第 7 章：关节的生物力学（Biomechanics of Joints）

关节的分类与结构概述

关节是相邻骨之间发生运动的部位，它们通过各种结缔组织结构彼此相连，这些结构必须在保证接合完整性的同时允许骨之间的运动。因此，关节在结构设计上面临的核心挑战是在活动度与稳定性之间建立平衡。身体各关节的活动度与稳定性差异很大：例如颅骨内关节的首要功能是为相邻骨之间提供稳定性，而肩关节盂肱关节则在相邻骨之间允许显著活动度但稳定性相对较差。多数可动关节需要兼顾稳定性与活动度，形成能够承受身体部位功能性使用的稳定运动。因此，关节的结构必须能够支持从接近不动的极强稳定性到最大活动度的广泛功能范围。身体呈现出各式各样的关节设计与结构。尽管关节之间结构存在差异，前几章讨论过的结缔组织——骨、软骨以及致密纤维结缔组织——都参与每一种关节设计。因此，读者应复习各种结缔组织类型的生物力学性质，以理解每个关节组成部分对关节整体功能的贡献。本章的具体目标包括：描述人体关节的设计与一般结构；讨论影响关节稳定性和活动度的因素；从解剖学与生物力学角度对关节进行分类；定义生物力学中用于描述关节运动的术语；讨论关节运动的产生与控制。

人体关节的分类与结构

关节最宽泛的分类根据关节处可获得的运动量将其分为两组：动关节（diarthroses）允许骨之间自由运动，而不动关节（synarthroses）允许非常有限甚至不允许任何运动。不动关节又进一步分为骨结合（synostoses）、软骨结合（synchondroses）与韧带联合（syndesmoses）。在骨结合中，骨与骨之间通过骨相连，无运动发生。在老年人中，颅骨的骨缝即为骨结合。在软骨结合和韧带联合中，骨与骨之间分别通过软骨或纤维结缔组织相连。相邻骨之间的结缔组织连接是实心的，仅允许少量到中等量的运动。软骨结合含有透明软骨或纤维软骨。肋骨与胸骨的连接是由透明软骨形成的软骨结合，它们提供大量稳定性，这正是胸腔保护胸腔内重要脏器所必需的；但它们也允许胸壁在通气过程中扩张与回缩所必需的活动度。耻骨联合是一种由纤维软骨构成的软骨结合。该关节在承重下肢与骨盆之间传递力，必须承受高载荷，因此必须非常稳定、几乎不允许运动。然而，在妊娠期间，激素使耻骨联合的纤维软骨软化，以允许分娩过程中胎儿通过产道所需的运动。通常情况下，软骨性关节比纤维性关节允许更多运动。在韧带联合（纤维性关节）中，相邻骨由纤维结缔组织膜连接，该膜允许一定的运动但主要为稳定性而设计。远端胫腓关节是一种韧带联合，其中胫骨与腓骨的骨干通过韧带联合膜连接并稳定。此外，颅骨骨缝在生命早期通过纤维膜以不动关节形式连接。尽管本质上稳定，这些纤维连接仍允许一定运动发生，这是婴儿头部在通过产道时塑形以及生长所必需的。

动关节

动关节，或称滑膜关节，是因关节中相接骨的末端之间存在间隙而可自由运动的关节。长骨末端通常以这种方式相接。相邻长骨的末端通过纤维性关节囊相连，关节囊封闭一个称为关节腔的密闭腔（见图 5.1）。滑膜衬于关节囊内面，产生包含在关节腔内的滑液。关节腔内骨的末端覆盖一层光滑的关节软骨，通常为透明软骨。关节软骨没有软骨膜。光滑的关节面加上滑液的润滑作用，使这些关节内实现低摩擦运动。除动关节或滑膜关节的共同组成部分外，某些关节可能包含保护关节并引导运动的额外结构。例如，滑膜关节可能包含纤维软骨性的半月板或盘，或脂肪垫，以增加骨面对压缩载荷的保护。纤维软骨性的唇与半月板使凹面关节面加深，从而改善关节的吻合度与稳定性。关节通过韧带和肌腱以及跨关节肌肉的收缩来保护免受将关节面拉离的张力载荷，或倾向于使关节面彼此分离的力的影响。

