第四节 下肢生物力学

一、髋关节生物力学

（一）运动学

两个术语描述髋关节的运动学，股骨绕骨盆骨运动学描述了股骨绕相对固定的骨盆的旋转；相反，骨盆绕股骨骨运动学描述了骨盆（通常叠加在一起的躯干）绕相对固定的股骨旋转。无论股骨还是骨盆都被认为是运动的部分，骨运动学都是从解剖的位置对运动的名称进行描述的，如下：在矢状面上的弯曲和伸展，在额状面上的外展和内收，在水平面上的内旋和外旋（图5-4-1）。

1．股骨绕骨盆骨运动学

（1）矢状面内的股骨旋转：当膝完全弯曲时，髋关节平均弯曲到120°。舒服地蹲下或系鞋带这样的动作通常要求髋关节几乎完全弯曲。髋关节完全弯曲时，放松了三条主要的囊韧带，但是伸展了下方的关节囊和肌肉，如臀大肌。当膝关节完全伸展时，由于腘绳肌中的张力增加，髋关节弯曲被限制在70°～80°。由于主体间的肌腱灵活性不同，所以可以推测该运动也呈现极为不同的情况。

髋关节通常伸展到超过中间位置20°。髋关节的完全伸展增大关节囊中的被动拉力，尤其对于髂股韧带和髋关节屈肌。当髋关节伸展膝完全弯曲的时候，跨过髋关节和膝关节的股直肌拉伸产生的被动拉力把髋关节的伸展减小到大约中间的位置。

（2）额状面内的股骨旋转：髋关节平均外展40°。这个运动主要受耻股韧带、内收肌的限制。髋关节内收超过中间位置25°。除了影响对侧肢体外，髋关节外展肌、髂胫束和坐股韧带被拉长产生的被动拉力都限制了髋关节完全内收。

（3）水平面内的股骨旋转：髋关节的内旋和外旋的程度因人而异。髋关节从中间位置内旋的平均值为35°。髋关节完全伸展时，最大限度地内旋拉长外旋肌，如梨状肌和坐股韧带的一部分。

髋关节伸展时外旋的平均度数为45°。髂股韧带的外侧纤维束的过度拉力会限制髋关节完全外旋。此外，外旋可能会受到任何内旋肌过度张力的限制。

2．骨盆绕股骨骨运动学

（1）矢状面内骨盆旋转：骨盆前倾和后倾，髋关节弯曲可通过骨盆前倾完成。骨盆“倾斜”指骨盆相对于股骨在短弧矢状面内的旋转。倾斜的方向向前或向后是根据髂嵴上某点的旋转方向确定的。骨盆前倾通过两个股骨头的内外旋转轴产生。腰椎前弯幅度的增加抵消了跟随着骨盆前旋的大部分不需要的腰上身体的向前运动。髋关节屈曲90°上身直立而坐时，正常成年人的骨盆在被完全伸展的腰椎限制旋转之前能够再绕股骨旋转30°。骨盆完全前倾使髋关节的韧带松弛并拉长下关节囊，最显著的是髂股韧带。髋关节伸肌（如腿后腱）的明显紧缩在理论上可以限制骨盆前倾的极限。不过，由于膝关节弯曲，所以部分松弛的腿后腱肌肉通常无法产生任何显著的力量来抵抗骨盆前旋。然而，在站立时（膝关节完全伸展），被拉长的腿后腱更有可能带动骨盆前倾，但是抵抗力量比较小，除非这块肌肉在生理上被损坏并且产生极度的拉长抵抗力量。

（2）额状面上的骨盆旋转：假定人单腿站立能更好地描述额状面内和水平面内骨盆绕股骨的旋转。负重的肢体被称为支撑侧髋关节。

支撑侧髋关节的外展在提起或“拉起”非支撑侧髋关节的髂嵴时发生。假定腰上身体保持静止，腰椎必须朝着旋转骨盆相反的方向弯曲。向外凸出在腰部朝着外展髋关节的侧面发生。

骨盆绕股骨髋关节外展被限制在约30°，这主要是因为腰椎向侧面弯曲的生理限制。髋关节内收肌或者耻股韧带的明显紧缩限制了骨盆绕股骨的髋关节外展。如果内收肌明显挛缩，非支撑侧髋关节的髂嵴比支撑侧髋关节的髂嵴保持在更低的位置，则可能严重影响行走。

