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Martin Lin, Taiwan, currently in UK

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手部解剖學與生物力學 Hand and Wrist Anatomy and Biomechanics

Updated: Apr 20, 2020


今天的主題是手與手腕的解剖學與生物力學。解剖學是診斷的根基,最基本中的基本。最基本的東西通常也會是最枯燥的東西。了解解剖學之後才可以連結到實際應用層面的生物力學,利用生物力學我們可以分析一個動作模式是否有錯誤,並且運用生物力學的方式選擇應該如何強化周遭組織以避免傷害的產生。礙於翻譯的困難,本篇文章會有很多的英文專有名詞簡寫,還請各位讀者見諒。


手部解剖學(Hand and Wrist Anatomy)

相較於身體其他部位,手部的解剖學相當的複雜,小小的一塊區域有無數個骨頭、韌帶與肌腱。整個手部主要可以分為手腕(Wrist)以及手掌(Hand)兩個部分來做討論,在這邊會只會擷取一些重點進行說明,


骨頭(Bone)

下面將手部分為手腕與手掌來描述其結構。

手腕(Wrist)

手腕的構造和手肘相似主要由 Radius、Ulna 與 Carpal bone 組成,其中包含了三個關節面:

  • Radiocarapl joint:由 Radius、Scaphoid 、Lunate 與 Triquetrum 組成

  • Ulnocarpal joint:由 Ulna 、Lunate 與 Triquetrum 組成

  • Distal radioulnar joint:由 Ulna 與 Radius 組成

手掌(Hand)

手掌的構造則主要由掌骨(Carpal bone)與指骨(Phalanges)組成,掌骨可以分為:

  • Proximal row 包括 Scaphoid、Lunate、Triquetrum 與 Pisiform

  • Distal row 包括 Trapezium、Trapizoid、Capitate 與 Hamate

指骨的一般的構造可以分為:

  • Metacarpal bone:與 Carpal bone 形成 Carpometacarpal joint, CMCJ

  • Proximal phalange:與 Metacarpal bone 形成 Metacarpophalnageal joint, MPJ

  • Middle phalange:與 Proximal phalange 形成 Proximal interphalangeal joint, PIPJ

  • Distal phalange:與 Carpal bone 形成 Distal interphalangeal joint, DIPJ

同時也可以和掌骨合併在一起分為

  • Radial Column:由 Radial side of radius、Scaphoid、Trapezium 與 Trapezoid 組成

  • Central Column:由 Ulnar side of radius、Lunate 與 Capitate 組成

  • Ulnar Column:由 Ulna、Triquetrum、Pisiform 與 Hamate組成


韌帶(Ligament)

整個手部的韌帶非常複雜,但是大略上可以分為 Extrinsic ligaments 與 Intrinsic ligaments,分別代表連接 Carpal bone 與 Metacarpal、Raduis 或 Ulna 的韌帶以及連接 Carpal bone 彼此間的韌帶。其中 Extrinsic ligaments 又可以分為 Dorsal side 與 Volar side,由於數量眾多,所以下面僅列出比較重要的部分:

  • Extrinsic dorsal ligaments Dorsal radiocapral、Dorsal Intercarpal ligament 這些韌帶都會匯集在 Triquetrum 所以那個位置容易發生 Avulsion fracture

  • Extrinsic volar ligaments Ulnotriquetral、Ulnolunate、Short/Long radiolunate、Radioscaphocapitate Ligaments 這邊要注意的是上面的幾條韌帶與他們形成的拱形結構,當這些韌帶斷裂會形成所謂的Perilunate dislocation,也就是 Lunate 本身是穩定的,但周遭構造不穩定。這些韌帶以Short/Long radiolunate ligament 最為強壯

  • Intrinsic ligaments Scapholunate、Lunotriquetral ligament 其中又以 Scapholuate ligament 最為重要,可以說是手部的 ACL

手指的部分主要有下面幾條韌帶:

  • Collateral ligament/Accessary ligament:維持手指在側向的穩定度 這些韌帶有所謂的 Cam effect,也就是當 Finger extension 的時候韌帶相對是鬆的,而 Finger flexion 的時候是緊的。為的就是能形成一個強而有力且穩定的拳頭

