正常髋关节的生物力学

　　1．股骨上端骨结构的股骨颈与股骨干有两个主要角度——颈干角和前倾角：颈干角使股骨干偏离骨盆，使附着于大转子外展肌保持应有长度和张力，增加了下段的力量和活动度。并使体重亦在较宽的基础上，符合下肢关节具有的负重和稳定的功能要求。颈干角过大髋外翻或过小髋内翻均将影响髋关节负重，活动度和稳定性，将使下肢处于内旋状态；前倾角过大使部分股骨头裸露于髋关节外，走路时为维持髋关节的稳定性，将使下肢处于内旋状态；前倾角过小则将出现外旋步态。

　　股骨上端骨骼形态的发育成形依赖作用于其上的压力。在人体发育过程中，股部肌力的异常将改变该关节的负重和活动度，也必然会影响股骨上端的正常发育。

　　股骨上端骨小梁的排列具有一定的规律，位于小转子深面的纵形骨板，即股骨距，是股骨颈内部负重系统内侧骨小梁的基点，它向上呈扇形展开直达股骨头关节面，承受着架于股骨头上端的压应力，而从股骨干外侧骨皮质向上，向内延伸成弧形分布的骨小梁主要承受着张力，它与压力骨小梁在股骨头部相会，另外，从小转子平面内侧骨皮质另有一组向外向上的骨小梁，与张力骨小梁相交，在这三组骨小梁系统之间有骨密度较稀疏的区域——Ward三角。因此，长期以来人们都将股骨上端的负重结构与街灯或起重机相比较，即股骨颈上承受张力而股骨颈下线承受压力。

　　股骨头负重的关节面上的反作用力与内侧骨小梁系统相平行，说明该系统对负重有重要性，外侧骨小梁系统还有对抗附着于大转子的外展肌所产生的压力作用。此外，股骨颈内侧骨小梁系统直接通向股骨头关节面负重区，该处骨小梁最粗，即使在骨质疏松的患者，这组骨小梁仍存在并承担负重功能。

　　从解剖上可以看到，骨小梁的排列是使轴线正好沿着关节压力的作用线，既避免了骨小梁承受剪力，又最大限度降低了弯矩，使力的传导沿着骨小梁向下传递，处于轴力为主的十分有力的力学状态。

　　2．髋关节的负载(1)股骨头与髋臼的受力状态：正常关节应力分布的形式，决定于通过关节所传递的全部力的大小和位置，正常关节的摩擦系数很小，平行于关节面的力(剪力)可以不计。股骨头与髋臼的负荷形式主要是压力，经关节软骨面传递至邻近关节的软骨下骨松质，在髋臼关节面，压应力从髋臼的凹面向外放散，由宽大的骨盆骨骼来分担，其单位面积所受的压应力就显得较小。在股骨头正相反，当压力从股骨头凸面呈放射状向内传递时，其应力增高。又因股骨颈的横切面比股骨头的横切面小，应力经股骨颈传至股骨干时，股骨颈骨小梁承受的压应力要比股骨头为大。

　　(2)关节软骨的生物力学特性：髋关节负重面由两层薄的透明软骨构成，其间有一层软薄的滑液相隔，滑液系由滑膜产生，通过弥散作用营养软骨细胞，防止退变。关节软骨厚度为一般2～7mm之间，呈海绵状结构，含孔率约为80％，受压时滑液由孔流出，使软骨发生形变，类似充满水的海绵，这种形变，在于水分的增减而丧失，属于弹性形变。卸载后很快复原，根据流体特性，软骨能负担较强屈服应力，关节软骨有着凸凹不平的约2．751am的表面，由于滑液从孔中溢出减少了软骨面摩擦，在人体生理状态下，关节具有最优润滑，使关节软骨经久耐用，几十年、上百年不用更换，这是人工机械难以比拟的。