支撑侧髋关节的内收通过降低非支撑侧髋关节的髂嵴来实现。这一动作在腰部内收髋关节的一侧引起轻微的向外凹陷。腰椎运动减退和（或）髂胫束或髋关节外展肌（如臀中肌、梨状肌或阔筋膜张肌）长度明显减小都有可能限制这一动作的最大范围。

（3）水平面内骨盆旋转：在水平面内绕着一个纵向旋转轴发生。当非支撑侧髋关节的髂嵴在水平面内向前旋转时，支撑侧髋关节的内旋发生。相反，当外旋时，髂嵴在水平面内向后旋转。如果骨盆在相对静止的身体下方旋转，腰椎必须向和旋转的骨盆相反的方向旋转或扭动。通常在腰椎内允许的适量绕轴旋转限制了支撑侧髋关节完全旋转的潜力。骨盆绕股骨旋转的全部能力要求腰椎和躯干跟随着骨盆旋转——一种与同向腰间动作节律更一致的运动方法。

（二）关节运动学

关节运动时，几乎球形的股骨头牢牢地“坐”在髋臼的界限内。陡直的髋臼壁和紧紧吻合的髋臼唇一起限制关节面之间的明显平移。髋关节运动学的依据是传统的凸面绕凹面运动或凹面绕凸面运动理论。

图5-4-2展示了打开的髋关节的高度机械性，以使关节运动的路线形象化。外展和内收横过关节面的纵向直径发生。髋关节伸展时，向内和外旋横过关节面的横向直径发生。弯曲和伸展作为股骨头和髋臼月状面之间的旋转而发生。这种旋转内的旋转轴穿过了股骨头。

（三）静力学

在双腿站立位，身体上部重力线通过耻骨联合后方，而且，由于髋关节的稳定特性，直立姿势仅依赖于关节囊和韧带的稳定功能即可维持，不需要肌肉收缩的作用。在髋关节周围，因不考虑产生力矩的肌肉活动，髋关节反作用力的计算就变得简单：在双腿站立位，每侧股骨头所受力的大小是上部体重的一半。因为一侧下肢重为体重的1/6，所以，每侧髋关节所受到的反作用力将是剩余2/3体重的一半，即为体重的1/3。当然，若髋关节周围肌肉收缩以阻止身体倾斜并维持直立姿势（即长时间站立），关节所受反作用力与肌肉活动量成比例增加。

由双腿站立改为单腿站立时身体上部的重力线在所有三个平面均发生改变，关节周围所产生的力矩必须由肌肉收缩力来对抗，关节应力也由此增加，此力矩的大小，即关节应力的大小，依赖于脊柱姿势、非负重腿和上肢的位置以及骨盆倾斜程度。

二、膝关节生物力学

（一）胫股关节的运动学

胫股关节拥有两种自由度：在矢状面内的弯曲和伸展以及水平面内的内旋和外旋，其中水平面内的旋转需要膝至少呈弯曲状态。图5-4-3中分胫骨绕股骨和股骨绕胫骨两种情况展示了这些动作。膝关节在水平面内的运动只能被动发生，而且只限于6°～7°。

1．弯曲和伸展 膝关节的弯曲和伸展绕着一个内外旋转轴发生。运动的范围因年龄和性别不同会出现差异，但是一般来讲，健康人的膝关节都能从130°～150°的弯曲状态旋转到超过0°（直的）位置的5°～10°状态。

弯曲和伸展的内外旋转轴不是固定的，而是在股骨髁内移动。旋转轴弯曲的轨迹被称为渐屈线（图5-4-4）。旋转轴的轨迹受股骨髁离心弯曲的影响。

移动的旋转轴在生物力学和临床上有重要意义。首先，移动的旋转轴改变了膝关节屈肌和伸肌的向内矩臂的长度。这部分解释了为什么最大向内扭矩在动作的发生过程中出现变化。其次，许多附着在膝关节的外部设备（如测角器、等动力测试设备或铰链膝矫形器）绕着固定的旋转轴旋转。因此当膝关节运动时，外部设备可能在与腿稍微不同的弧度内旋转。最后，铰链矫形器相对于腿来说就可能充当一个活塞，引起对皮肤的摩擦进而引起擦伤。为了减少这种影响，必须注意使外部设备的固定轴尽可能近地对准膝关节旋转的“平均”轴，该位置靠近股骨外上髁。

