膝关节生物力学分析问题

解剖科学进展　Progress of Anatomical Sciences　2010 May,16(3):281~284膝关节后外侧结构的形态学及生物力学研究1121*曾蜀雄，伍国胜，汪　方，党瑞山（1. 第二军医大学解剖学教研室，上海 200433；2. 上海市第一人民医院骨科，上海 200080）膝关节后外侧结构（posterolateral structures，或PCL的同时实行PLS重建或修复组，比单纯重建PLS）的解剖学结构复杂，位置较深，且结构间有相ACL与PCL组，Lysholm（ <0.02），Tegnerr （ <0.04）互融合，给PLS解剖学描述、损伤后的诊断和重建都评分明显提高，证实PLS维持膝关节稳定的重要性和带来了极大的困难。

PLS的单独损伤比较少见，仅占重建的必要。

PLS对维持膝关节的动力与静力稳定有[1]着重要的作用，主要起到限制膝内翻，胫骨外旋、急性关节损伤的2%，而大多数伴有交叉韧带的损[7-11]伤，其中后交叉韧带（posterior cruciate ligament，前移、后移。

PLS损伤后的重建可起到恢复膝关[2]内节旋转稳定和保护重建后的交叉韧带，显著改善PCL）的损伤中，近60%都伴有PLS的损伤。

车祸、[1-8]运动、坠落等使膝关节受到巨大暴力是造成PLS损伤膝关节的运动功能。

正是由于PLS复杂的解剖结构的主要原因。

但是PLS损伤在诊断中极易被忽视，进和维持膝关节稳定的重要作用，近年来，有大量关于而出现膝关节后外侧区疼痛，异常步态，膝关节后后外侧结构的研究。

本文就近年来有关膝关节后外侧外侧旋转不稳定，甚至造成交叉韧带重建失败和慢结构的形态学及其生物力学研究进展综述如下。

[1-6][7]性膝关节不稳定等。

Freemana等回顾性研究发1　PLS的形态学研究现，重建前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL） 膝关节后外侧结构，又称膝关节后外侧角（post【收稿日期】*通讯作者（To whom correspondence should be addressed）2009-11-16 【摘要】　膝关节后外侧结构（PLS）解剖结构复杂，是膝关节重要的动力与静力的稳定结构，近年来，对PLS的解剖学描述和其在膝关节稳定中的生物力学作用越来越受到重视。

关节软骨生物力学特征
关节软骨是一种具有复杂生物力学性能的特殊组织。

它对于连接骨骼的骨头提供了极为重要的支持和缓冲作用。

以下是关节软骨的生物力学特征：
1. 压缩：关节软骨通常承受高压缩载荷。

在运动中，关节表面的骨头对软骨的压力很高，使得软骨需要具有较高的强度和弹性。

2. 弹性：关节软骨具有弹性，能够适应骨骼的运动和变化。

在弯曲和扭转时，软骨能够发生形变，但会恢复原状。

3. 摩擦力：关节软骨的表面非常光滑，能够减少骨头之间的摩擦力。

这种表面摩擦力也使得关节可以平稳地移动。

4. 吸震：关节软骨在接受冲击时具有吸震的作用。

在运动时，骨头之间的碰撞会产生冲击波。

软骨能够吸收这种冲击力，减少骨骼和关节的损伤。

5. 滑动：关节软骨的表面结构能够使骨头在运动时滑动，而不是摩擦。

这种滑动使得关节运动更加平稳，并且可以减少关节的磨损。

总之，关节软骨的生物力学特征极为重要，能够对骨骼的运动和保护发挥极大的作用。

中国组织工程研究 第20卷 第11期 2016–03–11出版Chinese Journal of Tissue Engineering Research March 11, 2016 Vol.20, No.11P .O. Box 10002, Shenyang 110180 1658·综述·www.CRTER.org吴疆，男，1974年生，天津市人，汉族，2000年天津医科大学毕业，博士，主治医师，主要从事运动医学研究。

