1、第四章第四章 关节的生物力学关节的生物力学郑州工业应用技术学院医学院郑州工业应用技术学院医学院康复治疗学教研室康复治疗学教研室张华锴张华锴1 第一节第一节 关节结构的生物力学特征关节结构的生物力学特征1.1 1.1 关节的基本结构关节的基本结构1.2 1.2 关节的运动幅度和测量方法关节的运动幅度和测量方法第二节第二节 人体关节的生物力学人体关节的生物力学2.1 2.1 肩关节受力分析肩关节受力分析2.2 2.2 肘关节受力分析肘关节受力分析2.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析2.4 2.4 膝关节受力分析膝关节受力分析2.5 2.5 踝关节受力分析踝关节受力分析22023-2-5第四
2、章第四章 关节的生物力学关节的生物力学骨骼借助骨骼借助韧带韧带、肌肉肌肉和和骨组织骨组织连接成连接成骨骼系统骨骼系统。骨的连接方式骨的连接方式分为分为直接连接直接连接和和间接间接连接连接。32023-2-5第四章第四章 关节的生物力学关节的生物力学直接连接直接连接又称又称不不动关节动关节；特点特点：结构：结构牢固、坚韧性强、活牢固、坚韧性强、活动范围小或完全不能动范围小或完全不能活动；活动；功能功能：支持器：支持器官或保护有关组织。官或保护有关组织。42023-2-5第四章第四章 关节的生物力学关节的生物力学间接连接间接连接又称又称活动关节活动关节；特点：；特点：灵活性强；功能：灵活性强；功能
3、：传递力和运动。传递力和运动。52023-2-5第四章第四章 关节的生物力学关节的生物力学关节共同特性：关节共同特性：运动灵活性强运动灵活性强：三维方向的屈曲和旋转，多种：三维方向的屈曲和旋转，多种运动同时发生；运动同时发生；关节囊关节囊摩擦系数很小摩擦系数很小，有较强的，有较强的耐磨性耐磨性；有一定的有一定的强度强度、刚度刚度，有一定的，有一定的稳定性稳定性。62023-2-5第四章第四章 关节的生物力学关节的生物力学维护关节稳定性三因素：维护关节稳定性三因素：关节面关节面构造形式，构造形式，骨骼骨骼的的协调和稳定协调和稳定；韧带韧带维持的维持的静态稳定静态稳定作用；作用；关节周围的关节周围
4、的肌肉肌肉起到的起到的动态稳定动态稳定作用。作用。72023-2-5第四章第四章 关节的生物力学关节的生物力学分析关节运动及受力状态，主要包括三方面关分析关节运动及受力状态，主要包括三方面关键因素：键因素：关节关节瞬时旋转中心瞬时旋转中心；肌肉作用的肌肉作用的起止点起止点，即肌肉力的即肌肉力的大小大小和和方向方向；肌肉力或外力作用肌肉力或外力作用下下关节面受力情况关节面受力情况。82023-2-5第一节第一节 关节结构的生物力学特征关节结构的生物力学特征 92023-2-51.1 1.1 关节的基本结构关节的基本结构关节结构关节结构关节主要结构关节主要结构关节辅助结构关节辅助结构关节囊关节囊关
5、节面关节面关节腔关节腔韧带韧带内软骨内软骨关节盂缘关节盂缘102023-2-51.1 1.1 关节的基本结构关节的基本结构关节面关节面 关节面：构成关节的两根骨的相对面。关节面：构成关节的两根骨的相对面。一凸一凹，互相适应。凸面为关节头，凹面为一凸一凹，互相适应。凸面为关节头，凹面为关节窝。关节面覆盖一层光滑的关节窝。关节面覆盖一层光滑的透明软骨，称关节软骨。透明软骨，称关节软骨。112023-2-51.1 1.1 关节的基本结构关节的基本结构关节面关节面 生物力学特征：关节软骨使关节头和关节窝形生物力学特征：关节软骨使关节头和关节窝形态更适应；表面光滑，面间有滑液，可减少关节面态更适应；表面
6、光滑，面间有滑液，可减少关节面间摩擦系数；软骨有弹性，可减间摩擦系数；软骨有弹性，可减少骨面间的摩擦和缓冲撞击，增少骨面间的摩擦和缓冲撞击，增加灵活性。加灵活性。122023-2-51.1 1.1 关节的基本结构关节的基本结构关节囊关节囊 关节囊：包在关节周围，为一关节囊：包在关节周围，为一结缔组织的膜性结缔组织的膜性囊囊。分内、外两层，外层为分内、外两层，外层为纤维纤维层层，内层为，内层为滑膜层滑膜层，纤维层和滑，纤维层和滑膜层相连续。膜层相连续。132023-2-51.1 1.1 关节的基本结构关节的基本结构关节囊关节囊 生物力学特征：某些关节，纤维层局部增厚，生物力学特征：某些关节，纤维
