腕和手在人的身体中虽然只占据着一小部分的空间,却具有非常关键的作用。人类使用工具的能力绝大部分来源于对于腕和手的精细掌控。换句话来说,如果没有手部的结构以及复杂详细的肌肉控制,我们生活中的很多必要动作是无法执行的。至于手部到底有多复杂,我们可以通过手部神经控制的比例来呈现。
上图是大脑皮层运动神经部分对于身体不同部位的分布情况。可以发现手部的神经控制几乎和躯干加上腿部的控制占据同样的面积。这足以说明其肌肉功能以及骨骼结构的复杂性。
因此,在刚接到这个文章的任务的时候,我的内心其实是很忐忑的。毕竟我自己的解剖知识也比较薄弱,对于如此精细的解剖结构了解也并不深。更重要的一点是,这篇文章要讲的不仅仅是解剖学,而是功能解剖学。“功能”这看似简单的两个字,所涵盖的内容量是非常可怕的。接下来我通过腕关节运动的例子来进行简单的解释。
当我们在学习解剖学的时候,一般只需要记住骨骼上的各个凸起凹陷,以及肌肉的起止点、动作和神经源头。然而,当涉及到功能解剖的领域时,就要开始考虑各个肌肉之间的联动,力与力、扭力与扭力之间的抵消和增幅。更重要的是,功能解剖在很多情况下是脱离标准解剖位的。当身体处在不同的位置以及不同的运动状态下,不同肌肉的作用方向以及力的大小都会有变化。这样多重的变化方式,再加上腕与手这样复杂的解剖结构,使其信息量变得非常的大。
如上图,右侧是腕关节横切面的示意图。其中每一块红色的四边形代表某块肌肉的大概位置,其中的黑点为施力点。黑色的横轴和红色的纵轴分别为手腕向两个位面移动(旋转)时的轴。由此我们可以看到,小臂穿过手腕的每一块肌肉都会有相应的横轴和纵轴的两个扭矩,而这两个扭矩会和其他所有肌肉的作用进行抵消或者增幅,最后对腕关节形成合力。而扭力不但取决于扭矩,还取决于肌肉的横切面积,也就是红色四边形的大小。而这其中的很多肌肉,例如两块指屈肌,横跨的关节甚至可以达到3-4个。也就是说,这些肌肉一旦收缩,就会分别在多个关节上同时产生作用。而假如你的运动目的只是一个关节的活动的话,那么另外三个关节的活动都需要由其他肌肉的收缩来进行抵消。以上所说的所有作用,还都是以在人体处于标准解剖位的状态下为前提的。当手腕向左右或前后任意方向移动后,腕部肌肉的扭矩就会改变,缩短的肌肉发力会下降,被拉伸的肌肉会产生被动的抗阻力。而以上的这一切,都还没有考虑腕关节复杂的韧带组织,以及关节的活动方向及活动度。而上述一切的一切,都还仅仅是针对横跨腕关节的肌肉。在手掌内部,不横跨腕关节的肌肉还有很多,其结构和发力状态甚至更为复杂。
说了这么多,我的目的是什么呢?其实我想说的是,腕和手的功能解剖绝对不是可以一口吃个胖子的知识领域。想要对其有充分的了解,需要不断重复地学习和积累,一点点地把知识的量和深度堆积上去,再慢慢内化。以下的内容,仅总结一些我在学习的过程中吸收的知识。
腕关节的骨骼、韧带结构
在基础解剖学中,我们会学到腕关节有八块腕骨。而对于这八块骨头的具体位置,我在基础解剖学中只学了如下图所示的概念。
八个方块分别代表了八块骨头,具体名字就不提了。如果你背过的话不提你也知道,如果你没背过的话提了你也记不住。
但实际上,当我们看到解剖图片或者人体骨骼模型的时候会发现,腕部八块骨头的排列情况并不是这么简单的。