　　综上所述，关节软骨有两个重要功能：①在广泛区域内使关节负荷分散，如此可减少接触关节面的应力；②可在相对关节面上发生一定活动度，有最小的摩擦和耗损。

　　关节软骨能承受多少应力幅度取决于关节负荷的总值和如何将负荷分散于关节软骨上的接触区。在接触区内任何过度应力集中将成为组织退化的主要原因，许多常见的情况可引起关节软骨上的过度应力集中，而使软骨衰竭，多数这些应力集中是由于关节面不平导致接触区变得异常小。这种关节不平整的原因包括继发于髋臼发育不良、股骨头滑脱、股骨头缺血坏死晚期畸形、关节内骨折等。从大体上看，应力施加的部位和关节面上的应力集中对关节有深远的影响，关节面上的高接触压力将减少滑膜润滑的可能性，以后的真正粗糙端的面对面接触，将引起显微应力集中，这将导致以后更多组织的破坏。不论什么原因，关节软骨的破坏会中断组织的正常负荷能力，从而破坏关节运行时的正常润滑程序，润滑的功能不全可能是骨关节炎病因的基本因素。

　　软骨下骨的力学特性：软骨位于比较厚的骨松质垫子上，减少软骨承受压力，就需要把负荷分布可能大的接触面上，关节负重时软骨和骨骼变形。虽然软骨比其下面的骨松质柔顺10倍(比较不硬)，但软骨薄，实际变形的总量有限，软骨下的骨松质虽较硬，却很厚，能发生足够的变形和最大限度的负重接触面，使关节极大地适应负荷。关节软骨主要是负重面，且把承受的压力传递给下面的骨床。骨髓部的软骨下骨松质有两种作用：①负重大时由于骨骼变形，关节获得最大的接触面，负重面积也最大。②骨松质排列呈放射状，把大部分的应力向下传给股骨干。因为软骨下骨对关节适应负重有重要作用，软骨下骨若失去顺应性，关节应力就增加，导致关节软骨的应力高度局部集中。

　　3．作用于髋关节的静力  作用于髋关节的静力当人体直立双足靠拢站立，每髋承担全部体重的l／3，亦占髋以上体重的l／2，事实上作用于关节静力远较上述假设复杂，为了维持人体主动稳定性，髋外展肌、臀大肌，髂腰肌等均有一定的收缩力，它们所产生的力将大大增加髋关节负荷。作用于髋关节的静力与体重，运动水平，肌收缩力及人体重心与髋关节负重线间的距离等均密切相关，为了对髋关节受力的分析，仅从冠状面上对单腿站立的髋关节进行分析。单腿站立时髋关节静力分析(图6—25)，作用于股骨头上有三个主要的方向力：①重力臂b为股骨头旋转中心至人体重力中心线的垂直距离，W为体重减去负重侧下肢的重量，相当于体重的5／6；②Fm为外展诸肌肌力，力线按肌起止点方向，外展诸肌力臂c为股骨头中心至外展诸肌力线的垂直距离；③关节反应力Fr。

　　根据解析法计算得出，影响髋关节负荷Fr的一个关键因素是外展肌力臂c与重力臂b的比值。图6—25给出了这个比值与关节反应力的关系，两者呈反比，例如：在全关节置换术时向外侧移动大转子后，由于增加了肌力杠杆臂，c／b比率增加，从而降低了关节反应力，将假体杯很深地植入髋臼内，将减小重力杠杆臂，从而增大c／b比率，减少了关节反应力。

　　应该指出上述计算是假设各力均作用于冠状面，且只有外展肌力参与躯体平衡，但在矢状面上重力能落在髋关节后面一定距离，这样就需要屈肌参与平衡，而屈肌距离旋转中心的力臂又很少，考虑这一因素后，关节反应力可达6倍体重，所有跨越关节的肌肉或多或少对关节产生一定压力，特别当关节疼痛或病理性张力增加时，则关节受力更大。