肩膀生物力學三部曲 - 第二部

作者：李鑌

「力偶」，在物理學中指的是大小相等、方向相反的兩平行力，作用在一物體的兩點，使物體產生旋轉運動。

肩膀的肌肉力偶 Muscular force-couple

在手臂抬高的時候，“旋轉肌群”會和“三角肌”以一種「力偶」的機制一起作用，引導肱骨對著肩盂窩做出動作。將手臂抬高的力，與這些短小的旋轉肌群主動產生向內、向下的拉力，提供手臂抬高時必需的肌肉力偶。

當手臂在身旁時，三角肌會產生相對於肱骨向上、向外的方向的力，而棘下、小圓、肩胛下肌等則是產生向內、向下的力。三角肌的力作用在肩關節旋轉中心的下方，與三條旋轉肌的力作用在旋轉中心的上方剛好相對，提供了一個強而有力的力偶。

有些解剖學家認為棘上肌的主要功能是負責一開始的外展動作，因此手臂抬離身側需要旋轉肌群的收縮。但Howell等人觀察到在棘上肌麻痺的肩膀，在肩胛平面上從0度抬高到30度，三角肌可以起始、並產生相當的扭力矩。

三角肌對於穩定肩關節很重要

為了使盂肱關節在其活動角度都能夠穩定與功能正常，在全角度過程中肌肉都必須產生足夠的力，而「三角肌」藉由兩種方式來完美符合這樣的需求。

👉 首先，三角肌的肌肉纖維是呈多羽狀排列：

在功能上表示三角肌收縮以提供最大力時，每條肌肉在長度上的改變較少。肌肉要足夠強大有力，要盡可能快速的在其範圍內產生最大張力，多羽狀的肌纖維排列能較好達成此目的。因此，多羽狀的肌肉會比那些纖維平行排列的肌肉更有力。

👉 再來，為什麼三角肌是很好設計用來提供盂肱關節穩定的第二個原因是它的「附著點」：

三角肌從肩胛棘、肩峰，及鎖骨出發，有著很廣闊的基底與很大的肌肉質量。更重要的是，在肱骨抬高的過程中，這些起始點也都會“跟著抬起”。這樣的肩胛骨旋轉減少了手臂抬高過程中三角肌必須收縮的範圍，換句話說，即是增加了手臂抬高的整個角度過程中三角肌的力量。

「肌纖維呈多羽狀排列」與「可隨著移動的起使點」，這兩個組合是三角肌被認為對於盂肱關節來說有著功能上的優點。

在過去的研究中我們可以看到，在沒有疼痛的肩膀上，單單失去棘上肌會在較高的外展角度產生顯著的力量喪失；若完全失去三角肌功能，與正常的情況相比，旋轉肌群 (包含棘上肌) 只能產生一半的外展力量。因此，三角肌與棘上肌皆負責在肩關節的功能動作平面上產生力矩。

肩胛骨也有力偶

另一個力偶的例子是「三部分的斜方肌」與「前鋸肌」的共同作用，藉由引導肩胛骨向前、向外、向上，前鋸肌與斜方肌在肩盂窩往上轉動 (即肩胛骨的往上轉動) 的過程中起了力偶作用。

盂肱關節的“盂”指的就是肩胛骨的“肩盂窩”，肩胛骨的往上轉動使得肩盂窩朝向上，是盂肱關節「被動穩定機制」的其中一環。所以你可以知道，這個機制雖稱為被動穩定，但有一部分是建立在肩胛骨的主動穩定之上。

二頭肌長頭也協助肱骨下沉

而二頭肌長頭肌腱活動在肱骨的上部位類似一個滑輪系統，二頭肌的長頭亦增加了肱骨的下沉。當手臂外轉時結節間溝朝向外，此時二頭肌長頭就可以作用類似一個滑輪，協助手臂的外展。

肩關節的“被動關節活動”應謹慎執行

任何臨床工作者在處理中風病患、或任何有著肩關節廣泛肌肉癱瘓的病患時，都必須要知道旋轉肌群對於引導盂肱關節動作的重要。

當執行被動關節活動在這類患者身上時，在“被動屈曲”與“外展”時都必須引導肱骨頭的往下滑動 (Inferior glide)。若不如此，肩峰下的組織將受到反覆的傷害，這也可以解釋為什麼這類患者在肩關節的感覺恢復之後都會感到疼痛，這件事也強調了在這類患者身上，「規律的關節活動」應由“富有技術”的臨床工作者執行。