我一直都知道腕骨排列并不是简单的4对4,但每次看到像上面这种让人头大的图片就放弃进一步思考了。但其实对于腕骨的排列,有一种更好的简化方式,即如下图。
图中所采用的是右手掌心面。右下角是手舟骨,所对应的是大多角骨和小多角骨。左下角的豌豆骨重叠在三角骨的上方。而与其所对应的勾骨的上方也有一个勾状的凸起,类似于一个接在勾骨上的豌豆骨。所以,与其说是四对四的结构,不如说是三对三的结构。手舟骨和勾骨分别对应了对侧的两块骨头。而腕关节远端的四块骨头分别对应了五块掌骨。大多角骨、小多角骨和头骨分别对应大拇指、食指和中指的掌骨,勾骨对应了无名指和小指的两块掌骨。
就像我在图中所画的,中指掌骨所对应的头骨是一块很长的骨头。实际上,虽然月骨对应远端的头骨,但头骨还有一部分是对应了舟骨的。舟骨作为一个花生形的骨头,一部分与大多角骨和小多角骨相连接,另一部分与月骨一起衬托起头骨这个又长又大的骨头。如下图。
头骨在腕关节有着至关重要的作用。仔细观察上图我们不难发现,头骨的近端,也就是它的“头”所在的部位刚好是整个腕关节的中心部位。腕关节在两个位面上的主要活动,即屈伸和内收外展,都是以头骨的头作为轴心来进行的。在之前的横切面图当中,运动的横轴与纵轴的交叉点也刚好落在头骨上面。
当然,随着腕关节的移动,旋转轴的位置是会有些许变化的,但总的来说轴心不会偏移到头骨以外。头骨与中指之间的腕掌关节是非常稳定的。因此当头骨作为轴旋转的同时,可以将力传导至中指,从而使整个手掌跟随转动。
腕关节分为两个关节,桡腕关节和腕中关节。由于腕中关节远端的四块腕骨直接和掌骨相连,因此结构和韧带组织相对紧凑,稳定性相对较强。近端的桡腕关节相对来说活动度较大。当腕关节进行屈伸或内收外展时,两个关节会同时以头骨为轴心做旋转与滑行运动。如下图,第一幅图为屈伸,第二幅图为内收外展。
腕关节的一个非常重要的韧带结构便是腕管。如下图,腕管的两侧分别固定于豌豆骨、勾骨、舟骨和大多角骨上。腕管下有很多肌腱通过,并且包含正中神经。包含结构之多使腕管发炎成为了非常常见且令人头痛的问题。对于腕管综合征这里不多做赘述。值得注意的是,勾骨和豌豆骨并不是并列的,而尺神经刚好通过其中间的腕尺管。长时间挤压手部尺侧(如骑车)所造成的手部麻痹就是由此形成。
由于腕部的韧带结构非常复杂,并且我在这方面的基础知识也几乎为零,因此不很详细地描述,只说一下两个比较重要的结构。第一个结构是三角纤维软骨复合体。如下图TFCC(triangular fibrocartilage complex)。
在标准解剖位下,人的尺骨末端实际比桡骨末端要略高一些,这也就意味着尺骨和腕骨之间并非紧密贴合,而是隔着一个空间的。填满这个空间的就是三角纤维软骨复合体了。这个复合体的最主要部分是三角纤维软骨,也就是垫在尺骨和腕骨之间的纤维软骨。这层软骨补足了尺骨和腕骨之间的缝隙,使其在手部垂直受力时可以将20%的力传导至尺骨,而另外80%的力由桡骨进行传导。除了三角纤维软骨以外,这个复合体还包括将尺骨与腕骨连接的几条韧带,用来强化腕关节尺骨边的稳定性。
另外一个结构是腕部韧带的倒V字形结构。如下图,黑色箭头代表韧带走向。
从中间的图可以看出四条韧带形成两个倒V字形结构。上方(远端)的两个韧带是腕骨间掌侧韧带的内外侧两束,下方的两个韧带是自月骨向尺骨和桡骨连接的尺腕韧带和桡腕韧带。在中立位时,四条韧带分别保持着一定张力。当腕关节进行内收外展的运动时,四条韧带的张力会如左右图所示进行变化,帮助维持桡腕关节和腕中关节的稳定性。
