踝关节生物力学.00

踝扭伤的医学生物力学原理踝扭伤是一种常见的运动损伤，特别是在运动或者日常生活中容易发生。

扭伤是指脚踝关节在正常生理范围内扭曲时发生的软组织（如韧带、肌肉和肌腱）损伤。

扭伤的伤害程度可以从轻微的扭伤到严重的关节错位和骨折。

踝关节是连接脚与下腿的主要关节之一。

它由胫骨、腓骨和距骨组成。

在常规活动中，这三块骨头必须紧密地合作，以便维持踝关节的正常功能。

在发生扭伤时，踝关节由于外力的作用，超过了正常范围，导致关节周围的软组织受到损伤。

扭伤的发生主要涉及到生物力学原理。

生物力学是一门研究生物体结构和功能之间相互关系的学科。

在踝扭伤的情况下，以下生物力学原理对理解损伤机制非常重要：1. 力的作用方向：踝关节承受外力的方向决定了扭伤发生的部位和严重程度。

一般来说，外部力作用于踝关节的内侧时，容易导致内侧韧带撕裂或骨折；当力作用于踝关节的外侧时，容易导致外侧韧带撕裂。

2. 关节稳定性：踝关节是由多个结构组成的复杂关节，包括韧带、肌肉、肌腱和骨骼。

这些结构相互合作，维持关节的稳定性。

当外力作用超过关节组织的承受能力时，关节的稳定性将受到破坏，从而导致韧带或其他软组织的损伤。

3. 关节角度：关节角度的改变也可能引起踝关节的损伤。

例如，当踝关节处于背屈状态时，足部容易扭伤。

因此，体育运动或活动时特别容易发生扭伤。

4. 肌力和反应时间：强大的肌肉力量和快速的反应时间对于保护踝关节免受损伤至关重要。

如果肌肉力量不足或者反应时间慢，就会增加踝关节受损伤的风险。

在了解了这些生物力学原理之后，我们可以采取一些预防踝扭伤的措施。

首先，确保穿着合适的鞋子，在运动中提供足够的稳定性和支持。

其次，进行适当和足够的热身运动，以增强关节周围的肌肉力量和灵活性。

此外，学会正确的身体姿势和运动技巧，以减少扭伤的风险。

最后，如果已经发生了踝关节扭伤，及时寻求专业医疗人员的帮助，以获得适当的治疗和康复建议。

总之，踝扭伤是一种常见的运动损伤，其发生涉及到多种生物力学原理。

生物材料与踝关节损伤生物力学特点及应用踝关节损伤是常见的骨科问题之一，包括扭伤、韧带拉伤、骨折等。

在治疗中，生物材料应用越来越受到重视。

本文将阐述生物材料与踝关节损伤生物力学特点及其应用。

1、踝关节生物力学特点踝关节是人体中最常见的关节之一，由距骨、腓骨和胫骨组成，以及各种软组织（如韧带、肌腱、筋膜等）。

踝关节的关节面呈凹形，具有很好的轴向稳定性与垂直稳定性，在关节滑动中能够承受大量负荷。

然而，当关节脱位或出现韧带拉伤时，稳定性下降，容易导致严重的软组织损伤和骨折。

因此，维持踝关节稳定性以及促进软组织修复是治疗踝关节损伤的重要方向。

2、生物材料应用于踝关节损伤生物材料可分为天然材料和人工合成材料。

常用的天然材料包括动物组织（如胶原蛋白、血清蛋白等）、植物组织（如明胶、聚糖等）和人体自体组织。

人工合成材料则包括金属、陶瓷、聚合物等。

（1）踝关节韧带修复踝关节韧带损伤是踝关节损伤中最常见的类型。

传统的方法是通过手术切开腓骨、胫骨骨膜并悬吊韧带。

但这种方法有较高的并发症率和较疼痛的术后期。

现在，生物材料的应用能够有效地改善这种情况。

常用的生物材料包括胶原蛋白、脂肪组织和人工合成材料。

这些材料可以帮助修复韧带，增强踝关节的稳定性和促进软组织的修复。

（2）骨折修复踝关节骨折是踝关节损伤中较常见的类型，特别是距骨的粉碎性骨折。

传统的方法是通过将金属或塑料材料插入骨头来固定骨折。

然而，这种方法可能导致感染、材料脱落等并发症。

目前，生物材料的应用成为修复骨折的另一种方法。

生物材料可以刺激骨细胞增殖和骨生成，促进骨骼愈合。

3、结论生物材料的广泛应用已经成为治疗踝关节损伤的有效方法。

