髖關節生物力學

髖關節由凹狀的髖臼與凸狀的股骨頭構成，屬於球窩結構，具有內在穩定性。通過髖關節頭、臼軟骨面相互接觸傳導重力，支撐人體上半身的重量及提供下肢的活動度。在眾多的可動關節中，髖關節是最穩定的，其結構能夠完成日常生活中所需的大範圍動作，如行走、坐和蹲等。球窩關節排列紊亂可導致關節軟骨和骨內的應力分布發生改變，引起退行性關節炎等損害，並因關節承受巨大的力而逐漸加劇。

髖關節靜力學

髖關節是人體最大的負重關節，主要是由骨盆上的髖臼與股骨近端的股骨頭以及圓韌帶、軟骨等一些軟組織構成。股骨頸與股骨幹之間的角度即頸乾角，成人約110°～141°。此角可以增加下肢的運動範圍，並使軀幹的力：量傳遞至較寬的基底部。股骨幹偏斜所致的髖外翻(≥141°)和髖內翻(≤l10°)都將改變與髖關節有關的力。股骨頸長軸與股骨遠端兩髁橫軸之間的夾角為股骨頸前傾角，通常在12°～15°，前傾角大於l5°會使一部分股骨頭失去髖臼的覆蓋。股骨矩位於股骨頸乾連線部的內後方，在小轉子的深部，為多層緻密骨構成的骨板，是股骨幹後內側骨皮質的延伸部分。股骨矩是股骨上段偏心受力的著力點，為直立負重時最大壓應力部位，同時也受到彎矩和扭矩的作用，其存在增加了頸乾連線部對應力的承受能力。

圖1 人體髖關節（1.整體解剖；2.冠狀面剖面圖）

在正常狀態下，髖關節各個方向的力保持平衡。雙足對稱站立時，體重平均分布到雙下肢，每髖承擔除下肢重量之外體重的1/2。一側下肢負重時，髖關節負擔為除去一側下肢重量的體重加上外展肌肌力。此時在負重髖關節股骨頭上部一處形成類似平衡槓桿系統中的支點。為了保持身體平衡，需要外展肌緊張，發揮平衡作用。若重心遠離負重髖關節，則承力增加；若重心移向負重之髖關節，則承力減少；重心全部移到負重的髖關節上，則外展肌承力為零，髖僅承受部分體重之壓力。

髖關節的運動學

髖關節是一個球軸承的運動結構，主要動作可分解為在三個互相垂直平面上的運動：矢狀面上的屈伸、冠狀面上的內收外展，以及橫斷面上的內外旋轉。這三個平面動作的範圍不同，髖關節最大幅度的活動在矢狀面，前屈幅度為0°～140°，後伸幅度為0°～15°。在冠狀面，外展幅度為0°～30°，內收幅度為0°～25°。在橫斷面，當髖關節屈曲時外旋0°～90°，內旋0°～70°；髖關節伸直時由於軟組織的約束功能而使旋轉角度較小，內外旋則分別為45°。上樓梯時活動範圍較大，屈伸活動範圍為67°，內收外展及內外旋動作分別為28及26°。而在跑步時，矢狀面上的屈伸動作範圍會增加。髖關節的關節表面活動可以認為是股骨頭在髖臼內的滑動。球與窩在三個平面內圍繞股骨頭旋轉中央的轉動產生關節表面的滑動。如果股骨頭與髖臼不相適應，滑動將不平行於表面或不沿表面切向，而使關節軟骨受到異常應力導致壓縮或分離。

作用於髖關節的力及其生物力學特徵

髖關節在不同位置時受力情況不同，站立時同時受重力及外展肌的拉力。單足站立和行走時，由於人體重心在兩側股骨頭連線之後，重力對關節產生扭矩作用，此時外展肌產生反向力矩以維持平衡，股骨近段不僅受到壓應力和張應力，還接受橫向環行應力和剪下應力。做各種動作時，常需要髖部肌肉平衡體重，因此會對髖關節產生相稱大的壓力。因為在此過程中，若以髖關節為支點，則從支點到身體重心的力臂遠大於支點到髖部肌肉的力臂，髖部肌肉的力量遠大於人體重量，因此關節受力便會大於體重。

