关节的生物力学

1、关节的生物力学JOINTS, BIOMECHANICS OF 关节介绍 （INTRODUCTION） 关节动力学（KINEMATICS OF JOINTS） 关节的数学和力学模型（MATHEMATICAL AND MECHANICAL MODELS OF JOINTS） 关节稳定性（JOINT STABILITY）关节介绍 基本关节结构 1、关节面：各骨相互接触处的光滑面叫关节面。关 节面为一层软骨覆盖称关节软骨。2、关节囊：由结缔组织组成，它附着于关节面周围的骨面上。可分为内外两层，外层为纤维层，由致密结缔组织构成；内层为滑膜层，由薄层疏松结缔组织构成，可分泌滑液，起到润滑作用。3、关节腔：

2、就是关节软骨和关节囊间所密闭的腔隙。4、关节软骨：减少骨之间的摩擦。5、关节头：与关节窝紧扣，进行运动。6、关节窝：与关节头紧扣，进行运动。关节连接 关节可以分为不动关节和动关节不动关节有： 软骨性连接 ( cartilagineae joint)软骨结合: 借助透明软骨构成的连接，通常是暂时性的，在成人以前介于其间的透明软骨一般都已变成骨，例如胸骨联合（Symphysis）:，其骨对合面由纤维软骨板紧密连接，例如锥间盘 纤维性连接 （fibrosae joint）缝隙连接，例如颅骨之间韧带联合：一种纤维关节，介于其间的纤维性结缔组织形成一层骨间膜或韧带。例如尺骨与桡骨之间的连接，由前臂的骨间

3、膜与肘的斜索(obligue cord)组成。钉状关节，为一种纤维性关节，其中一个圆锥状突起插入一个窝状部，例如茎状突在颞骨中，或牙在牙槽内软骨性连接 纤维性连接 动关节有： 滑膜连接（Synovial joints） 动关节的两块骨之间会有腔隙。关节面会有关节软骨。整个关节在外形上是一个关节囊.它由 外面的纤维膜 Membrana fibrosa （致密结缔组织） 内面的滑膜 Membrana synovialis (一类似表皮组织的结缔组织） 关节韧带启动加固关节的作用。关节韧带分为囊外韧带和囊内韧带两种。后者会部分过渡成为滑膜。 关节囊内有腔隙关节腔。内有粘性液体填充，称为滑液，它是滑液

4、膜的分泌物。根据关节面的形状，动关节可再细分为:球窝关节 (Articulatio spheroidea):如肩关节，髋关节;可以各向运动椭球关节 (Articulatio ellipsoidea):例如寰椎和颅骨之间的关节鞍状关节 (Articulatio sellaris):如大拇指与掌骨的连接;可以在两个方向运动枢纽关节 (Ginglymus):只有一条运动轴，只能做屈伸，例如肘关节(如铰链比较)车轴关节 (Articulatio trochoidea ):如尺桡二骨之间的关节平面关节 (Articulatio plana):如椎间关节双髁状关节 (Articulatio bicondy

5、laris): 膝关节球窝关节枢纽关节车轴关节椭球关节鞍形关节关节动力学 简单的说就是关节受到的力及其运动情况。但实际运动过程中各个组织的受力，运动，变化又是很复杂的。数据分析 数据收集照相机a video and digital motioncapture system笛卡儿光电动态人体测量仪Cartesian Opto-electronic Dynamic Anthropometer the measure-ment system CMS10 (Zebris) 数据分析处理坐标的系统和转换Coordinate Systems and Transformation.转换到三维空间Transl

6、ation in Three-Dimensional Space关于坐标轴转动Rotations about the Coordinate Axes.结合旋转Combined Rotations as a Result of a Sequence of Rotations .角度表示Euler and BryantCardan Angles 关节的数学和力学模型 the link-segment model 链接型模型表面模型Surface Modeling Surface modeling methods calculate the shape variations of joints an

7、d visualize the proximity of subchondral bone surfaces during static loading or dynamic movement. 现象学关节模型Phenomenological Joint Models The phenomenological models include two groups: the rheological （液流）models and the advanced figure animation（卡通片） models. 主要是研究关节动态运动情况。 解剖模型Anatomical Models The fi

8、rst categorization of the models depends on the type of motion reproduced by the mathe-matics. The second approach categorizes models according to their structural basis. （数学建模加结构基础） 主要是更优化的方法来研究一些特定的关节，有针对性人类关节的有限元分析Finite Element Analysis of Human Joints. Numerical methods are required to solve th

