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1、关节生物力学关节生物力学第一节 关节的基本结构与功能一、关节的基本结构一、关节的基本结构l关节的主要结构关节的主要结构关节面关节面关节囊关节囊关节腔关节腔l关节的辅助结构关节的辅助结构韧带韧带关节内软骨关节内软骨关节盂缘关节盂缘 关节静止不动，滑液会胶化凝固，所以，运关节静止不动，滑液会胶化凝固，所以，运动之前应作适当准备活动，使关节动之前应作适当准备活动，使关节“活动开活动开”。二、关节的运动和轴二、关节的运动和轴l屈伸屈伸l内收外展内收外展l旋转旋转l环展环展三、关节的灵活性和稳固性三、关节的灵活性和稳固性l灵活性和稳固性是关节功能同时存在的两个方面。利于关节灵活的结构：利于关节灵活的结构
2、：关节腔，关节面软骨、关节腔内的滑液、关节皱襞、粘液囊关节腔，关节面软骨、关节腔内的滑液、关节皱襞、粘液囊利于关节稳定的结构：利于关节稳定的结构：关节囊、韧带、关节软骨、关节腔内的负压关节囊、韧带、关节软骨、关节腔内的负压其他使关节稳定的结构：其他使关节稳定的结构：骨骼、肌肉骨骼、肌肉第二节第二节 髋关节的生物力学髋关节的生物力学解剖学概念解剖学概念正常 髋内翻 髋外翻正常 骨盆前移 骨盆后移运动范围运动范围l正常运动范围n前屈0145，后伸030n外展030，内收025n外旋090，内旋070n外旋后外展0160l正常生活最少运动范围n前屈120n外展20n外旋20，内旋20关节面运动关节面
3、运动l髋关节的面活动可认为是股骨头在髋臼上的滑动。球与窝在三个面上的枢轴转动，环绕股骨头中心的活动，产生关节面的滑动。若股骨头不平整，滑动就不能与关节面平行或正切，关节软骨也将受异常挤压或牵伸。动力学静力学动力学静力学l两下肢于站立位时，身体的重力线通过耻骨联合的后侧。由于髋关节是一个稳定的关节，不需肌肉收缩来达到直立状态，只需关节囊和关节韧带就能起到稳定作用。若在髋关节周围不需有肌肉活动所产生的力矩，则关节反应力的计算可变得很简单。在站立位，每一个股骨头所承受的力为人体重量的一半。由于每个下肢的重量是体重的16，每一髋关节的反作用力将是剩余的23体重的一半，即整个体重的13。l若髋关节周围肌
4、肉收缩以防止摇晃和保持身体于直立位，即持续于站立位则髋关节所承受的力与肌内活动量将成正比的增加。l若一个人自两足站立改为一足站立，身体的重力线将在所有的三个面上移动，髋关节周围产生的力矩必须有肌力来抗衡也将增加关节的反作用力。l力矩的大小，即关节反作用力的大小取决于脊椎的姿势、非负重下肢和上肢的位置、特别是骨盆的倾斜度。l1960年Rydell作了人体试验证明，单腿站立时作用在股骨头上的力为2.6倍体重。慢步行走时为1.6倍体重，在跑步时作用在股骨头上的力约力5倍体重。 对单腿站立时股骨头受力情况再做一粗略计算。对单腿站立时股骨头受力情况再做一粗略计算。 设作用在股骨头上的力为设作用在股骨头上
5、的力为T。为了维持骨盆的水平位。为了维持骨盆的水平位置，需外展肌力来平衡。外展肌力置，需外展肌力来平衡。外展肌力Fm与水平轴大约为与水平轴大约为60角。肌力臂角。肌力臂dM与体重力臂与体重力臂dG之比为之比为1：2到到1：3.5，若取，若取1：3.0，在除去一条支持腿时，体重，在除去一条支持腿时，体重bW5/6W，如人体重，如人体重为为660N， 则则bW550N由力矩平衡有：即：由力平衡有：l由于由于d dM M和和d dG G之不同，可以得出不同结果。之不同，可以得出不同结果。l如假设dG不变，而由于股骨的颈干角之不同也直接影响到dM的数值。一般的颈干角为125左右。如大于125时，则dM