臨床意義與思考

🔺 胸椎駝背會讓肩胛骨相對向下轉動，除了會讓肩關節囊和韌帶處在鬆弛，也會造成斜方肌卡在拉長、前鋸肌卡在縮短的肌肉失能，進而傷害到正常的「肩胛骨力偶」，使得手臂抬高時肩胛骨無法順利做出向前、向外，以及向上轉動。

🔺 肩胛骨無法做出正常的向上轉動，會造成以下兩件事，使得“旋轉肌群”與“三角肌”的力偶機制無法正常發揮：

・因為肩關節相對不穩定，旋轉肌群在動作過程中必須維持高張，將肱骨頭拉往肩盂窩來維持肩關節穩定。肌肉只能專心做好一件事，既然去做穩定 (Tonic) 的工作，就無法好好執行它在動作部分 (Phasic) 的角色，也就是在動作過程中將肱骨頭下沉；

・三角肌在鎖骨、肩峰、肩胛棘的附著點沒有在動作過程中跟著抬起，影響到三角肌在盂肱關節上的功能優勢，導致三角肌的發力不佳。

參考文獻

Darlene Hertling, Randolph M. Kessler (2005). Management of Common Musculoskeletal Disorders: Physical Therapy Principles and Methods, Fourth Edition. Lippincott Williams & Wilkins (LWW).

肩膀生物力學三部曲 - 第一部

作者：李鑌

肩膀的「盂肱關節」是相對鬆弛的關節，這在人體中是不常見的，因為大多數的關節主要依靠包覆住關節的“關節囊”和“韌帶”，讓關節在動作的過程中、在面對外來的力量時，可以維持好的關節走向。

肩關節靠什麼來穩定？

當我們的上肢自然垂放在身旁時，關節囊可以提供些許的關節穩定，也可以協助引導關節動作。但在肩關節，肌肉在這些功能中扮演了本質上的角色。

肩關節靠被動 (關節囊、韌帶) 和主動 (肌肉) 的穩定機制來維持關節的完整，這在盂肱關節是必須的。跟髖關節一樣，因為不和諧的骨頭組成只能提供關節一點點的內在穩定。

👉 當手臂在身旁自然擺動時：

1) 肩關節的「上部關節囊」和「喙肱韌帶」正常會處於緊繃的狀態，這是被動的穩定機制；

2) 而肩盂窩的朝向會有點面向上方。也就是就算你的手不抬高，肩胛骨本來就處在“往上旋轉”的位置。這靠的是穩定肩胛骨的肌群一起協力完成，亦算是一種主動的穩定機制。

懸垂手臂的重量會產生一個垂直往下的力量，這個力量會讓上關節囊因應產生一個彈性張力。這兩個方向的力就會產生一個合力，傾向將肱骨頭拉往些微朝向上方的肩盂窩。

如此一來，當手臂懸垂在身旁時，上關節囊的緊繃、和盂窩的朝向穩定了肱骨。這樣的機制讓手臂懸垂在身旁時，你的三角肌 (Deltoid) 和旋轉肌群 (Rotator cuff) 不需要收縮去防止肱骨的往下半脫位，就算你的手提著有點重量的東西也是如此。

👉 當手臂在身旁的任何平面抬起時：

上關節囊的張力消失，所以無法再靠關節囊維持關節的完整。這個時候我們的旋轉肌群，就也是棘上肌、棘下肌、小圓肌，以及肩胛下肌，在動作的過程中，就必須主動收縮來將肱骨相對於盂窩維持在一個合適的走向。

如此一來，當手臂抬起時，旋轉肌肌腱 (與關節囊相融) 提供了盂肱關節的穩定，這即是肩關節穩定的「主動機制」。

肩關節又會如何不穩定？

臨床上有幾個常見的情況會導致這樣正常的穩定機制受到影響，兩個常見的原因為：

1) 正常肩帶結構性的骨頭排列發生改變 (肩關節囊的被動穩定機制＋肩胛骨的主動穩定機制)；

2) 旋轉肌群無力 (主動穩定機制)。

在胸椎駝背的人身上，肩胛骨跟隨胸椎的曲度，會變成處在“往下旋轉”的位置，導致盂窩不再朝向上。而在這個位置下，懸垂在身旁的手臂相對於肩胛骨，亦處在“相對外展”的角度位置，導致盂肱關節上關節囊的張力消失。

