THA教程Word格式.docx
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其重心在两股骨头中心连线中点之上。
从理论上讲维持这种平衡不需要外力，每侧髋关节支持人体重量的31%。
其作用力垂直作用在髋关节上。
㈡单足站立时，负重的一侧髋关节支撑着头、躯干、双上肢和对侧下肢。
这部分身体的重心假设为S５，其重量为K，约是体重的81%。
该重心通过负重足与地面垂直。
但是K偏离髋关节，该力使得骨盆倾斜，即使股骨内收。
而外展肌M给予平衡。
K的力臂是ｈ'
，M的力臂为ｈ。
正常ｈ'
是ｈ的3倍。
两力矩相等：
Kh'
=Mｈ知道了K，不难求出M。
Kh’
M＝____
h
髋关节支持着K和M的合力R
R=K2+M2+2KMCos（KM）
MSin（KM）
Sin（KR）=
R
因此不难求出合力R是体重量3倍稍多些，（有的作者求得2.7倍BW）它通过股骨头的中心，向上、向下由内向外。
正常髋关节R与垂线呈26o。
㈢步行时单腿负重当步行时，两侧髋关节交替支撑头、躯干、双上肢和摆动的对侧下肢。
这部分身体的重心Ｓ５随着步态变化发生位移，这种位移在X、Y、Z为轴的三维空间内发生。
Ｘ轴：
与步行方向一致。
Ｙ轴：
与步行方向水平相垂。
Ｚ轴：
上下垂直方向。
这样的位移可以推测有一个力Ｄ使Ｓ５产生加速度，从而使Ｓ５移动。
这个力Ｄ叫做惯性矩（inertia）。
因此，步行单腿负重时该髋关节受到上述部分体重Ｐ的作用外，还有加速度的产生的惯性矩Ｄ，对髋关节来说两者都是偏心负重，使得股骨内收。
因为P和D都作用在S5，可以合成合力K。
外展肌力M与K相平衡，股骨头受到它俩合力Ｒ。
MK和R三者在一个平面上，并且相交于一点。
我们希望能计算R，可这是一个三维空间的合力。
我们知道Ｓ５的位置通过测试手段可以知道在ＸＹＺ轴的位移速度Ａ，求出加速度ＡＸ、ＡＹ和Ａ２。
根据Ｆ＝Ｐ２，因Ｐ的作用方向是垂直的。
合力Ｋ的ＫＸ＝ＤＸ，ＫＹ＝ＤＹ，Ｋ２＝Ｐ＋Ｄ２因此，我们就可以计算某一瞬间Ｋ的量，在各个平面的量（ＯＸＹ、ＯＹＺ、ＯＸＺ）及与各个轴所成的夹角。
诚然，还要求Ｍ，总之一个标准体重为58.7kg的人步行时单腿负重时合力Ｒ大约在81kg-254kg之间。
髋关节受力在步态中有二个高峰，这两个高峰均发生在站立相中：
⑴足跟着地时有一高峰，与惯性矩有关。
⑵发生在站立前期，因足趾离地时有一推力。
二、正常髋关节机械应力
上述的合力Ｒ使髋关节受压产生压缩力，关节压缩应力的大小和分布取决于：
１、Ｒ的大小
２、关节的负重面积
３、负重区中Ｒ的位置和方向
正常人体步行时Ｒ可以达到４倍以上人体重量。
但是不同的个体不尽相同。
GreenWald（1972）测量了髋关节的接触区。
当负荷时负重面积在22.19-33.68cm2之间（平均26.77cm2）。
髋臼关节面呈马蹄形。
中心及下方有凹陷名叫髋臼窝，为圆韧带附着处。
髋臼的软骨面周边较厚而中央较薄。
髋臼边缘由纤维软骨形成髋臼盂唇，加深髋臼深度。
髋臼马蹄形关节面越大，Ｒ离髋臼外缘越远及股骨头半径越大则接触面积越大。
正常髋关节压应力最大约在16-20kg/cm2。
三、正常股骨颈机械应力
股骨颈纵轴平均3.08cm，头颈长9.56cm。
颈干角可增加下肢运动的范围，亦使躯干之力量传达到较宽的基底部，此角正常在110-1400之间平均为1270。
前倾角平均为13.4度。