  • Volar plate:主要用以防止手指 Hyperextension

A from Fess EE et al, B modified from Wynn Perry CB et al


肌肉(Muscle)

在肌肉的部分同樣可以依照是否有跨過腕關節分為 Extrinsic 與 Intrinsic,而又可以依照功能分為 Flexor 或 Extensor。這邊的肌肉非常多,依照接點的不同,功能會不同。大致上的原則是 Extrinsic flexor 的 Origin 都在 Medial epicondyle,Extrinsic extensor 的 Origin 都在 lateral epicondyle,Extensor 通常會伴隨著 Spination 而 Flexor 通常伴隨著 Pronation。下面就列舉一些肌肉,大家可以看過就好,真的有需要再仔細去查:

  • Extrinsic extensor(這些肌肉又可以分為不同的 Compartment) Extensor pollicis brevis EPB、Abductor pollicis longus APL(1) Extensor carpi radialis longus/brevis ECRL/ECRB(2) Extensor pollicis longus EPL(3) Extensor digitorum communis EDC、Extensor indicis EIP(4) Extensor digiti minimi EDM(5) Extensor carpi ulnaris ECU(6)

  • Extrinsic flexor Flexor digitorum superficialis FDS:跨過 PIPJ Flexor digitorum profundus FDP:跨過 DIPJ Flexor pollicis longus FPL Flexor carpi radialis FCR Flexor carpi ulnaris FCU Palmaris longus Pronator quadratus

Intrinsic muscle 的功能主要是掌管手指的細動作

  • Thenar muscles(掌管大拇指動作的肌肉) Extrinsic:APL、EPB、EPL、FPL Intrinsic:Adductor pollicis、Flexor pollicis brevis、Abductor pollicis brevis、Opponens pollicis

  • Hypothenar muscles Flexor digiti minimi、Abductor digiti minimi、Opponens digiti minimi

  • Interossei Dorsal interossei、Palmar interossei 可以利用 DABPAD 來幫助記憶 D=dorsal、P=palmar、AB=abduction、AD=Adduction

  • Lumbricals 因為 Origin 位在 FDP tendon 上而且會跨過 MCPJ 並一直接到 Extensor tendon,所以在動作上會形成 MCPJ flexion 與 PIPJ extension


Triangular Fibrous Cartilage Complex(TFCC) 在介紹完上面的基本骨頭、韌帶與肌肉構造之後要稍微講解一下手腕的百慕達三角洲 TFCC。TFCC 其實是一個由軟組織所組成的複合體,其功能是維持手腕的穩定性。主要是由下面幾個構造共同組成:

  • Distal radioulnar ligament:分為 Doral 與 Volar side

  • Articular disc

  • Meniscus

  • Ulnocarpal ligament Ulnolunate 與 Ulnotriquetral ligaments

  • ECU subsheath


神經(Nerve)

神經的部分主要是由三條神經所組成,分別是 Radial、Median 與 Ulnar nerve。Median nerve 會經由 Carpal tunnel 由 Palmar side 進入手掌,Ulnar nerve 則是在 Carpal tunnel 之上,並且在靠 Ulnar side 的位置進入手掌,所以任何的切口都有機會傷到 Ulnar nerve。Radial nerve 在手腕附近已經分為 Superficial branch(感覺居多) 與 Deep branch(運動居多),下面分成運動與感覺部分稍微描述。


Sensory(感覺)

  • Radial Nerve:支配手的背側,可以測試 Snuffbox 附近的感覺來檢測

  • Median Nerve:支配 Radial side 三指半的感覺,測試食指的感覺來檢測

  • Ulnar Nerve:支配 Ulnar side 一指半的感覺,測試小姆指的感覺來檢測

Motor(運動)

  • Radial Nerve 主要支配 Long extensor

  • Median Nerve 主要支配一些 Long flexor 與 LOAF(Lumbrical、Opponens pollicis、APB、FPB)

  • Ulnar Nerve 主要支配 FCU、FDP 以及上述以外手部其他肌肉(負責精細動作)