6、减小，从而外展肌力增大，如小于125时，则dM增大而减小肌力。 从上述可以看出，要减少外展肌力，也可以使dG力臂减小。也就是说体重(除去支持腿)重心尽可能靠向病腿髋关节。例如当外展肌受损或麻痹时，不能提供平衡用肌力，此时病人只好把人体重心(除去支持腿)置于股骨头中心的正上方，在这种情况下，就显出所谓：“馈病”步态，即将身体倾斜到肌肉受损的一边。长期处于这种“馈病”步态，由于股骨头承受垂直向下的力，从而引起骨端软骨板的位移，骨将向上方生长，形成“外反股”病态，为了避免这种情况，可借用手杖来减小外展肌力。设手杖离股骨头中心为do50cm，手杖作用力FC100N G5/6W550N dG0.15m，
7、dM=0.05m则依杠杆平衡有： Fm0.05-1000.5+550O.150解得外展肌力 Fm=650N 接近体重(660N) 另外，减少髋关节负荷最简单的方法是减轻另外，减少髋关节负荷最简单的方法是减轻体重。体重每减少体重。体重每减少1kg，单腿站立时髋关节承受的，单腿站立时髋关节承受的静力可减少近静力可减少近3kg。l上述计算只在额状面内的粗略计算，而且还没有考虑到动态加速度的影响，就是在静态情况下，其它二面内也受有力。l例如病人在床上平抬大腿小腿时，在矢状面内髋关节就受有前屈肌群(髂腰肌等)的拉力。l假设前屈肌群作用力的合力距股骨头中心为5cm。有的情况比这个距离还小。l其外力只考虑下
8、肢的重量，据解剖学知单腿重约为体重的1/6，如体重为660N则单腿重力110N，其重心在距股骨头中心40cm处。 差不多等于体重660的1.3倍，从解剖得知，这个力臂比值可达15：1，这样肌力要更大，上述近似计算与Rydell的试验数值接近。 上述计算肌力，只是在腿刚刚离床而还未抬起时最大受力情况，当腿越抬越高，由于下肢重心距股骨头中心也越来越小，则肌力也就随之下降了。 -G0.40十Fm0.050数据代入数据代入-1100.40十Fm0.05O求得肌力求得肌力Fm880N取杠杆平衡有取杠杆平衡有在一个步态周期内，行走时出现的体重单位的髋关节反应力 在男性，当外展肌收缩来稳定骨盆时，在站立相可
9、产生两个顶峰力。一个顶峰是刚在后跟着地时，达体重的4倍；另一个在足离地以前，可达体重的7倍。足放平时，关节反应力降至接近体重，因为重心迅速减速。在摆动相时，关节反应力受伸肌收缩的影响，使大腿减速，幅度仍保持于较低度，约与体重相等。 在女性，力的模式基本相同，仅幅度略低，在站立相后期，幅度仅达到体重的4倍。 女性的低关节反应力幅度可能继于以下几个因素：女性骨盆较宽、股骨颈干角的倾斜度不同、鞋不同和步态模式不同。髋部疲劳性骨折髋部疲劳性骨折 经常活动的64岁退休男性为准备马拉松赛跑而改变了训练方式，关节超负荷而导致股骨颈疲劳性骨折。在日常生活中髋关节负荷可高可低在日常生活中髋关节负荷可高可低l从矮
10、椅子站立时的负荷约等于体重8倍。l拐杖用在患肢同侧时髋关节负荷约等于体重的3.4倍。l拐杖用在患肢对侧时髋关节负荷约等于体重2.2倍。第三节第三节 膝关节的生物力学膝关节的生物力学一、运动学一、运动学（一）运动范围胫股关节胫股关节矢状面矢状面：0140 冠状面冠状面： 在膝完全伸直时由于产生扣锁机制而不能旋转。当膝屈曲时，旋转范围随着增加，待屈至90时，旋转可达到最大程度，在这位置，外旋可自外旋可自045，内旋可自内旋可自030。超过90膝屈曲，内旋和外旋幅度又将减小，这主要是受到软组织的限制。l在额状面额状面上的活动外展和内收同样受关节屈曲度的影响。l在完全伸直时，额状面上的所有活动几乎完全
11、消失。当膝屈至30时，被动的外展和内收会有所增加，但最大仅有数度。l若膝屈曲超过30，额状面的活动又将减少，这也是由于软组织限制其活功。髌股关节髌股关节l自完全伸直至完全屈曲，髌骨在股骨髁处向下滑动约7cm。l股骨的内髁与外髁在完全伸直和90屈曲时，均与髌骨连接。l超过90，髌骨外旋，只有股骨内髁与髌骨连接。l在完全屈曲时，髌骨沉人髁间沟内。（二）膝关节屈伸运动的轴（二）膝关节屈伸运动的轴瞬时转动中心：瞬时转动中心：转动环节瞬间速度为零的点转动环节瞬间速度为零的点 屈伸运动轴是由股骨髁的形状和屈伸运动轴是由股骨髁的形状和关节的运动形式所决定的。股骨髁不关节的运动形式所决定的。股骨髁不是圆形的，