合力Ｒ与股骨颈轴线不一致，相交在股骨头中心。
Ｒ使股骨颈弯曲，因此在股骨颈引起压应力和张应力，而压应力总是大于张应力。
压力最大在股骨颈的内侧，最大张应力在其外侧。
力的中心轴既无压应力也无张应力。
由于Ｒ作用在股骨颈是倾斜的，也引起剪应力。
剪应力Ｓ的大小取决于Ｒ与股骨颈轴线的倾斜度。
应用光弹模型测定（Photoelasticmodel），股骨头和股骨颈的不同断面应力和剪力已经测出，这些断面均与股骨颈的轴线相垂直。
各截面的正常应力分布见图。
正常应力是与截面相垂直，张应力为正，图上曲线在横轴以上；
压应力为负，在横轴以下。
本文不用单位面积力来表示应力，而用光弹测定时等色曲线的级（Order）来表示。
ＫＬ截面在股骨头最大直径处，承受压和剪应力。
最大压应力是3.4级，在截面的中央，移向截面的两侧其压应力逐渐减少。
剪应力Ｌ的分布呈杯状，最大1.25级，位截面中央的稍外侧。
除截面内侧端外剪应力都是正的，表示该力例ＫＬ截面近侧部分趋向呈向下滑动。
负号表示近侧向上滑。
ＩＪ截面位于头颈交界处。
最大张力0.4级，最大张力2.2级。
其中性线在股骨颈中央的外侧截面直径42.2%处。
剪应力呈杯关。
最大剪应力在其中央达1.6级，剪应力曲线除了在截面两端在横轴以下外，均在横轴以上即近侧头部有向下活动趋势。
股骨颈最宽部截面ＧＨ截面。
最大张力在外缘，1.25级。
最大压应力在内侧缘达6.5级。
中性轴在中央的外侧，即截面直径的30.8%处。
剪应力在珙面中央最大1.45级，向内、外缘剪应力逐渐沽少，但均在横轴之上，为正。
股骨颈基底截面ＥＦ。
外侧受到张应力约1.5级，最大压应力在内侧９级。
中性轴在股骨颈中央的外侧约截面直径7.9%的地方。
剪应力在外1/3最小。
曲线一部分是正，另一部分为负。
不同截面所受应力的变化很重要的原因是由于Ｒ由近端到远端时到股骨颈中央轴的距离越来越远，力矩越来越大。
正常股骨颈的桦质骨结构中有两组骨小梁，它的位置和数量与应力的分布和大小相吻合。
一组从股骨干骺端内侧的骨皮质开始，讥形向上，至股骨头的负重区，为抗压骨小梁。
另一组沿着大粗隆基底和股骨颈外侧在股骨头与抗压小梁相交，呈讥形延伸到股骨头的下面，为抗张骨小梁，该组不为抗压小梁明显。
在这两组骨小梁系统这间是较透亮区Ward'
s三角处，该区应力很小。
根据Pauwels'
定理，骨质的多少取决于应力的大小。
该部是典型的弯应力加压应力。
四、关节软骨与压应力
Kummer（1978）认为关节透明软骨的形成及其维持原状取决于局部压应力大小。
生理性应力刺激维持透明软骨的生存。
若低于生理值的下限或高于其上限，透明软骨就会消失。
例如在髋臼马蹄形关节软骨的内侧，由于得不到应力刺激，所以没有软骨存在。
Tillmann1978年已作了阐述。
如果压应力过分高将破坏软骨，这见于骨关节炎时。
五、骨对关节压应力的反应
骨对应力的反应较软骨更为敏感，应力增加刺激骨的形成，应力减少加速骨的吸收。
正常髋臼顶软骨下有一层均匀的致密骨板。
这说明髋关节应力平均分布在各个负重面的。
单纯球窝关节通常是不能获得关节面均匀应力。
这样的模型作用力经过负重区的中央，应力分布呈杯状，即中央作用线处应力最大，越靠近负周边应力渐渐减小。
压应力能够平均分布在整个负重面上必须①关节存在着弹性软骨；
②股骨头的直径稍稍大于臼；
③关节海绵状骨小梁结构。
因此，当关节不负荷或轻度负荷时臼的周边软骨受压，应力较高。
