關節的生物力學第1頁/共43頁（二）影響關節穩定性的因素

關節面的結構（特別是面積差）、關節囊的松緊度、韌帶強弱、關節負壓以及關節周圍的肌肉是影響關節穩定性的基本因素。運動狀態的關節始終是不平衡、不穩定的，而人體總是在不平衡、不穩定中求得相對的平衡與相對穩定。因此，關節面的形狀與結構固然是影響關節穩定性的重要因素，但運動中的關節穩定更大程度上取決于關節韌帶和收縮肌肉等因素的影響。第2頁/共43頁1、關節面：相應關節面的吻合及其差異程度，影響著關節的穩定性。第3頁/共43頁2、韌帶：韌帶不僅是骨與骨之間的連接結構，而且是動態活動關節的重要穩定結構。第4頁/共43頁3、肌肉：肌肉既是運動關節的動力，同時又是運動中維持關節穩定的重要因素。（1）、肌肉收縮產生關節加固分力（2）、肌肉工作的協同與控制第5頁/共43頁4、關節負壓由于關節內壓低于關節外的氣壓，關節內外的壓差在維持關節的穩定性方面也有著重要意義。例如：肩關節能負擔整個上肢的重量（約為體重的1/20），若破壞了肩關節的關節囊，則不能負擔。第6頁/共43頁（三）關節的力和力矩力臂問題：大部分的相對比較小，小腿三頭肌是唯一一個的大力臂。由此分出：省力杠桿、平衡杠桿、速度杠桿。肌力矩的產生需要較大的肌力來產生。第7頁/共43頁（四）關節軟骨的生物力學特性1、關節軟骨的材料性能：關節軟骨對液體的流動有很大的阻力，即滲透性很低。在快速加載與去載的情況下，沒有時間將液體擠出（如跳躍時），軟骨組織類似于彈性材料，在承載時變形，卸載后立即復原。持續性、緩慢負載作用于軟骨組織，如持續長時間的站立，其內的液體被擠出，組織的變形將隨時間持續而加重。消除載荷后，若有充分時間使其吸收液體，軟骨組織可恢復原狀。因此，在體的軟骨組織其受載的力學性能與加載的速度存在高度相關性。第8頁/共43頁（1）、拉伸負荷特征：第9頁/共43頁（2）蠕變特征：由于關節軟骨是固、液雙相材料，因此蠕變曲線的早期有大量液體滲出，當無液體滲出時，蠕變曲線穩定。應力時間第10頁/共43頁2、滲透性：

滲透性是指液體流過多孔的固體基質時的摩擦阻力，因此是這種二相材料的重要材料參數。滲透性越低，在承受載荷時液體流動的阻力越大。液體通過如關節軟骨等多孔介質是順液體的壓力梯度而行，這種液壓梯度是液體在軟骨中流動的動力（營養需要、關節的潤滑、承載能力和軟骨組織的磨損）。關節軟骨的變性及機械應力均可影響著關節軟骨的滲透性。例如，骨性關節炎軟骨組織的滲透性較之正常組織大。第11頁/共43頁3、潤滑作用：關節軟骨在使兩個關節骨面更好適應、吸收能量減緩沖擊力同時，對關節潤滑有著重要的影響4、磨損：關節軟骨的磨損包括承載面之間相互作用引起的界面磨損和承載面變形引起的疲勞性磨損兩個形式。如果兩承載面接觸，可因粘連或研磨而產生界面磨損。軟骨面超微結構損害和/或質量損耗，軟骨的表面層即變軟，滲透性增加。在這種情況下，液體流動的阻力減少，使液膜中的液體通過軟骨而漏泄。這種液體喪失增加了不光滑軟骨面緊密接觸的可能性，從而進一步加劇了研磨過程。第12頁/共43頁關節軟骨破壞的情況，紅箭示：正常的關節軟骨面，綠箭示：增生肥厚的髕下脂肪囊，黃箭示：關節軟骨大部分被坡壞，表面充滿肥厚的炎癥性血管翳，關節軟骨的壞死呈海浪狀。第13頁/共43頁三、關節各論（一）、肩關節