关节囊与滑膜

关节囊有外层纤维层和内层滑膜层。纤维层由致密纤维结缔组织构成，附着于骨膜，骨膜通过 Sharpey 纤维（起源于骨膜并穿入其下骨的纤维）附着于下面的骨 [4,23]。尽管关节囊的纤维层血供贫乏，但其神经支配丰富。关节囊通常接受来自相邻周围神经分支构成的关节神经以及支配该关节肌肉的神经分支的支配。通常有多条神经支配关节囊，且它们的分布往往相互重叠。位于关节囊、肌腱与韧带中的关节感受器将关节状态信息传递至中枢神经系统。中枢神经系统利用这些传入信息协调关节周围肌肉的活动，以维持关节活动度与稳定性之间的适当平衡 [12]。关节囊包含多种类型的关节感受器，连同位于皮肤、其他结缔组织和肌肉中的感受器，共同参与静态关节位置感、运动感、运动方向感、运动变化感以及肌张力调节 [25,29]。承受较大应力的区域内的额外韧带也可能加强关节囊的纤维外层。这些加强韧带中有些可能与关节囊本身分离或独立。另一些则可能是关节囊物质的增厚，无法与关节囊分离。例如在膝关节，外侧副韧带是与关节囊分离、独立于关节囊外的离散结构，抵抗内翻力，即倾向于使胫骨在股骨上内收的力。而内侧副韧带则是膝关节囊内侧的增厚，无法与关节囊分离，它限制外翻力，即倾向于使胫骨在股骨上外展的力。跨关节肌肉的肌腱可以插入关节囊外的骨上，例如膝关节内侧的半腱肌肌腱。在这种情况下，肌腱帮助加强关节囊并保护其免受张力应力。肌腱也可以附着于关节囊内的骨上。在这种情况下，肌腱必须穿过关节囊，例如肩关节处肱二头肌长头的附着点。关节囊的内层，即衬于关节腔的内层，是滑膜层。该层比纤维层含有更多细胞。其表面的细胞合成透明质酸和蛋白质，分泌到滑液中。滑液的这些组分对减少摩擦和提供关节润滑至关重要。滑膜的结构是可变的。在某些关节中，它仅衬于纤维囊的内面。其他关节则有相当深地突入关节腔的皱襞。滑膜的皱襞可以是根据关节位置变化的暂时性结构，也可以是永久存在的、伸入关节腔的绒毛。滑膜表面细胞下方是疏松或致密结缔组织和脂肪组织。尽管滑膜的神经支配比纤维囊少，但它含有丰富的血管和淋巴管。滑膜产生的滑液包含在关节囊内。正常滑液是一种清澈、淡黄色、黏稠的液体。其组成类似于血浆，但增加了透明质酸盐和其他有助于关节润滑的蛋白质。滑液还在通过扩散和吸渗作用为关节软骨和关节内纤维软骨提供营养并清除代谢废物方面起重要作用。承重和主动关节运动期间关节面发生的间歇性压缩和分离促进营养物质的扩散，并需要维持以保持健康的关节功能 [17,18]。

关节运动——运动的分类

如第 1 章所述，两种基本的运动类型是旋转和平移。旋转是绕轴的运动，使旋转体上的点根据其距旋转点的距离运动不同的距离（见图 1.11）。平移产生线性运动，物体上所有点无论其在物体内的位置都运动相同的距离。多数软骨性关节和纤维性关节只允许平移，即线性运动。相反，滑膜关节则同时允许旋转和平移。绕轴的旋转产生的运动所在平面垂直于该轴。因此多数关节的屈曲发生在绕内侧—外侧轴并在矢状面内的运动（图 7.1）。类似地，多数关节的外展发生在额状面内绕前—后轴的旋转。多数关节的旋转发生在水平面内绕纵轴的旋转。

