髋关节是人体最大的杵臼关节，正常的关节面的精确对合，不仅是髋关节具有很大的内在稳定性，而且能提供日常生活中所需要的大范围活动。正确了解在日常生活包括行走中的髋关节所处的力学环境，将有助于加深对髋部疾病的发病机制、诊断和治疗原则、手术与置入物的设计改进的认识，本章节从总体上介绍髋关节的力学分析，运动学和病理力学，各种具体的伤病的生物力学问题，将分别在有关章节中讨论。
由于髋关节的受力因素主要分布在冠状面上，髋关节静力载荷的分析常被近似化为单纯的冠状面分析，根据有效体重（体重减除站立侧下肢的重量）、体重力臂、肌肉作用力（主要为臀中肌）、肌力力臂而计算出髋关节在二维平面上的受力情况。这种分析方法简单、易行，且为非侵入性。据此作出的各种推算结果具有一定的实用意义。有助于了解髋关节受力的基本状况和作为动力学分析的基础。但其缺点也显而易见，由于肌力分布和肌肉力线难以精确确定，再加上仅属二维分析，实际上难以反映精确的髋关节受力状况。
（一）双足站立时
双足静止站立时，双侧髋关节支撑头部、躯干和双侧上肢，约承受62%的体重（BW）（图1-12）。此时人体的重心位于胸10与胸11之间的椎间盘的正中矢状面和水平面上。此重心的垂直线正好与双侧股骨头旋转中心连线的中点相交。从理论上讲，此时无须任何肌力就能保持平衡，但这种平衡是不稳定的。如果髋关节支撑是对称的，那么每侧髋关节承受31%的体重。以体重60kg为例，此时双侧髋关节共承受37.2kg，每侧髋关节承受18.6kg，如果每侧股骨头的负重面积是12cm2，股骨头每平方厘米将承受1.55kg的力。
（二）单足站立时
单足静止站立时，负重一侧的髋关节支撑头部、躯干和双上肢及对侧下肢，这部分身体的重心线略向负重侧方向偏移，通过负重足与地面垂直（图1-13）。
图1-12 双足静止对称站立时的重心（S）及作用于一侧的髋关节的力（R）
图1-13 单足静止站立
S－重心，K－体重（头部、躯干和双上肢及对侧下肢）的垂直力，h′－K的力臂，M－外展肌力，h－M的力臂，R－K和M的合力
假设其重量为K，则K约为81%的体重（BW）。此时人体重心位置发生变化，在水平面上向下移至腰3与腰4之间椎间盘平面，在冠状面上向不负重侧移动2.5cm；在矢状面上重心位于承重侧髋关节旋转中心的冠状面附近。单足站立时，体重（K）使负重侧髋关节偏心受力，并使骨盆倾斜。为保持髋关节稳定，需通过外展肌力（M）以达到平衡。K的力臂为h′，M的力臂为h。一般情况下，h′是h的3倍，上述两力的力矩应该是相等的，即：Kh′＝Mh
M＝Kh′／h
此时髋关节受力K和M的总合力R为：
R＝［K2＋M2＋2KMcos（KM）］1／2
其中KM为力K与M的力线所形成的夹角，KR是力K与力R的力线所形成的夹角。故合力R大约为总体重的3倍以上。合力R力线与力K和M的力线相交于一点，并通过股骨头中心。因为髋关节面摩擦系数极小，故合力R的力线在关节表面相交时与关节面呈正切关系。在正常髋关节，R的力线相对于地面垂直线的倾角约为16°。
（三）髋关节接触力的三维推算
已有不少作者试用三维力学模型，结合行走、登梯和由坐位起立时外部测得的力来推算肌肉作用力和髋关节接触力。表1-1列举了一些作者的推算结果。
表1-1 不同三维推算方法获得的髋关节接触应力峰值
（引自Hurwitz与Andriacchi，1998）
（四）正常髋关节的机械应力
上述的合力R在髋关节受到的压强的大小与分布主要取决于：