2．内、外（轴向）旋转 膝关节的内旋和外旋沿着垂直轴或纵向旋转轴发生。该运动被称为轴向旋转。一般而言，轴向旋转的自由度随着膝弯曲的增大而增大。弯曲到90°的膝允许40°～45°的旋转。外旋动作范围超过内旋动作的范围，其比率是2∶1。然而，在膝关节完全伸展时，绕轴旋转受到了最大程度的限制。伸展韧带或部分囊中的被动拉力和关节内增大的骨性适合在很大程度上阻止了膝关节的这种旋转。

（二）胫股关节的运动学

1．膝关节的伸展 当胫骨绕股骨伸展时，胫骨的关节面在股骨髁上向前滚动和滑动。半月板被收缩的四头肌向前拉动。

当股骨绕胫骨伸展时，比如从蹲坐的姿势站起时，股骨髁在胫骨关节面上同时向前滚动和向后滑动。这些“抵消”的关节运动可以限制股骨在胫骨上向前平移的最大值。股四头肌确定股骨髁的滚动方向，并通过抵抗由滑动的股骨引起的水平剪切力把半月板稳定住。

2．膝关节的“拧紧”旋转 把膝关节稳定在完全伸展的位置需要大约10°的外旋。由于最后大约30°伸展时可见膝关节扭转，旋转锁定动作被称为“拧紧”旋转。拧紧（外）旋转被描述为“联合旋转”，其强调这样一个事实：这种旋转在机械方面和弯曲及伸展运动联系在一起而不能单独完成。合并的外旋与膝关节伸展增大了成年人膝关节的整体接触面积：在内侧胫股关节内为375mm2，在外侧胫股关节内为275mm2。这种最终的伸展位置提高了关节一致性，且有利于稳定性。

3．膝关节的弯曲 对于完全伸展至解锁状态的膝关节，关节必须先稍微向内旋转。为了松开完全伸展的膝关节，关节必须内旋。这一动作主要由腘肌完成。这块肌肉能外旋股骨以引起股骨绕胫骨弯曲，或内旋胫骨以引起胫骨绕股骨弯曲。

4．膝关节的向内和向外（绕轴）旋转 如前所述，膝关节必须部分地弯曲以使胫骨和股骨独立绕轴旋转。膝关节弯曲后，内旋和外旋的关节运动涉及半月板与胫骨和股骨关节面之间的旋转。股骨绕着胫骨进行的绕轴旋转引起半月板略微变形，因为半月板在旋转的股骨髁间受到压缩。半月板被腘肌和半膜肌等活跃肌肉组织的连接所稳固。

（三）髌骨的运动学

在135°屈曲中，髌骨主要在上端接触股骨。在该接近完全屈曲的姿势中，髌骨位于髁间沟的下方，连接股骨的髁间切迹。在该位置，侧面的外侧边缘与髌骨的“残余小面”均与股骨有关节接触。当膝关节朝90°屈曲伸展时，髌骨上的主要接触区开始朝着下端移动。在90°与60°的屈曲中，髌骨通常位于股骨的髁间沟中。因此，在该运动弧度中，髌骨与股骨之间的接触面积是最大的。但是，即使在最大限度时，该接触面积也仅为髌骨后侧总接触面积的1/3。因此，在股四头肌强力收缩的情况下，髌股关节内的关节压力（即每单位面积的压缩力）可增至很高的程度。

