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〜肘の運動学
肘関節を体表から観察した場合、一見、屈伸運動のみの蝶番関節に見えますが、実際は3種の関節が1つとなった複関節です。 また、関節部の形状は非常に精緻な構造となっていて、その構造が複雑な動きを可能にする要素となっています。 ですが構造が精緻である反故、関節強度は低下することとなり、それが肘関節特有の骨折を生む素地となっています。 そこで、肘関節構成体について簡単に紹介し、肘関節が持つ機能を説明していきます。

1.肘関節構成体

2.肘関節を構成する関節

3.肘関節(前腕)の運動に関する筋肉

4.上腕骨遠位端部の形状

5.尺骨近位端部の形状

6.橈骨遠位端部の形状

7.肘関節に付帯する主な靭帯

8.肘関節の診断法



1.肘関節構成体


肘関節構成体

 : 1 上腕骨 2 尺骨 3 橈骨
靭帯 4 内側側副靭帯< 5 外側側副靭帯 6 橈骨輪状靭帯
筋肉 屈曲
伸展
回内
回外
7 上腕二頭筋
10 上腕三頭筋
11 方形回内筋
12 回外筋
8 上腕筋 9 腕橈骨筋



2.肘関節を構成する関節


腕橈関節  : 構成する骨 上腕骨・橈骨
関節の分類 顆状関節
詳   細 上腕骨小頭と橈骨頭の成す関節で球関節に分類されます。橈骨頭の前後径と左右径は有意差があり、前後径が長く左右径は短くなっており、このため前腕の回旋運動時には運動軸が外側方移動します(これは最大回内時、軸は外側方向に1〜2?oずれる)。これが前腕回内運動範囲拡大を可能にすると共に肘関節の弱点構成材料となります。
腕尺関節  : 構成する骨 上腕骨・尺骨
関節の分類 蝶番関節(螺旋関節)
詳   細   上腕骨滑車と尺骨滑車切痕の成す関節で螺旋関節です。関節面の内・外側長の違いにより軽度の内反・外反運動を伴い、併せて前腕の回旋運動時に5〜10°程度の側方偏位がみられ、上腕骨遠位の骨性弱点を強めます。
上橈尺関節 構成する骨 橈骨・尺骨
関節の分類 車軸関節
詳   細   橈骨頭の関節環状面と尺骨の橈骨切痕の成す関節で、ボールベアリング型の車軸関節です。橈骨頭関節面の螺旋形状により、純粋な軸回旋は行われず、それにより前腕回旋を効率的に行わせる+要因と、前腕回外時に肘関節の不安定性を生むという−要因を形成します。



3.肘関節(前腕)の運動に関する筋肉


肘関節(前腕)の運動に関する筋肉

肘関節の運動は「屈曲」「伸展」「回外」「回内」の4つを組み合わせて行ないます。それぞれの運動について、作用する筋肉をまとめたのか下表で、上段は主に作用する筋で下段は補助的な役割を持つ筋になります。

屈曲145 上腕二頭筋、上腕筋、腕橈骨筋
円回内筋、手関節屈筋群
伸展5° 上腕三頭筋
肘筋、手関節伸筋群
回内90° 方形回内筋
円回内筋、肘筋、(腕橈骨筋、手関節屈筋群)
回外90° 回外筋
上腕二頭筋、長母指外転筋、(腕橈骨筋)



4.上腕骨遠位端部の形状


上腕骨遠位端部の形状
1 内側上顆 :内側上顆の側方突出が受持つ作用に注目
2 外側上顆 :外側上顆の大きさが持つ作用に注目
3 上腕骨滑車 :上腕骨滑車の回転軸の位置と、外側及び内側面の関節面の差異に注目
4 上腕骨小頭 :微妙な楕円関節面に注目
5 鈎突窩 :屈曲制御因子としての作用に注目
6 肘頭窩 :伸展制御因子としての作用に注目

