第 40 章：髋关节在活动中受力分析（Analysis of the Forces on the Hip during Activity）
40.1 单肢站立的动力学（KINETICS OF SINGLE-LIMB STANCE）
本章是 hip unit（Unit 6）的最后一章，紧接 Ch38（骨与非收缩结构）和 Ch39（单关节肌的力学与病理学）。前两章分别讨论了结构与肌肉功能，本章将结构、肌肉功能与关节实际承受的负荷联系起来，考察静态与动态活动中髋关节所承受的载荷。本章的五项目的是：(1) 呈现单腿站立时髋关节受力的二维分析；(2) 探讨影响髋关节力大小的因素；(3) 考察动态活动中髋关节所承受的载荷；(4) 讨论活动期间股骨头所承受的应力；(5) 思考髋关节受力分析的临床相关性。
单腿站立要求头-双臂-躯干-对侧下肢质量（HAT-L weight）的合力落在支撑足的正上方基底面内，因此人体需将骨盆侧向移向支撑足，使 HAT-L 质心位于支撑面上方，这导致支撑侧髋关节处于内收位。要理解这一任务，临床医师须回答两个问题：(a) 稳定骨盆需要外展肌产生多大的力？(b) 此任务下股骨头所受的关节反作用力是多大？
二维自由体图显示涉及的主要力包括：地面反作用力（GRF，向上，大小等于体重）对髋关节产生内收力矩（使髋关节绕髋中心做逆时针旋转的倾向）；下肢重量向下作用于下肢质心，对髋关节产生外展力矩；外展肌作用于大转子，对髋关节产生外展力矩。关节反作用力假定直接作用于关节轴上，因而其力臂为零，不产生力矩。HAT-L 重量虽未单独画入自由体图，但它以间接方式影响关节反作用力——HAT-L 不仅自身贡献重量，还使肌肉拉力必须加大来维持平衡。GRF、WL、F、J 等几何量（d1、d2、d3）可从 X 线片测得，故被当作"已知量"。
利用静态平衡条件 ΣM = 0、ΣFX = 0、ΣFY = 0 可解出这些未知量。设 d1（外展肌到髋中心的垂直距离）约 1~3 英寸，d3（GRF 到髋中心距离）约为 d1 的两倍，d2 很小。求解 ΣM 方程可得外展肌力 F 约为体重的 1.5~2 倍。再假设 F = 1.5W，由 ΣFX 和 ΣFY 可分别解出关节反作用力的水平分量 JX ≈ -0.5W、垂直分量 JY ≈ -2.4W，由勾股定理得 J ≈ 2.5W，方向约与水平面成 75°。即安静单腿站立时，外展肌需要产生约两倍体重的拉力以支持 HAT-L 重量，股骨头的关节反作用力约为体重的 2.5 倍。这一数值与文献报告的类似负荷一致[2,13,25]。该量级的负荷也部分解释了为何股骨头上的关节软骨是全身最厚的。
巨大负荷的根本原因在于 GRF 与外展肌力臂的对比关系。个体将骨盆侧向移向支撑足以使 HAT-L 质心落在支撑面内，这同时也使髋关节（旋转中心）相对于 GRF 更靠外侧，从而增大了 GRF 的力臂。相反，外展肌的力臂几乎不变，且比 GRF 的力臂小得多——外展肌处于机械劣势，必须产生很大的收缩力来平衡 GRF 的效应。
使用对侧手拄拐是减小髋关节负荷的典型方法（Examining the Forces Box 40.2）。其机制在于改变 GRF 在足下的力臂。任务本质不变：质心必须落在基底面内。但拐杖放在对侧手扩大了基底面，使个体可以站得更直，支撑足更靠近支撑侧髋关节下方，GRF 的力臂比不拄拐时小。假定拐杖承担 15% 体重，支撑侧下肢承受 85% 体重；设 d1 约等于 d2 与 d3 之和的两倍，代入 ΣM 方程可得 M ≈ 0.5W，即使用对侧拐时外展肌力约为不使用时的三分之一。假设 F = 0.5W 代入 ΣF 方程可得 JX ≈ -0.17W，JY ≈ -1.12W，由勾股定理 J ≈ 1.13W，方向约与水平面成 80°。即对侧手拄拐使外展肌所需力降至约 0.5 倍体重，关节反作用力降至约 1.13 倍体重，关节反作用力减少超过 50%。这一数据为半个多世纪前 Blount 医生的告诫"Don't throw away the cane"提供了具体支持[7]。
40.2 手杖使用侧别的力学含义（CANE-SIDE MECHANICS）
