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第三节 矫形器的生物力学原理和治疗作用
一、生物力学原理
人体的运动基本上是通过骨关节的运动表现出来。在肌肉拉力作用下，骨骼围绕关节轴转动，并克服阻力做功，因而人的运动均遵循杠杆原理，人体各种复杂的运动均可以分解为一系列的杠杆运动，运用杠杆原理对运动进行分析是生物力学研究的重要途径之一。
图1-3-1 杠杆运动
1.人体运动的杠杆分类
要了解杠杆运动，需要明确几个概念（图1-3-1）。①支点：是指杠杆绕着转动的轴心点，在肢体杠杆上支点是关节的运动中心。②力点：动力作用点称为力点，在骨杠杆上力点是肌肉的附着点。③阻力点或称重力点：阻力在杠杆上的作用点称为阻力点。④力臂：是指从支点到动力作用线的垂直距离。⑤阻力臂：是指从支点到阻力作用线的垂直距离。⑥力矩（M）：表示力对物体转动作用的大小，是力和力臂的乘积，即M＝E×d。⑦阻力矩（M w）：阻力和阻力臂的乘积为阻力矩，即M w＝W×d w。⑧力的作用方向：力矩和阻力矩的作用方向一律用“顺时针方向”和“逆时针方向”来表示。习惯上将顺时针方向的力矩规定为正力矩，逆时针方向的力矩为负力矩。规定正负之后，几个力矩的合成就可以用代数和来计算。
（1）平衡杠杆：
支点在力的作用点和重力作用点之间。在人体中，这一类杠杆较少。如头颅进行的仰头和俯首运动（图1-3-2）。此类杠杆的主要作用是传递动力和保持平衡，支点靠近力点时有增大速度和幅度的作用，支点靠近阻力点时有省力的作用。
图1-3-2 平衡杠杆
（2）省力杠杆：
重力作用点在支点和力的作用点之间。如行走时提起足跟的动作，这种杠杆可以克服较大的体重（图1-3-3）。这类杠杆的力臂始终大于阻力臂，可以用较小的力来克服较大的阻力。
图1-3-3 省力杠杆
（3）费力杠杆：
力的作用点在重力作用点和支点之间。如肘关节的活动，此类杠杆因为力臂始终小于阻力臂，力必须大于阻力才能引起运动，所以不能省力，但可以使阻力点获得较大的运动速度和幅度（图1-3-4）。
2.人体运动的关节类型
（1）单轴关节：
此类关节能绕一个运动轴而在一个平面上运动，即只有单自由度。如指间关节、肱尺关节等。
（2）双轴关节：
此类关节可围绕两个互为垂直的运动轴并在两个平面上运动，即有双自由度。如桡腕关节、拇指腕掌关节等。
图1-3-4 费力杠杆
（3）三轴关节：
此类关节在每三个互相垂直的运动轴上，可做屈伸、收展及旋转等。如肩关节、髋关节等。其中肩关节为球窝关节，是体内关节活动范围最大的关节。髋关节为典型的杵臼关节。
3.参与运动的肌肉
肌肉由许多肌纤维组成。一个运动神经元及其轴突所支配的所有肌纤维，总称为运动单位。运动单位是肌肉活动的最小单位。在肌肉收缩中，影响肌力收缩的因素包括肌肉的生理横切面、肌肉的初始长度、肌肉的募集、肌纤维走向与肌腱长轴的关系。肢体的运动需要多组肌肉的参与才能完成。根据参与肌肉的作用，可分为：
（1）原动肌：
直接完成动作的肌群为原动肌。其中起主要作用者为主动肌，协助完成动作或仅在某一阶段起作用者为副动肌。
（2）拮抗肌：
与原动肌作用相反的肌群为拮抗肌。
（3）固定肌：
在原动肌收缩时，将肌肉相对固定在一端的肌群。
（4）中和肌：
