髖關節(jié)是人體最大的杵臼關節(jié)，正常的關節(jié)面的精確對合，不僅是髖關節(jié)具有很大的內(nèi)在穩(wěn)定性，而且能提供日常生活中所需要的大范圍活動。正確了解在日常生活包括行走中的髖關節(jié)所處的力學環(huán)境，將有助于加深對髖部疾病的發(fā)病機制、診斷和治療原則、手術與置入物的設計改進的認識，本章節(jié)從總體上介紹髖關節(jié)的力學分析，運動學和病理力學，各種具體的傷病的生物力學問題，將分別在有關章節(jié)中討論。

由于髖關節(jié)的受力因素主要分布在冠狀面上，髖關節(jié)靜力載荷的分析常被近似化為單純的冠狀面分析，根據(jù)有效體重（體重減除站立側下肢的重量）、體重力臂、肌肉作用力（主要為臀中肌）、肌力力臂而計算出髖關節(jié)在二維平面上的受力情況。這種分析方法簡單、易行，且為非侵入性。據(jù)此作出的各種推算結果具有一定的實用意義。有助于了解髖關節(jié)受力的基本狀況和作為動力學分析的基礎。但其缺點也顯而易見，由于肌力分布和肌肉力線難以精確確定，再加上僅屬二維分析，實際上難以反映精確的髖關節(jié)受力狀況。

（一）雙足站立時

雙足靜止站立時，雙側髖關節(jié)支撐頭部、軀干和雙側上肢，約承受62%的體重（BW）（圖1-12）。此時人體的重心位于胸10與胸11之間的椎間盤的正中矢狀面和水平面上。此重心的垂直線正好與雙側股骨頭旋轉中心連線的中點相交。從理論上講，此時無須任何肌力就能保持平衡，但這種平衡是不穩(wěn)定的。如果髖關節(jié)支撐是對稱的，那么每側髖關節(jié)承受31%的體重。以體重60kg為例，此時雙側髖關節(jié)共承受37.2kg，每側髖關節(jié)承受18.6kg，如果每側股骨頭的負重面積是12cm2，股骨頭每平方厘米將承受1.55kg的力。

（二）單足站立時

單足靜止站立時，負重一側的髖關節(jié)支撐頭部、軀干和雙上肢及對側下肢，這部分身體的重心線略向負重側方向偏移，通過負重足與地面垂直（圖1-13）。

圖1-12　雙足靜止對稱站立時的重心（S）及作用于一側的髖關節(jié)的力（R）

圖1-13　單足靜止站立
S－重心，K－體重（頭部、軀干和雙上肢及對側下肢）的垂直力，h′－K的力臂，M－外展肌力，h－M的力臂，R－K和M的合力

假設其重量為K，則K約為81%的體重（BW）。此時人體重心位置發(fā)生變化，在水平面上向下移至腰3與腰4之間椎間盤平面，在冠狀面上向不負重側移動2.5cm；在矢狀面上重心位于承重側髖關節(jié)旋轉中心的冠狀面附近。單足站立時，體重（K）使負重側髖關節(jié)偏心受力，并使骨盆傾斜。為保持髖關節(jié)穩(wěn)定，需通過外展肌力（M）以達到平衡。K的力臂為h′，M的力臂為h。一般情況下，h′是h的3倍，上述兩力的力矩應該是相等的，即：Kh′＝Mh

M＝Kh′／h

此時髖關節(jié)受力K和M的總合力R為：

R＝［K2＋M2＋2KMcos（KM）］1／2

其中KM為力K與M的力線所形成的夾角，KR是力K與力R的力線所形成的夾角。故合力R大約為總體重的3倍以上。合力R力線與力K和M的力線相交于一點，并通過股骨頭中心。因為髖關節(jié)面摩擦系數(shù)極小，故合力R的力線在關節(jié)表面相交時與關節(jié)面呈正切關系。在正常髖關節(jié)，R的力線相對于地面垂直線的傾角約為16°。