1 内側上顆の側方突出


内側上顆の側方突出

内側上顆は外側上顆よりも側方突出が大きくなっています。この側方突出が肘関節に与えるメリットは前腕屈筋群の作用効率を高めることです。後述する他の要素と併せることにより前腕屈筋群は伸筋群に比べて1.6倍という筋力の増加を可能にしています。しかし、この側方突出は外側側副靭帯に比べ内側側副靭帯は脆弱であることと相まって、肘関節の不安定性の一因となり、また体表面より突出することで外力を受けやすいというデメリットにもなっています。

2 外側上顆の大きさ


外側上顆の大きさ

内側上顆に比べ側方突出は小さいのですが、顆長は外側上顆のほうが長くなっています。これは肘関節の屈曲伸展軸(腕尺関節の屈曲伸展軸ではない)が外側に偏る事で、前腕長軸方面からの負荷に対して抗しなければならないからです。この顆長の不一致が上腕骨滑車の内側及び外側関節面の不一致を形作る要因となります。

3 上腕骨滑車の回転軸の位置と関節面の差異


上腕骨滑車の回転軸の位置と関節面の差異

上腕骨滑車は、上腕骨体から45°の角度で前方に突出しており(Tilting angle)、その関係で、肘関節が屈曲伸展運動するときに回転軸は上腕骨長軸より前方に位置し関節可動域の拡大に寄与しています。あくまで理論的な話ですが、この構造によって180°という大きな関節可動域を確保することが出来たのです(もしTilting angleがなければ100°位しか可動域は確保出来なかったでしょう)。実際は筋肉が付いて可動域を狭めることになりますから145°という可動域になります。

次に上腕骨滑車を側方から見た場合ですが、これは大腿骨と同じように完全なる球状ではなく螺旋形状(大腿骨顆部より軽度の)となっています。上腕骨滑車の彎曲の曲率半径は前上方へいくに従って短くなり、これは肘関節屈曲位になるに従い回転軸は前方へ移動することを意味しています。この上腕骨滑車の前方突出と螺旋形状により肘関節屈曲を誘導し可動域を広げることが可能となったのです。

内側関節面(内側唇)と外側関節面(外側唇)の差異についても触れたいと思います。上腕骨滑車は糸巻き状を呈していますが、その可動中心はやや外側に偏って、滑車溝は斜走しています。また、外側関節面に比べて内側関節面の方が長く大きいという特徴を持っていて、これらの構造が顆部の形状不一致と合わせて、肘関節伸展時に運搬角(又は肘外反角:Carring angle)を形成します。このCarring angleはほとんどの場合、肘屈曲時には消失します。この螺旋運動により前腕屈筋群の作用効率を更に高め、肘関節屈曲100°の時に最大筋力となるのです。

上腕骨滑車の特徴をまとめると以下の通りです。
1、上腕骨滑車の運動軸が長軸に対し、外側で約84°
2、滑車の内側唇は外側唇より小さい

4 上腕骨小頭の楕円関節面


上腕骨小頭の楕円関節面

上腕骨小頭は半球状を呈しています。これにより上腕尺関節の車軸運動(回内・回外運動)をスムーズに行えるように補助している。

前腕の回旋運動はそのままであれば前腕両骨をクロスさせることになり、関節可動域を広げることは困難になります。その為に、2つの要素を加えることで回内・回外で180°という広い可動域を確保することが可能となったのです。

2つの要素のうち1つは、橈骨クランク(橈骨のクランク状形態)でこれは肘関節から外れるので今回は説明から省きたいと思います。もう一つが上腕骨小頭の楕円関節面です。これは前後径に比べ左右径が短いというもので、楕円関節面であるからこそ前腕両骨の接触を回避しながら回旋出来るようになり、また橈骨回旋軸を外側へ移動することで、車軸運動における関節可動域を広く確保することが出来るようになったのです。

5 鈎突窩の屈曲制御因子


肘関節の屈曲制御因子は、自動運動(自分の筋力で動かす運動)と他動運動(他人の力などで動かす運動)では異なります。自動運動下では筋収縮によって固くなった上腕と前腕の筋が衝突することによって屈曲は制御されます。この時、一般的に言われているような「鈎突窩は制御因子になる」は当てはまりません。鈎突窩は他動運動の時に制御因子となります。他動運動の制御因子は次の4つです。