血管(Artery)

這邊的血管基本上不太容易出問題,會受傷主要還是創傷造成的,到肢體末端也不是很大的血管。主要都是來自 Radial 與 Ulnar artery 的分支共同形成 Superficial 與 Deep palmar arch。



手部生物力學(Hand and Wrist Biomechanics)

之前有聽過一句話"Hand makes us human",足見手在人的生活中扮演著多麼中要的腳色。在大腦皮質的控制區域可以看到,手所佔的面積相當大,因為手有大量的精細動作需求。

手最重要的功能就是形成一個強而有力的拳頭,這也是人類和其他動物最大的差異。要形成一個強而有力的拳頭最主要的兩個要素是大拇指與小拇指。大拇指可以說是全身上下活動度最高的關節。小拇指與無名指在 MCPJ 的 Dorsal-volar axis 活動度遠比中指與食指大,而且手掌先天上呈現一個凹槽的結構,這樣的構造更加讓人類可以形成一個強而有力的拳頭或是完整的盆狀構造,讓早期的人類可以抓握與取水。


大拇指生物力學(Thumb Biomechanics)

大拇指是一個 Saddle joint 也就是一個馬鞍狀的關節面,因為這樣的結構讓大拇指可以做出相當多面向的動作。

  • Abduction/Adduction:將大拇指向上遠離/向下靠近掌面

  • Flexion/Extension:將大姆指水平移向/遠離掌面

  • Opposing:將大拇指往小指方向移動


其他手指生物力學(Fingers Biomechanics)

上面看完了大拇指之後,我們來看看其他手指是怎麼運動的,運動做主要可以分為手指的伸展與屈曲。以構造上來說 Flexion 的所有肌腱強度都會比 Extension 強,這也是為什麼你的手在放鬆的時候會處於一個相對 Flexion 的狀態。這樣的特點對於手指運動傷害的處理很重要,牽扯到 Flexor tendon 的運動傷害往往需要及時地進行修補(Repair),若是超過一週有些時候肌腱攣縮的程度會變得很嚴重,因而只能以重建(Reconstruction)的方式進行手術。


屈曲生物力學(Flexion mechanism)

手指屈曲最主要的功能是讓我們形成一個強而有力的拳頭或是進行抓握。在臨床判斷上,我們不一定會去強調 MCP、PIP、DIP 每一個關節的活動度如何,因為以所謂 Functional anatomy 的角度來看,要維持功能最重要的是能不能夠抓握與形成拳頭,所以反而會以類似手指差多少可以碰到手掌來描述。在這邊我們主要要講的是以下幾個構造:

  • Flexor digitorum superficialis:主要負責 PIPJ 的屈曲

  • Flexor digitorum profundus: 主要負責 DIPJ 的曲曲

  • Collateral ligaments:負責穩定手指側向的活動,可以分為 Proper 與 Accessary lig.

  • Volar plate:負責防止手指 Hyperextension

  • Pulley:負責在動作時將 Flexor tendon 穩定在適當的位置,並且提高生物力學效能

FDS 與 FDP 會形成一個所謂 Camper's chiasma 的構造,也就是 FDP 會經由 FDS 中間穿過,另外一個要知道的就是上面有提過的 Collateral Lig. 的 Cam effect 。

至於所謂的 Pulley 可以從下面這張圖看出他是怎麼樣提供生物力學的優勢,因為有 Pully 固定在那個位置,所以可以讓關節有著更大的活動度。一般而言,Pulley 的傷害會出現在 攀岩的選手或是常常需要手指屈曲的人身上。


伸展(Extension mechanism)

在這邊我們主要要講以下幾個構造:

  • Extensor digitorum:這條肌肉是進行手指伸展的最主要肌肉

  • Central slip:這個構造是上面 ED 的肌腱所形成,會跨過 PIPJ 所以是對 PIPJ 進行伸展

  • Lateral band:這個構造主要是由 Interossei 與 ED 的 lateral tendon 一起組成,這個結構會跨過 DIPJ,因此可以對 DIPJ 進行伸展