这个头比臼稍大轻度不对称，负荷时，中央较高应力和周边较高应力合成呈一均匀负荷。
Greenwald的观察肯定了这个观点。
髋臼及股骨头主要由海棉状骨小梁构成，使其有一定的弹性（即变形而不主生结构破坏的能力）。
髋臼并不是一个完整的杯子，而是外形呈马蹄铁状并包含裹着股骨头。
在其结构中含有大量相对能变形的骨质，这提示其有负荷扩散作用。
事实上，如果关节软骨面的压强（角平方面积的压力）能保持在可承受范围内，该作用确实存在而且是非常必要的，可以假定髋关节在大负荷下活动时（奔跑时要承担５倍的体重），软骨下骨骺必然发生变形。
因为髋关节骨性部分在负荷下变形，就必须有一个能其在变形后状态下有最大接触面积或贴合度的设计。
这种最佳贴合必须发生在全额负重时。
因为股骨头有变扁平的趋势，无负重时的最佳贴合必将导致负重时的不良贴合。
在这种情况下，股骨头仅与髋臼的一部分贴合，减少了接触面积，于是就增加了在残余接角面上的压强。
髋关节在轻负荷下不全贴合，在重负荷压力下由于软骨下骨质变扁平而能得到最佳的贴合，从而减少单位面积软骨受的压力并使其限制在是承受范围内。
这点对其功能非常重要。
曾经认为软骨下骨小梁在冲击负荷下变形的缓冲作用保护了其上方的软骨。
现在推测真正高效率的作用机制包括软骨下骨小梁在负荷下变形使关节接触面积增加从而保护了覆盖其上方的软骨。
骨小梁的过度变形会造成细微骨折。
一定程度内的骨梁骨折属生理情况，但较高程度的骨小梁骨折将导致骨重新塑形和骨小梁网僵硬。
僵硬及贴合度的降低被认为会造成关节退变和骨关节炎。
髋臼顶的软骨下致密骨板均匀厚度证明关节压应力分布一致。
按理关节合力的作用线应该在骨折和股骨头的中央，而事实上正常髋关节真正的作用线与办骨下骨板中点和股骨头中心边连线倾斜160。
这是因为髋关节的关节面呈马蹄形，这样重关节面的中心位于Ｘ线片致密骨反中心的内侧。
Ｘ线投照的负重骨板为马蹄形软骨的一部分。
可见马蹄形软骨的冠状面中心在内1/3与外2/3之间。
当Ｒ通过这一点倾斜16o确好与关节面是垂直的。
六、颈干角前倾角的力学意义
（一）让我们假定股骨颈的长度恒定，发生髋内、外翻。
当髋内翻，大粗隆较正常为高，外展肌力Ｍ的力臂Ｈ伸长，而且改变了Ｍ的方向。
Ｈ伸长使得平衡Ｋ所形成的角张开。
由于Ｍ的下降和ＬＭＸＫ的角增大，合力Ｒ下降。
Ｒ通过Ｘ和股骨头中心，与垂线更加倾斜，便Ｒ通过Ｘ和股骨头中心，与垂线更加倾斜，使Ｒ从内侧指向髋臼。
同样，Ｒ通过髋臼负重面的中心，关节压力仍然均匀分布。
因此，当髋内翻时由于负重面积增大和Ｒ减小，所以压应力较小。
当髋关节外翻时，大粗隆较正常为低，Ｍ的力臂Ｈ缩小，Ｍ的方向发生变化。
Ｈ的短缩迫使Ｍ增大以平衡Ｋ。
Ｍ方向的改变，使得Ｍ和Ｋ的交点Ｘ上升，ＭＫ所成的交角变小。
Ｍ的增大和ＬＭＸＫ的缩小，使得合力Ｒ增大，它的作用方向外移。
同样Ｒ作用负重关节的中央，关节压应力均匀分布。
由于负重面积小和Ｒ的增大，关节压应力增大。
合力Ｒ或其反作用力Ｒ１可以分角成纵向和横向的分力Ｌ和Ｑ，Ｌ使股骨头向中顶，如果髋臼较浅的话，可引起半脱位；
Ｑ使股骨头向臼内推。
在髋内翻时Ｌ较正常小，Ｑ较正常大。
外翻时，Ｌ较大，Ｑ较小。
在侧面或矢状面上，股骨颈前倾使力短增加，股骨颈前倾给臀大肌提供的力矩使其作用成倍地增加。
力臂越长则需要越小的臀大肌肌力以使身体直立于髋关节上。
但有一点必须记住，过度的前倾会限制髋关节的外旋运动。
