髋关节生物力学 (二) Biomechanics of Hip (2)

髋关节生物力学 (二) Biomechanics of Hip (2)

髋关节生物力学是研究人体运动和力学关系的重要领域。本文将介绍髋关节受力的测量方法，探讨髋关节接触力与日常活动的关系，并分析髋关节接触力与ISO标准疲劳性能实验的关系。

髋关节受力的测量方法

当人在下蹲、弯腰、行走和跑步等时，关节运动并不在一个平面内，这时的受力要复杂得多。从上世纪70年代开始就有很多研究机构，试图测量髋关节的受力。测量关节受力的方法不外乎有间接测量法和直接测量法两种。

间接测量法

• 逆动力学（Inverse dynamics）：简称ID，是计算关节外部力矩的主要方法。其允许在指定关节中心的三个解剖轴（冠状、矢状和横向轴）上分别表达力矩。外部关节力矩是通过以下参数来计算的：

• 作用在身体上的外力，即地面反作用力

• 关节的运动

• 力线到质心的距离

• 绕质心的转动惯量

• 肌肉骨骼建模（Musculoskeletal modeling）：简称MSK，使用专门的软件（例如，OpenSim或Anybody），通过设定初始条件，来估算关节内部的受力。这种方法既考虑了外部作用力，也考虑了作用于关节的肌肉的内部作用力。

目前这两种间接测量方法中，前者主要测量外部力矩，后者则是测量内部接触力，各自都有其局限性，二者之间还没有形成一般的对应关系。

直接测量法

直接测量法是使用带有传感器的植入物（Instrumented Implants）来直接测量关节的受力。传感器被埋在植入物内部，利用有线或无线电信号把数据传递出去。带传感器的植入物本身的强度符合关节植入物的强度要求，对病人是安全的。直接测量数据可用来校准肌肉骨骼建模，或者可作为肌肉骨骼建模的初始数据。

髋关节接触力的体内直接测量结果首次由Rydell(1966)获得，之后由English (1977, 1978) ， English 和 Kilvington (1979), Davy et al. (1988, 1990)，以及Kotzar et al. (1988)陆续获得。以上每个报道的结果都是短期的，只包含1至2名受试者，且活动只局限在步行和上台阶。

Bergmann的团队是唯一的长期使用直接测量法进行关节体内载荷测试的团队。这个团队的测量结果包括：

• 1993年2个受试者3个髋关节的测量结果
• 2001年4个受试者髋关节的测量结果
• 2010年4个受试者髋关节的测量结果
• 2016年10个受试者髋关节的测量结果

将Bergmann的团队的上面的四次测量数据整理在一起（表1）。用加权平均计算髋关节接触合力与体重(body weight)的比值的百分比(%BW)。

髋关节接触力与日常活动的关系讨论

从表1最后一列可以看到，人在骑自行车时，髋关节的接触力略小于体重，是体重的0.99倍。在步行时，是体重的2.66倍。这就解释了为什么骑行比步行省力。

人在单腿站立（这里是指两腿交替站立）时，髋关节的接触力是体重的2.63倍，与《髋关节生物力学（一）》中的理论计算值（体重的2-3倍）很接近。

人在起立和落座时，髋关节的受力大约是体重的1.7-2倍。在上下台阶时，是体重的2.9倍左右。

在正常活动中的慢跑时，髋关节的受力最大，是体重的3.87倍。

在1993年的测试中，获得了人在被绊了一下但没有摔倒时，髋关节的受力是体重的8.7倍。这个值一直被认为是髋关节受力的最大比值。

髋关节接触力与ISO标准疲劳性能实验的关系

根据2020年《第五次国民体质监测公报》，中国人60～80岁的老年人平均体重为63.3Kg。其中男性平均为67.4Kg，女性平均为59.2Kg。

根据北欧部长理事会2011年的统计，60岁以上的欧洲人的平均体重为75Kg，95%的65-74岁之间的欧洲人的体重为100.5Kg.

85%的70-79岁之间的美国人的体重达到100Kg。

将四次测试的髋关节接触力与体重的比值（%BW）的加权平均值折算成75Kg和100Kg体重的实际接触力值(N)列在表2中。

ISO 7206-4 2010 中规定髋关节柄的柄部的疲劳实验的加载力为2300N。这个值比75Kg体重的人步行和下台阶时的髋关节的接触力大，比慢跑时的接触力小。

ISO 7206-6 2013 中规定髋关节柄的颈部疲劳实验的加载力为5340N。这个力比75Kg体重的人的各种日常活动时的髋关节的接触都大，甚至比100Kg体重的人的慢跑时的接触力都大。

这里有两个问题，第一个问题是为什么髋关节柄部疲劳使用的加载力与颈部的加载力不同？第二个问题是ISO标准中使用的加载力是否足够充分？

第一个问题可以这样理解，髋关节柄的颈部疲劳的实验设定，与真实使用情形很接近。就是说，疲劳实验中的包埋面与手术中的截骨面很接近。实验中的加载力5340N也远大于100Kg体重的人在慢跑时髋关节的接触力3797Kg；髋关节柄的柄部疲劳的实验设定则与真实使用情形有较大的差异。实验中的包埋面是距关节中心80mm的地方，也就是说，80mm以上至截骨面以下的部分在实验中是悬空的。而真实使用情形是这部分埋在股骨里的。实验情形比真实情形恶劣，故加载力就可以放松一些，可以比颈部疲劳的加载力小。那么小多少为合理呢？这就需要回答第二个问题，实验中多大的加载力就足够充分了。

Bergmann的团队认为，目前ISO标准中用于柄部疲劳试验的力（2.3KN）与实测值比较太低，用于颈部疲劳的力(5.34KN)比较接近实测值，是比较充分的。从另一个角度考虑，2300N的柄部疲劳载荷和5340N的颈部疲劳载荷在过去几十年中被广泛应用于全球关节测试中。从使用这个测试的股骨柄在实践中断裂比例来看（可以从各国的关节登记中心，或者不良事件报告中获得），目前的实验载荷设定还是合理的和充分的。

参考文献

1. Holder J, Trinler U, Meurer A, Stief F.Front Bioeng Biotechnol. 2020 Dec 7;8:603907. doi: 10.3389/fbioe.2020.603907. eCollection 2020.PMID: 33365306 Free PMC article. A Systematic Review of the Associations Between Inverse Dynamics and Musculoskeletal Modeling to Investigate Joint Loading in a Clinical Environment.

2. G. Bergmann, G. Deuretzbacher, M. Heller, F. Graichen, A. Rohlmann, J. Strauss, G. N.Duda, “Hip Contact Forces and Gait Patterns from Routine Activities”, J. Biomechanics 34 (2001) 859-871

3 G. Bergmann, F. Graichen, A. Rohlmann, „Hip joint loading during walking and running, measured in two patients“, J. Biomechanics Vol. 26, No. 8, pp. 969-990, 1993

4. Bergmann G, Graichen F, Rohlmann A, Bender A, Heinlein B, Duda GN, et al. Realistic loads for testing hip implants. Bio-medical materials and engineering. 2010; 20(2):65–75. Epub 2010/07/02. https://doi.org/10.3233/BME-2010-0616 PMID: 20592444.

5. Bergmann G, Bender A, Dymke J, Duda G, Damm P (2016) Standardized Loads Acting in Hip Implants.