个体通常学会在患髋对侧使用拐杖，但日常观察发现许多人在与下肢问题同侧使用拐杖。需要从力学上检视对侧与同侧使用拐杖的差别。当拐杖放在同侧手时（图 40.3），拐杖对地面的反作用力实际上增加了 HAT-L 重量产生的内收力矩。因此，若患者要在同侧使用拐杖获益，必须采用其他机制来降低外展肌的需求、减少关节反作用力。同侧使用拐杖时，基底面比不拄拐时更靠髋关节外侧，个体必须在步行中比不用拐或对侧用拐时更大地侧向倾斜躯干，使质心落在扩大的基底面内（图 40.4）。增大的侧倾降低了 HAT-L 重量对内收力矩的贡献，从而降低外展肌需求[28]。但侧倾增大使身体其他部位做功增加，可能加大对相邻关节（如腰椎、膝、踝）的负荷。Chan 等人报告 14 名膝骨关节炎女性实际在使用同侧拐杖时产生的髋外展肌力矩大于使用对侧或不使用拐杖[8]。
增大的侧倾也可能让患者把更多重量放在拐杖上，增加腕管综合征等上肢过度使用综合征的风险。这表明对存在髋部病变的患者，使用对侧手拄拐有明确且显著的益处。由于同侧使用拐杖看似符合直觉，这一力学分析也帮助临床医师向患者解释为何应正确使用拐杖。
静态与使用拐杖情况下的力学分析表明，股骨头上的关节反作用力在很大程度上取决于所需肌肉力。EMG 分析显示，对侧手拄拐步行时髋外展肌活动比不用拐步行时减少 30%[27]。使用拐杖减小了由 GRF 产生的外力矩，从而减少髋外展肌所需力。Ch39 讨论过髋外展肌无力导致的典型步态——臀中肌步态：患侧单肢支撑时患者将躯干向支撑足侧倾，使 HAT-L 重量产生一个外展力矩于髋关节上，从而消除了对无力的外展肌的需要[42]。这一步态再次印证了减小外力矩的益处。髋痛患者也使用相同的步态模式，通过减少外展肌力来降低痛侧髋关节的负荷[18,19,26]，此时的步态被描述为"止痛性"（antalgic），意味着它起因于疼痛。
在上述例子中，外展肌所需力是通过减小外力矩来降低的。也可以通过提高肌肉产生力矩的能力来降低外展肌所需力——具体而言，可通过改变肌肉的力臂来改变肌肉的机械优势。Ch38 已讨论过髋外翻（coxa valga）和髋内翻（coxa vara）畸形对外展肌力臂的影响。髋外翻减小外展肌力臂，髋内翻则倾向于增大外展肌力臂。本章呈现的力学分析为这些临床情形中正在起作用的机制提供了更完整的解释。一个数学模型展示了手术重置大转子位置对外展肌力臂及髋关节反作用力的影响[20]。将大转子向外侧移会增加外展肌力臂，从而在给定收缩下大幅增加产生的力矩，减少单肢支撑时支持 HAT-L 重量所需的肌肉力，进而减少关节反作用力；而将大转子向内侧移则会因同样原因而显著增加关节反作用力。外科医师利用这些基本力学概念，通过截骨术乃至全关节置换等重建性髋部手术来改变肌肉的机械优势、改善患者功能。关节植入物的设计可以通过改变股骨颈假体长度来影响外展肌的机械优势。类似地，植入假体时的对线方式可以改变关节中心到大转子的距离，从而改变外展肌的力臂。
40.3 动态条件下的力分析（ANALYSIS OF FORCES UNDER DYNAMIC CONDITIONS）
前面的例子均使用静态平衡条件。然而正常步行中由于运动加速度的存在，关节力会显著增加。Ch48 将更详细讨论动态平衡的原理，概念框架与静态平衡类似。动态平衡的运动方程采用更一般的形式：
ΣF = ma （式 40.1） ΣM = Iα （式 40.2）
其中 F 表示外力，M 表示外力矩，m 是质量，I 是转动惯量，a 和 α 分别表示线加速度和角加速度。利用此方法，几位研究者已计算出正常步行时股骨头上的负荷。基于这些运动方程的应用，步行时髋关节反作用力的峰值估计约为体重的 2.5~7 倍[1,10,12,34,39]。研究者还使用髋关节置换患者体内的仪器化股骨头假体直接测量关节力[4-6,15,16,32]。需要认识到这些测量是在关节受损的个体上进行的；直接测量提示数学分析可能高估了髋关节的力[15,16]。但即使直接测量也显示髋关节在正常步行中承受远高于体重的负荷（很可能至少 2~3 倍体重）。这些关节反作用力在快速步行和跑步时增加[4,5,34]。健康青年男女平均每天进行 10,000~12,000 个步态周期，可折算为每年近 2 百万个步态周期[36,37]。髋关节疼痛会导致严重的运动功能障碍和残疾也就不足为奇了。