在這樣的情況下，即使沒有抬起手臂，旋轉肌群也必須收縮來避免肱骨的往下半脫位，以維持關節的完整。因此，駝背的人必須一直將旋轉肌群維持在“高張”的狀態，來代償關節囊失去的穩定機制。

👉 從這樣的角度看來，有些患者的「五十肩」可能是「胸椎駝背」導致的：

旋轉肌群的張力增加導致肩關節囊的彈性壓力增加，因為旋轉肌肌腱與關節囊“相融”在一起，關節囊的壓力增加會刺激膠原的形成，進一步導致關節囊失去延展性，也就是「關節囊的纖維化」，五十肩就這樣形成了。

👉 在肩帶肌肉麻痺的病患身上也有著相似的狀況：

肩胛骨的肌肉無力導致肩胛骨在胸廓上處在向下旋轉 (Downward rotation) 的位置，常見在中風後的半邊偏癱上。這樣的病患其旋轉肌群的活動亦會降低，因為主動、被動的穩定機制皆喪失了，手臂就傾向於發生「往下半脫位 (Inferior subluxation)」。

肩關節囊對動作的影響

另外，肩關節囊的走向與構造，深深影響著這個關節的動作角度和動作形態。

當手臂自然懸垂在身旁時，關節囊的纖維走向是「往前、往內」的扭轉。因為肩胛骨平面坐落在矢狀面和冠狀面中間，這樣的關節囊扭轉在 肩關節外展 (冠狀面上的抬起) 時增加；在 屈曲 (矢狀面上的抬起) 時減少。

因此，當手臂往外展方向抬高時關節囊的扭轉增加將肱骨頭緊緊的拉向肩盂窩。且當扭轉繼續發生，關節囊纖維的張力也同時逐漸增加，這樣的張力最終導致關節囊將肱骨拉往外轉 (External rotation) 的動作方向。

肱骨外轉會將關節囊“解除扭轉”，並允許後續的動作發生。如果肱骨沒有外轉，肩關節會因為「關節面不正常的壓迫」與「過多的關節囊纖維張力」的合併效應，在外展的半途中卡住。

而外轉的發生，也讓肱骨大結節在外展的過程中避開了喙突-肩峰弓 (Coracoacromial arch)。

抬手沒伴隨外轉，夾擠機率大增

這麼說來，肱骨在外展時產生外轉是一個被動現象，是「肩關節囊的扭轉構造」與「外展是在肩胛骨平面之外的動作，且這個動作方向傾向於增加扭轉」共同產生的結果。如果外轉沒有發生會限制肩關節的全角度動作，因為關節囊鎖死，而且大結節亦會與肩峰相碰、發生夾擠。

👉 常見肱骨外轉被限制的狀況是「五十肩」：

肩關節囊的纖維化使得前側關節囊變得尤其緊繃。關節囊會沾黏在肱骨頭的前側，而位在關節囊前下方處的多餘囊襞也彼此沾黏。

這樣的關節囊緊繃使得肱骨無法產生外轉動作，導致肩關節外展因為「關節囊鎖死」和「夾擠」而受限。這樣的個案直到外轉角度恢復之前，都“不應該”強迫做出肩關節外展的動作。

臨床意義與思考

🔺 胸椎的姿勢對於肩關節是否穩定至關重要，駝背會造成肩關節囊與韌帶較為鬆弛，導致後續肩關節旋轉肌群的高張緊繃、產生相關症狀，甚至是五十肩的可能。臨床上遇到肩關節問題的患者，其胸椎能不能做出良好的伸直，在評估與治療上都是重要的考量。

🔺 因為肩關節囊原本纖維走向的關係，手臂在冠狀面上的抬高本來就應該要伴隨外轉動作。若無伴隨自然外轉，抬高時關節面會產生不正常的壓迫，以及發生肩夾擠的可能。但若是在矢狀面或是在肩胛平面上的抬高，因為肩關節囊不像外展時會這麼扭緊、鎖死，外不外轉就沒有這麼必要。

參考文獻

Darlene Hertling, Randolph M. Kessler (2005). Management of Common Musculoskeletal Disorders: Physical Therapy Principles and Methods, Fourth Edition. Lippincott Williams & Wilkins (LWW).