腕关节的肌肉结构
就如我在前面所说,腕关节的肌肉功能解剖是极其复杂的。在这里只简单进行一下分类和描述。
第一类肌肉是只作用在腕关节的伸腕肌肉,包括尺侧腕伸肌和长短桡侧腕伸肌。第二类肌肉是作用在腕和手的伸腕肌肉,包括指伸肌,食指伸肌,小指伸肌和拇指伸肌。第三类肌肉是只作用在腕关节的屈腕肌肉,包括尺侧腕屈肌,挠侧腕屈肌和指长肌。第四类肌肉是作用在腕和手的屈腕肌肉,包括深浅层指屈肌,拇长屈肌,拇长展肌和拇短伸肌。
上述的四个类别是根据腕关节在矢状面(屈伸)的运动进行分类的。另一种分类方式是按照腕关节在冠状面(尺侧桡侧偏移/内收外展)进行分类的。
第一类是尺侧偏移/内收肌肉,包括尺侧腕伸肌,尺侧腕屈肌,深浅层指屈肌和指伸肌。第二类是桡侧偏移/外展肌肉,包括长短桡侧腕伸肌,桡侧腕屈肌,长短拇指伸肌,拇长屈肌和拇长展肌。
对于腕关节肌肉作用最直观的表现形式依然是我在前面放过的那张图,如下。
从这张图里,我们可以相对清楚地看到各个肌肉相对于矢状面和冠状面的扭矩,以及肌肉横截面的大小。从上图中可以看出,在伸腕方面力臂最大,且具有较大肌纤维面积的是指伸肌(这也解释了为什么网球肘的评估通常是通过中指的等距伸展收缩)。而在屈腕方面,几块肌肉都具有相近的力臂和比较大的肌纤维面积。在尺侧偏移方面,尺侧腕伸肌具有最大的力臂以及较大的肌纤维面积,尺侧腕屈肌第二。在桡侧偏移方面,拇长展肌和长桡侧腕伸肌都具有较大的力臂和纤维面积。虽然拇短伸肌也具有很大的力臂,但由于肌纤维面积过小,其扭力并没有前两者要大。
由于深浅层指屈肌既是主要的屈指肌肉又是主要的屈腕肌肉,其功能性运动便带有一定的特殊性。例如,当我们需要很强的握力时,由于指关节以及掌指关节的屈曲,导致指屈肌处于被缩短的状态。此时,需要通过腕伸展肌群的配合,让腕部处于略微伸展的状态,将指屈肌拉长,以此保证最佳的发力长度。如下图所示,当执行强力抓握的活动时,腕部伸展30度左右可以达到最佳握力。
手部的骨骼、韧带结构
在我的印象里,我在学习基础解剖学的时候基本上没有注意过手的骨骼结构,因为我们需要知道的就是每根手指一根掌骨三根指骨,拇指两根指骨。就算完全不学,考试的时候看着自己的手也能写出来。当然,从细节上来说,手部的骨骼结构并没有那么简单。由于手部的骨骼不仅要提供屈伸的能力,还要提供我们抓握不同形状的物体的能力,因此手部的活动远不像铰链关节那样简单。
手部的形状大体可以分为三个弓,其中两个横向弓分别位于腕关节和掌指关节,纵向弓则是自腕向指尖的弓形。如下图。
图片中的左下角画出了拱心石的概念,也就是作为弓的中心结构。在掌弓的情况下,拱心石的描述特指在弓这个不稳定结构中维持稳定,起到运动中心作用的结构。对于远端横向弓来说,拱心石是由五个手指的掌指关节所形成(当然远端横向弓本身就较不稳定)。对于近端横向弓来说,拱心石主要由食指和中指的腕掌关节形成,类似左下图当中的红色石头。对于纵向弓来说,拱心石也是食指和中指的腕掌关节。因此纵向弓最稳定的地方在近端,而越偏向远端越不稳定。