因为生物材料的生物相容性好，能够促进软组织和骨骼的修复，从而提高了患者术后的生活质量。

虽然生物材料在促进踝关节损伤修复方面存在一定的局限性，但仍然具有广泛的应用前景。

必须知道脚踝生物力学功能性解剖足踝部生理解剖足踝部分为后足(hindfoot或rearfoot)、中足(midfoot)、前足(forefoot)三部分。

后足是由距骨(talus)和跟骨(calcaneus)组成，是踝关节最重要的部分;中足由7块小骨头组成;前足为跖骨(metatarsus)以下部分。

足踝关节(Ankle joint)足踝关节主要由包围距骨之三个关节面组成:胫距关节(talo-tibial joint)，距下关节(subtalar joint)，距舟关节(talo-navicular joint)。

踝关节轴线(Ankle axis)距下关节为了要应付行走时足部形状的改变，呈现S形立体交叉的关节面，其关节轴线为从内测前上方向外侧后下方倾斜。

因此距下关节的关节活动系主要沿着轴线，自然产生旋前(pronation)和旋后(supination)两种动作。

旋前(Pronation) 旋后(Supination)旋前(pronation)=背屈(dorsiflexion)+外展(eversion)+外翻(abduction)旋后(supination)=跖屈(plantar flexion)+内收(inversion)+内翻(adduction)足部纵向参考轴线(Axial reference line)足部之纵向中心轴线，为通过跟骨中点至第二跖骨头中点之直线。

步态动作着地期(Heel strike phase)在足跟着地时，是从跟骨外侧先触地，再向内侧翻转(Lateral-to-medial heel strike)，因为摩擦力的关系，距下关节会从轻微旋后姿势 (supination)转为旋前姿势(pronation)，这种姿势转变主要的作用就是吸收地面的反作用力(吸震作用)。

检查鞋子时，足跟外侧通常磨损比内侧多一些，这是正常现象。

站立期 (Stance phase)为了吸收身体的重量与着地的冲击力，会使距下关节产生旋前动作(pronation)，促使原来前足内翻(约8度)转而贴向地面，接着足跟轻微外翻，胫骨向内转(tibia internal rotation)。

复合运动中踝关节受力的生物力学特征分析研究背景和目的:踝关节是人体最大的负重关节,站立时全身重量均落在该关节面上,行走时的踝关节的负重约为人体体重的五倍。

日常生活中的行走和跳跃等活动,主要依靠踝关节的背伸、跖屈运动来完成。

踝关节的内踝比外踝短,其外侧韧带比内侧三角韧带薄弱。

容易出现内翻现象,造成踝关节外侧副韧带损伤。

踝关节的活动度、稳定性与周围肌群关系往往决定了竞技成绩的好坏,如今高水平的运动训练往往与科学的指导相结合,运用高科技的运动生物仪器科学的分析运动员的动作特征,从而提高运动成绩。

科学研究踝关节的运动特征对于避免运动损伤、提高运动成绩也具有着十分重要的意义。

但以往研究对于踝关节在复合动作中的研究还是相对较少。

本文通过研究20名运动训练专业学生的踝关节在复合动作中各项参数变化,然后进行各项数据分析深入观察各项复合运动中踝关节的运动特征,从多方面为运动训练与运动生理方面提供科学的依据。

研究方法:实验选取天津体育学院在校运动训练系学生20名,男女各10名。

通过采用vicon运动光学捕捉系统和Kistler三维测力台9281B(KistlerInc.Schweiz)分别测取受试者在两个不同模式(模式一:跑动急停单脚起跳双脚落地;模式二:跑动急停双脚起跳垂直落地然后侧向跑)的复合动作中运动学数据和动力学各项数据指标(角度、力、力矩),最后利用vicon系统进行数据导出分析。