1、橈骨頭が橈骨窩に衝突
2、鈎状突起が鈎突窩に衝突
3、関節後方靭帯の緊張
4、三頭筋に他動的に生じる緊張


これらが屈曲制御因子となって肘の屈曲運動を制限し肘関節の保護を行います。自動運動に比べて他動運動時の方が関節可動域は15°程広くなります。自動運動においては鈎突窩における屈曲制御因子としての役割は従来言われているより大きなものではなく、又、可動域を広げる要素も少ないことが理解出来ます。

6 肘頭窩の伸展制御因子

    
肘関節屈曲時は自動運動・他動運動の区別により制御因子は異なっていましたが、伸展時に関してはその区別はありません。  

肘関節の伸展制御因子は次の3つです。    
1、肘頭の肘頭窩への衝突    
2、関節前方靭帯の緊張    
3、肘屈筋(二頭筋、上腕筋、回外筋)の緊張   
   

以上の事から、鈎突窩に比べて肘頭窩の制御因子としての役割は大きいといえます。



5.尺骨近位端部の形状



1 肘頭 :完全伸展位を制御する作用に注目
2 滑車切痕 :関節軸が尺骨長軸と一致していない点に注目
3 鈎状突起 :関節窩としての機能に注目
4 橈骨切痕 :線維骨性輪に注目

1 肘頭の完全伸展位制御機構


肘関節の完全伸展位は自然肢位では起こりえず、軽度屈曲位となります。それは次のような要因があるからである。
1、肘屈筋の筋トーヌスは肘伸筋より優位
2、肘側副靭帯の緊張
3、上腕三頭筋の肢位的機能低下
4、肘頭の完全伸展位制御機構


まず、1は肘屈筋の筋力は伸筋に比べ約1.6倍強くなっている。その関係で、筋トーヌスも肘屈筋の方が優位となり自然肢位時に肘は軽度屈曲位となり、また、筋性カフ(後述する)による機械的抵抗も関係します。2に関しては、側副靭帯は肘屈曲・伸展共に緊張を起す関係で経度屈曲位において一番安定しやすいといえます。3は上腕三頭筋は肩関節と肘関節を跨ぐ〈二関節筋〉であり、肩関節の肢位により筋力は変化するという特性を持っています。肩関節90°屈曲時に筋力が最大となり、自然肢位時には筋力が低下し肘伸展力は低下するので軽度屈曲位になりやすいのです。そして4です。

肘頭には関節包が付着しており、肘屈曲時には関節包は緊張し伸展時には弛みを作り肘を伸展すると巻き込みを作ります。これが肘伸展を制御する役割を担っています。また肘頭の形状そのものも制御因子となります。上腕骨滑車は螺旋形状であり、肘関節の回転軸を前方に導くと書きましたが、肘頭の形状も又同様に回転軸を前方に導く形状をしており、完全伸展位を取る時には腕尺関節は不安定状態となり、軽度屈曲時の方が安定した肢位となります。

この様な完全伸展位制御機構が有るが故に、肘関節の炎症性外傷の初期症状はまず肘関節伸展障害が起こってしまうのです。

2 滑車切痕の関節軸傾斜


滑車切痕の関節軸は尺骨長軸に対し4°外反方向に傾斜しています。これによって中心軸と屈曲機構との距離を大きくして、前腕屈筋群の作用効率を高めることが出来るのです。それでは前腕屈筋群の作用効率を高める要素と肘外反角(Carring angle)を形成する要素をまとめてみます。
※ 前腕屈筋群の作用効率を高める要素
1、内側上顆の側方突出
2、Carring angleの存在
3、肘関節回転軸の前方移動

※ Carring angleを形成する要素
1、上腕骨滑車の運動軸が長軸に対し、外側で約84°
2、滑車の内側唇は外側唇より小さい
3、滑車切痕の関節軸が4°外反傾斜している

