第三节　下肢生物力学特点

一、髋关节

由股骨头和髋臼组成，髋臼的关节面的曲率半径与股骨头表面非常适应，髋臼向前向下，几乎可以完全包盖股骨头。因此，此关节在承重中非常稳定，在承重及活动中，没有平移，它被人体最强大的关节囊及周围韧带所包裹，其中以囊前壁的髂股韧带最为坚固。由于直立时身体重心落在髋关节的后方，髂股韧带可防止躯干过分后仰，对维持身体直立姿势有一定作用，但也限制了大腿向后伸展的幅度。

（一）髋关节的活动

髋关节的活动范围为：屈曲135°、伸展30°。当骨盆处于中立位时，髋关节屈曲120°、伸展10°，正常外展45°、内收25°、外旋35°、内旋15°。在45°左右的外展范围内，股骨大转子会触碰到髋臼上缘，限制了大腿的继续外展。但是，如果先进行大腿旋外，则外展的幅度可以增加到160°。这是因为大腿旋外后，股骨大转子从原来的侧方移动到后方，因此不会触及髋臼上缘，从而增加了外展的幅度。通过训练，上述运动幅度都可以进一步增加。大腿前屈的幅度还与小腿的位置有关。当小腿在膝关节处伸直时，由于受到大腿后面双关节肌的限制，大腿前屈的幅度会比较小。而当小腿在膝关节处屈曲时，大腿前屈会因为没有受到大腿后部肌群的限制而变得容易。在运动实践中，经常采用压腿、踢腿、劈叉等练习来训练大腿后部肌群的伸展性，以增加髋关节的灵活性和运动幅度。

（二）髋关节的受力分析

正常生理条件下，髋关节承受的压力应均匀地分布在负重关节面。负重关节面积与所受压力呈反比。过度负荷可能导致关节软骨受损，引发骨关节炎。正常关节面骨端之间的良好匹配使得应力分布范围广泛，单位面积承受的压力较小。当关节面之间不协调时，压力将被传递到相互接触的关节面或因软骨面受损和臼头半径不一致而导致应力集中。此外，髋关节的负重力线在髋臼上的位置也需要注意。

在行走或站立过程中，髋关节起着重要的承重作用，主要由股骨头和髋臼组成。实验表明，髋关节具有一定程度的不协调性，这意味着不同部位的髋臼和股骨头所承担的压力并不完全相同。例如，当处于摆动相时，髋臼仅在前部、后部与股骨头接触，承受压力，顶部压力几乎不存在；而在单腿站立时，髋臼因弹性变形与股骨头关节面完全接触，实现协调一致。

在人类直立行走过程中，股骨上部压力骨小梁和张力骨小梁共同构建了一个合理的应力分布力学体系。对股骨距这一特殊解剖结构的深入研究发现，其与股骨上段的三束骨小梁协同构成了一个高效的承重结构，增强了股骨颈基底部的支撑力。当人类保持直立状态时，由于颈干角和前倾角的存在，通过髋臼作用于股骨头的力量被分散为：垂直于骨折线的分力、使头颈部内翻的分力、体质量压力和肌肉牵拉形成的剪力以及下肢外旋转力。当股骨粗隆间发生骨折时，股骨颈干部皮质和内部负重系统将会受到破坏，导致颈干部立即丧失承重能力。在前述的三种力量作用下，维持正常颈干角变得困难，容易引发髋内翻。因此，任何固定方式都应当重塑股骨距的解剖结构，以满足股骨上段生物力学特性，进而实现颈干部力学平衡和颈干角恒定。这种应力能促进骨折愈合。

在双腿平衡站立时，股骨头所承受的重量大约为总体重的2/3，即单侧股骨头所承受的力为人体体重的1/3。当人体单腿站立时，股骨头所承受的力为人体体重的2.6倍。在慢步行走时，股骨头所承受的力为人体体重的1.6倍。而在跑步状态下，作用在股骨头上的力则可以达到人体体重的5倍。