7、层局部增厚，形成韧带，形成韧带，加强关节的稳定性加强关节的稳定性；滑膜层薄而光滑，；滑膜层薄而光滑，含有丰富的血管和淋巴管，能分含有丰富的血管和淋巴管，能分泌少量滑液，以泌少量滑液，以润滑关节面和滋润滑关节面和滋养关节软骨养关节软骨，同时也有吸收作用。，同时也有吸收作用。142023-2-51.1 1.1 关节的基本结构关节的基本结构关节腔关节腔 关节腔：关节囊滑膜层与关节软骨之间围成的关节腔：关节囊滑膜层与关节软骨之间围成的潜在性腔隙，也称滑膜腔。潜在性腔隙，也称滑膜腔。内含少量滑液。内含少量滑液。关节腔密闭呈负压，维持关关节腔密闭呈负压，维持关节稳定性有一定作用。节稳定性有一定作用。152
8、023-2-51.1 1.1 关节的基本结构关节的基本结构韧带韧带 由致密的结缔组织构成，呈扁带状或条索状。由致密的结缔组织构成，呈扁带状或条索状。韧带弯曲超过生理范围韧带弯曲超过生理范围，可导致韧带延长或断裂。，可导致韧带延长或断裂。韧带有韧带有连接两骨连接两骨、增加、增加关节稳定性关节稳定性，限制关节运动限制关节运动等作用。等作用。162023-2-51.1 1.1 关节的基本结构关节的基本结构关节内软骨关节内软骨 由由纤维软骨纤维软骨构成，位于构成，位于两骨两骨关节面之间关节面之间，有，有关节盘关节盘和和关节半关节半月板月板两种。两种。关节内软骨增加关节内软骨增加关节弹性关节弹性，减少，
9、减少骨面冲击和震荡骨面冲击和震荡，使关，使关节面节面互相适应互相适应，利于，利于关节运动关节运动。172023-2-51.1 1.1 关节的基本结构关节的基本结构关节盂缘关节盂缘 纤维软骨环纤维软骨环，附着于附着于关节窝的关节窝的周缘周缘。加深关节窝加深关节窝的作用。的作用。182023-2-51.1 1.1 关节的基本结构关节的基本结构 关节灵活因素：关节面、关节灵活因素：关节面、关节腔、滑膜层和关节腔内的滑关节腔、滑膜层和关节腔内的滑液。液。关节稳定因素：关节囊、关节稳定因素：关节囊、韧带、关节盂缘、关节腔内负压。韧带、关节盂缘、关节腔内负压。两个方面因素相互制约、两个方面因素相互制约、相
10、互依存，实现关节运动功能。相互依存，实现关节运动功能。192023-2-51.2 1.2 关节的运动幅度和测量方法关节的运动幅度和测量方法 关节关节灵活性灵活性的表现是的表现是关节运动的幅度关节运动的幅度。骨环节运动极限的范围骨环节运动极限的范围叫叫关节运动幅度关节运动幅度。关。关节运动属于节运动属于转动转动，运动幅度用，运动幅度用角度角度表示。表示。202023-2-51.2 1.2 关节的运动幅度和测量方法关节的运动幅度和测量方法影响关节运动幅度的因素影响关节运动幅度的因素 两关节面弧度差两关节面弧度差：肱尺关节：肱尺关节的的肱骨滑车弧度肱骨滑车弧度330330，尺骨半尺骨半月切迹弧度为月
11、切迹弧度为190190，屈伸方向，屈伸方向上的弧度差为上的弧度差为，肱尺关节，肱尺关节运动幅度为运动幅度为140140。两关节面弧。两关节面弧度差越大，关节运动幅度越大。度差越大，关节运动幅度越大。212023-2-51.2 1.2 关节的运动幅度和测量方法关节的运动幅度和测量方法影响关节运动幅度的因素影响关节运动幅度的因素 关节周围软组织性质：关节运动与关节周围软组织性质：关节运动与关节面边关节面边缘互相阻挡缘互相阻挡无关，运动幅度不受无关，运动幅度不受关节面弧度差关节面弧度差影影响。影响关节运动幅度的主要响。影响关节运动幅度的主要因素为关节周围韧带、筋膜、因素为关节周围韧带、筋膜、关节囊、