研究结果:(1)男女运动员踝关节角度在不同动作阶段特征。

①在模式一动作的矢状面中,起跳腿起跳蹬伸离地时刻,男生组与女生组出现差异性。

②在模式二动作的矢状面中,起跳腿的起跳蹬伸离地时刻,男生组与女生组出现了差异性,摆动腿的起跳蹬伸离地时刻男生组与女生组出现了差异性。

(2)男女运动员在不同动作中峰力矩与出现时间的测试结果与特征。

①在模式一动作时装面中起跳腿踝关节第一波峰力矩男生组与女生组出现了显著性差异。

第二波峰力矩男生组与女生组出现差异性。

1 足踝部的生物力学 同济大学附属同济医院骨科 俞光荣 演讲提纲 •足的进化与结构•人行进运动学及步态•足踝的功能解剖 •踝关节的生物力学特点 •距下关节的生物力学特点 •足部稳定机理 •足弓的解剖与生物力学特点•足踝部联合运动特点 •主要足中前关节的生物力学特点 足的进化与结构 足的演进－第一跖骨的增厚、肥大 足的演进－足跟的肥大 •站立时跟骨负担约50％体重，行走时可至约4倍体重 •根据Wolf 定律，长期行走使跟骨增大、骨小梁排列改变 •但结构远不够完美，因此，跟骨是最易骨折部位之一 2009 Synthes Foot &Ankle Seminar足的演进－楔骨靠拢 •正常负重使跗骨逐渐转位楔形，且由坚强韧带固定为拱形整体 •第1、2楔骨间存在微动，使第1跖骨不稳定•有人认为此结构与扁平足和拇外翻有关2013年全国足踝外科学术研讨会暨新进展学习班2013年全国足踝外科学术研讨会暨新进展学习班2013年全国足踝外科学术研讨会暨新进展学习班足的结构与功能特点 •26(＋2)块骨与关节的复合体•依靠: –稳定的结构 –力的缓冲作用 –适应地面 •前、中、后足的主要功能 –后足：承重和平衡稳定 –中足：吸收振荡–前足：推进、把持和承重 韧带 骨关节肌肉 稳定结构 足踝的解剖学和生物力学特点 •不规则骨为主，以至活动度相对较小•稳定性 ✓静力性：骨性、软组织性 ✓动力性：内在肌、外在肌 ✓以静力韧带稳定为主 ✓以复合体维持为主 •活动单向少，多向以及复合活动为主 •骨折特点：隐匿、撕脱、复合不稳定 现代足结构的意义 运动力 –最低的能量消耗 –最低的躯干抬起 稳定性 –行走功能 –支撑体重 –肌肉收缩的稳定平台 人行进运动学及步态 人行进运动学－侧方身体移位 •A ：双足靠拢行走时，身体发生轻度侧方移动 •B ：双足分开行走时，身体明显增加侧方移动2013年全国足踝外科学术研讨会暨新进展学习班2013年全国足踝外科学术研讨会暨新进展学习班 2013年全国足踝外科学术研讨会暨新进展学习班步态分期 •步态周期=站立相+摆动相 •站立相=接触期+支撑中期+推进期 =双足站立初期+单足站立期+双足站立末期–推进期=主动+被动推进期 –接触期=足跟+足底着地期 一个步态周期中双侧足的步态分期60％ 40％ 足底压力分布变化 •步态周期12% ：全足底开始触地 •步态周期22% ：足底压力大部分从足跟转到跖骨头 •步态周期32% ：足底压力多转到跖骨头 •步态周期42% ：足底压力开始转到足趾上 •步态周期51%：跖骨头和足趾所受压力几乎相同 行走生物力学 •压力中心的变化 •迅速的前进•从跟部-跖骨-足趾 •站立期30%，负重位于 在足趾上 足踝的功能解剖 足与踝关节－－整体 •距小腿关节•距下关节•跗横关节•跖跗关节•跖趾关节结构、功能密切联系2013年全国足踝外科学术研讨会暨新进展学习班2013年全国足踝外科学术研讨会暨新进展学习班 2013年全国足踝外科学术研讨会暨新进展学习班胫腓骨间膜 •下胫腓联合 •应力传递 •踝骨折的一种类型 足踝部的结构 距小腿关节 •距骨呈楔形，坐于踝穴内•距骨前部较后部宽 •内踝高于外踝•负重时，关节稳定性由关节面提供•非负重，关节周围韧带提供87％的稳定性 距小腿关节 –距骨, 胫骨, 腓骨关节结构侧重于稳定而非运动 踝关节稳定因素 •非负重踝关节稳定性 –外侧韧带前稳定占70% to 80% –三角韧带后稳定占 