矫形器的生物力学控制原理
从前述的矫形器的基本作用可以看出，矫形器的基本作用不外乎是固定、稳定、预防-矫正畸形、减免轴向承重、抑制肌肉痉挛以及补偿肢体的不等长。这些都与人体的生物力学有关，这些都是依靠矫形器对人体一些部位形成的外力作用达到的。因此，矫形器的生物力学知识是理解肢体畸形，进行矫形器需求评估，写好矫形器处方，做好矫形器设计的基础。有关矫形器生物力学方面的知识很多，包括人体功能解剖学、人体的步态、人体运动学、动力学等方面。此处仅对与矫形器基本作用密切相关的生物力学知识做些简单的介绍。
力具有大小和方向性。力能引起物体围绕旋转轴转动的效果，被称为“力矩”。力矩的大小取决于力与力臂（从力的作用点至转动轴心的距离）的乘积。力矩的单位用Nm（牛顿米）表示。顺时针方向的力矩为正力矩，逆时针方向的力矩为负力矩。矫形器对身体某个部位形成了矫形力矩（modifying moment）。这些力矩对人体的主要作用是抑制或减轻某部位肢体围绕关节轴的旋转运动。
（一）几个基本概念
外力：这里的外力是指外界对人体力的作用，包括重力、地面反作用力等。若穿上矫形器，则还有矫形器对肢体的作用力。外力对下肢主要关节的平衡和稳定有重要的影响。作用于人体的重力线相对于人体关节的位置，会随着站立姿势的不同发生变化。外力对关节的作用与外力和关节间的位置有关，外力作用线相对于关节的位置取决于人体站立姿势。
静态力线：静态站立平衡时，地面反作用力的作用线便是人体静态力线。舒适的姿势站立时，地面反力作用线通过人体髋关节后方、膝关节前方、踝关节前方、足的中间偏后，这样地面反作用力就可以使人体髋关节、膝关节、踝关节保持稳定。
内力：内力是指人体组织结构受到的力。它包括骨骼受到的力，韧带受到的力，关节受到的力，肌肉的作用力。其中骨骼、韧带、关节受到的力是被动的，而肌肉的作用力是主动的。内力是为克服外力作用而产生的。两者互相依赖、互相影响。外力大小的变化（荷重）及作用线的变化（姿势）都能引起内力的变化。反过来，内力的不充分或缺乏（麻痹、骨折、挫伤等），也将影响人体下肢的负重与姿势的改变，从而影响外力的分布。
（二）人体关节的转动运动与稳定
人的肢体受到力的作用，形成力矩可在某一平面内引起某段肢体围绕关节轴心的旋转运动，即关节旋转运动。所受到的作用力可能来自肌肉收缩，即内力，也可能来自人体以外的力量，即外力。当人体关节轴的一侧旋转力矩与另一侧的旋转力矩相等时则关节处于力的平衡状态，即关节的稳定状态。正常人体关节的稳定是依靠关节囊、周围韧带、肌肉协调收缩保证的。一旦这种正常的稳定被破坏了则必须依靠外力产生的力矩才能对抗关节的异常运动。显然这种引起异常运动的力矩越大则需要的稳定的力矩就越大。为了取得较大的力矩，可以增加外力，也可以增加从关节旋转轴心到作用力点的距离，即增加力臂。
矫形器设计中，为保持关节的稳定多采用在某一平面上的三点力控制系统。设计中为了增加稳定力矩，在可能的情况下尽量将矫形器边缘向上、下延长，增加固定范围，增加稳定力臂的长度。当然还可以增加作用力的总面积，增加作用力，减少局部压强。（图2-1-13）(https://www.daowen.com)
图2-1-13 控制膝外翻畸形的三点力系统
A.膝外翻畸形，虚线表示通过下肢的承重线 B.膝外翻的下肢在体重和地面反作用力的作用下加重膝外翻的趋向 C.为预防膝外翻加重需要矫形器的外力
（三）人体关节的平移动
人体关节在剪切力的作用下可以产生平的移动。这种平的移动见于膝关节前交叉韧带损伤后，当膝关节承重时，膝关节的屈曲角度越大则膝关节平的移动越大。为了能在屈膝位能控制膝关节的平动需要应用四点力控制系统矫形器（见图2-1-14）。这种矫形器要求严格地进行模塑，最好应用双轴的膝关节铰链。双轴膝关节铰链的运动特性比单轴膝铰链的运动特性更接近膝关节的运动特性。
图2-1-14 用于治疗膝关节前交叉韧带损伤的四点力控制系统膝矫形器（引自Bowker）
（四）骨的轴向力
正常躯干、下肢承重来源于体重和地面的反作用力，是顺着躯干、下肢的长轴传递的。当脊柱、下肢骨折与关节损伤时，躯干或下肢承重可能引起病变部位的疼痛、畸形和支撑功能的伤失。为了促进病变的痊愈，减少疼痛，改进支撑功能，可以应用矫形器减轻其轴向（即纵向）承重。如带坐骨承重的KAFO可以免除下肢的承重。
（五）地面反作用力
地面反作用力只涉及下肢假肢与矫形器的设计、适配问题。正常人步行中从足跟触地到足尖离地，髋、膝、踝关节的运动都会受到地面反作用力的影响。地面反作用力对髋、膝、踝的作用随着地面反作用力线与髋、膝、踝关节运动轴心的位置变化而变化。这种影响的力量是很大的，在单足支撑期地面反作用力等于或大于体重。因此，在矫形器的设计中应该了解步行周期中不同时期地面反作用力对髋膝踝关节运动的影响。例如穿戴硬踝的AFO的病人足跟触地和足平时能向前推动小腿，促使膝关节屈曲，而穿戴跖屈位硬踝的AFO的病人足平时和蹬离期能向后推动小腿，促使膝关节伸直。在足矫形器设计中应用地面反作用力的例子也很多，例如：在后跟的内侧垫偏，利用地面反作用力矫正足跟外翻；在鞋后跟的后部切除部分后跟，可以减少足跟触地时由于地面反作用力而引起的膝关节屈曲力矩。（图2-1-15）
图2-1-15 切跟与不切跟，后跟触地时地面反作用力对膝关节屈曲的不同作用力臂
A.一般鞋跟，地面反作用力对膝关节屈曲的力臂
B.鞋跟后部切除一部分时的膝关节屈曲力臂（引自John B.Redford）
（六）皮肤表面压力的均匀分布
矫形器对肢体局部皮肤加压部位在可能的情况下应该尽量扩大加压面积，并使压力尽量均匀分布，以避免压力过分集中，造成皮肤损伤，引起压疮。为此，矫形器的压力部位，特别是在骨的凸起部位应当精密的进行模塑，并应用泡沫塑料垫、硅凝胶垫，使皮肤表面的压力分布尽量均匀。