12、肌肉。关节囊、肌肉。222023-2-51.2 1.2 关节的运动幅度和测量方法关节的运动幅度和测量方法影响关节运动幅度的因素影响关节运动幅度的因素 关节周围软组织性质：周围软组织对关节运关节周围软组织性质：周围软组织对关节运动幅度的影响始终存在。动幅度的影响始终存在。关节囊厚、紧关节囊厚、紧，韧带和韧带和筋膜多、强筋膜多、强，肌肉肌肉长度短长度短，则，则运动幅运动幅度小度小；相反，幅度；相反，幅度大。大。232023-2-51.2 1.2 关节的运动幅度和测量方法关节的运动幅度和测量方法关节运动测量方法关节运动测量方法 关节测角器：关节测角器：测量器测量器测量时，测角器铰链按测量时，测角器铰
13、链按放位置始终一致。放位置始终一致。242023-2-51.2 1.2 关节的运动幅度和测量方法关节的运动幅度和测量方法关节运动测量方法关节运动测量方法 摄影法：摄影法：照相摄影照相摄影和和X X线摄影线摄影两种。照相摄影两种。照相摄影法是在被测关节的法是在被测关节的固定臂固定臂和和活动臂活动臂上分别贴两个上分别贴两个圆形圆形标志点标志点，用相机拍摄标志点连线在关节旋转，用相机拍摄标志点连线在关节旋转前后的两个前后的两个标志点标志点位置，通过数学计算方法计算位置，通过数学计算方法计算标志点连线之间的标志点连线之间的角度角度在旋转前后的变化。在旋转前后的变化。252023-2-51.2 1.2
14、关节的运动幅度和测量方法关节的运动幅度和测量方法关节运动测量方法关节运动测量方法 摄影法：摄影法：照相摄影照相摄影和和X X线摄影线摄影两种。照相摄影，两种。照相摄影，在被测关节在被测关节固定臂固定臂和和活动臂活动臂上分别贴两个圆形上分别贴两个圆形标标志点志点，用相机拍摄，用相机拍摄标志点标志点在关节旋转前后的在关节旋转前后的位置位置，通过数学计算方法计算标志通过数学计算方法计算标志点间的点间的角度角度变化。变化。262023-2-51.2 1.2 关节的运动幅度和测量方法关节的运动幅度和测量方法关节运动测量方法关节运动测量方法 电子法：把电子法：把关节运动转化成电信号关节运动转化成电信号记录
15、下来。记录下来。用两只可变电阻组装成的用两只可变电阻组装成的关节角度仪关节角度仪。272023-2-51.2 1.2 关节的运动幅度和测量方法关节的运动幅度和测量方法关节运动测量方法关节运动测量方法 计算关节运动幅度时，要确定运动的开始点。计算关节运动幅度时，要确定运动的开始点。运动开始点是关节开始运动时的位置。采用立正运动开始点是关节开始运动时的位置。采用立正姿势时各关节中立位为开始运动点。膝关节伸直姿势时各关节中立位为开始运动点。膝关节伸直180180位、踝关节位、踝关节9090为其运动开始点。为其运动开始点。282023-2-5第二节第二节 人体关节的生物力学人体关节的生物力学29202
16、3-2-52.1 2.1 肩关节受力分析肩关节受力分析 肩关节由肩关节由肩胛骨的关节盂肩胛骨的关节盂和和肱骨头肱骨头构成，是构成，是典型的典型的球窝关节球窝关节。肩关节。肩关节松弛松弛，关节，关节腔宽大腔宽大，韧韧带少且弱带少且弱，是不太稳定的关节，常发生，是不太稳定的关节，常发生脱位脱位。302023-2-52.1 2.1 肩关节受力分析肩关节受力分析肩关节结构的稳定性及运动幅度肩关节结构的稳定性及运动幅度 肱骨头为肱骨头为球形的关节面球形的关节面，肱二头肌长头腱肱二头肌长头腱跨过跨过结节间沟结节间沟，随肱骨内收，随肱骨内收、外展、旋转活动上下、外展、旋转活动上下滑行，导致滑行，导致结节间沟
17、变结节间沟变窄窄的因素均可引起的因素均可引起肱二肱二头肌腱鞘炎头肌腱鞘炎发生。发生。312023-2-52.1 2.1 肩关节受力分析肩关节受力分析肩关节结构的稳定性及运动幅度肩关节结构的稳定性及运动幅度 关节盂呈关节盂呈梨形梨形，上窄下宽上窄下宽，关节面为，关节面为凹面凹面，向向前、外、下方前、外、下方，盂表面，盂表面覆盖覆盖透明软骨透明软骨，边缘镶，边缘镶有有纤维软骨纤维软骨为盂唇，增为盂唇，增加加盂的深度盂的深度。322023-2-52.1 2.1 肩关节受力分析肩关节受力分析肩关节结构的稳定性及运动幅度肩关节结构的稳定性及运动幅度 关节囊为纤维组织构成的关节囊为纤维组织构成的松弛囊松弛
