曼氏足踝-第1講足踝部的生物力學機制——步態(tài)周期

1、【曼氏足踝第1講】足踝部的生物力學機制一一步態(tài)周期主講：陳雁西李浩博單位：同濟大學附屬東方醫(yī)院創(chuàng)傷骨科人體的步態(tài)是一組節(jié)律性、周期性向前運動的、機體各部分均參與其中的過程。單一 周期定義為自一側足跟著地起到同一足跟再次著地的過程。通過該定義方式，可將步態(tài)參數(shù) 如步長、步時以及節(jié)律等測量簡單化。單一的步態(tài)周期可進一步劃分為支撐相和擺動相。支撐相約占整個步態(tài)周期的38%, 擺動相占62%。支撐相又可以進一步分為雙下肢同時著地承重（從0%到12%）的雙肢 負重期，后續(xù)的單肢負重期（從12%到50%）,以及之后擺動相開始前的第二次雙肢負 重期（50%到62%）（見圖）。對側下肢的步態(tài)可通過一側步態(tài)進行

2、推算。例如，一側足尖離地發(fā)生于對側足部完全 放平之后，約發(fā)生于整個步態(tài)周期進行到12%之時。一側足跟離地發(fā)生于對側下肢擺動相 進行到34%之時，此時處于擺動相的足部已越過處于支撐相的足部。最后，該側足跟著地 發(fā)生于整個步態(tài)周期進行到50%之時。足部僵直的患者，初始階段的足跟著地可能會被足見著地所替代，全足著地可能不會 發(fā)生于整個步態(tài)周期的7%。足部僵直或馬蹄足可能使足跟離地動作發(fā)生變形，而腓腸肌群 的萎縮可造成該動作的延遲。脛前肌群的萎縮所導致的足下垂可在下肢擺動與全足著地期間 引起微關節(jié)和膝關節(jié)伸展度的增加。作為一個持續(xù)運動的狀態(tài)，由于許多運動同時發(fā)生，步行的步態(tài)周期的整體分析難度 較大。為

3、評估步態(tài)周期中各種動作以及足踝部各組成部分的力學機制，將支撐相分為三個階 段：第一階段，自單側足跟開始著地到全足完全著地：第二階段，自全足著地到身體重心越 過該足；第三階段，自足跟離地時踝關節(jié)開始跖屈到足尖完全離地。步行的步態(tài)周期三個階段各有什么特色？請看第3講步行步態(tài)周期的三個階段。足跟著地足部旅平足跟抬起足趾落地足跟著他對側足趾離地對例足跟著地支掛相取下肢 單下陵取下肢支搓 支推 支攫擺動相0 7 12345062100步態(tài)周期的構成圖1.步行的步態(tài)周期。支撐相占整個步態(tài)周期的62%,擺動相占38%。支撐相由 兩個階段的雙下肢支撐期和一個階段的單肢支撐期構成。支撐相可進一步分為三個階段：自

4、 足跟著地到全足完全著地，該階段占整個步態(tài)周期的7%；自全足完全著地到足跟離地，該 階段約占34%：自足跟離地到足尖離地階段，約占62%。步行步態(tài)周期第一階段第一階段處于整個步態(tài)周期起始的15%,自足跟著地到全足完全接觸地而。此時對 側足跟已經離地，但重心仍位于其前足。在第一階段中，足部對落地時的沖擊力起到了吸收 和緩沖的作用。自足跟著地到全足完全放平期間，踝關節(jié)發(fā)生快速跖屈。在整個步態(tài)周期進行到7% 左右時，踝關節(jié)開始背伸（圖2B） .在第一階段中，足部承受全身的重量，跟竹快速外翻且足縱弓變平。足弓的變平源自 距下關節(jié)的運動，且在該期達到最大程度（圖2D）。在足部最初觸地時，踝關節(jié)輕度背伸

5、使后足前端輕度向上。在第一階段中，后足的運動由旋后變?yōu)樾?，該運動為被動運動，其 運動程度完全取決于關節(jié)面的接觸面積、附屬結構以及韌帶支持情況。在足部接觸地而的初 始階段，肌肉并未起到決定性的作用。距下關節(jié)是后足旋轉與小腿旋轉的紐帶。在第一階段中，跟骨在距下關節(jié)的運動下由 外翻旋轉為內翻，該運動幾乎通過踝關節(jié)完全傳遞至小腿（圖2E）。在遠端，后足的外翻 使跖網關節(jié)活動度增加（圖2D）,從而使足縱弓變?yōu)楸馄絹砭彌_落地時的沖擊力。足跟著地后，身體重心在垂直方向由于足部接觸地面出現(xiàn)減速，之后迅速向上加速并 越過正在伸展的一側下肢。足跟著地產生的沖擊力以及身體重心的升高，使得地面的反作用 力增加了約體

6、重的15%到25% （圖2A） 0在第一階段，脛前肌群的收縮減緩了踝關節(jié)跖屈的速度。同時小腿后側以及足內側肌 群處于放松狀態(tài)（圖2C）。上述肌群的放松狀態(tài)有利于足縱弓的維持。脛前肌群的萎縮會 導致上述減速運動的缺失以及典型的足部拍擊地而的步態(tài)。第一階段體重EMG舌性技.脛皆水平旋轉內施a 1。一外舔Y10一中立位E200%15%步態(tài)周期百分比圖2步態(tài)周期第一階段組成，從足跟著地到足部放平，EMG,肌電圖。步行步態(tài)周期第二階段第二階段處于整個步態(tài)周期的15%到40%之間。在該階段，身體重心越過承重的下 肢。身體重心在越過承重下肢之時，其高度達到了最大值，此時處于整個步態(tài)周期的35%, 之后開始下

