[科普中国]-髋关节生物力学

髋关节由凹状的髋臼与凸状的股骨头构成，属于球窝结构，具有内在稳定性。通过髋关节头、臼软骨面相互接触传导重力，支撑人体上半身的重量及提供下肢的活动度。在众多的可动关节中，髋关节是最稳定的，其结构能够完成日常生活中所需的大范围动作，如行走、坐和蹲等。球窝关节排列紊乱可导致关节软骨和骨内的应力分布发生改变，引起退行性关节炎等损害，并因关节承受巨大的力而逐渐加剧。

髋关节静力学髋关节是人体最大的负重关节，主要是由骨盆上的髋臼与股骨近端的股骨头以及圆韧带、软骨等一些软组织构成。股骨颈与股骨干之间的角度即颈干角，成人约110°～141°。此角可以增加下肢的运动范围，并使躯干的力：量传递至较宽的基底部。股骨干偏斜所致的髋外翻(≥141°)和髋内翻(≤l10°)都将改变与髋关节有关的力。股骨颈长轴与股骨远端两髁横轴之间的夹角为股骨颈前倾角，通常在12°～15°，前倾角大于l5°会使一部分股骨头失去髋臼的覆盖。股骨矩位于股骨颈干连接部的内后方，在小转子的深部，为多层致密骨构成的骨板，是股骨干后内侧骨皮质的延伸部分。股骨矩是股骨上段偏心受力的着力点，为直立负重时最大压应力部位，同时也受到弯矩和扭矩的作用，其存在增加了颈干连接部对应力的承受能力。

图****1 人体髋关节**（****1.****整体解剖；****2.**冠状面剖面图）

在正常状态下，髋关节各个方向的力保持平衡。双足对称站立时，体重平均分布到双下肢，每髋承担除下肢重量之外体重的1/2。一侧下肢负重时，髋关节负担为除去一侧下肢重量的体重加上外展肌肌力。此时在负重髋关节股骨头上部一处形成类似平衡杠杆系统中的支点。为了保持身体平衡，需要外展肌紧张，发挥平衡作用。若重心远离负重髋关节，则承力增加；若重心移向负重之髋关节，则承力减少；重心全部移到负重的髋关节上，则外展肌承力为零，髋仅承受部分体重之压力。

髋关节的运动学髋关节是一个球轴承的运动结构，主要动作可分解为在三个互相垂直平面上的运动：矢状面上的屈伸、冠状面上的内收外展，以及横断面上的内外旋转。这三个平面动作的范围不同，髋关节最大幅度的活动在矢状面，前屈幅度为0°～140°，后伸幅度为0°～15°。在冠状面，外展幅度为0°～30°，内收幅度为0°～25°。在横断面，当髋关节屈曲时外旋0°～90°，内旋0°～70°；髋关节伸直时由于软组织的约束功能而使旋转角度较小，内外旋则分别为45°。上楼梯时活动范围较大，屈伸活动范围为67°，内收外展及内外旋动作分别为28及26°。而在跑步时，矢状面上的屈伸动作范围会增加。髋关节的关节表面活动可以认为是股骨头在髋臼内的滑动。球与窝在三个平面内围绕股骨头旋转中央的转动产生关节表面的滑动。如果股骨头与髋臼不相适应，滑动将不平行于表面或不沿表面切向，而使关节软骨受到异常应力导致压缩或分离。

作用于髋关节的力及其生物力学特征髋关节在不同位置时受力情况不同，站立时同时受重力及外展肌的拉力。单足站立和行走时，由于人体重心在两侧股骨头连线之后，重力对关节产生扭矩作用，此时外展肌产生反向力矩以维持平衡，股骨近段不仅受到压应力和张应力，还接受横向环行应力和剪切应力。做各种动作时，常需要髋部肌肉平衡体重，因此会对髋关节产生相称大的压力。因为在此过程中，若以髋关节为支点，则从支点到身体重心的力臂远大于支点到髋部肌肉的力臂，髋部肌肉的力量远大于人体重量，因此关节受力便会大于体重。