18、囊。囊松弛囊松弛、盂盂较浅较浅，关节的稳固性依，关节的稳固性依赖韧带和盂肱关节周围赖韧带和盂肱关节周围的的肌肉群肌肉群。但下方肌肉。但下方肌肉较少，关节囊软弱，常较少，关节囊软弱，常发生发生前脱位前脱位。332023-2-52.1 2.1 肩关节受力分析肩关节受力分析肩关节结构的稳定性及运动幅度肩关节结构的稳定性及运动幅度 肩关节是灵活性最佳的一个关节。肩关节是灵活性最佳的一个关节。前屈、后伸、前屈、后伸、外展、内收、旋内外展、内收、旋内、旋外、环转，三、旋外、环转，三维方向的广泛运动维方向的广泛运动。342023-2-52.1 2.1 肩关节受力分析肩关节受力分析肩关节结构的稳定性及运动幅度
19、肩关节结构的稳定性及运动幅度 肩肩屈曲0-170后伸0-60外展0-170水平外展0-40水平内收0-130内旋0-70外旋0-90352023-2-52.1 2.1 肩关节受力分析肩关节受力分析肩关节受力分析肩关节受力分析 计算手臂平抬时，肌肉力及肩关节上产生的反计算手臂平抬时，肌肉力及肩关节上产生的反作用力大小作用力大小。在分析肩关在分析肩关节受力情况时，节受力情况时，可将肩关节结构可将肩关节结构简化为简化为杠杆系统杠杆系统。30N30NG GG GF Fm mF Fm m362023-2-52.1 2.1 肩关节受力分析肩关节受力分析肩关节受力分析肩关节受力分析 假设：体重为假设：体重为
20、600N600N，手臂重量为体重的，手臂重量为体重的1/201/20，手臂重手臂重30N30N，重心作用在约离肱骨头中心，重心作用在约离肱骨头中心30cm30cm处。处。为了平衡手臂重为了平衡手臂重量，肌力量，肌力 平平行手臂，离关节行手臂，离关节中心中心3cm3cm。30N30NFmG GG GF Fm mF Fm m372023-2-52.1 2.1 肩关节受力分析肩关节受力分析肩关节受力分析肩关节受力分析 解：肩关节平抬并相对静止。解：肩关节平抬并相对静止。根据杠杆平衡原理，根据杠杆平衡原理，F Fm m0.03=G0.03=G0.300.30，所以，所以F Fm m=300N =300
21、N。30N30NG GG GF Fm mF Fm m03.030.030 382023-2-52.1 2.1 肩关节受力分析肩关节受力分析肩关节受力分析肩关节受力分析 解：肩关节平抬并相对静止。解：肩关节平抬并相对静止。肩关节反作用力为肩关节反作用力为T T，T T与与F Fm m是一对作用力与反作用是一对作用力与反作用力，与力，与F Fm m大小相大小相等、方向相反，等、方向相反，T=300NT=300N。30N30NG GG GF Fm mF Fm mT T392023-2-52.1 2.1 肩关节受力分析肩关节受力分析肩关节受力分析肩关节受力分析 解：肩关节平抬并相对静止。解：肩关节平抬
22、并相对静止。实际情况，三角肌肌力与臂不平行，成一定夹角，实际情况，三角肌肌力与臂不平行，成一定夹角，精确计算过程比精确计算过程比以上复杂的多。以上复杂的多。30N30NG GG GF Fm mF Fm mT T402023-2-52.2 2.2 肘关节受力分析肘关节受力分析 肘关节是肘关节是由由三个三个关节（关节（肱尺关节肱尺关节、肱桡关节肱桡关节、上尺桡关节上尺桡关节）共同包裹在一个）共同包裹在一个关节囊关节囊内组成的复内组成的复合关节，属合关节，属。412023-2-52.2 2.2 肘关节受力分析肘关节受力分析 肱骨下端肱骨下端与与尺骨尺骨组成组成肱尺关节肱尺关节；肱骨下端肱骨下端与与桡