㈡骺板变化
正常时合力Ｒ作用于骺板中央，压应力各处均匀，不会出现一处生长快或慢的现象。
如果Ｒ与骺板垂线呈一斜度，例如作粗隆间内翻截骨术后或先天性髋内翻，骺板的内侧压应力较外侧大，甚至外端可承受张应力，因而内侧生长较外侧活跃，直到骺板又垂直于Ｒ，以后进入持续均匀生长。
所以我们观察到作了股骨上端内翻截骨的小儿由于生长不一致，股骨颈又回到原来方向。
有时不得不到成熟后用第二次截骨手术。
㈢股骨颈
正常髋关节Ｒ的方向与股骨颈轴线呈一交角，颈的上部至它的下部Ｒ与股骨颈轴线间距离越来越远，因而Ｒ对股骨颈的弯矩越来越大。
Ｒ对股骨颈轴线的倾斜引起股骨颈剪应力，倾斜越大，剪应力也越大。
在髋内翻时剪应力较正常为大，外翻时，剪应力较小。
外翻到股骨颈轴线与Ｒ一致时剪应力消失。
总之，髋外翻时压应力较正常髋关节要大，剪应力要小或没有。
髋内翻时，关节压应力较小，但受到较大的弯矩。
同时股骨颈承受较大压应力、张应力，又有相当大的剪应力，这些不同的应力作用，造成髋关节不同的骨结构。
七、髋臼软骨下致密骨板的意义
㈠正常髋关节
关于应力与骨结构关系，1892年Wolff观察到骨的应力改变以后骨结构发生变化，1973Pauwels证明并阐明骨的数量取决于应力大小。
1973年Kummer将上述原理列成数学公式。
正常髋臼顶软骨下致软骨板同等宽度反应了关节负重而的压应力分布是相等的。
球窝关节压应力分布均匀要求：
１、合力作用通过负重面的中央。
２、关节有正常软骨。
３、不负重状态时两关节面之间轻度不称（头略大）。
㈡原发性骨关节炎
原发性骨关节炎认为是关节软骨的损害。
髋关节是一球窝关节模型，由丰富有弹性同质物质组成，磨擦可以忽略。
若负荷在关节负重面的中心，通过关节内两层吸收震荡物质的作用，能够达到压应力平分布。
如果去除一层，就会引起关节应力不匀，负荷线中央应力最大，两侧逐渐减少，直至零。
当和软骨应力分布不匀时软骨下骨板呈杯状，这种致密表现说明合力仍然作用在关节负重面的中央。
因此关节应力分布不匀可能是关节软骨的生物性能缺陷或软骨硬度过高，而不是作用力的改变。
臼顶下软骨骨板呈杯状，它是原发性骨关节炎的第一征象。
可以逐渐演化成半脱位型或内突型骨关节炎。
类似的杯状骨板也可以出现在股骨头置换术后，这是因为假体没有软骨。
看来原发性骨关节炎其应力正常，而是因关节软骨功能障碍所致。
软骨功障碍的机转可以是代谢障碍，软骨细胞失去功能，软骨细胞合成、分泌和成熟异常等。
在原发性骨关节炎的软骨中已经观察到醣蛋白和水分的变化。
（三）、半脱位骨关节炎
富有弹性的同质物质组成的球窝关节，其窘迫忽略不计，负荷作用于关节面中央，压应力平均分布，如果负荷作用线移向关节的边缘，虽然总接触仍然相同，但应力旦三角形分布，臼的边缘应力最大。
因为负重线两侧总压力是相等的以保持平衡，当负荷越向边缘靠近时，外侧部的接触面积越小，因而有较高的压应力（单位面积所受的力R/S）。
X线片出现三角硬化区表示着应力分布情况。
如果应力超过骨所能忍受的阀值，则骨吸收，出现了囊性变。
这可以在先天性髋关节半脱位时看到，也可以发季在股骨头内侧大量骨赘生长，使得股骨头移向外侧，致使合力Ｒ也外移所造成的半脱位，虽然负重面积有相当增加，应力却越来越集中，看来互相矛盾的结果，位主要是因为合力Ｒ始终对着股骨头原来的中心，因而越来越外移。
开始股骨头内侧骨赘是由软骨组成，然后骨化，因局部低压力而诱发（Grasset），但无明显负荷作用。