1.R的大小。
2.关节承受面的大小。
3.负重区中R的位置和方向。
正常行走时，合力R的大小一般为体重的4倍以上，但可因解剖结构的个体差异而有所变化。
根据Wald（1972）的测量，髋关节的负重面积在负重时为22.19～33.68cm2（平均为26.77cm2）。髋臼关节面呈马蹄形，中心及下方有凹陷，称髋臼窝，为圆韧带的附着处。髋臼的软骨面周边厚，中央较薄，髋臼盂唇加深了髋臼深度。Kummer（1986、1974、1979）根据关节面的形状和合力在髋关节的位置，计算出关节接触面的承重面积。再根据关节面的宽度和合力R至髋臼外缘的距离，计算出不同半径股骨头负重面积。结果表明，髋臼马蹄形关节面面积越宽大，合力R至髋臼外缘的距离越远，股骨头半径越大，承受面积也就越大。以半径为25mm的股骨头为例，其负重面积为11.4～24.5cm2。正常髋关节压应力最大为16～20kg／cm2。
（五）正常股骨颈的机械应力
股骨颈纵轴平均长3.08cm，股骨头加股骨颈平均全长9.56cm。颈干角增加下肢的运动范围，亦使躯干的力量传达到较宽的基底部。股骨颈无肌肉附着，故作用于股骨颈的合力R的大小与髋关节一样，合力R的力线并不与股骨颈的轴线相一致。合力R与股骨头中心相交后向远侧延伸并向下方偏离，从而在股骨颈产生压应力和张应力，并且压应力总是大于张应力。最大压应力位于股骨颈的内侧缘，最大的张应力在股骨颈的外侧缘。越靠近股骨颈的中轴线，压应力与张应力越小，股骨颈中心轴处既无张应力，亦无压应力。由于合力R是斜向作用于股骨颈，故产生剪应力，剪应力S的大小取决于合力R的力线和股骨颈轴线的夹角。
通过经典的梁测试原理计算、光弹性试验、有限元力分析结合数学分析、应变仪或骨表面涂布应变敏感物质后测定等均证实股骨颈上部的股骨头与股骨颈交界处所受张应力最大（图1-14）。
图1-14 合力R作用于股骨颈的应力分布
D－压应力，T－张应力，S－剪应力
股骨颈的中心由应力图中的影线表示
应用光弹模型可以测定出股骨头和股骨颈各断面的应力和剪力，这些断面均与股骨颈的轴线相垂直。正常应力与截面相垂直，张应力为正值，为横轴以上部分的曲线；压应力为负值，为横轴以下的曲线。
正常股骨颈骨松质结构中有两组骨小梁，它的位置和每组骨小梁的数量与应力分布和大小相吻合。一组从股骨干骺端内侧的骨皮质开始，弧形向上，至股骨头负重区，为抗压骨小梁。另一组沿着大粗隆基底和股骨颈外侧向上弧形延伸到股骨头的下面，在股骨头与抗压骨小梁相交，为抗张骨小梁，此组不如抗张骨小梁明显。在这两组骨小梁系统之间是较透亮区Ward三角，该区应力值很小。根据Pauwels定理，骨松质的多少取决于应力的大小。
（六）行走辅助器对髋关节应力的影响
分析法及体内研究均显示，行走时对侧手持杖可降低髋关节压力。二维静力分析提示：手杖和外展肌共同产生力矩，与有效体重产生的力矩大小相等、方向相反。使用手杖之所以能大幅度降低关节接触压，是因为手杖的力臂远大于外展肌的力臂。此时只需较小的肌力即可平衡有效体重产生的力矩。二维静力学分析表明，若手杖承担约15%的体重，关节的反作用力可降低50%（由3.3BW降至1.7BW）。运动学和动力学分析显示，扶拐行走时髋关节的接触力（2.2BW）只有不扶拐行走时（3.4BW）的65%（表1-1）。
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