23、骨桡骨组成组成肱桡关节肱桡关节；桡骨桡骨和和尺骨尺骨组成组成上桡尺关节上桡尺关节。422023-2-52.2 2.2 肘关节受力分析肘关节受力分析 关节囊纤维层在关节囊纤维层在前、后方较薄弱前、后方较薄弱，两侧韧带两侧韧带较强较强。432023-2-52.2 2.2 肘关节受力分析肘关节受力分析肘关节结构的稳定性及运动幅度肘关节结构的稳定性及运动幅度 肘部的稳定因素主要有肘部的稳定因素主要有肱骨肱骨、肱骨远端肱骨远端、桡桡骨小头骨小头、尺骨近端尺骨近端。尺骨冠状突尺骨冠状突（至少（至少50%50%冠状突）冠状突）是保持肘关节稳定的不可或缺的结构。是保持肘关节稳定的不可或缺的结构。442023-
24、2-52.2 2.2 肘关节受力分析肘关节受力分析肘关节结构的稳定性及运动幅度肘关节结构的稳定性及运动幅度 其次为其次为韧带结构韧带结构：尺侧副韧带尺侧副韧带、桡侧副韧带桡侧副韧带、环状韧带环状韧带。侧副韧带侧副韧带提供两侧关节稳定性（内翻提供两侧关节稳定性（内翻和外翻）的和外翻）的50%50%，关节面关节面承担承担50%50%。外侧稳定依赖。外侧稳定依赖尺侧副韧带作用，尺侧副韧带作用，桡骨桡骨小头小头是第二重要预防是第二重要预防肘肘外翻外翻的稳定结构。的稳定结构。452023-2-52.2 2.2 肘关节受力分析肘关节受力分析肘关节结构的稳定性及运动幅度肘关节结构的稳定性及运动幅度 肘关节主
25、要进行肘关节主要进行屈伸运动屈伸运动，幅度可达，幅度可达140140，过伸过伸可达可达10-2010-20。桡尺部桡尺部在垂直轴上在垂直轴上做做旋前、旋后旋前、旋后运动，幅运动，幅度为度为10-1510-15 ，女性可，女性可达达2525 。462023-2-52.2 2.2 肘关节受力分析肘关节受力分析肘关节结构的稳定性及运动幅度肘关节结构的稳定性及运动幅度 肱骨滑车关节轴斜向下内，屈前臂时肱骨滑车关节轴斜向下内，屈前臂时前臂与前臂与上臂中轴之间上臂中轴之间产生约产生约5-155-15角角，称，称提携角提携角。超过。超过正常范围称正常范围称肘外翻肘外翻畸形，小于畸形，小于正常范围称正常范围称
26、肘内翻肘内翻畸形。畸形。472023-2-52.2 2.2 肘关节受力分析肘关节受力分析肘关节受力分析肘关节受力分析 前臂屈曲某一角度时，前臂屈曲某一角度时，肌肉力肌肉力 （肱二头肌和肱肌）可分解为两个（肱二头肌和肱肌）可分解为两个分力：分力：稳定力稳定力 ，沿前臂方向压紧，沿前臂方向压紧肘关节，起稳定作用；肘关节，起稳定作用；旋转力旋转力 ,垂直于前臂轴线，引起前臂旋转、垂直于前臂轴线，引起前臂旋转、屈伸。屈伸。FmSRSFmR482023-2-52.2 2.2 肘关节受力分析肘关节受力分析肘关节受力分析肘关节受力分析 设肌力的作用点与肘关节转动设肌力的作用点与肘关节转动中心距离为中心距离为
27、d dR R(常数），旋转力常数），旋转力 随随臂屈曲角度的变化而变化，肘屈曲臂屈曲角度的变化而变化，肘屈曲接近接近9090时，时，最大。力最大。力 与屈曲角与屈曲角度成非线性关系。当接近度成非线性关系。当接近9090时，时，力力 增大较快。增大较快。FmRRRRRS492023-2-52.2 2.2 肘关节受力分析肘关节受力分析肘关节受力分析肘关节受力分析 上臂垂直下垂、前臂屈曲上臂垂直下垂、前臂屈曲9090时，计算时，计算肱二头肱二头肌肌力肌肌力及及肘关节反力肘关节反力。已知：肌力力臂已知：肌力力臂d dM M=0.05m=0.05m，重力力臂，重力力臂d dG G=0.15m=0.15m
28、，前臂及手重量前臂及手重量G=15NG=15N。FmG Gd dM Md dG G502023-2-52.2 2.2 肘关节受力分析肘关节受力分析肘关节受力分析肘关节受力分析 解：肌力解：肌力F Fm m几乎与前臂轴线垂直，据几乎与前臂轴线垂直，据杠杆平衡杠杆平衡原理，原理，F Fm m d dM M=G Gd dG G ，F Fm m=45N=45N。肘关节反力垂直向下为：肘关节反力垂直向下为：T=FT=Fm mG=45-15=30NG=45-15=30N。前臂屈曲在前臂屈曲在其他角其他角度度时，计算时，计算过程相对复过程相对复杂杂。FmG Gd dM Md dG GddGMG05.015.
