对踝关节进行受力分析

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     作者：王爱敏 李亚芳 蔡金明 王保珩 刘美玉

【摘要】  踝关节(ankle joint)是人体中的重要关节之一，而且也是一个发病率较高的关节。了解踝关节的运动和受力情况，对临床诊断和治疗都是有益的。

【关键词】  踝关节; 受力分析; 力矩平衡; 内翻扭伤

临床骨科研究生课程《人体力学》是一门很重要的基础课。因为人体的运动主要涉及到腕、肘肩、膝、踝关节和脊柱的活动，从生物力学角度看，整个人体可以看成：人体的结构支架(又称生物力学模型)是由手、前臂、上臂、躯干、大腿、小腿和脚等7个链通过上述6个关节连结而成。人体的运动和保持一定的姿势均要经过关节的运动(转动，弯曲，伸展)和肌肉的收缩、扩张而完成。故研究各关节的受力状况，对医疗，保健有着十分重要的意义。我们在教学实践中，与临床病症相结合，对发病率较高的踝关节易受伤的力学原理进行了分析与探讨，得出了踝关节易受伤的原因及其预防的办法。下面从两个方面进行分析与研究。

　　1 踝关节的运动分析

　　人体脚踝的内外侧，有两个可以摸到的隆起，分别叫做内踝和外踝[1]。内踝是胫骨的下端，外踝是腓骨的下端，内外踝周围有很多韧带。人体在站立、行走、下蹲等动作中，踝关节的稳定性与灵活性十分重要，其中内、外踝与侧副韧带一起共同维持踝关节侧方的稳定。

　　在解剖学上，踝关节通常叫做距小腿关节，由胫腓横韧带连接胫、腓骨下端的踝关节面和距骨滑车构成(图1所示)。重力主要由胫骨传到距骨(图2所示)。下传到跟骨及前足，受力情况如图3所示。

　　距骨滑车呈前宽后窄状[2]，当背屈时(伸，足尖向上)，滑车呈前宽部被内，外踝夹紧，比较稳固;当跖屈时(屈，足尖向下)，滑车后窄部进入关节窝内，故可有轻微的侧方(收，展运动)，此时距小腿关节松动而稳定性较差，易受扭伤，其中以内翻扭伤较多见(即外侧韧带损伤)。

　　2 踝关节的受力分析

　　正常情况下，在胫骨受到压力，传到距骨，踝关节的结构不稳定，为了保持其稳定，它周围的小腿前群肌肉及后群肌肉必须形成一个稳定的力系[3](图4所示)。比如固定一竖杆，两边要用绳索拉牢(图5所示)，受力才平衡。

　　当足部接触地面的面积小时，即通常做跖屈运动，距骨受力较大，容易发生侧方运动，进而扭伤。

　　我们以体重为500牛顿的人为例,对比两种踝关节受力情况：

　　2.1 人的身体前倾时，重心前移，但足部不离开地面，此时踝关节的受力情况

　　在每一足上承受250牛顿的重力(两足重在体重中所占比例很小，可忽略不计)。踝关节的受力点为胫骨和距骨的接触点，设为O点,如图6所示，F为肌力，N为地面的支持力，dF， dN分别为两个力F，N的力臂，在物理学上根据力矩的平衡条件[4]，可得出力矩方程：

　　F ×dF - N×dN = 0

　　N = G = 250牛顿

　　dN=0.02 米, dF=0.03米

　　F = N×dN/ dF = 167牛顿

　　图6 作用在距骨上的压力

　　作用在距骨上的压力为T，如果粗略认为N，F平行，T = N + F = 300 + 167 = 467牛顿

　　从结果可以看出，正常情况距骨所受压力为467牛顿，如果大于467牛顿，踝关节可能容易受伤。

　　2.2 人在单腿翘脚站立时，离地约30°，踝关节的受力情况

　　图7 单腿翘脚站立时踝关节的受力分析

　　由平衡条件：

　　F ×dF - N×dN = 0，F = N×dN/ dF

　　N = G = 500牛顿

　　如图7所示F、 N 、T三力平衡必交汇于一点，利用力三角形，如图8，通过图解法可求出F =1007牛顿，T= 1500牛顿。

　　对比前后结果，单腿翘脚站立比足部完全接触地面时距骨所受的压力要大的多，大小是其3倍多，显然踝关节更容易发生扭伤。

　　图8 图解法

　　3 结论

　　通过对踝关节进行受力分析，可以得出当足部接触地的面积越小，踝关节所受压力增大，距骨窄部进入关节窝，容易侧向运动，此时踝关节松动而稳定性较差，容易扭伤，其中以内翻扭伤较为常见。

　　所以当我们在不平的路面行走、跑步、跳跃、或脚登高跟鞋走路不稳，或下楼梯时，踝在跖屈位足内翻，出现扭伤，俗称扭脚脖子。特别是女性，在户外活动、旅游时，最好不要穿高跟鞋。

【参考文献】
  　1 赵勇.骨折与关节损伤.北京：科学出版社,2005,284.

　　2 严振国.正常人体解剖学.北京：中国中医药出版社，2003,47.

　　3 孟和.骨伤科生物力学.北京：人民卫生出版社，2006,279.

　　4 张三慧.大学基础物理学.北京：清华大学出版社，2007,84～87.