对关节反作用力的理解有助于形成对日常任务机械要求的更全面认识。然而"关节反作用力"的概念是对物理情形的过度简化。关节反作用力通常被认为作用于关节上的某一点，但实际上的关节接触力分布在一定的面积上。因此，髋关节因负重和肌肉收缩产生的力实际上是分布在关节表面上的。要完整讨论髋关节的力必须讨论单位面积上的负荷（即应力），即髋关节面在活动中的应力。比较解剖学为我们提供了一个视角：相对于人体大小而言，人髋关节比类人猿大得多[22]。关节相对增大使个体能够在站立时将所受负荷铺展到更大的面积上，从而降低髋关节应力。人髋关节相对类人猿的增大似乎是一个重要的结构差异，增强了人类承受两足行走的能力。
在髋关节置换术中安装的仪器化股骨或髋臼植入物，使研究者可以直接测量髋关节面在多种活动中的压力（力/面积）[2,14,31,35,38,40]。慢速、快速和自由速度步行时报告的髋臼后上方峰值应力约为 4.0~7.0 MPa[23,31]。步行中承受的高应力发生在髋关节面软骨很厚的区域，髋关节前外侧软骨较薄处所受应力极小。直接测量显示使用拐杖将峰值应力降至 3.0~4.0 MPa，与前文静态分析的结果一致。从椅子上起立和坐下以及爬楼梯使髋关节应力增加到约 5.0~9.0 MPa[2,40]。髋骨折急性期康复期间的主动练习产生的峰值压力与步行时报告的相似[38]。髋骨折股骨头置换后的非负重步行似乎比对侧足触地的负重步行对髋关节产生更高的压力[14]。使肢体离开地面所需的肌肉协同收缩也使关节面贴合在一起，从而增加接触力。上下楼梯比步行产生更高的髋关节应力，下楼时报告的峰值应力达 15 MPa[31]。
虽然直接测量关节应力只在少数个体上完成，且仅在特定病理的患者中进行，但这些研究揭示了髋关节在活动中的受力新视角，提供了负荷如何分布在面上的洞见——哪些面承受大应力并持续多久，哪些面承受很小或无负荷。这类证据有助于阐明活动、关节负荷和关节完整性之间的关系。这些关节压力研究也为临床医师提供了重要视角：长期被认为对髋关节施加小负荷的活动实际上可能对髋关节有相当大的负荷。这些数据也为治疗师制定有效康复方案和保护关节免受过载的患者教育计划提供了更多依据。
40.4 应力测量与无血管性坏死的临床关联（HIP STRESS AND AVASCULAR NECROSIS）
股骨头无血管性坏死在病理上表现为因骨小梁和软骨下骨死亡所致的股骨头疼痛性退变。随疾病进展，部分股骨头不再承重，负荷落在更小的面积上（应力增加）。治疗包括股骨头置换和股骨截骨术重新排列承重面，使承重发生在未受损区域。在一项对 30 例采用转子间截骨术治疗无血管性坏死的髋关节研究中，Dolinar 等报告：术后 9~26 年随访中结果成功的个体，其股骨头峰值应力平均降低 0.2 MPa，而结果不成功者平均增加 0.08 MPa[11]。这些数据提示，使股骨头应力最小化的手术重排实际上可能改善临床结果。该研究证明骨应力等生物力学指标具有直接的临床适用性。
40.5 力分析的实际应用（PRACTICAL APPLICATIONS OF FORCE ANALYSIS）
骨关节炎是世界上最常见的风湿病，在 65 岁以上成人中约三分之一患此病[3,24,30]。髋关节是最常受累的关节之一[17,21]。机械因素如关节上承受负荷的大小以及负荷的频率与持续时间早已被认定与退行性关节病有关[33]。髋骨关节炎最重要的危险因素包括肥胖和需要反复抬举的职业，提供了负荷与负荷模式参与骨关节炎的更多证据[3,9,41]。因此，对关节炎患者保守治疗的一个共同目标就是减少患关节上的负荷。对髋关节所受力和压力的分析为临床医师评估这种关节保护方案提供了直接证据。迄今所举的例子提供了具体的临床应用：(a) 髋痛患者可在对侧手使用拐杖获益；(b) 若无其他问题，同侧手用拐反而会加重髋痛患者的步态；(c) 髋骨折后即使在非负重步行期间，股骨头仍承受显著压力。
