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【科普好文】人的小腿为什么有两块骨头?

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yumumu01 显示全部楼层 发表于 2021-5-30 14:22:31 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
本帖最后由 yumumu01 于 2021-6-1 23:28 编辑

若干年前有个患者在治疗中冷不丁问了我一句:“人的小腿为什么有两块骨头?” 他说是自己受伤之后查了解剖才知道的,以前一直以为小腿只有一块骨头,类似下图这样的。


在那之前我从未思考过这个问题,但当时并不想强行解释,所以本着实事求是的科学精神,我直接回答:“不知道。”

这些年我带着这个疑问向德国的解剖学、生物力学相关权威请教过,和一些医学生和康复师讨论过,也在网上搜索过。所以今天就结合各方见解来探讨下这个问题。

先摆出查到和问到的几种答案。

回答1:这是生理结构决定的,就好比人长了两只脚两只手,一个鼻子。

评论:这么回答在本质上和“因为小腿长了两块骨头,所以长了两块骨头。”并没有区别。

回答2:大腿肉多就一根骨头,小腿肉少就两根,好像是肉多就骨头少点吧。


评论:来自非专业人士观察到的现象,虽然没有给出解释,但似乎符合规律。鸡上翅的确比鸡中翅和翅尖肉多。

回答3:解剖课就是这么讲的,不用问为什么。


评论:是的,没错。

回答4:类比上肢就可以了。小臂有两块骨头——尺骨和桡骨,且能够转动,小腿分为胫骨和腓骨也是为了能够让小腿相对于大腿旋转,否则只能通过髋关节转动整个下肢来调整脚踝的指向,这在运动上是不灵便的。(下图为小臂)


评论:一些有专业背景的人士给出的是这个答案。乍一听上去没毛病,是这么个道理。但如果稍加分析,便发现站不住脚。

绝大多数关节的生理运动本质上都是绕轴的转动,一个关节要想产生运动,力学上得满足两个条件:首先要有肌肉跨过关节两端来启动这个动作,其次关节本身的结构也得允许这个运动。

举个例子,你食指的指间关节可以做屈伸的主动运动,但即便忽然长出一块指间外旋肌或者内收肌,也还是无法做相应的运动。因为指间关节是滑车关节,除屈伸外,在结构上不允许其他生理运动产生。


再看前臂,既存在让其旋前与旋后的肌群,同时肱桡关节、桡尺远端与近端关节(车轴关节)的构造也允许旋转的运动,两个条件都满足,因此旋转运动才能实现。下图中可见,桡骨可围绕尺骨旋转,二者可平行可交叉。


而小腿虽然与小臂相似,但是否真的能够完全类比?显然是不能。


虽然小腿(膝关节)的确在屈膝位能够进行外旋和内旋,也确实有肌肉来控制这个运动,但是,旋转是发生在小腿(胫骨)与大腿(股骨)之间,而不是发生在小腿两块骨头之间的关节。允许并限制膝关节旋转的是半月板和各韧带,与小臂的原理完全不同。


也就是说,即使腓骨和胫骨融合成一块骨头,小腿也照样可以旋转。所以第4个回答只说对了一半——即小腿能够相对大腿旋转的确让运动更灵活,但小腿能旋转并非由于它有两块骨头。

回答5:这是由于物种演化的结果。从原始的水生生物进化到两栖动物,再到陆生的高等脊椎动物,身体的结构与功能会更加适应陆地上承重的条件,所以前肢进化出了两块骨头。在很多其他哺乳动物身上也能观察到类似现象。


评论:用进化论来解释的确能让人学到一些知识,但这好像与第一个回答也差不多,仿佛在说:“因为环境需要这样而且往上的祖祖辈辈小腿也都有两块骨头,所以我们也一样。”

越是这种看似简单的问题,人在作答时就越容易“想当然”,容易拍脑袋下结论。回答1和3属于不求甚解,回答4和5是没有仔细分析。相比之下,回答2倒是很可爱。

而我后来也意识到:“小腿为什么有两块骨头”这种问法本身也不太合理,会让人有多重理解,而且过于宽泛、没有限定条件,也让人难以回答。所以我们在这里可以换一种问法和思考角度:“小腿有两块骨头对踝关节力学的意义是什么?” 以及 “小腿骨如果像图片里机器人那样只有一块骨头会怎样?”

我们接下来通过几个问题来把探讨过程串起来。

1. “假如我们的踝关节像机器人这样是个规则的形状,会有哪些好处?”


最大的好处就是,踝关节无论是上方还是两侧,其关节面吻合度极高,无论处于哪个角度,两侧提供的结构稳定性都一级棒。崴脚时可能不会扭伤踝关节,而是整个人会摔倒。

2. “完全规则的关节面有什么缺点?”

如果像上图机器人那样,侧方稳定性虽然足够强,但灵活性就差多了,只能做绕单轴的单平面运动。其次,无论踝关节在哪个角度,关节面承重的面积都保持不变,所以负重越大压强也越大

3. “相比之下,人类不规则的踝关节有哪些优缺点?”