3 鈎状突起の脆弱な関節窩機能


尺骨は肘頭と鈎状突起によって滑車切痕という関節窩を形成するといえます。しかし、肘頭に比べると鈎状突起の関節窩としての機能は脆弱な状態と言えます。

関節の安定性は関節窩が描く円弧に比例します。分かりやすく言うと、円弧が大きければ大きいほど関節の安定性は高くなるのです。滑車切痕の円弧は180°に満たないことから関節窩機能としては十分に機能していないと言えますが、これは肘頭の形状よりはむしろ鈎状突起の構造から来るものだったのです。それは上腕骨小頭の螺旋形状に対応するために鈎状突起の方が関節窩は浅くなるからで、その関係もあり肘関節は後方脱臼が多いのである。この脆弱さを補うために2つの筋性カフが作用し肘関節を安定させようとします。

筋性カフには、上腕筋性カフ(上腕三頭筋、上腕二頭筋、上腕筋)と前腕筋性カフ(腕橈骨筋及び外側・内側上顆から起こる筋群)があります。これらが関節窩として浅い鈎状突起を補い、関節の適合性を高めます。

関節窩機能が脆弱なだけでなく、鈎状突起を構成する骨部もまた脆弱です。鈎状突起の尺骨長軸方向における骨幅は肘頭に比べ1/2程度に過ぎませんから外からの力に対して十分な強度を持っているとは言い難いのです。また、鈎状突起の構造上、尺骨長軸方向からの圧迫力を吸収する役を担っているので、肘の後方脱臼を伴った骨折を起しやすいのはこういった理由があったからです。

4 橈骨切痕の線維骨性輪


橈骨切痕は関節窩として機能していますが、橈骨頭の関節面に比べるとその関節窩はわずか1/3〜1/4程度しかありません。上橈尺関節は車軸関節という関節ですが、滑車切痕の関節窩面を補い、その運動を可能にしているのが橈骨輪状靭帯の存在です。このように骨性と靭帯性の両者で構成される輪を線維骨性輪といいます。

また、橈骨頭は正円形ではないので、もし完全な骨性輪であった場合、軸回旋運動は小さな範囲でしか行なえないはずです。線維骨性輪であるが故に、回内・回外合わせて180°という大きな運動が可能になったのです。

しかし、可動域が大きいという事は反面、不安定な関節であるともいえます。それをカバーするのが内側側副靭帯、前述した筋性カフ、方形靭帯そして骨間膜です。このうち尺骨に対して橈骨の下方牽引に対する抵抗は骨間膜のみで、その関係で小児の場合は橈骨頭の形成が未熟な点と相まって肘内障(子供の手を強く引いたとき起こる上橈尺関節の脱臼)を起しやすいのです。  



6.橈骨遠位端部の形状



1 関節環状面  :楕円形状及び5つの副次的運動に注目

橈骨頭の形状は関節窩としての機能と関節頭としての機能を両方併せ持つ部位です。橈骨頭上面は上腕骨小頭に適合するため凹型となっており、側面は橈骨切痕に適合するために車輪状になっていまする。

上橈尺関節は軸回旋を行う時に上腕骨内側境界面に接することと回内運動を大きく行なうために、橈骨頭の形状を楕円形になっており(長軸28mmに対して短軸24mmという螺旋形状)、また、橈骨頭上面のうち内側2/3は削り取られた感じになっており、十分な関節窩としての形態を保っていません。この2つの特長により、次の5つの副次的運動が生じます。  

1、橈骨頭の凹面(上面)が上腕骨小頭の螺旋形状に合わせて軸回旋を起す
2、橈骨頭の斜面部(削り取られた部分)が上腕骨の小頭・滑車溝と接して滑走する
3、回内時に橈骨頭の軸は外側に1〜2mm偏位する
4、橈骨頭の軸が外側に15°傾斜する

5、回内時に比べて回外時の橈側前腕長は僅かに長くなる



7.肘関節に付帯する主な靭帯




1 内側側副靭帯
2 外側側副靭帯
3 橈骨輪状靭帯
4 方形靭帯

1 内側側副靱帯


上腕骨内側上顆から起こり前束は尺骨の鈎状突起、中部は扇型に広がって滑車切痕の内側縁に、後束は肘頭の内側縁についています。特に内側の安定性に寄与するのが前束です。また、少し薄いが、前方部と後方部の付着部を結ぶ横の線維を横走靭帯(Cooper靱帯ともいう)で強められています。前束は後束の前部を覆うようにありこの靭帯の前縁は伸展位で緊張、屈曲位で弛緩して、後縁と後束は逆の作用をしています。総合的にこの靭帯は肘関節運動時において、運動の両運動域において緊張を見せるといえ、また、前束の一部は橈骨輪状靭帯を補強しています。