二、膝关节

膝关节是人体中最大、最复杂的关节之一，因膝关节的解剖结构及功能的需求等因素，在运动中是容易受到损伤的部位之一，了解膝关节功能上的特点和复杂性，对临床有积极的指导意义。

（一）膝关节的活动

正常人膝关节活动从伸直0°到屈曲140°，多数人有3°～4°过伸，在正常走步中足跟着地瞬间，膝关节的屈曲程度达到约15°，摆动期间，膝关节可以进行的最大屈曲角度可达到65°。而在快速奔跑时，膝关节的活动范围会有所增加，当双脚接触地面的瞬间，膝关节的屈曲程度为35°，而摆动期最大到130°，在日常生活中，例如在上下楼梯或者从座位上站起时，膝关节通常会保持在115°左右的屈曲程度。

1.胫股关节的运动　胫股关节的屈伸运动发生在矢状面上，其运动轴位于额状面，但并不经过关节线，而是贯穿股骨两髁，位于股骨髁的后上方。此外，屈伸运动轴会随着屈伸运动的变化而移动，在伸展到屈曲的过程中，运动轴从前方移动到后方，这一移动轨迹被称为渐屈线或瞬时中心曲线。

由于股骨髁的形状并非圆形，其前后的曲率半径不同。当股骨髁在胫骨髁上移动时，股骨髁上不同半径之间的点分别与胫骨髁相接触，且胫骨髁上接触点之间的距离与股骨髁不同半径之间的距离相等。这种运动被称为股骨髁的滚动，通常出现在膝关节的活动范围为160°～180°。然而，在从160°开始到完全屈曲的过程中，主要的运动形式逐渐转变为股骨髁在胫骨髁上的滑动。

膝关节在伸直位时，由于侧副韧带的紧张和扣锁机制，没有旋转活动，而当膝关节屈曲时，侧副韧带松弛，膝关节可以沿纵轴产生横向的旋转活动。伸膝过程中，胫骨外旋或股骨内旋，屈膝过程中胫骨内旋或股骨外旋。膝关节的旋转活动在屈膝90°位时最大。外旋活动多于内旋活动，旋转活动范围为40°～50°，其中内旋为10°，外旋为30°～40°。

当膝关节在最后20°范围内伸展时（即160°～180°），股骨会发生内旋，而胫骨相对外旋。每伸直1°，股骨内旋约0.5°。当完全伸直时，这一旋转活动也最终完成，这一过程类似于螺丝钉最后拧紧的动作，因此被称为扣锁机制。在扣锁机制完成后，膝关节非常稳定，此时，股骨髁和胫骨髁的负重面最大，负重压力也最大，膝关节不会发生旋转或侧向移动。

2.髌股关节的运动　在屈伸活动过程中，髌骨滑动的范围约7cm，当膝伸直时，髌股关节面的远侧部分与股骨外侧髁相接触，伸直135°时，髌股关节面的中部与股骨髁相接触，完全屈曲时，髌骨关节近侧部分与股骨髁相接触，并且髌骨内侧关节面受到的压力较大，只有在完全屈曲时，髌骨沉入股骨髁间沟内。

当膝关节屈伸活动时，髌骨除上下方向的活动以外，还有侧方的移动，当膝关节屈曲90°时，股四头肌腱，髌骨、髌韧带与胫骨结节在一条直线上。而当膝关节伸直时，髌骨向内侧移动，其向内移动的距离相当于髌骨宽度的一半。这个移动是由在膝关节伸直时胫骨发生外旋所引起的。

股四头肌牵拉力线是由髂前上棘到髌骨中点的一条连线表示。从髌骨中点到胫骨结节的连线与股四头肌牵拉力线相交形成一个角度，称为Q角。正常的Q角小于15°。Q角越大，髌骨向外脱位的倾向就越大，尤其在膝关节屈曲时，胫骨发生内旋，髌骨更容易向外侧移动，这种脱位的趋势受到股骨外侧髁的阻挡和股内侧肌的牵制，从而使髌骨保持在稳定的位置上；相反，如果存在明显的膝关节外翻畸形、股骨外侧髁发育低平或股内侧肌薄弱，都会导致髌骨脱位的解剖结构上的缺陷。