29、015T T512023-2-52.2 2.2 肘关节受力分析肘关节受力分析肘关节受力分析肘关节受力分析 患者使用手杖时，前臂屈曲患者使用手杖时，前臂屈曲3030角，手杖反力为角，手杖反力为F Fc c=150N=150N，L L1 1=3cm=3cm，L L2 2=36cm=36cm。计算此时肘关节计算此时肘关节肌肉力及关节反力。肌肉力及关节反力。3030F Fc cF Fm mL L1 1L L2 2522023-2-52.2 2.2 肘关节受力分析肘关节受力分析肘关节受力分析肘关节受力分析 解：使用手杖时，手臂是解：使用手杖时，手臂是肱三头肱三头肌力肌力F Fm m所起的所起的伸直力伸直
30、力。根据根据力矩平衡原理力矩平衡原理F Fm md dM M=F=Fc cdcdcF Fm m0.030.03cos60=150cos60=1500.360.36cos60cos60F Fm m=1800N=1800N。L L1 1L L2 2d dM Md dC CF Fc cF Fm m3030532023-2-52.2 2.2 肘关节受力分析肘关节受力分析肘关节受力分析肘关节受力分析 解：解：关节反力关节反力T T是力是力F Fm m和的力和的力F Fc c矢量和：矢量和：T=T=F Fm m+F+Fc c=1800+150=1950N=1800+150=1950N。L L1 1L L2
31、 2d dM Md dC CF Fc cF Fm mT T3030542023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析 髋关节是比较稳定的髋关节是比较稳定的球窝关节球窝关节，由，由球形股骨球形股骨头头、凹形髋臼凹形髋臼组成。组成。球形股骨头球形股骨头为球为球窝结构中的窝结构中的凸出部分凸出部分，相当于圆球的三分之相当于圆球的三分之二，方向朝二，方向朝上、内、上、内、前前。552023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析 凹形髋臼凹形髋臼是球窝结构中的是球窝结构中的凹形部分凹形部分，半球形，半球形，方向朝方向朝前前、下下、外外方，方，内衬内衬半月形软骨半月形软骨，内，
32、内下方软骨缺如，形成下方软骨缺如，形成髋臼切迹，由髋臼横髋臼切迹，由髋臼横韧带连接，使与股骨韧带连接，使与股骨头紧密联合。头紧密联合。562023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析 凹形髋臼凹形髋臼周围有周围有三角形纤维软骨三角形纤维软骨围成的围成的关节关节唇唇，充分包裹股骨头。，充分包裹股骨头。髋关节是全身位髋关节是全身位置置最深最深的关节，具有的关节，具有相对稳定的骨性结构。相对稳定的骨性结构。572023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析 髋关节由坚强的髋关节由坚强的关节囊关节囊与与韧带韧带、强大的、强大的肌肉肌肉群群保护。保护。既坚固又灵活既坚固又灵
33、活，将躯干重量传达至下肢，将躯干重量传达至下肢，具有具有负重负重或或活动活动功能。功能。582023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析 髋关节由坚强髋关节由坚强的的关节囊关节囊与与韧带韧带、强大的强大的肌肉群肌肉群保护。保护。既坚固又灵活既坚固又灵活，将，将躯干重量传达至下躯干重量传达至下肢，具有肢，具有负重负重或或活活动动功能。功能。592023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节结构的稳定性及运动幅度髋关节结构的稳定性及运动幅度 髋关节的髋关节的稳定性稳定性依靠依靠髋臼的形态和方向髋臼的形态和方向、髋髋臼对肱骨头的覆盖臼对肱骨头的覆盖及及关节周围肌肉
34、的动力平衡关节周围肌肉的动力平衡等。等。髋臼盂唇髋臼盂唇加深了髋臼加深了髋臼，像领带将股骨头套住，像领带将股骨头套住，增加了关节稳定性。增加了关节稳定性。602023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节结构的稳定性及运动幅度髋关节结构的稳定性及运动幅度 髋关节在髋关节在冠状面冠状面的平衡，是的平衡，是外展肌外展肌与与内收肌内收肌之间的平衡。之间的平衡。臀臀中肌中肌是主要的是主要的外展肌外展肌，内收大肌内收大肌是主要的是主要的内收肌内收肌，阔筋膜长肌阔筋膜长肌是是主要的主要的冠状面稳定肌冠状面稳定肌。612023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节结构
35、的稳定性及运动幅度髋关节结构的稳定性及运动幅度 髋关节在髋关节在矢状面矢状面的平衡，是的平衡，是伸肌伸肌与与屈肌屈肌之间的平衡。重心落之间的平衡。重心落在髋关节前方时，在髋关节前方时，臀大肌臀大肌收缩要收缩要防止防止髋关节突然屈伸髋关节突然屈伸；重心落在；重心落在 髋关节后方时，髋关节后方时，髂股韧带髂股韧带被动紧被动紧张，限制张，限制髋关节过伸髋关节过伸。622023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节结构的稳定性及运动幅度髋关节结构的稳定性及运动幅度 髋关节的稳定性与关节活动的位置有关。髋关节的稳定性与关节活动的位置有关。关节关节全伸全伸，同时少量，同时少量外展外展和