9、ese nonlinear problems, even for relatively simple geometries. Linear 3D elements and nonlinear 3D formulations have been presented for the biphasic theory. How-ever, full nonlinear 3D analysis for joints of realistic geo-metry and strains remains a computationally challenging problem 解决关节内部都是非线性的问题

10、，能更加准确的研究关节内部的各种变化。关节稳定性 髋关节The Hip Joint 由股骨头与髋臼相对构成，属于杵臼关节。髋臼内仅月状面被覆关节软骨，髋臼窝内充满脂肪，又称为Haversian腺，可随关节内压的增减而被挤出或吸入，以维持关节内压的平衡。 髋关节为多轴性关节，能作屈伸、收展、旋转及环转运动。但由于股骨头深嵌在髋臼中，髋臼又有关节盂缘加深，包绕股骨头近2/3，所以关节头与关节窝二者的面积差甚小，故运动范围较小。加之关节囊厚，限制关节运动幅度的韧带坚韧有力，因此，与肩关节相比，该关节的稳固性大。 自由度 3 Flexion（弯曲） 90120 Extension（伸展） 1020 A

11、bduction（外展） 3045 Medial rotation（旋内） 3040 Lateral rotation（旋外） 60 Circumduction Complete 在单脚站立的时候，髋关节承受3倍体重（BW）的力量。大步行走或者跑步时，可能会增加到体重的6倍左右膝关节The Knee Joint 膝关节knee joint 由股骨内、外侧髁和胫骨内、外侧髁以及髌骨构成，为人体最大且构造最复杂，损伤机会亦较多的关节。 辅助结构（1）半月板：由2个纤维软骨板构成，垫在胫骨内、外侧髁关节面上，半月板外缘厚内缘薄。 内侧半月板：呈“C”字形，前端窄后部宽，外缘中部与关节囊纤维层和胫侧副

12、韧带相连。 外侧半月板：呈“O”字形，外缘的后部与腘绳肌腱相连。 作用：有加深关节窝，缓冲震动和保护膝关节的功能。（2）翼状襞：在关节腔内，位于髌骨下方的两侧，含有脂肪的邹襞，填充关节腔。 作用：增大关节稳固性，有缓冲震动的功能。（3）髌上囊和髌下深囊：位于股四头肌腱与骨面之间。 作用：具有减少腱与骨面之间相互摩擦。（4）加固关节的韧带： 、前后交叉韧带：位于关节腔内，分别附着于股骨内，侧髁与胫骨髁间隆起。 作用：防止股骨和胫骨前后移位。 、腓侧副韧带：位于膝关节外侧稍后方。起于：股骨外侧髁；止于：腓骨小头。 作用：从外侧加固和限制膝关节过伸。 、胫侧副韧带：位于膝关节的内侧偏后方。 起于：股

13、骨内侧髁；止于：胫骨内侧髁。 作用：从内侧加固和限制膝关节过伸。 、髌韧带：位于膝关节的前方，为股四头肌腱延续部分。 起于：髌骨；止于：胫骨粗隆。 作用：从前方加固和限制膝关节过度屈。 自由度2 Flexion（弯曲） 120140 Extension （伸展）0 Medial rotation （内旋）30 Lateral rotation （外旋）40 当身体有大的冲击时，如起跳，爬行，膝关节承受的压力是身体的数倍。但是膝盖周边复杂的骨和韧带加上肌肉都能很好的动态调节，时刻维持着其稳定性。踝关节The Foot Structure; the Ankle Joint 踝关节（ankle jo

14、int），由胫、腓骨下端的关节面与距骨滑车构成，故又名距骨小腿关节。 胫骨的下关节面及内、外踝关节面共同作成的“冂”形的关节窝，容纳距骨滑车（关节头）。 由于滑车关节面前宽后窄，当足背屈时，较宽的前部进入窝内，关节稳定；但在跖屈时，如走下坡路时滑车较窄的后部进入窝内，踝关节松动且能作侧方运动，此时踝关节容易发生扭伤。 其中以内翻损伤最多见，因为外踝比内踝长而低，可阻止距骨过度外翻。 自由度1 Flexion 20 30 Extension 4045 踝关节在走路时承受相当于身体6倍的压力，在跑步时相当于13倍肩关节The Shoulder 肩关节是由六个关节组成，分为肩肱关节、盂肱关节、肩锁关节、胸锁关节、喙锁关节、肩胛胸壁间关节。 因为肱骨头较大，呈球形，关节盂浅而小，仅包绕肱骨头的1/3，关节囊薄而松弛，