1、肩關節解剖：思考：什么是肩關節？第14頁/共43頁什么是肩關節：廣義：指肱骨、肩胛骨、鎖骨及其附屬結構組成的多種連接復合體。滑膜關節：盂肱、胸鎖、肩鎖關節等。骨-肌-骨連接：肩胛骨與胸壁的肌肉連接等。肩峰與肱骨大結節之間構成的“肩峰下關節”（又稱第二肩關節），以及喙鎖等關節。從運動的角度上看，肩關節是一個多結構的機能復合體。狹義的肩關節是指盂肱關節。第15頁/共43頁2、肩關節的運動形式：⑴、前屈、后伸：前屈角度一般大于90°，后伸45°。⑵、外展、內收：⑶、上舉、下降：⑷、旋內、旋外：⑸、水平屈、伸：第16頁/共43頁3、盂肱關節：⑴、構成：球窩關節，兩關節面面積差很大；關節囊松弛；運動中的穩定性：主要靠三角肌和肩袖肌的作用維持：三角肌的作用：主要起懸吊作用；喙肱韌帶限制過度旋內、外；盂肱韌帶限制過度前屈和后伸。思考：肩關節外展時，其啟動肌是哪塊？第17頁/共43頁（2）、盂肱關節的力學特征：①、應力：盂肱關節運動時，肌拉力存在兩種力效—剪應力和正應力，其中剪應力在體育運動中會產生傷害作用，如脫臼。②、“過肩運動”：指肘關節高于肩關節的運動。舉例：投擲類運動：如標槍、棒球、鉛球、扔手榴彈等，會對肩關節產生應力，同時對肱骨產生高速的扭轉載荷。比如：棒球運動。球重140克。肱骨遠側端產生逆時針運動，近側端產生順時針運動，從而對肱骨產生扭轉負荷。思考：如何避免？第18頁/共43頁③、盂肱節律：指肱骨、肩胛骨的運動是聯動的。在外展30°以內，每外展15°，肩胛骨上回旋5°；在大于30°時，每外展10°，肩胛骨上回旋5°。④、肱二頭肌長頭腱腱鞘炎：指肱骨不過肩時，肱骨外展而肩胛骨不動，易發生大結節與肩峰之間的研磨，導致肱二頭肌長頭腱損傷。第19頁/共43頁⑶、上肢開放運動鏈的力學特征：肩部連接與支點作用；肩部載荷來源：上肢的自身重量；外界作用負荷。F=ma，有些運動如乒乓球、羽毛球，復合小，但產生的a大，那么對肩關節的負荷就大。第20頁/共43頁4、鎖骨的生物學意義：鎖骨的存在，產生對肩胛骨的支撐，使上肢遠離身體中線。所以：鎖骨對增加上肢靈活性的意義很大。當然，暴露了，也易損傷。如：肩著地，導致鎖骨骨折。第21頁/共43頁（二）、髖關節：1、髖關節解剖：第22頁/共43頁2、運動：從髂股韌帶（限后伸）、坐股韌帶（限內收、旋內）、恥股韌帶（限外展、旋外）來分析限制其某方向的運動。第23頁/共43頁臀中肌的外展作用。前屈的動力來源為髂腰肌。提供肌力來源，單關節肌大于多關節肌第24頁/共43頁3、髖關節結構性力學特性：⑴、股骨頸：存在的意義：增加關節運動的幅度。特別是前屈和后伸。股骨頸連接股骨干和股骨頭，形成兩個角度。頸干角：頸與干的夾角。嬰兒約為150°，成人范圍110-140°，大多數人為125-135°。第25頁/共43頁股骨頸與股骨干長軸形成一個夾角，叫頸干角，正常頸干角125°～135°，平均127°。正常的頸干角是保持髖關節正常功能的必要條件。頸干角<110°稱為髖內翻，肢體可短縮，臀中肌松弛、失效，行走時會出現跛行。頸干角>140°稱為髖外翻。髖內翻和髖外翻都會干擾髖關節的力學環境，影響髖關節的功能。第26頁/共43頁前傾角：股骨頸的中軸線與股骨兩髁中點間的連線形成一個角度，稱之。成年人約為12――15度。