36、和内旋内旋而产生交锁而产生交锁效应，此时关节效应，此时关节最稳定最稳定。关节关节屈曲屈曲或或内收内收时，时，股骨头进入髋臼内深度股骨头进入髋臼内深度较小较小，关节，关节稳定性就相应减弱稳定性就相应减弱。632023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节结构的稳定性及运动幅度髋关节结构的稳定性及运动幅度 髋关节可作髋关节可作前屈前屈、后伸后伸、内收内收、外展外展以及以及内、内、外旋转外旋转等活动。等活动。642023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节结构的稳定性及运动幅度髋关节结构的稳定性及运动幅度 髋关节髋关节前屈前屈，股，股骨头沿骨头沿横轴横轴在髋
37、臼内在髋臼内旋转旋转。652023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节结构的稳定性及运动幅度髋关节结构的稳定性及运动幅度 大腿大腿内、外旋转内、外旋转时，以时，以股骨头中心股骨头中心至至股骨髁间凹股骨髁间凹连连线作为其活动轴心。线作为其活动轴心。662023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节结构的稳定性及运动幅度髋关节结构的稳定性及运动幅度 髋关节活动是一个大致幅度髋关节活动是一个大致幅度，这种幅度，这种幅度因人而异因人而异，在发生病，在发生病变时更加显著。变时更加显著。髋髋屈曲屈曲0-120伸展伸展0-30外展外展0-40内收内收0-35内旋内旋
38、0-45外旋外旋0-45672023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析 髋关节面所承受应力正常情况下髋关节面所承受应力正常情况下均匀均匀分布到分布到负重关节面负重关节面上，负重关节上，负重关节面积面积与所受与所受压力压力成成反比反比。超负荷应用促使超负荷应用促使软骨面受损软骨面受损而形成而形成骨关节炎骨关节炎。正常关节面相互适应，应力分布面广，骨单正常关节面相互适应，应力分布面广，骨单位面积所受压力较小。位面积所受压力较小。682023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析 关节面不相适应时，压力传至相关节
39、面不相适应时，压力传至相接触的关节接触的关节面面上。上。关节软骨面破坏，关节软骨面破坏，臼头半径不一致臼头半径不一致，传递外，传递外力的面积减少，将产生力的面积减少，将产生应力集中应力集中。髋关节的髋关节的负重力线在髋臼上的位置负重力线在髋臼上的位置与关节面与关节面受力也有一定关系。受力也有一定关系。692023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析 行走或站立时，行走或站立时，髋关节是主要的负重结构髋关节是主要的负重结构，主要为主要为股骨头股骨头和和髋臼髋臼。髋关节是轻度髋关节是轻度不和谐不和谐的关节，髋臼与股骨头的关节，髋臼与股骨头不同部位承担不同
40、的压力不同部位承担不同的压力。摆动相，髋臼仅在。摆动相，髋臼仅在前、前、后部与股骨头接触后部与股骨头接触，承受压力，承受压力，顶部几乎没有压顶部几乎没有压力力；单腿站立时，髋臼产生弹性应变与股骨头关；单腿站立时，髋臼产生弹性应变与股骨头关节面节面完全接触完全接触，达到和谐一致。，达到和谐一致。702023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析 双腿平衡站立时，股骨头承担上身和上肢重双腿平衡站立时，股骨头承担上身和上肢重量，约为总体重的量，约为总体重的2/32/3，作用在单侧股骨头上的力，作用在单侧股骨头上的力为体重的为体重的1/31/3。单腿站立时作用
41、在股骨头上的力为体重的单腿站立时作用在股骨头上的力为体重的2.62.6倍；漫步行走时为体重的倍；漫步行走时为体重的1.61.6倍；跑步时为体重的倍；跑步时为体重的5 5倍。倍。712023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析 计算单腿站立时股骨计算单腿站立时股骨头受力情况。头受力情况。已知：已知：外外展肌展肌力力F Fm m与水与水平轴大约为平轴大约为6060角。角。d dM Md dG GF Fm mb bW W722023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析 计算单腿站立时股骨计算单腿站立时股骨头受力情
42、况。头受力情况。假设：假设：F Fm m力力作用点作用点、股骨头股骨头中心中心、体重作体重作用点用点在一条水在一条水平线上。平线上。d dM Md dG GF Fm mb bW W732023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析 计算单腿站立时股骨计算单腿站立时股骨头受力情况。头受力情况。假设：肌假设：肌力臂力臂d dM M与体重与体重力臂力臂d dG G之比为之比为1:3.51:3.5，若取，若取1:3.01:3.0。d dM Md dG GF Fm mb bW W742023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节
43、受力分析 计算单腿站立时股骨头受力情况。计算单腿站立时股骨头受力情况。已知已知：外展肌外展肌力力F Fm m与水平轴大约为与水平轴大约为6060角。假角。假设设F Fm m力作用点、股骨头中心、体重作用点在一条水力作用点、股骨头中心、体重作用点在一条水平线上。肌力臂平线上。肌力臂d dM M与体重力臂与体重力臂d dG G之比为之比为1:3.51:3.5，若，若取取1:3.01:3.0，单腿承受人体重量（单腿承受人体重量（660N660N）的）的5/65/6，为：，为：5/65/6660N=550N660N=550N。752023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分