50% to 80% –两韧带旋转稳定占50% to 80% •负重踝关节稳定性 –踝关节的几何形状占100% 平移， 60% 旋转稳定 –跖屈位不稳定 –背伸位很稳定 三角韧带生物力学特点•三角韧带的浅层和深层共同限制距骨外翻和后移 •三角韧带浅层可防止距骨的外旋和外翻 •三角韧带深层主要限制距骨外翻、后移和外移 •深层为内侧稳定的主体 踝关节的生物力学特点 距小腿关节滑车结构•距骨就像截头去尾的一个圆锥体•当踝关节活动时，距骨顶沿其外侧基底发生旋转•踝关节在正常活动时距骨始终与踝穴完全匹配距骨前宽后窄，踝关节跖屈时关节不稳定？NO ！！2013年全国足踝外科学术研讨会暨新进展学习班2013年全国足踝外科学术研讨会暨新进展学习班 2013年全国足踝外科学术研讨会暨新进展学习班距小腿关节力学特点 •内踝高于外踝•以内侧为支点的内翻运动幅度大于外翻 •约85-90％踝关节扭伤为外侧结构受累 •踝关节扭伤时，外踝对韧带提供较多保护 •踝关节内翻损伤时需高度怀疑外踝骨折 踝关节运动范围 •屈伸运动约50°，个体差异较大 •同肌肉强度、骨性结构对位情况、韧带稳定性及年龄有关 •10°背伸是完成正常步态所必须的 CLINICAL ORTHOPAEDICS AND RELATED RESEARCH Number 424, pp. 27–31正常步态中的踝关节运动 M.D. Castro / Foot Ankle Clin N Am 7 (2002) 679–693力学特点 重视外踝的作用 •外踝长度是维持下胫腓稳定的关键因素 •外踝旋转或短缩都会显著影响踝穴的接触特性 踝关节运动轴同冠状面夹角20-30度同水平面夹角8度2013年全国足踝外科学术研讨会暨新进展学习班2013年全国足踝外科学术研讨会暨新进展学习班 2013年全国足踝外科学术研讨会暨新进展学习班踝关节运动轴 •大致为内外踝尖的连线 •涉及运动：背伸/外展 跖屈/内收 •随关节运动，运动轴本身也发生运动，非单一、固定运动轴 踝关节运动的经验轴•踝关节运动的经验轴——位于内踝尖下方5mm ；外踝尖前侧8mm ，下方3mm踝关节运动轴及经验轴 胫骨中线与Mortise 位的天花板 经验轴 2009 Synthes Foot &Ankle Seminar 踝穴 •踝关节非铰链关节： •背伸——距骨外旋和腓骨外移及外旋 •跖屈——距骨的内旋 •正常的踝关节可外翻3O ，踝穴相对于膝关节为外旋20O ～30O •踝穴增宽1mm ，踝关节的最大接触压力将增加50％ 距下关节的生物力学特点 距下关节 •由跟骨、距骨、舟骨构成–运动轴与横截面成42°角，与矢状面成16°•距下关节的三维运动 –旋前–旋后2013年全国足踝外科学术研讨会暨新进展学习班2013年全国足踝外科学术研讨会暨新进展学习班 2013年全国足踝外科学术研讨会暨新进展学习班距下关节 •其基本功能为在支撑相中和股骨、胫骨的旋转 •其次为吸收消散地面的反作用力 后足关节 •距舟关节和距下关节的活动具有高度的相关性•融合距舟关节，距下关节的活动度将全部消失 •融合距下关节，距舟关节的活动度将减少75％ •融合跟骰关节不影响距下关节的活动度；而距舟关节的活动度可保留67％ 足部稳定机理 足踝稳定模型 “3-腿”凳子概念 距骨 • 凳子的稳定取决于腿的位置 足踝稳定模型 “3腿” 凳子概念 正常的排列，前足和后跟垂直足跟＝中立位 前足＝中立位2013年全国足踝外科学术研讨会暨新进展学习班 2013年全国足踝外科学术研讨会暨新进展学习班 2013年全国足踝外科学术研讨会暨新进展学习班前足内翻（未被距下关节活动抵销），前足外侧缘相对内侧缘跖屈 足跟＝中立位 前足＝内翻（旋后） 内侧外侧 前足内翻（被距下关节活动抵销），前足水平，后足外翻足跟＝外翻前足＝内翻 足弓的解剖与生物力学特点 足的结构－纵弓 内侧纵弓 跟、距、舟、3块楔骨及内侧3块跖骨构成 外侧纵弓 跟、骰及外侧2块跖骨构成。