第27頁/共43頁⑵、穩定性：肌肉的作用，如：臀中肌癱瘓，導致走路雙支撐變單支撐，出現步態不穩，即：鴨步。⑶、髖關節受力：1960年Rydell在體實驗結果：股骨頭受力單腳站2.6w慢步1.6w跳步5w雙腳站立（1/3）w第28頁/共43頁（三）膝關節：1、膝關節的解剖：特點：頭大，盂平淺，應該不穩定，但是由于一些輔助結構的存在，膝關節很少脫位。前方的髕韌帶的力矩，肌拉力線的改變股四頭肌拉力力的方向作用。外側韌帶不與關節囊相連，內側韌帶則相連。半月板的損傷：特別是下肢處于半蹲旋轉蹬伸的狀態時。檢測半月板損傷的實驗：研磨實驗。檢測較差韌帶損傷的實驗：抽屜實驗。第29頁/共43頁2、運動：（1）、屈伸：130°；（2）、旋內、旋外：屈膝90°時，（橢圓關節變球窩關節），運動范圍最大，旋內10°，旋外40°。思考：為什么？股骨髁的解剖特點：股骨髁的前后徑大于左右徑，其前部呈橢圓形后部呈球形，因此膝關節為橢圓關節和球窩關節。其前部的運動幅度較小，主要作用為承重；后部的運動幅度大，可以在膝關節屈90°的情況下做旋內、外。股骨髁的外側部分的長軸與矢狀面一致，內側部分的長軸與矢狀面約呈22°角。第30頁/共43頁3、股脛外側角與Q角：股脛外側角：指股骨干長軸與脛骨縱軸相交形成的角度稱股脛外側角，大約為174°，即膝關節大約有6°的外翻角。Q角是股四頭肌力線和髕韌帶力線的夾角，即從髂前上嵴到髕骨中點的連線為股四頭肌力線，髕骨中點至脛骨結節最高點連線為髕韌帶力線，兩線所形成的夾角為Q角，國人正常Q角在11-18°。

第31頁/共43頁4、受力與關節穩定：第32頁/共43頁第33頁/共43頁（四）、脊柱：1、脊柱的解剖：生理彎曲的意義：調節重心，減震，支撐臟器等。椎間盤的結構及功能：彎曲載荷。2、脊柱的運動：第34頁/共43頁第35頁/共43頁第36頁/共43頁第37頁/共43頁韌帶、肌腱的生物力學韌帶和肌腱都由致密結締組織構成，主要含有膠原纖維、彈性纖維及成纖維細胞。其形態是細胞成分少，纖維成分多，排列緊密。所不同的是人體肌腱和大多數韌帶都是以膠原纖維為主，只有項韌帶和黃韌帶是以彈性纖維為主。一、應力-應變曲線在肌腱和韌帶中，膠原纖維和彈性纖維的排列不同，以滿足各種不同的功能要求。肌腱中的纖維幾乎完全是平行排列的，這使它能夠承受很高的拉伸載荷。韌帶的排列主要根據功能而定。纖維在受載和不受載的情況下也有不同的狀況。不受載是，纖維呈波浪形，受載后，纖維被拉直。第38頁/共43頁膠原纖維-拉伸試驗彈性纖維-拉伸試驗第39頁/共43頁一區：當波浪形纖維被拉直時，組織在低載荷作用下產生伸長變形。二區：與力的作用方向一致的纖維已完全拉直，韌帶剛性迅速增加。三區：變形超過6%~8%（屈服點）。四區：載荷達到了韌帶所能承受的最大值，韌帶出現大的破壞。五區：韌帶伸長6%~8%后完全破壞，韌帶不再承受載荷，但組織外觀仍保持連續性。膝關節前交叉韌帶的載荷第40頁/共43頁黃韌帶拉伸試驗韌帶在剛性增加之前，伸長變形就已達50%，但在變形達到50%之后，剛性迅速增加并使韌帶突然破壞。思考：結合兩種韌帶的應力-應變曲線試驗結果，請大家闡述兩者與功能的適應性。最好用例子解釋。第41頁/共43頁由于肌腱主要由平行致密排列的膠原纖維組成，所以肌腱的應力-應變曲線幾乎類同于韌帶。