作用于髋关节的力及其生物力学特征

髋关节在不同位置时受力情况不同，站立时同时受重力及外展肌的拉力；单足站立和行走时，由于人体重心在两侧股骨头连线之后，重力对关节产生扭矩作用，此时外展肌产生反向力矩以维持平衡，股骨近段不仅受到压应力和张应力，还接受横向环形应力和剪切应力。

做各种动作时，常需要髋部肌肉平衡体重，因此会对髋关节产生相当大的压力。因为在此过程中，若以髋关节为支点，则从支点到身体重心的力臂远大于支点到髋部肌肉的力臂，髋部肌肉的力量远大于人体重量，因此关节受力便会大于体重。髋部肌肉除了增加稳定性外，还可以调节股骨的受力状态。正常人站立时，若肌肉（如臀中肌）未紧张，股骨颈将受到一个弯曲力矩，会在上方产生张应力，在下方产生压应力。因此，若负荷过大，很容易产生张应力破坏。而肌肉产生的收缩作用，会抵消上方张应力部分，避免股骨颈骨折。

正常行走时髋关节的动作平衡且有节奏，耗能最低。双髋轮流负重，重心左右来回移动4．0～4．5cm。髋关节在步态周期过程中会有2个受力波峰，分别在足后跟着地及趾尖离地时。缓慢行走时，惯性力作用可不计，视与静力学相同。但髋关节在快速运动时，受加速和减速的作用，受力会增加。合力等于体重加惯性力，包括地面反冲力、重力、加速度、肌力等，一般认为是体重的3．9～6．0倍。在走路时（速度为1．5m／s），髋关节最大受力约为2．5倍体重，而当跑步时（速度为3．5m／s），关节最大受力为5～6倍体重。

髋关节通过头、臼软骨面相互接触传导重力，负重面为以负重中心为极点的股骨头上半球与半球形臼的重叠部分，具有弹性的关节软骨将应力分散传递到各作用点。正常的股骨颈的应力分布为合力通过颈中心的偏下方，内侧有较高的压应力，外侧有较高的张应力。通过经典的梁测试原理计算、光弹性试验、有限元力学分析结合数学分析、应变仪或骨表面涂布应变敏感物质后测定等均证明股骨颈上部头颈交界处所受张应力最大。当髋关节畸形时应力分布改变：髋内翻时内侧压力、外侧张力均增大；髋外翻时，随外翻程度增加张应力逐渐减小以至消失。当合力通过颈中央时，内、外侧承受平均压力。

为分析髋关节的受力情况，假设整个身体集中于一点，称之为身体重心。静止站立时，重心与双髋的共同轴在同一冠状平面上，位于第2骶椎的前方。正常行走时，髋关节双侧轮流负重，重心左右来回移动。因此，髋关节受力会因运动方式不同而受力不同。有实验表明，当髋关节承受2 000次载荷时，软骨会遭到严重的震动、形成溃疡，使软骨和骨发生不可逆性变形，造成骨的广泛损伤。老年人髋关节的活动量1年约100万次，如此高负荷、高频率，产生退行性关节病也是可以理解的。通常，作用于髋关节的力可分为张应力、压应力、弯曲应力和剪切应力四种。这些力的作用通过体重负荷和肌肉收缩作用综合表现。人类髋关节为适应直立行走、劳动的需要，其力学性能优良，具有下列生物力学特点：

（1）股骨上端形成多平面弯曲角（颈干角、前倾角），与骨盆和下肢呈多曲结构。其骨小梁呈多层网格状，应力分布合理，受力性能最佳，自重轻而负重大。

（2）具有自动反馈控制的特点，以适应张应力和压应力的需要。按照Wollf定律，股骨上端具有独特的扇形压力骨小梁系统和弓形横行的张力骨小梁系统；在转子平面又形成另外的骨小梁系统。可根据受力大小通过人体自动反馈系统作用增加或降低骨小梁密度，使骨组织以最小的重量获得最大的功效。

（3）髋关节生物力学结构具有变异性。骨小梁组织结构的数量和质量受个体职业、活动状况、内分泌、物质代谢、营养、年龄、疾病等诸多因素的影响。

（4）股骨干的力学轴线是自股骨头的旋转中心至股骨内外髁的中点，股骨上端承受的剪切应力最大，所以股骨颈多因剪切应力而骨折，大转子以下多因弯曲和旋转应力而骨折。髋关节生物力学体系处于动态平衡之中，随时可以调整保持身体重心的稳定。骨小梁的分布和骨截面形状均适应外力作用的需要，特别是能最大限度地防止弯曲应力的作用。