7、降。在該階段，足部由放松、緩沖的能量的狀態(tài)轉為更加緊繃的承重狀態(tài)。在第二階段，足部開始背伸，并在整個步態(tài)周期進行到40%時程度達到最大。此時 踝關節(jié)承重達到最大值，約為身體重量的4.5倍。整個步態(tài)周期進行到34%時，足跟開始 離地，對側下肢開始越過處于支撐相的一側下肢，之后在周期進行到40%時，承重的足部 開始跖屈（圖3B）。在第二階段，距下關節(jié)逐漸反向旋轉。該動作發(fā)生于正常人整個步態(tài)周期進行到30% 時，扁平足患者則為周期的15% （圖3D）。該動作由多種因素促成，但由哪方因素主導尚無定論。對側正在擺動的下肢是使支撐相的下肢距下關fj產生旋轉的外部因素。這一外部 的轉矩通過距下關節(jié)傳導至后足

8、產生相應的旋轉。踝關節(jié).軸線的傾斜導致跖竹的傾斜，此外 足底筋膜也對后足的旋轉產生影響。旋轉由距下關節(jié)傳導至中足后，增加了跖的關節(jié)的穩(wěn)定 性并使中足由之前活動度較大的狀態(tài)轉化為緊繃狀態(tài)。在該階段，足部并未承受身體的全部重量，而是向單側下肢承重的過渡。壓力測試顯 示在該階段足部承重僅為體重的70%到80% （圖3A）。在第二階段中，肌肉的運動作用使足部與腿部均發(fā)生了重要的功能改變。小腿前后部 的肌群（小腿三頭肌，腓卅肌群，脛前肌群，趾長屈?。┮约白愕變葌燃∪禾幱谂d奮狀態(tài)（圖 30 o正常人足底內側肌群開始興奮始于整個步態(tài)周期進行到30%,而扁平足患者始于 15%。小腿后側肌群的收縮減慢了脛竹向前

9、越過著地足部的速度，進而有助于對側下肢增 加其步長。該部位肌群的萎縮將導致對側下肢足跟部過早著地而導致步長縮短。第二階段步態(tài)周期百分比圖3步行的步態(tài)周期第二階段即足底放平期間的力學分析，EMG,肌電圖。步行步態(tài)周期第三階段第三階段處于整個步態(tài)周期的40%到62%。該階段踝關節(jié)快速跖屈使得支撐相的有 效長度得到延長。在該階段距下關節(jié)繼續(xù)旋后并在足尖離地時達到最大程度（圖5-1D）, 進而完成了足部從第一階段用來緩沖落地沖擊力時的放松狀態(tài)，到第三階段為足尖離地做準 備的緊繃狀態(tài)的轉變。該旋后動作是第二階段動作的延續(xù)。該動作涉及到小腿越過踝關W時 的外旋動作，距下關節(jié)相關力學機制如踝關行的傾斜、跖腱

10、膜功能以及跖骨的受力。在遠端, 跟卅的反向旋轉使跖時關節(jié)由之前的放松狀態(tài)變?yōu)閯傂誀顟B(tài)。此外身體重量通過關節(jié)的傳到 以及跖腱膜固有的壓力使距舟關節(jié)保持自身的穩(wěn)定.脛旨水平旋轉向流外揀20*40%65%步態(tài)周期百分比圖4步行的步態(tài)周期第三階段即足底接觸地而到足尖離地期間的力學分析，EMG,肌電圖。 在第三階段初始階段，壓力測試顯示足部受力增加，該情況由身體重心的下降導致。此時足部受力約為體重的1.2倍。隨后該足部與地面的作用力逐漸降為零，而身體重量由 對惻足部開始承受（4A）.在第三階段，以小腿三頭肌為主的小腿后肌群的收縮引起踝關節(jié)的跖屈（圖4B）。 該跖屈動作有助于支撐相的延長。跖屈在該階段達到

11、最大程度，但小腿后側肌群在到達到步 態(tài)周期的50%后便不再收縮（圖4C） °剩下的跖屈力學機制中，身體重心向對側足部的 轉移占主導作用。足底內側肌群在足尖離地前處于收縮狀態(tài)。相比于足底內側肌群的收縮作 用，跖腱膜在足縱弓的維持中占主導作用。該階段在足趾背伸時，位于跖竹頭部的跖腱膜收 縮，引發(fā)跖竹頭跖屈，從而使足縱弓弧度提高。之后脛前肌群在該階段的最后5%時出現(xiàn)收 縮為踝關節(jié)在足尖離地后得背伸做準備。跑步與步行的步態(tài)區(qū)別相對于步行的步態(tài)周期，跑步的步態(tài)周期改變見圖6-1。在步行期間，始終有至少一 只足與地而接觸，隨著速度的提高，會出現(xiàn)一個雙足同時離地的騰空期。與步行中存在雙足 同時接觸

12、地面的時期不同的是，跑步中存在一個雙足皆不與地而接觸的時期。隨著步速的提 高，足部與地面接觸的時間以及該時間長度所占整個步態(tài)周期的比例均有所縮短。此外， 由步行轉化為跑步的臨界步速大于由跑步轉化為步行的臨界步速。周期時間支撐相騰空期擺動相騰空期跑步0.6圖6-1跑步、慢跑以及步行的步態(tài)周期變化。隨著步速的增加，支撐相持續(xù)的時間降 低。本圖中設定步行的步速為3.75英里/小時，慢跑的步速為1英里/9分鐘，跑步的步速 為1英里/5分鐘。國際足踝外科''圣經一一曼氏足踝外科學夏氏足踝外科學被稱作國際足踝外科''圣經"，多次被評為'全明星"巨著；1959年