（四）髌股关节的运动学

髌股关节通常暴露在巨大压缩力下，这些力包括在水平面行走时1.3倍的体重、腿伸直抬高时2.6倍的体重、上楼梯时3.3倍的体重及在进行膝深度弯曲时7.8倍的体重。虽然这些压缩力主要源于上面的股四头肌产生的主动力，但其幅度在肌肉收缩时受到髌股关节的强烈影响，为了解释这种重要的配合，思考微蹲时髌股关节所承受的压缩力。伸肌结构内部的力通过股四头肌肌腱和髌腱向近端和远端传递，就像一个跨越固定滑轮的电缆，这些力的综合影响直接指向作为吸收关节压缩力的股骨髁间槽。通过深蹲逐渐增加膝关节弯曲则极大地提高了伸肌结构对力的需求，并且最终增加对髌股关节的需求。随着深蹲而增加的屈膝还减小了由力矢量股四头肌肌腱和髌腱的交叉形成的角度。正如通过矢量加法显示的一样，减小这些力的角度可以增加髌骨和股骨之间关节压缩力。理论上，如果股四头肌肌腱与髌腱的矢量是共线的，并且在相反的方向上，那么肌肉在髌股关节上产生的压缩力将是0。

（五）胫股关节的静力学与动力学

在步态周期中，关节反作用力从胫股平台的内侧移到外侧；在支撑阶段，当力到达峰值时，主要靠内侧的胫骨平台（内收力矩）支撑；在摆动阶段，当力为最小值时，主要靠外侧胫骨平台来支撑。内侧胫骨平台的接触面积大约比外侧大50%。同时，内侧平台的软骨的厚度约为外侧的3倍。内侧平台较大的接触面和厚度都使其能承受更大的力。

在正常的膝关节中，关节反作用力由半月板和关节软骨支撑。Seedhom等研究了半月板的功能，他们检查了有或没有半月板人尸体标本膝关节应力的分布。他们的研究结果表明，在负重的情况下，移除半月板后对胫股关节造成应力比结构完整时多3倍。Fukuda等研究了体外膝关节的负重-压力传导和半月板以及关节软骨的作用，模拟的静态及动态的撞击负重作用。测试所用标本为40例新鲜冷冻的猪膝关节标本，分别进行了膝关节位于中立位、内翻以及外翻的测试。当半月板被移除后，内侧软骨下骨的压力增加了5倍。此研究表明在动态环境下，半月板作为一种吸收负重压力、保护软骨和软骨下骨结构的重要性。

在正常人膝关节中，压力通过胫骨平台分布在一个较大面积上。如果半月板被移除，压力则不再分布于一个广泛的面积，取而代之局限于平台中心的一个接触区域，因此，移除半月板，不仅增加了软骨和软骨下骨在胫骨平台应力的值，长此以往，大的应力作用于减小的接触面积上，可能会对外露软骨造成损伤，因为该区域的软骨通常是柔软且纤维化的。通常认为70%的通过膝关节的负重都由半月板承受的。因此，膝屈曲时半月板的运动能保护关节面并防止关节面损伤。

一个健康膝关节的关键在于关节的稳定性，骨的结构，半月板、韧带、关节囊以及膝关节周围的肌肉共同维护着关节的稳定。如果这些结构中的任何一个功能失常或者被扰乱，则会导致膝关节不稳定。对于前后向的位移，膝内、外翻的角度和内、外旋来说，韧带是维持稳定主要的因素。

（六）髌骨的功能

髌骨在膝关节内有两个重要的生物力学功能。首先，髌骨通过在整个运动范围内产生股四头肌肌腱前向的位移从而加长股四头肌力量的杠杆臂来辅助膝的伸直；其次，髌骨通过增加髌腱和股骨的接触面积使压力在股骨上的分布范围更加广泛。

（七）髌股关节的静力学和动力学

在动态的活动中，作用在关节上的肌力的大小直接影响到关节反作用力的值。通常来说，肌力越大，关节反作用力越大。

在髌股关节中，股四头肌的肌力随着膝屈曲的增加而增加。在放松站直体位时，由于膝关节上的身体重心几乎直接在髌股关节的旋转中心上，此时需要最小的股四头肌肌力来平衡髌股关节小的屈曲力矩。当膝屈曲增加时，重心向远离旋转中心移动，因此大大地增加了要由股四头肌肌力来平衡的屈曲力矩。随着股四头肌的肌力增加，髌股关节的反作用力也增加。

