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关节的主要结构关节面关节囊关节腔关节的辅助结构韧带关节内软骨关节盂缘关节静止不动，滑液会胶化凝固，所以，运动之前应作适当准备活动，使关节“活动开”。二、关节的运动和轴屈伸内收外展旋转环展三、关节的灵活性和稳固性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：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：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：骨骼、肌肉第二节髋关节的生物力学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正常运动范围前屈0～145°，后伸0～30°外展0～30°，内收0～25°外旋0～90°，内旋0～70°外旋后外展0～160°正常生活最少运动范围前屈120°外展20°外旋20°，内旋20°关节面运动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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1／6，每一髋关节的反作用力将是剩余的2／3体重的一半，即整个体重的1／3。若髋关节周围肌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。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。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。1960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。设作用在股骨头上的力为T。为了维持骨盆的水平位置，需外展肌力来平衡。外展肌力Fm与水平轴大约为60°角。肌力臂dM与体重力臂dG之比为1：2到1：3.5，若取1：3.0，在除去一条支持腿时，体重bW≈5/6W，如人体重为660N，则bW＝550N由力矩平衡有：3160sinWmbFNFm190560sin3550NbFTWmy220055023190560sin5.9525.0190560cosmxFTWyxbTTT6.3239722433.0yxTTtg4.23即：由力平衡有：由于dM和dG之不同，可以得出不同结果。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do＝50cm，手杖作用力FC＝100NG＝5/6W＝550NdG＝0.15m，dM=0.05m则依杠杆平衡有：－Fm×0.05-100×0.5+550×O.15＝0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体重。体重每减少1kg，单腿站立时髋关节承受的静力可减少近3kg。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。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。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。其外力只考虑下肢的重量，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。-G×0.40十Fm×0.05＝0数据代入-110×0.40十Fm×0.05＝O求得肌力Fm＝880N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从矮椅子站立时的负荷约等于体重8倍。拐杖用在患肢同侧时髋关节负荷约等于体重的3.4倍。拐杖用在患肢对侧时髋关节负荷约等于体重2.2倍。第三节膝关节的生物力学一、运动学（一）运动范围胫股关节矢状面：0°～140°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0°～45°，内旋可自0°～30°。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。在额状面上的活动．外展和内收同样受关节屈曲度的影响。在完全伸直时，额状面上的所有活动几乎完全消失。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。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自完全伸直至完全屈曲，髌骨在股骨髁处向下滑动约7cm。股骨的内髁与外髁在完全伸直和90°屈曲时，均与髌骨连接。超过90°，髌骨外旋，只有股骨内髁与髌骨连接。在完全屈曲时，髌骨沉人髁间沟内。（二）膝关节屈伸运动的轴瞬时转动中心：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关节的运动形式所决定的。股骨髁不是圆形的，在前部略成扁平，在后部近似圆形，前部之曲率半径较大，而后部之曲率半径较小，最前方的半径与最后方的半径比为9：5。（三）膝关节的滚动与滑动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。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。纯滑动（puresliding）：股骨在胫骨上转动时，接触点没有变化。纯滚动（purerolling):股骨在胫骨上转动时，接触点时刻变化。胫股关节运动：滚动＋滑动股骨髁上1与2两点间，与胫骨髁的接触点是等距离的，这种运动形式是滚动。股骨髁自3以后至8这许多点，在与胫骨接触时仅与胫骨上一点3相接触，因此所形成的运动是滑动，但是股骨髁上的3点并不与胫骨髁上的3点相对应，这说明在滑动中还兼有少量的滚动。一般认为膝关节从180～160°是滚动，而从160°到完全屈曲则主要是滑动。滚动较滑动的运动稳定。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胫骨面呈正切，表明股骨在胫骨髁上的滑动。确定胫股关节的瞬时转动中心后，在每组重叠的X线片上，可确定胫股关节面的接触点(关节节间隙的最窄点)，将这点与瞬时转动中心画一条连线。与这条线画一条垂直线，表明接触点的变位方向。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。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内有正切滑动，而是被拉开或挤压。（四）膝关节的扣锁机制(MechanismofScrewHome)当膝关节伸直至最后20°时(即160°～180°)，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作故称之为扣锁机制。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。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、动力学上楼时静力学分析此例所计算的只是关节反力的最小值。若考虑到其他肌力，如稳定膝关节时腘绳肌收缩所产生的力，关节反力还会增大。作用在下肢主要有三个力：①地面反作用力W(已知大小、方向、作用点)；②髌韧带力P(已知方向、作用点，未知其值大小）；③关节力J(已知作用点位置，未知数值大小、方向)。如已知W，力P＝3.2W，则由力三角形求得J＝4.1W。小腿登上楼梯时的分离体图0MbPaWbaWP由于小腿的重量小于体重的1/10，在此忽略小腿的重量。足跟着地瞬间，关节反力约为体重的2—3倍，并与腘绳肌收缩有关。腘绳肌对膝有减速和稳定效应。膝屈曲位站立相开始时，关节反力约为体重2倍，并与股四头肌收缩有关，股四头肌防止膝压曲。关节反力峰值发生在站立相后期足尖离地前。该力约为体重的2—4倍。在摆动相后期，腘绳肌收缩引起的关节反力约等于体重。步态周期中，关节反力从外侧胫骨平台移向内侧。在站立相，当出现峰值力时，主要由内侧平台承受；在摆动相，当力很小时，主要由外侧平台承受。胫骨内侧平台的接触面积约比外侧平台大50％。内侧平台上的软骨也比外侧平台的厚3倍。内侧平台有较大的尺寸和厚度能使它更易于承受加于其上的较高的力。三、髌骨功能髌骨为膝提供二个重要的生物力学功能：它在整个运动范围内借延长股四头肌力臂来帮助膝伸直，并以增加髌骨与股骨间的接触面来改善股骨上的压应力分布。完全屈曲时，髌骨在髁间窝内，股四头肌腱的前移很小，对股四头肌力臂长度所起的作用最小(约为力臂总长度的10％)，当膝伸直时，髌骨从髁间窝中抬起，产生显著的肌腱前移。在伸直到45°时，股四头肌力臂长度迅速增长，此时，髌骨延长力臂约30％。在膝由完全屈曲到完全伸直时，髌骨对股四头肌力臂长度所起的作用也在改变。膝继续伸直，股四头肌力臂长度稍有减少。在伸直最后45°时，随着力臂长度的减小，四头肌为保持相同的膝力矩必须施加较大的力。膝伸直最后15°时，股四头肌力需要增加大约60％。在切除髌骨的膝中，髌腱比正常膝更靠近髌股关节的瞬时中心。由于髌腱作用在更短的力臂上，在伸直最后45°时，要保持膝上正常所需的力股四头肌必须产生更大的力。切除髌骨的膝在完全主动伸直时，所需的四头肌力比正常膝约大30％。对四头肌这种增加的要求在某些病人中可能超过股四头肌的能力，这对有关节内疾病或年龄较大的病人，更为明显。正常膝髌骨切除后髌股关节动力学当膝屈至5°时，髌腱（P）和股四头肌腱(Q)之间的角度为35°；待屈至90°时，两腱形成的角将为80°。这是用两根金属丝放在肌腱上，拍摄X线片所量得的角度。髌股关节反作用力（J）为髌腱(P)和股四头肌腱(Q)两个等力的合力。由于膝的更大屈曲，这两个力的组成之间的角将更呈锐形，从而关节反作用力的合力将变得更大。一位30岁的篮球运动员在跳高落下