说到这里,得先了解距骨的特殊形态。从上方俯看,距骨滑车呈一个近似的梯形,前宽后窄(图右)。可想而知在踝关节不同角度之下,距骨滑车进入踝关节窝的部分也必然不同,因而所占据的空间也会改变。这里简单做一下解释,踝关节的关节面由距骨滑车、胫骨与腓骨远端共同构成(图左)。踝关节窝(踝穴)指的是胫骨与腓骨远端关节面围成的“门”形(图中)。


我们日常在站立位的各种运动中,胫骨与距骨滑车构成的关节面是纵向负重的主要部位,而腓骨只是贴附在胫骨旁边,主要功能是为踝关节侧方稳定性做一些贡献。在这里不再细说腓骨的作用,因为我们的重点是讨论分成两块骨头的意义。

前宽后窄的距骨滑车的好处便是,在踝关节背屈(勾脚背)位置下,更宽的前部与踝关节窝接触,这样一来关各方向节面之间充分接触,骨骼形态提供的稳定性提升。我们实验室在多年前就已经测定,在最大背屈位,只能做单纯的内翻与外翻。踝关节的内收外展以及内旋外旋只有在逐渐跖屈的过程中才可能发生。此外,背屈时承重面积更大,因而同等重量对关节面的压强更小。


相反的是,当踝关节跖屈(踮脚尖)时,距骨滑车更窄的后部嵌在关节窝里,此时距骨与关节窝侧向的间隙变大,因而结构稳定性变差,在跖屈位也更容易崴脚。但是好处是,在跖屈位置时足踝的三维活动度也更大。

幸好人体的设计非常精妙,在很多动作中,跖屈位通常是承重更小而且对稳定性要求更低的阶段,而背屈位则往往是需要稳定与承重兼备的阶段。走路就是很好的一个例子,脚跟着地缓冲后的承重反应到站立中期是足踝受到冲击最大的阶段,此时踝关节也刚好处于背屈位。而到站立末期和预摆动期,该侧踝关节承重已大幅减少,此时为跖屈逐渐增大的过程。

4. “在距骨滑车不同位置进入踝关节窝的时候,内外踝(胫腓骨)间的距离是否恒定不变?假如内外踝的间距能够变化来适应距骨的宽度,不就能把稳定性最大化了吗?”

事实上,人体还真的是朝着这个方向努力了的。这一效果的实现要依靠韧带的被动机制以及胫骨后肌的主动机制。


在踝关节背屈的过程中,胫腓前、后韧带以及强韧的骨间膜能够被动适应距骨滑车的宽度,从而使内外踝间距稍稍增大。另外,下段提到的两块肌肉也有一定稳定作用。

而从背屈到跖屈的过程中,距骨滑车更窄处进入关节窝。此时,扩张的内外踝一方面在韧带等结构的弹性作用下回收,另一个重要方面就是依靠肌肉的主动机制。其中最重要的便是胫骨后肌,它本身收缩时不仅产生踝关节跖屈,还能同时拉近胫骨与腓骨、主动缩小内外踝的间距。此外,拇长屈肌也起到辅助作用。


如果在崴脚时骨间膜也被损坏,我们称为高位踝关节扭伤(其常见的损伤机制与内翻扭伤不同)。其后果便是胫腓骨远端不再是牢固的整体,因而踝关节稳定性严重下降,且难以保守康复。所以严重崴脚的患者,在急性期过后消肿后,通常会拍核磁看韧带联合是否被破坏。

5. “为什么小腿只有一根骨头不行?”

设想一下,假如在踝关节中立位时把胫骨腓骨变成了一块骨头,那么踝关节窝就成为了一个不能形变的刚体,所以内外踝间距也就不能动态适应距骨的宽度。在足背屈时更宽的距骨滑车前部进不去,活动会因卡住而受限。反之,跖屈时更窄的距骨后部在踝关节窝里左右间隙又过大,因而侧方稳定性更差。


此外,足踝-小腿的运动学也会受到影响。比如正常踝背屈时,腓骨轻微向近端偏外的方向移动以及内旋。

综上,所有这一切,都不是一块骨头能达到的。

正是有了人体骨骼、关节、韧带及肌肉等一系列结构精妙的设计,我们才能有完成各种复杂运动的前提,但最终产生自然、协调的动作还是要靠神经系统的调控。


解剖是康复医学最重要的基础,但绝光靠死记硬背是很艰难的,智商平庸的我曾经就深有体会。多去思考为什么这样的结构有相应的功能才会让学习过程更有趣,再结合生物力学、损伤学等方面来分析,在实践中诊断和治疗过,对解剖的认识才会是立体的。

当然,本文在已知人体其他部分的前提下去讨论小腿为何有两块骨头,也是有不合理的地方。假如小腿真的有一块骨头,那么也许足踝等其他结构也可以有别的设计。所以这个探讨一是出于好奇,另外也只是想分享一下相关的解剖知识。不足之处,还望读者多多指出。

本文转载自订阅号:解构体态
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