运动的自由度

描述关节可获得的运动类型的另一种方式是描述其自由度（degrees of freedom, DOF）。一个运动可以通过相对于坐标系描述它来完整地描述。在二维空间中的运动可以描述为沿 x 轴和 y 轴的平移以及绕 z 轴的旋转的某种组合（图 7.2）。因此，二维空间中的运动被称为具有三个自由度。相反，三维空间中的物体可以沿所有三个轴 x、y 和 z 平移，也可以绕这三个轴旋转。因此在三维空间中运动的物体可以有多达六个自由度 [5]。纯旋转而无平移的物体具有固定的轴，由此产生的运动称为旋转（spin）（图 7.3）。在冰面上缺乏牵引力的汽车轮胎以固定在空间中的车轴旋转。当轮胎旋转时，轮胎上的所有点最终与路面的同一点接触。相反，汽车在路面上的正常前进发生在轮胎沿路面滚动时。滚动运动使轮胎表面上的每个点接触路面上的唯一位置。最后，关节面的纯平移通常称为滑动（glide），类似于打滑的汽车，此时轮胎上的单个点在路面上的多个点上滑过 [19]。许多滑膜关节在正常运动中表现出旋转和平移的组合。当从胫骨观察膝关节屈曲时，股骨向后滚动（图 7.4）。膝关节伸直时，股骨向前滚动。早期的二维研究提示膝关节屈曲期间股骨也向前平移，由此产生了凹—凸规则，该规则提示伴随旋转的关节内滑移方向可由运动关节面的形状来预测。该规则曾被临床工作者用来帮助确定恢复特定受限关节运动所需的特定关节滑动。然而，更新的三维研究显示，在膝关节屈曲期间股骨的轻微平移可能在同一屈曲运动中既向前又向后发生（图 7.4）。其他生物力学分析表明，许多其他具有凸面和凹面关节面的滑膜关节也不按照凹—凸规则表现。例如，盂肱关节的研究显示在肩屈曲和外展期间肱骨头随其向上滚动时存在轻微的向上滑移 [10,26]。肱骨头在外旋期间也向后滑动，在内旋期间向前滑动 [10,20,26]。这些研究表明凸面肱骨头在肩关节运动期间滚动与滑动方向相同，与凹—凸规则相矛盾。掌指关节同样由凹面和凸面组成，在屈伸过程中具有固定的运动轴，没有明显的滑动 [9,30]。这些关节的运动本质上是纯旋转。因此，凹—凸规则似乎既不正确也无临床用处。然而，目前对关节运动的理解继续表明，在试图改善关节活动度时需要恢复关节的滑动以及旋转。滑膜关节的运动通过结合旋转和平移或通过纯旋转来进行。一块骨相对于另一块骨的旋转运动被描述为关节的骨运动学（osteokinematics）。关节面的伴随滑移运动（如果存在）被描述为关节的关节运动学（arthrokinematics）[19,28]。这些关节滑动通常比伴随旋转更小、更微妙，被称为关节的组成运动或附属运动。尽管很小，组成运动对关节的正常力学是必要的。滑动不足可能阻碍正常关节运动的恢复，而滑动过度可能造成关节周围软组织的损伤。

瞬时旋转中心

表现出纯旋转的关节绕固定轴运动。旋转的同时伴随滑动的关节则绕一个在空间中移动的轴旋转，就像打滑的汽车在轮胎继续绕车轴旋转的同时在路面上滑动。同时进行旋转和滑动的关节的二维运动通常通过关节的瞬时旋转中心（instant center of rotation, ICR）来描述 [21,27]（图 7.5）。ICR 是关节在给定关节位置下的理论旋转轴。具有固定轴的关节表现出恒定的 ICR，但表现出旋转和关节滑动的关节（如膝关节）则具有多个 ICR。图 7.6 显示了确定 ICR 的一种常用方法。螺旋旋转轴描述关节旋转轴在三维空间中的运动。螺旋轴的详细讨论超出本教材的范围。