44、析髋关节受力分析 计算单腿站立时股骨头受力情况。计算单腿站立时股骨头受力情况。解：解：为了维持骨盆的水平位置，需为了维持骨盆的水平位置，需外展肌外展肌来来平衡，先画出杠杆简图。平衡，先画出杠杆简图。根据杠杆平衡：根据杠杆平衡：1=b1=bW W3 3 =550N =550N3=1650N3=1650N Fm=/sin60 Fm=/sin60=1905N=1905NF Fm mb bW W6013F，mF，mF，mF，m762023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析 计算单腿站立时股骨头受力情况。计算单腿站立时股骨头受力情况。解：解：为了维持骨盆的水
45、平位置，需为了维持骨盆的水平位置，需外展肌外展肌来来平衡，先画出杠杆简图。平衡，先画出杠杆简图。Ty=+G=1650+550 Ty=+G=1650+550=2200N=2200N，TxTx=Fmcos60=Fmcos60=190519050.5=952.5N0.5=952.5N F Fm mb bW W6013T TTyTyTxTxF，mF，m772023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析 计算单腿站立时股骨头受力情况。计算单腿站立时股骨头受力情况。解：解：为了维持骨盆的水平位置，需为了维持骨盆的水平位置，需外展肌外展肌来来平衡，先画出杠杆简图。平
46、衡，先画出杠杆简图。T=T=2397N =2397N F Fm mb bW W6013T TTyTyTxTxF，myx22TT5.952220022782023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析 计算单腿站立时股骨头受力情况。计算单腿站立时股骨头受力情况。解：解：为了维持骨盆的水平位置，需为了维持骨盆的水平位置，需外展肌外展肌来来平衡，先画出杠杆简图。平衡，先画出杠杆简图。F Fm mb bW W6013T TTyTyTxTxF，m4.23）433.0（22005.952tgtgtg1-1-yx1-TT792023-2-52.3 2.3 髋关节受力
47、分析髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析 从计算过程可以看出，从计算过程可以看出，d dM M与与d dG G比例的改变，所比例的改变，所得结果不同。得结果不同。d dM M值与值与股骨颈干角股骨颈干角（125125）有关。）有关。d dM Md dG GF Fm mb bW W802023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析 颈干角颈干角，大于，大于125125（髋外翻髋外翻），），d dM M减小，肌减小，肌力增大，关节受力增大。力增大，关节受力增大。置换假肢，应加以注意。置换假肢，应加以注意。d dM Md dG GF Fm mb bW
48、W812023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析 颈干角颈干角，小于小于125125（髋内翻髋内翻），），d dM M增大，肌增大，肌力减小，关节受力减小。力减小，关节受力减小。置换假肢，应加以注意。置换假肢，应加以注意。d dM Md dG GF Fm mb bW W822023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析 若改变若改变d dG G，亦可改变外展肌力及关节受力情况。，亦可改变外展肌力及关节受力情况。当外展肌受损或麻痹时，不能提供平衡肌力，当外展肌受损或麻痹时，不能提供平衡肌力，只好把重心移向股骨
49、头中只好把重心移向股骨头中心的正上方，心的正上方，d dG G减小，外减小，外展肌力减小。展肌力减小。d dM Md dG GF Fm mb bW W832023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析 若改变若改变d dG G，亦可改变外展肌力及关节受力情况。，亦可改变外展肌力及关节受力情况。长期长期“馈病馈病”步态，股骨头承受垂直向下的步态，股骨头承受垂直向下的力，引起骨端软骨板移力，引起骨端软骨板移位，骨向上方生长，形位，骨向上方生长，形成成“外反股外反股”病态。为病态。为避免这种情况，借用手避免这种情况，借用手杖来减小外展肌力。杖来减小外展肌力。
50、d dM Md dG GF Fm mb bW W842023-2-52.3 2.3 髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析髋关节受力分析 计算使用手杖时，外展肌的肌力大小。计算使用手杖时，外展肌的肌力大小。假设：手杖离股骨头中心假设：手杖离股骨头中心d de e=0.5m=0.5m，d dG G=0.15m=0.15m，手杖作用力手杖作用力Fc=100NFc=100N，单腿，单腿承受人体重量（承受人体重量（660N660N）的）的5/65/6，G=5/6G=5/6660N=550N660N=550N。d dM Md dG GF Fm mb bW W852023-2-52.3 2.3 髋关节