因此,在抓握各种物体的过程中,我们几乎始终是以食指和中指之间的某一点为中心轴,再将两侧的掌指等结构覆蓋上去的。因此,食指和中指的运动更接近于铰链关节,而其他三指则具有更大的活动度。当你将拳头紧握面对自己,并观察四指的偏移程度时,可以发现食指和中指保持了相对的垂直,而无名指和小指都有不同程度的倾斜。
食指和中指作为拱心石的稳定性主要来源于腕掌关节。下图大概展示了五个腕掌关节活动度之间的区别。
将这张图配合握拳的图,相信大家对手部中心结构能有一个更完善的概念。
拇指作为一个相当特殊的结构,并不仅仅是比其他四个指头少了一节指骨。实际上,对于拇指是否应该与其他四指分为一类,至今还有争论。据我曾经的体能课教授说,他有一次去看医生,结果跟医生争论了好久人到底是有five fingers还是four fingers and a thumb,最后不欢而散。拇指与其他四指最明显的区别,就在于它运动位面的颠倒。其他四指的屈伸更接近于矢状面运动,内收外展更接近于冠状面运动。而拇指的屈伸更接近于冠状面运动,内收外展更接近于矢状面运动。拇指的腕掌关节也很特殊,是马鞍状关节,也就是类似于两个弓形面对面呈直角叠起来。想像一下自己骑在马上,马鞍是一个从前到后的向下凹陷的弓形结构,而你自己的裆部是一个从左到右的向上凸起的弓形结构。两个弓形结构结合在一起,可以向前后也可以向左右滑动,但不会向其它方向滑动。
因此,拇指的运动主要有屈伸和内收外展。而将这两个运动结合起来后可以形成一定的内旋,从而完成大拇指非常重要的一项运动,对向运动。对向运动是指将大拇指和小拇指的指尖相对。对向运动需要多个关节配合,例如小拇指屈曲的同时略微内旋,腕骨(大多角骨)的略微旋转,但其主要还是来自于大拇指腕掌关节的屈曲加外展加内旋的运动。
对于掌指关节以及指间关节的韧带组织,最需要注意的就是其对于指屈肌的辅助和稳定作用。由于手指的伸展活动度有很大限制,而屈曲的活动度非常大,再加上在抓握过程中经常用到很大力量,所以对于指屈肌肌腱的保护和有效使用是非常重要的。因此,手指掌心面的韧带组织比背面的韧带组织复杂许多。
上图主要展示掌指关节的韧带组织。食指关节附近展示了侧韧带(两侧都有),从中指到小指将掌骨移除,展示出掌韧带板以及包裹着指屈肌肌腱的纤维鞘。另外,掌骨深横韧带将掌韧带板以及四个掌指关节横向连接起来,增强横向弓的稳定性。
掌指关节虽然从外观看上去和指间关节相似,但其活动度比指间关节要大很多。掌指关节是踝状关节/椭球关节,因此其活动范围包括了屈伸,内收外展,以及环形运动(即前两者共同产生的运动)。从理论上来说,踝状关节也可以进行内外旋的运动,而在掌指关节中内外旋在很大程度上被韧带组织限制了。如果被动强行扭动手指的话,也可以观察到掌指关节轻微的内外旋活动。与掌指关节不同的是,指间关节的活动则仅限于屈伸。另外,大拇指的掌指关节活动度也仅限于屈伸,在内收外展方面活动度非常有限。
指间关节附近结构对于指屈肌肌腱的保护和掌指关节附近结构是类似的,如下图。
图中食指和中指展示了深浅层指屈肌的肌腱,从中指下方可以看到肌腱更深层的掌韧带板。无名指展示了肌腱外包裹着的滑液鞘,用来减轻收缩时的摩擦力。滑液鞘外面包裹着A1-A5以及C1-C3,总计八条滑轮韧带,作为指屈肌肌腱被缩短时的着力点或支点。滑轮韧带当中,A2和A4是相对重要的,因为它们刚好处在指骨的中间,距离关节较远。在滑轮韧带外面则是之前提到的保护指屈肌的纤维鞘,图中通过小拇指来展示。多层的组织不但为指屈肌肌腱减轻了摩擦力,降低发炎的可能性,提供了施力时的支点,更重要的是将指屈肌的肌腱固定在指骨之上,避免在屈曲的过程中突起。