（三）髖關節(jié)接觸力的三維推算

已有不少作者試用三維力學模型，結合行走、登梯和由坐位起立時外部測得的力來推算肌肉作用力和髖關節(jié)接觸力。表1-1列舉了一些作者的推算結果。

表1-1　不同三維推算方法獲得的髖關節(jié)接觸應力峰值

（引自Hurwitz與Andriacchi，1998）

（四）正常髖關節(jié)的機械應力

上述的合力R在髖關節(jié)受到的壓強的大小與分布主要取決于：

1.R的大小。

2.關節(jié)承受面的大小。

3.負重區(qū)中R的位置和方向。

正常行走時，合力R的大小一般為體重的4倍以上，但可因解剖結構的個體差異而有所變化。

根據(jù)Wald（1972）的測量，髖關節(jié)的負重面積在負重時為22.19～33.68cm2（平均為26.77cm2）。髖臼關節(jié)面呈馬蹄形，中心及下方有凹陷，稱髖臼窩，為圓韌帶的附著處。髖臼的軟骨面周邊厚，中央較薄，髖臼盂唇加深了髖臼深度。Kummer（1986、1974、1979）根據(jù)關節(jié)面的形狀和合力在髖關節(jié)的位置，計算出關節(jié)接觸面的承重面積。再根據(jù)關節(jié)面的寬度和合力R至髖臼外緣的距離，計算出不同半徑股骨頭負重面積。結果表明，髖臼馬蹄形關節(jié)面面積越寬大，合力R至髖臼外緣的距離越遠，股骨頭半徑越大，承受面積也就越大。以半徑為25mm的股骨頭為例，其負重面積為11.4～24.5cm2。正常髖關節(jié)壓應力最大為16～20kg／cm2。

（五）正常股骨頸的機械應力

股骨頸縱軸平均長3.08cm，股骨頭加股骨頸平均全長9.56cm。頸干角增加下肢的運動范圍，亦使軀干的力量傳達到較寬的基底部。股骨頸無肌肉附著，故作用于股骨頸的合力R的大小與髖關節(jié)一樣，合力R的力線并不與股骨頸的軸線相一致。合力R與股骨頭中心相交后向遠側延伸并向下方偏離，從而在股骨頸產(chǎn)生壓應力和張應力，并且壓應力總是大于張應力。最大壓應力位于股骨頸的內(nèi)側緣，最大的張應力在股骨頸的外側緣。越靠近股骨頸的中軸線，壓應力與張應力越小，股骨頸中心軸處既無張應力，亦無壓應力。由于合力R是斜向作用于股骨頸，故產(chǎn)生剪應力，剪應力S的大小取決于合力R的力線和股骨頸軸線的夾角。

通過經(jīng)典的梁測試原理計算、光彈性試驗、有限元力分析結合數(shù)學分析、應變儀或骨表面涂布應變敏感物質后測定等均證實股骨頸上部的股骨頭與股骨頸交界處所受張應力最大（圖1-14）。

圖1-14　合力R作用于股骨頸的應力分布
D－壓應力，T－張應力，S－剪應力
股骨頸的中心由應力圖中的影線表示

應用光彈模型可以測定出股骨頭和股骨頸各斷面的應力和剪力，這些斷面均與股骨頸的軸線相垂直。正常應力與截面相垂直，張應力為正值，為橫軸以上部分的曲線；壓應力為負值，為橫軸以下的曲線。

正常股骨頸骨松質結構中有兩組骨小梁，它的位置和每組骨小梁的數(shù)量與應力分布和大小相吻合。一組從股骨干骺端內(nèi)側的骨皮質開始，弧形向上，至股骨頭負重區(qū)，為抗壓骨小梁。另一組沿著大粗隆基底和股骨頸外側向上弧形延伸到股骨頭的下面，在股骨頭與抗壓骨小梁相交，為抗張骨小梁，此組不如抗張骨小梁明顯。在這兩組骨小梁系統(tǒng)之間是較透亮區(qū)Ward三角，該區(qū)應力值很小。根據(jù)Pauwels定理，骨松質的多少取決于應力的大小。

（六）行走輔助器對髖關節(jié)應力的影響

分析法及體內(nèi)研究均顯示，行走時對側手持杖可降低髖關節(jié)壓力。二維靜力分析提示：手杖和外展肌共同產(chǎn)生力矩，與有效體重產(chǎn)生的力矩大小相等、方向相反。使用手杖之所以能大幅度降低關節(jié)接觸壓，是因為手杖的力臂遠大于外展肌的力臂。此時只需較小的肌力即可平衡有效體重產(chǎn)生的力矩。二維靜力學分析表明，若手杖承擔約15%的體重，關節(jié)的反作用力可降低50%（由3.3BW降至1.7BW）。運動學和動力學分析顯示，扶拐行走時髖關節(jié)的接觸力（2.2BW）只有不扶拐行走時（3.4BW）的65%（表1-1）。