  • Sagittal band:這是位在 MCPJ 這個關節外的結締組織,用來穩定 Extensor tendon

Figure from Clinicalgate.com and Orthobullet

當手指要進行伸展的時候,在 PIPJ 的部分主要交由 Central slip 來負責,而 DIPJ 則是交由 Lateral band 來負責。Sagittal band 在這裡扮演的腳色則是讓整個 Extensor tendon 在收縮時可以穩定的在軌道上。

因此若是 Central slip 受傷而沒有傷到 Lateral band 的話就有可能出現所謂的 Boutonniere Deformitiy,也就是 Extension of DIPJ with flexion of PIPJ。

Figure from GC Hand Therapy



手腕生物力學(Wrist Biomechanics)

手腕除了 Flexion 和 Extension 以外還有 Pronation 與 Supination。後者的動作主要是靠著 Distal radioulnar joint 所完成的。Ulnar 和 Radius 不同,是一條接近筆直的骨頭,而且在進行 Pronation 和 Supination 的時候是不會有所動作的。整個前臂的旋轉中心是由 Proximal radial head 和 Distal ulnar head 所形成。 在旋轉的過程中,Radius 會以 Ulnar 為中心進行旋轉,而之所以能夠旋轉的原因是不管 Proximal 或 Distal 的 Radioulnar joint 都是一個 Pivot joint,因此 Radius 才可以在 Ulna 上進行旋轉。

在手腕的動作中,其實最適當的生物力學移動方式並非純粹的 Flexion 與 Extension,而是 Dart Thrower's Motion,也就是 Radial deviation 會配合 Wrist extension 而 Ulnar deviation 則是配合 Wrist flexion。這個動作發生的主要位置是在 Midcarpal joint,動作基本上有點像是射飛鏢,會造成這樣的原因是因為生物理學上的旋轉中心本身就不是水平的。在這樣的動作模式下 Scapholunate ligament 所受到的壓力會比單純的 Flexion/Extension 或 Deviation 來的小。所以下次進健身房訓練的時候不要做錯角度而將過多壓力施加在不該施加的地方了。



手掌生物力學(Carpal Biomechanics)

手掌的部分可以分為 Proximal row 與 Distal row,在 Proximal row 上基本上是沒有任何的肌肉附著其上,所以一切的動作都是相對於手掌其他的部位進行。在 Proximal row 中最重要的兩條韌帶就是 Scapholunate ligamentLunotriquetrum ligament。因為有著這兩條韌帶才可以讓 Proximal row 可以共同移動。

在 Proximal row 的骨頭中,當進行 Radial deviation 的時候 Scaphoid 會 Flexion 而 Ulnar deviation 時則會 Extension。

而在一般的情形下,Scaphoid 相較於 Triquetrum 會呈現 Flexion 的狀態,而Lunate 夾在他們中間扮演一個橋樑樞紐的腳色。在所有 Intrinsic ligament 的受傷中,Scapholunate ligament 是最常見的受傷部位,當失去 Scapholunate ligament 的時候 Lunate 就會跟著 Triquetrum 移動,使得 Scaphoid 和 Lunate 之間的夾角變大(正常情況下為 30-60度,通常為 45 度),這樣的結果會造成上方的 Capitate 往下進而打開 Scapholunate junction,久而久之就會造成退化性關節炎。


Position of Safe Immobilisation(POSI)

最後和大家提一下,如果你受傷了但是卻什麼都不知道,只要暫時將手擺到這個位置並且固定,基本上就不太會出錯。這個最早由 JIP James 所提出的姿勢可以說是最安全的姿勢,因為它可以最大限度的穩定手的功能與防止各種肌腱韌帶的攣縮。


總結

手部的解剖學與生物力學真的相當複雜,或許這個位置並不會造成嚴重的生命安全問題,但是卻會大大的影響人的生活品質與某些需要精細動作的運動表現。了解解剖學與生物力學是運動醫學的基礎,不只對於臨床診斷、抽絲剝繭有幫助,也可以提供給病人運動訓練方面的指引。


Dr. M 我們下次見!



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