具备分析髋关节负荷的能力使临床医师能评估多数情形并向个体提供减少髋关节负荷的建议。例如，在与承重下肢同侧手携带负荷可减少稳定躯干和骨盆所用的外展肌力，从而减少关节反作用力；在对侧手携带负荷则效果相反[27,29]。静态平衡原理的简单延伸揭示了这一结论：同侧手负荷在支撑侧髋上产生一个外展力矩，从而减少对外展肌的需要（图 40.6）；对侧手负荷则产生一个内收力矩而增加外展肌的需要。这一分析可被用于评估工业环境中需要反复抬举或搬运负荷的工人髋关节的负荷。类似地，单肢站立分析也可应用于需要长时间不对称支撑的情形。因此临床医师有必要分析活动的力学并利用分析结果优化干预。
40.6 本章总结（SUMMARY）
本章运用静态平衡原理分析了单肢支撑情形下的力。单肢站立时所需的外展肌力约为体重的两倍，相应的关节反作用力约为体重的 2.5 倍。步行中股骨头上关节反作用力的估计值有差异，但很可能为体重的 2~3 倍。力学分析显示在髋关节对侧使用拐杖可有效减少股骨头上的关节反作用力。由于关节反作用力在很大程度上取决于外展肌的力，能改善肌肉机械优势的手术方法或减小髋关节外力矩的策略都能有效减少髋关节的负荷。
本章还考察了髋关节所承受的应力，结果显示股骨头在步行中（甚至在非负重步态中）承受 4~6 MPa 的较大应力。下楼梯产生的峰值应力更大。本章也显示应力在关节面上分布不均——在关节软骨最厚处最高。理解髋关节每天所受的力和应力使临床医师能够量化结构异常或肌肉损伤的影响。这些概念应有助于引导临床医师制定更有针对性、高效和成功的干预方案。
本章个人批注
本章是 hip unit 力学分析的收官之作，把 Ch38 的骨结构（颈干角、力臂、coxa valga/vara）、Ch39 的单关节肌（外展肌无力、gluteus medius limp）和本章节的受力分析连成完整闭环。最值得记的是那个核心数字：单腿安静站立时股骨头上的关节反作用力 ≈ 2.5W，外展肌力 ≈ 1.5~2W，这正是为什么 Blount 半个多世纪前喊"Don't throw away the cane"——拐杖对侧使用将关节反作用力从 2.5W 砍到 1.13W，砍掉一半多。临床上髋骨关节炎、髋骨折术后、THA 术后都围绕"减少 50% 关节反作用力"这个目标设计康复方案。
力臂对比是理解整章的钥匙：GRF 力臂（d3）约为外展肌力臂（d1）的两倍，所以外展肌必须产生约两倍体重才能平衡 GRF。骨盆侧倾是双刃剑——把 HAT-L 质心移到支撑面上方让平衡成为可能，但也把髋中心推得更靠外侧，GRF 力臂进一步增大。同侧拄拐更糟，因为拐杖的 GRF 在更外侧，进一步拉大基底面与髋中心的距离，患者必须比不用拐更大地侧倾。
从 Ch38 的 coxa valga 减小外展肌力臂到本章的"大转子外移手术增大外展肌力臂"——同一个生物力学原理在两个方向上应用，让人体会到"机械优势可调"这一概念在临床骨科（截骨术、THA 假体设计）中的核心地位。4~6 MPa 的步行峰值应力、15 MPa 的下楼峰值应力，把"应力 = 力 / 面积"这个看似抽象的公式锚定到具体数字上——再厚的软骨在 15 MPa 下也扛不住日复一日的累积。
与上下章的衔接（一段话）
本章是 hip unit（Unit 6）的第四也是最后一章，前承 Ch38（骨与非收缩结构：髋臼、股骨、颈干角、力臂）和 Ch39（单关节肌的功能与病理学：外展肌、gluteus medius limp、antalgic gait）。Ch38 给出了结构基础（d1、d2、d3 几何关系、coxa valga/vara 畸形），Ch39 给出了肌肉功能（外展肌无力时的代偿步态），本章将两者综合为受力分析并扩展到动态与应力层面——把"为什么步态有特定的代偿模式"和"为什么髋关节软骨最厚"用数字串起来。下一单元 Unit 7（Knee Unit）开场则由 hip 转向 knee：Ch41 介绍膝关节的结构与关节面。两单元的衔接点在于负重机制——髋关节是球窝关节三轴运动，膝关节则更像是在两长骨之间的改良铰链，结构自由度小但功能需求（负重 + 扭转）复杂得多，所以 Ch41 会先讲膝关节的骨与关节面结构，再在后续章节展开肌肉、力学、临床病理，与本 unit 的 Ch38→Ch39→Ch40 顺序遥相呼应。