骨关节生物力学系列—髋关节的解剖与生物力学

　　髋关节：为典型的球窝关节。由股骨的股骨头和髋骨的髋臼两部分组成。髋关节是连接躯干与下肢的重要关节，也是全身负荷体重最多、受力最重的关节。在完成站立和负荷体重的同时，还在走、跑、坐、蹲等大范围运动中起着关键作用，那么它到底有着怎样复杂的解剖结构与生物力学基础呢？今天，让我们来揭秘这个人体最稳定而又具有很大活动度的关节——髋关节的神秘之处。

　　Ⅰ

　　髋关节的解剖结构

　　1、髋臼

　　髋臼由髂骨、坐骨和耻骨三部分组成。中央为髋臼窝，内衬半月形软骨，其下缘由髋臼横韧带连接，周围有关节唇。髋臼的上1/3是髋关节主要负重区，厚而坚强；髋臼后1/3能维持关节稳定，较厚。

　　2、股骨头

　　股骨头是髋关节球臼结构中的凸出部分，相当于圆球的三分之二，方向朝上、内、前。有一凹陷，称股骨头凹，有圆韧带附着。股骨头的关节软骨，厚薄不一，中内侧面最厚，周边部最薄。

　　3、髋关节的韧带

　　（1）髂股韧带位于关节前面，是人体强有力的韧带之一，起于髂前下棘，向下呈“人”字形，经关节囊前方止于转子间线

　　（2）耻股韧带位于髋关节内侧，略作螺旋状，限制髋关节过度外展和外旋。

　　（3）坐股韧带较薄，起自坐骨，位于髋关节后面，限制髋关节的内旋。

　　（4）股骨头韧带位于关节腔内，连接髋臼横韧带和股骨头凹，营养股骨头的血管从此韧带中通过，成年后封闭，对股骨头起固定作用。

　　4、髋关节主要肌肉

　　（1）屈肌群：主要为髂肌及股直肌，缝匠肌、耻骨肌、臀中肌前部及阔筋膜张肌。

　　（2）伸肌群：主要为臀大肌及股后肌。

　　（3）外展肌群：主要为臀中、小肌。

　　（4）内收肌群：主要为长、短及大收肌。

　　（5）内旋肌群：主要为阔筋膜张肌及臀中、小肌的前侧纤维。

　　（6）外旋肌群：主要为臀大肌、闭孔肌、孖肌及股方肌。

　　5、髋关节的运动

　　屈曲0°～125°，伸展0°～15°

　　内收0°～45°，外展0°～45°

　　内旋、外旋范围分别为0°～45°

　　6、髋关节特殊角度

　　颈干角：股骨颈与股骨干纵轴所形成的角为颈干角，成年平均成125°，如果大于125°，称为髋外翻，并伴有下肢长度的增加；小于125°成髋内翻，并伴有下肢长度的减少。

　　前倾角：股骨颈的轴线与股骨内外髁的髁间连线间有一向前扭转的角度，为10°～30°（平均12°）锐角。

　　7、髋关节的运动学特征

　　髋关节在日常生活中的主动运动范围：髋关节只要屈曲120°，外展20°，外旋20°即可保证日常活动的进行。

　　Ⅱ

　　髋关节的生物力学

　　1、人体直立时重力在骨盆上产生什么样的力矩呢?

　　在矢状面上

　　★在正常直立位时，位于髋关节上面身体的质量重心是确定的，其垂线位于髋关节纵轴的后面；

　　★重力作用于髋关节的轴后方，使骨盆后倾。由于股骨相对固定，骨盆后倾致使髋关节后伸；

　　★根据旋转平衡原理，我们髋关节前方的肌肉会收缩来对抗重力矩，但是在这种安静直立的情况下，由于前方的韧带作用，我们并不需要肌肉的收缩来平衡髋关节。

　　★当髂股韧带拉长时，就像一个非常紧的弹簧会产生很大的弹力。虽然这种力不像肌肉的主动收缩，是被动的，但它仍然作用于股骨和髂骨之间。这个力阻止了关节被进一步的拉伸。髂股韧带的力与骨盆前屈肌的力的向量分析是一样的。

　　2、人体行走(单足支撑)时重力在骨盆上产生什么样的力矩?

　　在额状面上

　　★由于行走过程中，左、右足分别支撑，所以我们以右足为例；

　　★我们将重力线置于重心的位置上，则位于髋关节上面的体重所产生的力会使右髋关节内收；

　　★然而在行走过程中的单足支撑相中，骨盆并没有向左侧倾斜，其重力产生的内收力矩被相等的外展力矩抵消了。骨盆外展的主要功能是维持单足支撑相时的骨盆平衡。

　　3、单足支撑相时重力(体重)在髋关节上的作用

　　利用矢量分析技术我们可以分析髋关节外展肌在髋关节表面的作用力。我们沿髋关节表面做一条虚线与其弧形表面相切。

　　我们的目的是了解重力在关节表面上的作用，我们将重力分解为两个互相垂直的矢量：

　　①矢量C垂直于辅助线，它代表作用于骨盆上的重力，在骨盆和股骨头之间产生压力。

　　②矢量s在辅助线上，代表剪切力，在关节表面产生滑动的力。这个矢量朝向内侧提示重力使髋臼相对于股骨头向内滑动。

　　4、单足支撑相时肌力在髋关节表面的作用

　　利用矢量分析技术我们可以分析髋关节外展肌在髋关节表面的作用力。我们沿髋关节表面做一条虚线与其弧形表面相切。

　　本分析和重力对髋关节影响的分析一起说明重力(体重)和髋关节外展肌是如何对髋关节表面产生压力的。由于髋关节的外展肌力超过了体重所产生了重力，当单足支撑、步行或跑步时髋关节表面所承受的压力实际上来自肌肉的收缩。这样可以解释为什么髋关节承受的压力可以在单足支撑时为体重的2.4—2.6倍，步行时可达到体重的4-7倍。

　　本分析还可以解释髋关节退形性变的骨关节炎患者的一些特殊行为。髋关节炎对关节压力的反应是炎症和疼痛。病人往往试图通过减少关节压力来减轻疼痛，由于病人并不能轻易通过减轻体重达到目的，所以他们通过减少外展肌的活动来减少关节压力。

　　因此病人采用改变姿势调整步态来减少髋关节上重力的力矩臂，以此来减少对髋关节外展力的需求，从而减少了髋关节表面的净压力。

　　患者不仅可以将躯干倾向一侧行走，也可以通过在疼痛的髋关节对侧使用拐杖等助力工具来达到缓解的目的。