相较于指屈肌来说,指伸肌周围的韧带结构相对简单。这是因为指屈曲所需要的力通常远大于伸展,另外屈曲的活动度也远大于伸展。指伸肌的肌腱形状比较特殊,有中间的一束和两侧分叉再聚合的两束,保证更均匀的力的传导。
手部的肌肉结构
手部的肌肉和腕部的肌肉有很大一部分是重合的。就如之前所说,很多横跨腕部的肌肉是多关节肌肉,会继续走向手部关节。当然,也有很多只存在于手内部的肌肉。下面以此条件来进行一下分类。
手外部肌肉当中,屈肌包括深浅层指屈肌和拇长屈肌。伸肌包括指伸肌,食指伸肌,小指伸肌和拇指长短伸肌(注意拇指的屈伸方向和另外四指不同)。最后还有一条拇长展肌。
手内部当中,大鱼际的肌肉包括拇短展肌,拇短屈肌和拇对掌肌。小鱼际的肌肉包括小指展肌,小指屈肌,小指对掌肌和掌短肌。其他肌肉包括姆收肌(两头),四条蚓状肌和掌背各四条骨间肌。
当手外部肌肉在发力收缩的时候,会在多个关节产生扭力。例如浅层指屈肌,它所产生的扭力是越靠近近端越大,越靠近远端越小的。也就是说,假如我们想施加一个远端(指间关节)的力,就不可避免的会在近端关节(腕关节和掌指关节)施加更大的扭矩。如下图。
在这时,桡侧腕伸肌和指伸肌必须要同时发力来抵消指屈肌在近端两个关节所产生的扭矩。上图中的左侧箭头为浅层指屈肌,右侧箭头为桡侧腕伸肌和指伸肌。
对于手部肌肉被动张力有一个比较直观的展示方法。将手部放松,腕关节与前臂平齐。这时候,如果屈腕,就会发现手指被动地伸直;如果伸腕,就会发现手指被动屈曲。这是因为指伸肌和指屈肌在腕部运动时得到了被动的张力,而将这个张力转化到了掌指关节和指间关节。
手内部的肌肉有很多集中在大鱼际和小鱼际当中。大鱼际和小鱼际就是掌心大拇指近端和小指近端肌肉比较多的凸起部分。其中非常主要的运动便是之前提到过的对掌运动。日常生活中很多手部活动(抓握等)都会运用到对掌运动。
蚓状肌的肌纤维长度很长,但横截面积很短。这也就意味着蚓状肌是一个发力距离长但力量较小的肌肉。它的主要功能在于使掌指关节屈曲并使指间关节伸展。掌背两侧的骨间肌虽然主要的作用在于掌指关节的内收和外展,但也和蚓状肌同样具有使掌指关节屈曲并使指间关节伸展的作用。假如蚓状肌和骨间肌停止工作(例如尺神经损坏),那么光靠指伸肌只能做到掌指关节的伸展和指间关节的部分伸展,手会最终卡在一个“爪子”的状态。另外,骨间肌在手执行抓握动作时也可以在某些程度上提供指屈曲的力。
当然,手内部肌肉和手外部肌肉是协同工作的。假如我们把它们分开来看的话,将手内部肌肉同时收缩,会得到四指掌指关节屈曲,指间关节伸展的状态。将手外部肌肉同时收缩,会得到四指掌指关节伸展,指间关节屈曲的状态,如下图。
下图展示了一些生活中常用的手的动作。这些动作都是通过手内外肌肉的紧密配合来进行力度和尺度的调整的。
其中A是不需要调整尺度的强力抓握动作,主要注重于屈曲力。B到F是强调尺度的精准抓握动作,主要注重对于目标尺寸的把握。G是强力捏合动作,同样主要注重于捏合的力度。H和I是精准捏合动作,主要在于捏合物品的精细运动。最后的J是勾的运动,主要用于提携等活动。
注:本文为根据国际小组文章归纳总结。