你必须要了解的足踝生物力学双足的主要功能是作为一种半刚性基柱为躯干提供牢固的支撑。

从功能重要性出发，足踝关节可以分为必要关节、重要关节和不重要关节三大类。

必要关节是双足直立行走所必需的，要尽量保留、避免融合，包括踝关节(背伸跖屈)、距下关节(内外翻和前后旋)、距舟关节(内外翻和前后旋;行走时缓冲力量)、第二至五跖趾关节(屈曲足趾;站立晚期足趾偏心性伸直分担跖骨头负重)。

重要关节有一定的功能，如增加活动度或缓冲冲击力等，但并不向其他关节传导应力，其融合对足踝功能影响小，包括跟骰关节(使足适应不平坦路面)、骰骨-第四五跖骨关节(站立中期足外侧半缓冲冲击力)、第一跖趾关节(中立位以外的主动屈曲和被动伸直是重要的)、第一近侧趾间关节(活动虽然不重要，但保持其中立位有重要意义)。

一、胫距关节解剖和活动(一)结构特点踝关节包括胫距、胫腓、腓距三个关节面。

距骨是顶点位于内侧的圆锥截体，前宽后窄。

Inman测量其前后宽度差平均为(2.4±1.3)mm;并研究了距骨内外侧关节面与“踝关节轴”的关系，发现外侧面与关节轴基本垂直;内侧关节面与关节轴的夹角约为6.1°。

由此证实了距骨外侧面呈圆形，内侧面呈椭圆形，距骨是圆锥截体而非圆柱体这一结论。

Inman发现距骨和踝穴内外侧匹配并不相同，踝穴外侧弧度、直径和距骨差值<1 mm，而内侧平均差异为(2.1±1.1) mm。

而且所有标本的踝穴曲率半径都大于距骨，这样就允许距骨在水平面内发生旋转。

(二)踝关节轴向负荷步态周期中踝关节负重力最大可达体重的4.5～5.5倍。

根据负荷和踝关节位置不同，接触面积约为1.5cm²至9.4cm²。

Calhoun等发现，当踝关节从跖屈到背伸时，接触面积增加，而每单位面积受力相应减小;背伸时距骨内外侧关节面与胫腓骨间的接触面积最大。

Michelson和Helgemo应用动态模型研究发现：当踝关节背伸并外旋时，外侧持续负重，而内侧不负重。

详解⾜踝部的⽣物⼒学机制
胫⾻远端倾斜畸形在⼀定范围内会引起距下关节的反向代偿，该代偿常常需要关节周围的肌⼒作为⽀持，如果除去关节周围的肌⼒代偿，那倾斜的畸形常常会引起临近关节的同向改变。

关节功能的传递性也即同向⼀致性原则与反向代偿⼀起构筑了畸形发⽣发展的⽣物⼒学机制。

⽣物⼒学包括⽣物液体⼒学（像循环系统的⾎液动⼒学）、⽣物固体⼒学（如⾻折的复位固定原则）、运动⽣物⼒学。

今天着重向⼤家介绍⼀下运动⽣物⼒学原则。

第1跖⾻抬⾼征是平⾜症中⼀个查体体征。

虽然临床应⽤价值有限，但其产⽣机制涉及多个⽣物⼒学原则，下⾯进⾏简单分析。

平⾜症与⾼⼸⾜是⾜踝外科两个重要的畸形，分析其特点可发现⼆者存在很多相反相承的表现。

在跟⾻倾斜的表现上，平⾜症多表现为跟⾻外翻，⽽⾼⼸⾜多表现为内翻；⽽平⾜症多呈柔性松弛，⾼⼸⾜多僵硬。

是否存在⼀定的⽣物⼒学机制来解释这种不同的表现的内在相关性？
踝关节融合术后，为保持原有的⾏⾛及站⽴功能，必然导致踝关节临近关节的代偿。

⽽这种代偿⼜必然使得这些关节的功能负荷加重，这就使得关节退⾏性变加速。

⽽最⼤限度地减少临近关节的代偿压⼒，就变成了指导踝关节最佳融合位置的重要指导原则。

本⽂来源：⼭东⾜踝。