（二）膝关节的受力分析

在站立姿势下，人体的重心线位于膝关节中心稍前方的位置，这种情况不需要大量的肌肉力量来维持。因此，可以认为膝关节受到的力只有体重减去小腿和足部重量的半数。如果站立姿势不正确，将在膝关节产生力矩，需要肌肉力量来平衡。当膝关节处于弯曲状态时站立，或缓慢上楼时，膝关节可能承受高达体重3～5倍的力。在行走过程中，作用在膝关节上的力大约为体重的3倍。

在膝关节的受力分析中，半月板的作用至关重要。其主要功能是分散胫骨平台所承受的负载，将股骨传递的压力分散到整个胫骨平台。半月板的切除会导致胫骨平台软骨所受的应力增加，同时也会改变胫股接触区的大小和位置。在半月板完整的情况下，整个胫骨平台都处于接触区域；然而，在半月板被切除后，接触区域仅限于胫骨平台的中心部分。

三、踝关节

踝关节与下肢其他大关节一样，参与运动功能和负重，踝关节由胫距、腓距和远胫腓关节组成，足结构组织非常精细，它的内在结构和复杂的力学组织可以吸收震荡，提供足和身体的稳定性，在直立时和步行中推动身体前进。

（一）踝关节的活动

踝关节的活动可归结：①围绕横轴的背伸、跖屈活动。②围绕垂直轴的内旋、外旋活动。③围绕矢状轴定前向足后的轴线的内翻、外翻活动。踝关节跖屈时，足底内侧缘抬高，外侧缘降低，足趾尖朝向内，称为旋后；踝关节背伸时，足底外侧缘抬高，内侧缘降低，足趾尖朝向外，称为旋前。踝关节跖屈、背伸的活动范围平均为50°～60°，其中跖屈平均23°～56°，背伸平均13°～33°。踝关节背伸时踝穴并不一定都增宽，但跖屈时踝穴却都会有一定程度缩窄。实际上日常见到的踝关节活动，均有足部关节活动的参与。迄今为止，人们对生理下踝关节的运动，以及在非负重状态与负重状态下有哪些不同，尚缺乏全面的了解。

（二）踝关节的受力分析

正常足底是三点负重，在跟骨、第1跖骨头和第5跖骨头三点组成的负重面上，跟骨和距骨组成纵弓的后臂，负担60%的身体重量。通过距跟关节可使足有内收、内翻或外展、外翻的作用，以适应在凹凸不平的道路上行走。

踝关节内部非常光滑，距骨与踝穴之间的摩擦系数低于冰块的摩擦系数（0.02～0.03）。在步行时，距骨需要承受人体重量的5.5倍。踝关节的这种特殊结构既能有效降低来自各个方向的外力对踝关节面的冲击，限制距骨的非生理性活动（如当踝关节进行背伸时，距骨向内外方平移），又能保证踝关节进行正常的生理活动。在特定方向的外力作用下，可能会发生特定类型的骨折或韧带的损伤。踝关节的三踝和内、外侧韧带组成了类似环形的结构，如果这个环形结构的任何两处发生断裂，踝关节的运动就会失去稳定性。

距骨在踝穴内活动轨迹复杂，包括矢状面的前后转动和部分滑动，以及轴状面和冠状面的耦合运动。跖屈时距骨内移，背伸时腓骨移动引起外旋。可将距骨在踝关节内的伸屈活动比作圆锥体在踝穴内滚动，圆锥体底面朝向腓侧，顶端朝向内侧，轴心线与胫骨纵轴线相交成83°左右交角，因此距骨在踝穴内由中立位做跖屈运动时必伴有内旋，背伸时必伴有外旋，且距骨外侧面的活动范围较内侧面大。体外踝关节运动模拟试验表明，距骨运动轴线随踝关节活动范围的变化而发生相应变化。

（王力　杨文龙）