为抵消原动肌收缩时所产生的一部分不需要的动作的肌群。
（5）协同副动肌：
固定肌和中和肌通常统称为协同肌。
4.三点力原理
三点力是指处于同一平面但不在同一直线的三点受力，其中一点的受力方向与另外两点受力方向相反。根据作用力与反作用力、力的分解定律及杠杆平衡原理，三点力相互作用产生矫正作用。
矫形器设计中，为保持关节的稳定多采用在某一平面的三点力控制系统，为了增加稳定力矩，在可能的情况下尽量将矫形器边缘向上下延长，增加固定范围，增加稳定力臂的长度。当然还可以增加作用力的总面积，增加作用力，减少局部压强。
5.地面反作用力
当人体在地面上运动时，人体作用于地面，地面就给人体一个大小相等、方向相反的作用力，叫地面反作用力。当一个人静止站在地面上时，地面反作用力的垂直分量等于他的体重，这叫静支撑反作用力。当身体的一部分或整个身体在支撑面上作加速运动时，地面的支撑反作用力叫动支撑反作用力。
地面反作用力只涉及下肢矫形器的设计装配问题。因此在矫形器的设计中，应该了解步行周期中不同时期地面反作用力对髋膝踝关节运动的影响。例如穿戴硬踝AFO的患者足跟触地和足平时能向前推动小腿，促使膝关节屈曲；而穿戴跖屈位硬踝AFO的患者，足平放时能向后推动小腿，促使膝关节伸直。
二、治疗作用
1.稳定和支持
通过限制肢体或躯干的异常活动，维持脊柱、骨和关节的稳定性，减轻疼痛或恢复其承重功能。如腰椎间盘突出症患者急性期使用腰围，脊髓损伤后截瘫用的膝踝足矫形器等。
2.固定和保护
通过对病变肢体或关节的固定和保护以促进病变的愈合，如用于骨折后固定的矫形器。
3.支撑和免荷
通过减少肢体轴向承重，可以减轻或免除肢体或躯干的长轴承重，从而促进病变愈合。如胸腰骶脊柱过伸矫形器用于治疗胸腰椎压缩性骨折、坐骨承重的膝踝足矫形器用于治疗股骨头无菌性坏死。轴向免除承重可分为两类：部分免荷，一般为足跟悬空，前足着地；完全免荷，一般为全足悬空。其原理是在需免荷部位的上部对肢体进行支撑，达到免荷的目的。支撑部位的承重应准确有效，在克服外力对骨、关节产生负荷作用的同时，一定要避免内力（肌肉收缩）对骨关节的负荷作用。这类矫形器多用于下肢，统称为免荷性矫形器，多应用于骨折、假关节、骨结核、股骨头无菌性坏死等。
4.预防和矫正
通过固定病变部位来矫正肢体已出现的畸形，预防畸形的发生和发展，多用于儿童。儿童生长阶段，由于肌力不平衡，骨发育异常或外力作用，导致肢体生物力线异常，常引起肢体的畸形，应以预防为主。由于儿童骨、关节生长发育存在着生物可塑性，通过矫正异常的生物力线，可以有效预防肢体发生畸形或防止畸形快速发展。如用于儿童脑瘫后马蹄内翻足的踝足矫形器。
5.代偿和助动
通过矫形器的外力源装置（如橡皮筋、弹簧等）代偿已瘫痪肌肉的功能，对肌力较弱者予以助力，使其维持正常运动。如手指肌腱损伤后的矫形器。
6.补偿肢体不等长
双下肢不等长是临床常见问题。下肢不等长的主要原因包括先天性或后天性发育障碍、创伤后短缩畸形愈合、关节畸形、关节功能障碍等。对双下肢不等长进行长度补偿的基本原则是站立位达到骨盆水平。补偿方法是鞋内补高与鞋外补高相结合；要求补高后的肢体承重应符合生理对线要求；补高后的鞋后跟适当地往前移有助于步行中减轻踝关节背屈肌的疲劳，有助于足跟着地时膝关节的稳定性，将补高后的鞋后跟适当地往外移，有助于步行中外侧的稳定。