滑膜关节的分类

身体中大多数关节是可自由活动的动关节或滑膜关节。虽然它们共有若干结构特征，但它们在结构上也表现出相当大的变化，从而产生广泛的功能能力范围。滑膜关节根据其表面形状和运动种类进行解剖学分类，或根据其运动轴的数量进行生物力学分类 [23,28]（表 7.1）。例如，铰链关节也称为单轴关节，因为运动发生在单一轴上。桡尺近侧关节和手指的远侧指间关节被归类为单轴关节，尽管它们也可以分别单独归类为枢轴关节和铰链关节。从康复的角度看，基于运动轴的机械分类是有帮助的，因为它确定给定关节上通常可获得的运动类型。按旋转轴数量对滑膜关节进行的分类意味着这些关节只允许旋转运动。然而，许多滑膜关节在正常运动过程中同时表现出平移和旋转 [28]。允许纯旋转的单轴关节具有单一自由度。多数滑膜关节具有至少三个自由度。膝关节等关节表现出六个自由度，表现出沿所有三个轴的平移和绕所有三个轴的旋转。例如膝关节可以发生以下运动：(1) 前后滑动，(2) 内外侧滑动，(3) 上下滑动，(4) 绕内侧—外侧（ML）轴的屈伸旋转，(5) 绕前—后（AP）轴的内外展旋转，以及 (6) 绕垂直（纵）轴的内外旋。

影响关节运动的因素

施加于关节上的关节结构和外力共同决定关节处发生的运动类型和数量。这些因素也影响关节肌肉和韧带为有效控制关节所需产生的内力的性质和数量（图 7.8）。关节与其相邻关节以及外部环境的相互作用也影响关节的运动。

关节结构对关节运动的影响

关节的结构由其关节面和韧带支撑结构描述。每个都对关节可获得的运动有显著影响。关节表面的形状在很大程度上决定了关节处可获得的运动量和运动类型。关节处相接骨的末端形状变化很大。例如，在某些关节中，相邻面的形状像相邻的拼图块一样吻合，而在其他关节中，相接的面相当不同，即不吻合（图 7.9）。具有更吻合关节面的关节倾向于限制运动并更具稳定性，而具有较不吻合面的关节通常允许更多活动度。关节面的曲率半径也影响关节的活动度和稳定性。关节面的曲率半径描述关节面的曲率。它等于与关节面具有相同曲率的圆的半径（图 7.10）。面越弯曲，曲率半径越小。具有相似曲率半径的关节面是吻合的。关节面的曲率程度及其吻合性影响关节处发生的平移和旋转的组合。关节面相对平坦的关节允许平移，而更弯曲的面允许旋转。弯曲的面在形状上有所不同，进一步限定了关节处发生的运动种类。例如，肘关节尺骨与肱骨之间或手指中节与远节指骨之间的滑车状或滑车型面将可用运动限制为绕单一轴的旋转，就像火车沿轨道滚动。其他关节面呈现似乎是球体一部分的形状，面在两个方向上（通常为前—后和内—外侧）是凹面的或凸面的。这些面分别称为双凹面和双凸面。双凸面和双凹面之间的关节面允许比滑车面更自由的运动，可绕两个或三个轴旋转。具有这些类型关节面的关节的一个例子是桡腕关节。在此关节中，腕骨是双凸面，与桡骨远端的双凹面相接。即使由曲率相似的凹面和凸面组成的关节也表现出广泛的运动范围。盂肱关节和髋关节均由凸骨面与凹面相接，关节面相对吻合。然而这两个关节允许的活动度差异很大。关节盂仅覆盖肱骨头关节面的不到一半 [13,15]，但约四分之三的股骨头被髋臼覆盖 [11,14]。因此盂肱关节比髋关节更具活动度，而髋关节比盂肱关节更稳定。这两个关节演示了关节面的形状如何影响关节的活动度和稳定性。关节的韧带支撑也影响其活动度和稳定性。韧带表现出独特的设计，以在不限制太多运动的情况下提供稳定性。许多滑膜关节的关节囊具有在关节囊被拉伸时展开以允许更多关节运动的皱襞。例如，盂肱关节关节囊的下部在肩处于中立位（靠近体侧）时处于折叠状态，但在肩屈曲和外展期间展开。这允许相当大的活动度，但其代价是关节囊下部对盂肱关节的稳定性贡献甚小。韧带中另一种常见的设计特征见于多数铰链关节和双轴关节内外侧的副韧带。副韧带提供稳定性，防止或限制侧向运动。许多副韧带从关节近端相对局限的小附着点辐射展开到关节远端更广泛的附着点（图 7.11）。这种安排允许韧带的某些部分在整个关节运动范围内保持紧张，从而在任何关节位置提供侧向稳定性。肘关节和膝关节的内侧副韧带是大型三角形韧带，无论处于屈曲或伸直的何种位置都能保持一定的稳定能力 [3,8,16,22]。

