行走时髋部所报告的 4.0 到 6.0 MPa 应力相比。其他研究显示在关节形态异常时载荷模式出现明显改变。尺骨异常过长（称为正向尺骨变异）伴有三角纤维软骨复合体上应力的增加。腕骨不稳定则导致整个腕骨应力分布的改变。

临床上对压力研究有直接意义：尸体研究提示在舟骨不稳定时桡骨与舟骨之间的压力增大。该压力增大的区域大致与老年人中常出现退行性关节病的区域相同。这类压力研究提示关节对线异常、载荷模式异常与最终的关节破坏之间存在直接关联；需要进一步研究以澄清这些关联，因为更好地理解这些联系将有助于指导关节对线不良的治疗策略。

16.4 腕部受力与应力研究的临床意义（CLINICAL IMPLICATIONS OF STUDIES ANALYZING THE FORCES AND STRESSES ON THE WRIST）

骨关节炎主要影响身体的大承重关节，尤其是髋与膝，但腕部虽较少见也可出现骨关节炎。腕部关节退变最常见的部位在舟骨与桡骨之间。该发现与前文报告的应力数据一致——这些数据支持关节压力与关节退变之间存在关系。在腕关节对线不良中所发现的载荷模式改变也提示对线异常的腕部可能易于发生退变。

有作者提示依赖上肢承重的个体可能特别易于发生腕部退变。一项对 50 名使用单拐行走的个体的研究报告：与不承重腕相比，承重腕的关节炎发生率并未增加；该研究受试者的平均拐杖使用时间为 4 年。相反，另一研究报告在完全使用轮椅的截瘫患者中腕骨（常涉及月骨）不稳定的发生率很高；该研究中腕关节不稳定受试者的平均脊髓损伤时间为 30 年。这两项研究看似数据冲突：一项评估腕关节不稳定，另一项评估退行性关节炎的患病率。两者更大的差异在于重复承重活动的持续时间——观察到腕部病变的群体其平均承重活动时间约为无病变群体平均时长的七倍。虽然需要进一步研究以澄清长时间承重活动与腕部病变之间的关系，但这些数据提示长时间承受过度的腕部载荷可能促成腕部病变的发生。

这些研究对临床医师意味着什么？在一群依赖上肢承重以获得移动能力的患者中，避免承重活动以保护关节并不现实。需要进一步研究以确定是否还有其他因素会增加或降低最终退变的风险。或许腕关节灵活性与力量的改变可改变与长时间承重活动相关的风险。此外，轮椅与行走辅助器的改造可改变力学以降低腕部载荷或重新分布应力。通过了解腕部载荷模式与未来关节病变之间可能的联系，通过理解影响活动中产生载荷的因素，临床医师或可降低患者发生关节病变及由这种病变所导致的损伤的风险。

16.5 总结（SUMMARY）

本章考察了腕部在日常活动中所受的力与应力。用一个简单的二维模型分析了在简单承重任务中腕部肌肉与关节所受的力，该任务中"只有一组肌肉活动"的假设有效；该简化模型给出腕部关节反力约为体重的 50%。由于许多日常活动中腕部需要许多肌肉同时活动，还回顾了更复杂模型的数据。这些更复杂模型的数据显示肌肉与腕关节可承受超过体重两倍的载荷，尤其是在涉及上肢承重的活动中。也报告了腕部所受应力（力/面积）的数据。这些数据提示腕部所承受的应力与行走时髋部所承受的应力相当。腕部应力在正常腕部运动中发生改变，并直接受腕部力学与病理力学的影响。这些研究为临床医师提供了一个有用的视角以理解日常活动中腕部所面对的力学挑战。

本章完成了对腕部的讨论。然而手的功能在很大程度上依赖于前臂的肌肉与腕关节的完整性。以下三章考察前臂结构与手内特殊结构与肌肉之间的相互作用，正是这些相互作用对手功能的力学与病理力学作出了贡献。

本章个人批注

第 16 章是 Oatis 整本书腕—手部分的三章综合章中最"应用"的一章：前 14 章累积的肌肉力臂与运动学知识在这里第一次被用来量化"在日常活动中腕部究竟承受了多大的力"。本章的方法学很有教学价值——Box 16.1 用一个简化的 2D 自由体图（拐杖 → 手 → 腕屈肌 → 关节反力）演示了第 1 章方程如何被实际使用，并清楚地展示了"手杖反力位置 X2 越小、力矩越小、肌力与关节反力越小"的力学直觉——这对临床使用拐杖/手杖的人来说是直接可操作的指导原则。值得记的载荷数：拐杖承重给出关节反力约 55% BW；抓 2–4 kg 物体时腕反力达 1200–2200 N；鞍马练习时达 2× BW；单杠大回环时达 2.2× BW；网球击球瞬间腕内力矩 20 Nm（高于轮椅推进时肘的 12 Nm）。这些数字说明了一个朴素但临床重要的事实——腕部并不被设计为下肢那种承重关节，但现实中它经常承担相当于体重的载荷。另一印象深刻的概念是"静不定 + 共收缩 + 应力集中"的三重效应：手指抓握时屈指肌与腕伸肌必须共收缩才能有效抓握，但共收缩本身就把关节反力推到了 1.2–2.2 kN 量级；应力测量进一步显示桡舟关节的应力大于桡月关节（解释了为什么舟骨-桡骨关节成为腕部骨关节炎最常见的发生部位）。本章的临床意义段落留下了几个开放问题：4 年单拐使用 vs 30 年轮椅使用对腕部的影响差异是否真的反映剂量-反应关系？腕部灵活性/力量的训练能否改变这种风险？——这些问题的答案需要纵向研究，目前 Oatis 只能给出"或许"。

与上下章的衔接（一段话）

本章位于第 15 章（前臂肌群力学与病理力学）之后、第 17 章（手部特殊结缔组织）之前。第 15 章描述了前臂每块肌肉的力臂、附着、与肌力平衡，本章则把那些肌肉力臂与具体活动中腕部所承受的载荷联系起来——用简化二维模型（Box 16.1）演示求解方法，再用复杂模型与实验数据说明共收缩、承重与冲击活动如何把腕部载荷推至 2× BW 量级。第 16 章最后一段过渡到下一章：本章完成了"腕部的力学"，但要真正理解手的功能，必须考察手部特有的结缔组织（第 17 章）与内部肌（第 18 章）——下一章即讨论这些结构如何在拇指腕掌关节、指间关节与掌指关节层面与腕部载荷相互作用。