12、在前部略成扁平，在后部是圆形的，在前部略成扁平，在后部近似圆形，前部之曲率半径较大，而近似圆形，前部之曲率半径较大，而后部之曲率半径较小，最前方的半径后部之曲率半径较小，最前方的半径与最后方的半径比为与最后方的半径比为9：5。（三）膝关节的滚动与滑动（三）膝关节的滚动与滑动l滚动滚动是指移动部分的等距离的点与静止部分等距离的点相互接触，构成滚动运动。l滑动滑动是指关节运动的一端在移动时，这一端上的许多点与相对面静止一端的某一点相接触。l纯滑动（纯滑动（pure slidingpure sliding）：）：股骨在胫骨上转动时，接触股骨在胫骨上转动时，接触点没有变化。点没有变化。l纯滚动（纯滚动
13、（pure rolling):pure rolling):股股骨在胫骨上转动时，接触点骨在胫骨上转动时，接触点时刻变化。时刻变化。l胫胫股关节运动：股关节运动：滚动滑动滚动滑动l股骨髁上股骨髁上1 1与与2 2两点间，与胫骨髁的接两点间，与胫骨髁的接触点是等距离的，这种运动形式是触点是等距离的，这种运动形式是滚滚动动。l股骨髁自股骨髁自3 3以后至以后至8 8这许多点，在与胫这许多点，在与胫骨接触时仅与胫骨上一点骨接触时仅与胫骨上一点3 3相接触，因相接触，因此所形成的运动是此所形成的运动是滑动滑动，但是股骨髁，但是股骨髁上的上的3 3点并不与胫骨髁上的点并不与胫骨髁上的3 3点相对应，点相对
14、应，这说明在滑动中还兼有少量的滚动。这说明在滑动中还兼有少量的滚动。l一般认为膝关节从一般认为膝关节从180180160160是滚动，是滚动，而从而从160160到完全屈曲则主要是滑动。到完全屈曲则主要是滑动。滚动较滑动的运动稳定。滚动较滑动的运动稳定。 从完全伸直至完全屈曲的每一从完全伸直至完全屈曲的每一个运动间隔，正常膝关节上的线与个运动间隔，正常膝关节上的线与胫骨面呈正切，表明股骨在胫骨髁胫骨面呈正切，表明股骨在胫骨髁上的滑动。上的滑动。 确定胫股关节的瞬时转动中心确定胫股关节的瞬时转动中心后，在每组重叠的后，在每组重叠的X线片上，可确线片上，可确定胫股关节面的接触点定胫股关节面的接触点
15、(关节节间关节节间隙的最窄点隙的最窄点)，将这点与瞬时转动，将这点与瞬时转动中心画一条连线。中心画一条连线。 与这条线画一条垂直线，表明与这条线画一条垂直线，表明接触点的变位方向。接触点的变位方向。半月板桶柄式紊乱的异常即刻行程半月板桶柄式紊乱的异常即刻行程 若膝关节保持勉强活动，它会逐渐适应这种变位瞬时若膝关节保持勉强活动，它会逐渐适应这种变位瞬时中心的环境，或牵拉韧带及其他支持的软组织，或在关节中心的环境，或牵拉韧带及其他支持的软组织，或在关节上施加异常高压。上施加异常高压。 如果膝关节在不正常的瞬时中心如果膝关节在不正常的瞬时中心上屈伸，胫股关节面不会在运动范围上屈伸，胫股关节面不会在运
16、动范围内有正切滑动，而是被内有正切滑动，而是被拉开拉开或或挤压挤压。（四）膝关节的扣锁机制四）膝关节的扣锁机制(Mechanism of Screw Home)l当膝关节伸直至最后20时(即160180)，股骨发生内旋，胫骨相对外旋，每伸直1约有0.5股骨内旋，当完全伸直时，这一旋转活动也最终完成，这一过程有如旋紧螺丝钉之最后动这一过程有如旋紧螺丝钉之最后动这一过程有如旋紧螺丝钉之最后动这一过程有如旋紧螺丝钉之最后动作故称之为作故称之为作故称之为作故称之为扣锁机制扣锁机制扣锁机制扣锁机制。在扣锁机制完成以后，膝关节非常稳定，这时，股骨髁与胫骨髁的负重面最大，负重压力也最大，膝关节不发生旋转及侧方活动。l扣锁机制的完成主要靠股骨髁的解剖形状，扣锁机制的完成主要靠股骨髁的解剖形状，而韧带与肌肉的作用适合于这一过程的完成。二、动力学二、动力学上楼时静力学分析上楼时静力学分析 此例所计算的只是关节反力的最此例所计算的只是关节反力的最小值。若考虑到其他肌力，如稳定膝小值。若考虑到其他肌力，如稳定膝关节时腘绳肌收缩所产生的力，关节关节时腘绳肌收缩所产生的力，关节反力还会增大。反力还会增大。作用在下