（四）、内突型骨关节炎（Osteoarthritiswithprotrusioacetabuli）
内突型骨关节炎是由于Ｒ的横向分力Ｑ过分强，使股骨头向内推移，因此软骨下三角形硬化区发生在髋臼的深部。
也就是说，Ｒ向内移位到马蹄形关节面的内缘。
如果应力非常大的话，硬化三角区内出现囊性变。
（五）、其它类型骨关节炎
除上述两种外还有一种中央型骨关节炎，关节间隙全部狭窄，髋臼的骨质围绕股骨头生长。
髋臼边缘硬化三角可有可无。
骨关节炎也可以分为肥大型和萎缩型。
肥大型特点是：
１、由于正常生物力学的改变，造成骨的改造现象。
２、有较大的骨赘。
３、适宜于作生物力学处理，其骨突和改造的骨常可利用。
萎缩型骨关节炎表现为关节间隙消失，异常的硬化区可有可无，没有什么骨的重建和骨赘形成。
发生该型骨关节炎大部是炎症引起。
但是血沉等对炎症判断有意义的化验可能正常，萎缩型骨关节炎治疗效果，一般不甚满意。
在萎缩型中有一种极罕见的类型，破坏吸收极为迅速，数周或数月骨股骨头颈已吸收而临床和化验找不出感染征象。
髋关节生物力学治疗原则
因为骨关节炎时压应力超过了组织抵御能力，因而处理上有两种考虑：
1、增加组织抵御能力。
2、降低关节压应力。
㈠变化组织的生物学特性
这是一个尚未完全认识的问题，人们已经作了如下的偿试。
１、Rowntree等（1927）采交感神经切断，以增加患髋血供。
２、Scaglietti（1964）结扎股骨颈周围所有的动脉，以减少充血。
他认为充血使得病情发展。
３、Boppe等（1963）行股骨颈钻孔，以减缓内部神经淤血。
另有人在钻孔后植入一块带蒂肌肉以改善血循环。
４、Ｎissen（1960）粗隆间截骨后不移位作内固定（以防移位）。
６、Delehef（1959）作髋关节皮肤成形术。
即股骨头脱位后，切除骨赘，在头上复盖一层或两层皮肤。
髋臼也贴上皮。
希望皮肤能化生（metaplasia）成软骨。
由于这些方法效果不能肯定，或短期有效，都未作定论，最近有人提出用软骨的提取物注射到受累髋关节内，出现了好的势头，观察到关节面重新平整起来，过高压力征象消失。
但毕竟随访时间太短。
即便组织抵御应力能力可以恢复到正常，但在大多数情况可能是不够的，因为这时侯疾病进展已导致机械应力的增加。
因此，有可能的话，降低关节的压应力。
㈡降低关节压力
不少医生在自理髋关节骨关节炎从力学观点，即降低关节负荷或增加股骨头的复盖。
但是他们似乎还不注意关节面的对合和关节负重区。
以下是我们常用的处理方法。
１、麦氏截骨术。
McMurray（1935）描写了股骨粗隆间截骨，将远端向上内侧移位，其上端推到髋臼下缘的下方。
他原意是骨盆通过股骨承担部分体重，从而减轻受累髋关节的负荷。
而实际上股骨干的上端不大会与骨盆形成关节的。
假如真是如此，在很小的面积上支重，那将是很痛苦的。
单纯股骨干内移会引起膝关节一些外翻畸形，但并不改变髋关节应力。
为解释这一手术，我们简化为一颈部弯曲的立柱，两侧负荷处于平衡，这弯角以下柱子承受弯矩，即内侧是压应力，外侧为张力。
假如立柱的下部移到轴线之下，立柱承受只是压应力，这就是我们常说的改变负重力线。
但是麦氏截骨后股骨干向近端及内侧移位，从而松解髂腰肌和内收肌。
像股骨近端外展截骨一样，因此病人术后股骨头旋转可能改善髋关节的对合，增大负重接触面。
这些好处MeMurray本人当时也没有想到。
２、肌肉切断术（方法后述）。