髖部肌肉除了增加穩定性外，還可以調節股骨的受力狀態。正常人站立時，若肌肉(如臀中肌)未緊張，股骨頸將受到一個彎曲力矩，會在上方產生張應力，在下方產生壓應力。因此，若負荷過大，很容易產生張應力破壞。而肌肉產生的收縮作用，會抵消上方張應力部分，避免股骨頸骨折。

正常行走時髖關節的動作平衡且有節奏，耗能最低。雙髖輪流負重，重心左右來回移動約4.0～4.5 cm。髖關節在步態周期過程中會有兩個受力波峰，分別在足後跟著地及趾尖離地時。緩慢行走時，慣性力作用可不計，視與靜力學相同。但髖關節在快速運動時，受加速和減速的作用，受力會增加。合力等於體重加慣性力，包括地面反衝力、重力、加速度、肌力等，一般認為是體重的3.9～6.0倍。在走路時(速度為1.5 )，髖關節最大受力約為2.5倍體重，而當跑步時(速度為)，關節最大受力約為5～6倍體重。

髖關節通過頭、臼軟骨面相互接觸傳導重力，負重面為以負重中心為極點的股骨頭上半球與半球形臼的重疊部分。具有彈性的關節軟骨將應力分散傳遞到各作用點。正常的股頸的應力分布為合力通過頸中心的偏下方，內側有較高的壓應力，外側有較高的張應力。通過經典的梁測試原理計算、光彈性試驗、有限元力學分析結合數學分析、應變儀或骨表面塗布應變敏感物質後測定等均證明股骨頸上部頭頸交界處所受張應力最大。當髖關節畸形時應力分布改變：髖內翻時內側壓力、外側張力均增大；髖外翻時，隨外翻程度增加張應力逐漸減小以至消失。當合力通過頸中心時，內、外側承受平均壓力。為分析髖關節的受力情況，假設整個身體集中於一點，稱之為身體重心。靜止站立時，重心與雙髖的共同軸在同一冠狀平面上，位於第二骶椎的前方。正常行走時，髖關節雙側輪流負重，重心左右往返移動。因此髖關節受力會因運動方式不同而受力不同。有實驗表明，當髖關節承受2000次載荷時，軟骨會遭到嚴峻的振動、形成潰瘍，使軟骨和骨發生不可逆性變形，造成骨的廣泛損傷。老年人髖關節的活動量1年約一百萬次，如此高負荷、高頻率，產生退行性關節病也是可以理解的。

通常，作用於髖關節的力可分為張應力、壓應力、彎曲應力和剪下應力。這些力的作用通過體重負荷和肌肉收縮作用綜合表現。人類髖關節為適應豎立行走、勞動的需要，其力學性能優良，具有下列生物力學特點：

（1）股骨上端形成多平面彎曲角（頸乾角、前傾角），與骨盆和下肢呈多曲結構。其骨小梁呈多層格線狀，應力分布合理，受力性能最佳，自重輕而負重大。

（2）具有自動反饋控制的特點，以適應張應力和壓應力的需要。按照Wollf定律，股骨上端具有獨特的扇形壓力骨小梁系統和弓形橫行的張力骨小梁系統；在轉子平面又形成另外的骨小梁系統。可根據受力大小通過人體自動反饋系統作用增加或降低骨小梁密度，使骨組織以最小的重量獲得最大的功效。

（3）髖關節生物力學結構具有變異性。骨小梁組織結構的數量和質量受個體職業、活動狀況、內分泌、物質代謝、營養、年齡、疾病等諸多因素的影響。

（4）股骨幹的力學軸線是自股骨頭的旋轉中心至股骨內外髁的中點，股骨上端承受的剪下應力最大，所以股骨頸多因剪下應力而骨折，大轉子以下多因彎曲和旋轉應力而骨折。髖關節生物力學體系處於動態平衡之中，隨時可以調整保持身體重心的穩定。骨小梁的分布和骨截面形狀均適應外力作用的需要，特殊是能最大限度地防止彎曲應力的作用。

擴展閱讀

• 胡耿丹, 王樂軍, 牛文鑫. 運動生物力學. 同濟大學出版社. 2013年12月, 第1版.