膝关节的屈曲通过影响髌腱力和股四头肌肌腱力间的角度，也影响髌股关节反作用力。当膝屈曲的时候，这两个力的角度也变得更加锐利，增加了髌股关节反作同力的幅值。

三、踝关节生物力学

踝关节与上肢、下肢其他大关节一样，参与运动功能和负重，而且显得更为突出与重要。踝关节的结构具有强力的内在稳定性，因而踝关节对解剖组合的细小的改变即有不良反应。由于严重扭伤所致的运动学和结构约束力丧失，可严重影响踝关节的稳定性，会造成进一步的病理改变。

（一）静力学

1．踝关节的静力学分析 双足站立时，每侧距上关节承担1/2体重。如身体平衡肌肉作用，则在距上关节上的反作用力将会增加，增加量与起平衡作用的肌力大小成正比。

单足站立时，可用简化自由体法计算出腓肠肌和比目鱼肌通过跟腱的收缩力，进而计算出踝关节上反作用力的大小。

2．踝关节上胫腓骨和距骨的静力学强度

（1）胫腓骨的极限强度：人体在站立、行走和劳动作业时下肢骨骼担负着支持全身体重的重要功能。研究人体下肢骨骼的抗压性能，可以了解下肢骨骼对机械负荷的耐受性，预测损伤易发生部位和损伤阈值，也为研究骨折机制、人工骨以及假体等提供生理数据。

（2）距骨的极限强度：一般来说，踝关节中的距骨比胫、腓骨的承载能力来得强，一般不容易发生损伤。

（二）运动学

1．踝关节活动的瞬时中心 研究表明，在正常运动中，踝关节活动最大范围为36°，最小为20°，平均为24°。踝轴倾斜度平均为78°（68°～88°），即使倾斜到最大限度，小腿仅会绕垂直轴旋转。

踝关节的背屈活动、跖屈活动均由胫腓骨的远端头部与距骨关节表面相切迹并绕距骨头旋转，正常踝关节自完全背屈到完全跖屈时关节表面活动的瞬时旋转中心轨迹在距骨上会发生变化，如图5-4-5所示。

2．踝关节的活动幅度 踝关节在矢状面上的总活动幅度约45°，但个体差异和年龄差别均很大。在总活动幅度中背屈占20°～30°，其余的30°～50°为跖屈，有10°的个体差异。当这些运动到极限位置时，踝关节运动中有跗横关节等参与活动。

正常步行时踝关节的活动：后跟着地时，踝关节处于轻度跖屈位，然后跖屈继续增加至足放平。在支撑中期身体越过负重足时迅速转为背屈，在支撑期末期后跟离地时再次跖屈。在摆动期初期足趾离地时踝跖屈，在摆动中期时又变为背屈，而在后跟着地时再转为轻度跖屈。后跟着地时的跖屈度取决于鞋跟的高度。

当踝关节背屈时，腓骨可外旋与上升及向后移动，踝穴能增宽1.5～2.0mm，距骨体前部进入踝穴。下胫腓联合韧带紧张，距骨内外关节贴合，踝关节稳定。因此背伸位受伤时，多数会造成骨折。跖屈时，距骨体滑出，腓骨内旋，下降并向前运动，踝穴变窄，距骨与两踝关节面接触，但下胫腓联合韧带变松，踝关节显得不稳定，容易发生韧带损伤，以致引起踝关节轴线偏斜，可引起严重的关节病理改变。

踝关节的纵向旋转使脚底向内侧翻，范围约为52°，转向下外侧时为25°～30°。而沿足垂直面运动为内收、外展，活动范围为35°～45°，但其与距下关节、跗横关节、跗骨关节等关节活动有关。值得注意的是，上述这些发生在任何一个平面内的运动都必然伴随着其他两个平面的运动。因此，内收必然伴有仰转和轻微的跖屈，外展伴随转向下外侧和背屈运动产生外旋位，形成所谓的复合运动。

（三）动力学

踝关节的动力学研究对了解正常和病变距上关节在正常活动时的载荷大小，以及推算作用于踝关节假体上的载荷大小均甚为重要。Stauffer等曾研究平地行走时踝关节的受载情况：步行时正常踝关节的主要压力是在支撑相早期，由腓肠肌和比目鱼肌的收缩产生，胫骨前肌产生小于20%体重的轻度压力。5倍于体重的压力来自支撑相后期小腿后部肌群的收缩。在足跟离地过程中剪切力达到0.8倍体重的最大值。

（徐静 熊宝林）