关节上的外力

第 1 章描述了施加于关节的来自环境的力与关节肌肉和韧带产生的内力之间的相互作用。肢体的重量以及附加载荷的力，如治疗师施加的徒手阻力或来自力量训练机器的阻力，都对关节施加力矩或扭矩，从而在关节处产生旋转。这些由肌肉和韧带产生的力矩或扭矩所抵消（图 7.12）。如果外力和力矩与内力和力矩平衡，则存在静态平衡，关节保持静止或处于匀速运动中。在活动过程中识别和表征施加于关节的外力有助于临床工作者确定活动或稳定关节所需的肌肉和韧带。身体中许多关节在正常日常活动中承受非常大的关节反作用力。关节反作用力所施加的表面积决定了活动期间关节承受的应力（力/面积）。关节面或对线的变化可以改变施加于关节的应力。关节反作用力及其产生的应力似乎在关节疼痛和退行性改变的发生中起作用 [1,2]。运动和功能活动期间发生的关节反作用力受多种因素影响，包括关节位置和外力的施加方式。临床工作者必须设计能最小化关节反作用力的运动和功能活动，以保护关节面。

关节与外部环境的相互作用

人体由 150 多个关节组成。一个关节的运动可能影响附近的几个关节。当运动肢体固定于相对不动的物体上时尤其如此。例如，当一个人直立站立、手臂在体侧、手自由时，肘屈曲可以在不发生相邻关节运动的情况下发生。相反，当个体进行俯卧撑时，肘屈曲需要同时的腕和肩运动。在第一种情况下，当肘独立运动时，它作为开放链的一部分。其他用于描述相同情况的术语包括开放动力链和开放运动链。在俯卧撑过程中肘屈曲时，它作为闭合链（闭合动力链，或闭合运动链）的一部分。这被描述为闭合链条件，因为上肢的运动关节位于身体和地面相对不动的载荷之间。闭合链中任何关节的运动将影响相邻关节的运动。下肢也在开放链和闭合链条件下发挥作用。例如踢球时，踢球腿的末端不固定，髋、膝、踝的关节运动彼此独立。然而在站立腿中，足固定在不动的地面上，一个关节的运动影响相邻关节的运动。例如站立膝的屈曲需要踝背屈和髋屈曲。上肢和下肢的关节可以在开放链和闭合链条件下运作，并且在功能活动期间两种都是需要的。

小结

相接的骨在关节处彼此相连。关节由多种结缔组织结构组成，安排成提供活动度和稳定性的组合。一些关节的结构有利于稳定性，而其他关节有利于活动度。不动关节允许非常少的运动，并为极端稳定性而设计。不动关节的类型包括骨结合、软骨结合和韧带联合。动关节或滑膜关节是可动关节。动关节可以按关节面的形状进行解剖学分类，或按运动发生的轴数进行生物力学分类。滑膜关节内的运动包括旋转和滑动或平移。尽管这些运动可以单独发生，但更典型的是它们在关节运动期间同时发生。旋转描述关节运动的骨运动学，而滑动或附属运动描述关节运动的关节运动学。滑膜关节处发生的运动的量和性质受关节面的形状、关节处存在的结缔组织结构（如韧带和半月板）以及施加于关节的外力的影响。施加于关节并产生运动的力包括跨关节肌肉收缩产生的力以及来自体重或其他肢体段重量的力。关节运动可以在开放链或闭合链条件下发生。在开放链条件下，肢体（臂或腿）的末端是自由的，因此肢体内的关节可以彼此独立地运动。在闭合链条件下，肢体的末端是固定的或相对不动的，因此肢体一个关节内的运动将影响肢体中其他关节的运动。对关节结构和功能的全面理解对于理解正常关节的力学以及与疼痛状况相关的异常关节运动的病理力学至关重要。