髋部肌肉除了增加稳定性外，还可以调节股骨的受力状态。正常人站立时，若肌肉(如臀中肌)未紧张，股骨颈将受到一个弯曲力矩，会在上方产生张应力，在下方产生压应力。因此，若负荷过大，很容易产生张应力破坏。而肌肉产生的收缩作用，会抵消上方张应力部分，避免股骨颈骨折。

正常行走时髋关节的动作平衡且有节奏，耗能最低。双髋轮流负重，重心左右来回移动约4.0～4.5 cm。髋关节在步态周期过程中会有两个受力波峰，分别在足后跟着地及趾尖离地时。缓慢行走时，惯性力作用可不计，视与静力学相同。但髋关节在快速运动时，受加速和减速的作用，受力会增加。合力等于体重加惯性力，包括地面反冲力、重力、加速度、肌力等，一般认为是体重的3.9～6.0倍。在走路时(速度为1.5 )，髋关节最大受力约为2.5倍体重，而当跑步时(速度为)，关节最大受力约为5～6倍体重。

髋关节通过头、臼软骨面相互接触传导重力，负重面为以负重中心为极点的股骨头上半球与半球形臼的重叠部分。具有弹性的关节软骨将应力分散传递到各作用点。正常的股颈的应力分布为合力通过颈中心的偏下方，内侧有较高的压应力，外侧有较高的张应力。通过经典的梁测试原理计算、光弹性试验、有限元力学分析结合数学分析、应变仪或骨表面涂布应变敏感物质后测定等均证明股骨颈上部头颈交界处所受张应力最大。当髋关节畸形时应力分布改变：髋内翻时内侧压力、外侧张力均增大；髋外翻时，随外翻程度增加张应力逐渐减小以至消失。当合力通过颈中心时，内、外侧承受平均压力。为分析髋关节的受力情况，假设整个身体集中于一点，称之为身体重心。静止站立时，重心与双髋的共同轴在同一冠状平面上，位于第二骶椎的前方。正常行走时，髋关节双侧轮流负重，重心左右往返移动。因此髋关节受力会因运动方式不同而受力不同。有实验表明，当髋关节承受2000次载荷时，软骨会遭到严峻的振动、形成溃疡，使软骨和骨发生不可逆性变形，造成骨的广泛损伤。老年人髋关节的活动量1年约一百万次，如此高负荷、高频率，产生退行性关节病也是可以理解的。

通常，作用于髋关节的力可分为张应力、压应力、弯曲应力和剪切应力。这些力的作用通过体重负荷和肌肉收缩作用综合表现。人类髋关节为适应竖立行走、劳动的需要，其力学性能优良，具有下列生物力学特点：

（1）股骨上端形成多平面弯曲角（颈干角、前倾角），与骨盆和下肢呈多曲结构。其骨小梁呈多层网格状，应力分布合理，受力性能最佳，自重轻而负重大。

（2）具有自动反馈控制的特点，以适应张应力和压应力的需要。按照Wollf定律，股骨上端具有独特的扇形压力骨小梁系统和弓形横行的张力骨小梁系统；在转子平面又形成另外的骨小梁系统。可根据受力大小通过人体自动反馈系统作用增加或降低骨小梁密度，使骨组织以最小的重量获得最大的功效。

（3）髋关节生物力学结构具有变异性。骨小梁组织结构的数量和质量受个体职业、活动状况、内分泌、物质代谢、营养、年龄、疾病等诸多因素的影响。

（4）股骨干的力学轴线是自股骨头的旋转中心至股骨内外髁的中点，股骨上端承受的剪切应力最大，所以股骨颈多因剪切应力而骨折，大转子以下多因弯曲和旋转应力而骨折。髋关节生物力学体系处于动态平衡之中，随时可以调整保持身体重心的稳定。骨小梁的分布和骨截面形状均适应外力作用的需要，特殊是能最大限度地防止弯曲应力的作用。

扩展阅读胡耿丹, 王乐军, 牛文鑫. 运动生物力学. 同济大学出版社. 2013年12月, 第1版.

本词条内容贡献者为:

牛文鑫 - 助理教授 - 同济大学医学院