2 外側側副靱帯


外側側副靱帯は上腕骨外側顆から起こる三角形の強い線維束で、前後2部に分けられます。前方の部は橈骨頭の前面に出て橈骨輪状靱帯と癒着し、尺骨の橈骨切痕前縁から鈎状突起下縁に達します。これが狭義の外側側副靭帯になります。後方の部は外側尺側側副靭帯といい尺骨の橈骨切痕後縁から回外筋稜につきます。この外側尺側側副靭帯が外側の安定性に最も寄与しているのです。この2つの靱帯のいずれも橈骨には直接的な強い結合を作りません。他に副靭帯があります。文献によっては次の橈骨輪状靭帯も外側側副靭帯に含めるものもありますが、肘関節の側方動揺の保持という観点から考えると、外側側副靭帯に含めない方が良いと思います。

3 橈骨輪状靭帯


橈骨輪状靱帯は橈骨の関節環状面を輪状に取りまく強い靱帯で、尺骨の橈骨切痕前縁から出てその後縁に付きます。関節包の内層の特殊化ともみることが出来るのですが、関節腔に向かう内面は軟骨性となり、上橈尺関節の関節窩の一部となっています。外面は関節包に固く付き、関節包の前面や外面の靱帯の線維が混入しています。この靭帯は回外筋に被われており、その筋膜を切除すると、遠位方向に狭くなるという特徴があります。漏斗状で橈骨頭を取り巻いていて内側側副靭帯の前束、外側側副靭帯(狭義)及び副靭帯によって補強されています。

4 方形靭帯


方形靭帯は橈骨切痕の下縁と橈骨頸に付着している線維束より形成されています。方形靭帯は橈骨輪状靭帯により補強を受けており、関節包下縁を補強するという役割を受持っています。



8.肘関節の診断法





肘の外傷を起した時、特に小児は診断が難しいといわれています。そこで運動学とは少し離れていますが診断法についても簡単に触れたいと思います。

肘関節に何らかの障害を起して病院にいく時に多くの場合?]線写真を撮りますが、医師は単に骨が折れているや脱臼しているといった事を見るだけでなく、様々な形や角度も併せて見ています。それは?]線写真というのは骨しか写らず、骨端軟骨部や軟部組織はきちんと判断しにくいからです。それを補うために様々な角度を測り正常かどうかを判断するのです。それではここで代表的なもの幾つか紹介していきましょう。

・Baumann angle
・Carring angle
・Tilting angle
・Huter線
・Huter三角


これらの内容を良く理解した上で、X線診断を行わないと小児に良く見られる顆上骨折を見落としたり他の骨折や脱臼と取り違えたりする可能性があるので十分に注意が必要といえます。


参考文献
『運動器の機能解剖』 医歯薬出版 2003年
『解剖学講義』 南山堂 1986年
『カパンディ関節の生理学』 医歯薬出版 1986年
『関節・運動器の機能解剖 上肢・脊柱編』 協同医書出版社 1986年
『今日の診療プレミアム vol.13 DVD-ROM版』 医学書院 2003年
『小児四肢骨折治療の実際 改定第2版』 金原出版 2001年
『整形外科クルズス』 医学書院 2003年
『手・肘の外来』 メジカルビュー社 2000年
『分担解剖学/総説・骨学・靭帯学・筋学』 金原出版 1992年
『分担解剖学/脈管学・神経系』 金原出版 1992年
「Journal of Orthopaedic Science」2003;Vol.8
           「Journal of Orthopaedic Science」2001;Vol.6
「JAPANESE JOURNAL OF SPORTS SCIENCES」 2-5、1983
   「The Journal of Bone and Joint Surgery」 1975;Vol. 57-B
その他

〈構成・作成〉
m yamada 2005©

※この資料で使用している解剖のイラストは上記参考文献などにあるイラストを基に一部改変を加えたものです。
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