本章个人批注

本章在概念上是第 1 章运动学（rotation/translation、DOF、坐标轴）的"关节学应用"，把抽象的旋转/平移/DOF 概念落到具体关节的几何与结构上。从结构生物学角度看，本章最重要的进展是把"关节稳定性 vs 活动度"明确为一个连续谱而非二元对立，并以髋 vs 盂肱关节作为正面对照（关节盂覆盖不到肱骨头一半、髋臼覆盖约 3/4 股骨头）——这种数字化的对比让"稳定性—活动度权衡"从口号变成了可测量的几何量。另一处值得记的是凹—凸规则的"翻案"：早期二维研究提出的预测性规则被三维研究证伪，提示对运动学预测应当回到真实的三维测量而不是简化的二维几何。本章强调 ICR（瞬时旋转中心）作为分析旋转—平移耦合的工具——这对后续具体关节分析（特别是膝关节屈伸中股骨滚动+滑动）是关键工具。

让我把这一章与前几章对比。第 2 章给的是"材料的"应力—应变和黏弹性，第 5 章给的是软骨的压缩双相行为，本章给的是关节作为整体的旋转/平移几何与力学——视角从材料层上升到关节层。第 6 章则给的是"连接骨的胶原结构"的拉伸行为。本章在某种意义上是第 6 章的"几何配合物"：肌腱韧带提供连接，关节面与副韧带的几何提供运动学边界。第 1 章定义的运动学变量（rotation/translation、平面/轴、DOF）正是本章用来描述关节的工具，本章相当于把这些工具应用于人体的关节系统。

临床上给我印象最深的是三件事：(1) 关节囊含有多种本体感受器且神经支配丰富——这使关节扭伤后即使结构性愈合，仍可能因感觉输入异常导致本体感觉下降、患者主观感到"关节不稳"——这种"功能性不稳"的概念把临床康复延伸到了感觉—运动控制层面；(2) 单轴 vs 多轴分类与实际运动复杂度的脱节——多数所谓"单轴"关节在正常运动中其实允许 6 DOF，这提示康复评估不能只盯住单一平面；(3) 上下楼梯时伸肌群都参与，但下降时离心收缩、上升时向心收缩——这是把外力矩分析（重力矩 vs 肌肉矩）转化为肌肉收缩类型的具体例子，与第 1 章力矩概念直接挂钩。

第 7 章描述的开放链 vs 闭合链区别，对康复极其重要：踢球是开放链，俯卧撑和站立相步态是闭合链。一个关节运动改变其他关节运动的能力在闭合链中显著——这是为什么膝痛可能源自距下关节过度旋前（如文末 Clinical Relevance 的具体例子），也是为什么下肢康复必须把相邻关节视为一个系统来评估。

与上下章的衔接（一段话）

本章位于 Part I（生物力学原理）"组织力学 → 关节力学"过渡的最后位置，紧接第 6 章肌腱与韧带之后。第 6 章讲的是连接骨的胶原结构（肌腱和韧带）的拉伸行为，本章则把视角拉回到"由这些胶原结构以及骨、软骨等组织连接起来的关节整体"——关节的运动学、骨运动学/关节运动学区分、稳定性 vs 活动度权衡、以及关节处力矩的内/外力平衡。把关节主题放在肌腱韧带之后，作者的逻辑是：理解关节力学必须先理解所有参与关节的承力组织（骨、软骨、肌腱韧带），然后才能讨论这些组织如何共同组成一个关节并允许/限制运动。本章是 Part I 原理部分的收尾章——前 6 章给出生物力学原理（数学、力与力矩、材料力学、骨力学、肌骨肌力学、软骨力学、肌腱韧带力学），本章则把这些原理整合为关节作为一个力学系统的统一图景。下一章起进入 Part II 上肢各部位的解剖与力学分析，从第 8 章肩关节复合体的骨与关节结构开始——读者应当把第 7 章所建立的概念（关节运动学、ICR、内外力矩、开放链/闭合链、稳定性—活动度权衡）作为后续具体关节分析的通用工具箱。