Voss（1956）提出内收肌和外展肌切断以沽缓髋关节负荷。
该手术有着广泛适应证。
如果负重面积明显减低时效果不好，滥用肌肉切断术治疗各种骨关节炎已招来非议。
３、髋臼加盖术。
该术的目的是复盖股骨头，是出于这样的想法：
髋关节是垂直负荷，这是种误解。
因为合力作用髋关节负重面相互垂直，Ｒ与垂线有一相当的倾斜角度。
严重的骨关节炎加盖术后没有发现有何症状改善。
Bertrand等观察到术后恶化，他们认为加盖术时对骨关节炎是禁忌的。
加盖术后新臼盖和股骨头的接触呈一条线，而更多情况仅是一点接触。
如果真要增加关节负重接触面，盖应造成与股骨头用样曲率球面，而且盖的位置恰好是原臼关节面的延伸。
这两点要求几乎是很难达到的。
４、Pawwels'
法Pawwels'
的股骨粗隆间截骨以便减少髋关节的压应力或增加关节接触面。
１、内翻粗隆间截骨（PauwelsⅠ术）
２、外翻粗隆间截骨加上内收肌、外展肌和髂腰肌切断（PauwelsⅡ术）
３、大粗隆截骨外移加上内收肌和髂腰肌腱切断（Maquet1976）。
该术和Pauwels术的原理相同：
增大关节接触面和减少负荷。
㈢两种本能性（instinctiue）降低髋关节应力方法。
跛行（Limping）病人跛行，每当肢负重期时，上身（躯干、头和上肢）向着受累的下肢移动，同时受累的下肢和骨盆向对侧移位。
在这一瞬间跛行看来好像整个身体都在坏腿上负重，增加髋关节负荷。
其实患髋负荷减少了，让我们来分析一下。
一、右髋有病但仍可活动患者，令其行走时拍成电影，跛行时将右下肢负重期的连续照片放大，画出轮廓，找出身体重心Ｓｓ，由于上下身两部的移动，发现Ｋ力的作用线与股骨头中心间的距离在跛行病人较正常人明显为短。
外展肌力Ｍ的力臂没有变，因此平衡Ｋ的Ｍ可减少，当然合力Ｒ变小。
Ｒ通过Ｍ和Ｋ的交点，且通过股骨头的中心。
Pauwels所测量的跛行病人Ｒ与垂线成8o倾斜，而正常人该角倾斜16o。
因此跛行病人每当患肢负重时上身重心Ｓｓ与负重足的垂线要比正常人挨得近，这就是说跛行的惯性力（Forceofintentia）是比较小的。
诚然，惯性力大小取决于步行速度，假定像正常步行速度那样移动，58.7kg体重的跛行病人患髋所受的压力为100kg，而正常是25.8kg（Pauwels）。
在负重期各时相，该压应力的变化比正常步态者要小。
跛行常发生于两种情况：
１、外展肌力弱。
２、因骨骼的缺陷所作出的自动保护性反映，以减少疼痛。
例如前种情况，由于肌肉麻痹肌力不能平衡体重的偏心负荷所产生的力矩，病人只能采用这种不自然的步态，即在患肢负重时交上身移向患侧，使其重心在负荷关节之上以代偿肌力不足。
跛行也可以出现在正常肌力但骨和关节有病的情况，从而砬少髋关节负荷缓解疼痛。
如果经过合适的治疗恢复正常力的平衡，跛行就会消失。
２、柱拐许多髋关节疼痛的病人步行时对侧手里持一拐杖，使患肢负重时减少上身向患侧移位，克服和减少跛行。
柱损时身体一部分重量通过拐杖传达到地面，如果没拐杖的支撑力为Ｃ，它至股骨头中心的距离为f，为30cm。
右侧股骨头中心是骨盆旋转的轴心，力矩ＣＦ使骨盆呈逆时针转动，而力矩Ｋh'
被ＦＳ为代替。
F=K-C.F到股骨头中心距离为S，则：
（1）FS=Kh’-Cf
Kh’-Cf
（2）S=
K-C
从⑴可见ＦＳ比ＫＨ’要
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