中图分类号:R318 文献标识码:A 文章编号:2095-4344 (2016)11-01658-08 稿件接受：2016-01-06 膝关节前外侧韧带解剖、生物力学及功能恢复吴 疆，黄竞敏，赵 斌，曹建刚，陈 啸(天津医院运动损伤与关节镜二病区 天津市 300211)引用本文：吴疆，黄竞敏，赵斌，曹建刚，陈啸. 膝关节前外侧韧带解剖、生物力学及功能恢复[J].中国组织工程研究，2016，20(11):1658-1665.DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.11.021 ORCID: 0000-0002-9019-8588(吴疆)文章快速阅读：文题释义：前外侧韧带：是人体膝关节的横向韧带，位于腓侧副韧带之前，1879年法国外科医生“保罗•希根”(Paul Segond)所记载，在记录里他描述为横向股骨和胫骨之间的韧带结构。

生物力学：应用力学原理和方法对生物体中的力学问题定量研究的生物物理学分支。

研究范围从生物整体到系统、器官(包括血液、体液、脏器、骨骼等)，从鸟飞、鱼游、鞭毛和纤毛运动到植物体液的输运等。

基础是能量守恒、动量定律、质量守恒三定律并加上描写物性的本构方程，研究的重点是与生理学、医学有关的力学问题。

依研究对象的又分为生物流体力学、生物固体力学和运动生物力学等。

摘要背景：对于存在旋转不稳的前交叉韧带损伤是目前研究的热点，进一步认识前外侧韧带的解剖学和生物力学可以对膝关节旋转稳定性的恢复起到指导意义。

骨、关节、肌肉的生物力学第一节骨的生物力学人体共有206块骨，其功能是对人体起支持、运动和保护的作用。

骨的外部形态和内部结构不论是从解剖学还是生物力学的角度来看，都是十分复杂的。

这种复杂性是由骨的功能适应性所决定的。

骨的功能适应性，是指对所担负工作的适应能力。

从力学观点来看，骨是理想的等强度优化结构。

它不仅在一些不变的外力环境下能表现出承受负荷（力）的优越性，而且在外力条件发生变化时，能通过内部调整，以有利的新的结构的形式来适应新的外部环境。

一、骨的生物力学特征（一）骨对外力作用的反应1．骨对简单（单纯）外力作用的反应（1）拉伸：拉伸载荷是自骨的表面向外施加相等而反向的载荷，在骨内部产生拉应力和拉应变。

例，单杠悬垂时上肢骨的受力。

（2）压缩：压缩载荷为加于骨表面的向内而反向的载荷，在骨内部产生压应力和压应变。

例，举重举起后上肢和下肢骨的受力。

（3）弯曲：使骨沿其轴线发生弯曲的载荷称为弯曲载荷。

在弯曲负荷下，骨骼内不同时产生拉应力（凸侧）和压应力（凹侧）。

在最外侧，拉应力和压应力最大，向内逐渐减小，在应力为零的交界处会出现一个不受力作用的“中性轴“。

例，负重弯举（杠铃）时前臂的受力。

（4）剪切：标准的剪切载荷是一对大小相等，方向相反，作用线相距很近的力的作用，有使骨发生错动（剪切）的趋势（图3-1），在骨骼内部的剪切面产生剪应力。

例，人体运动小腿制动时，股骨髁在胫骨平台上的滑动产生剪应力。

（5）扭转：骨骼受到外力偶的作用而受到的载荷，在骨的内部产生剪应力。

例，掷铁饼出手时支撑腿的受力。

2．骨对复合（实际）外力作用的反应在人体运动中，受到纯粹的上述某一种载荷的情况很少见，大量出现的是复合载荷。

复合载荷即是同时受到上述两个或两个以上的载荷作用（分别以人行走和小跑时成人胫骨前内侧面的应力为例）。

（二）骨结构的生物力学特征骨的结构被广泛认为通过进化过程得到了最优化的设计：即在特定的载荷环境下得到重量最轻的结构。

人股骨头软骨生物力学性能实验研究人股骨头软骨是人体的重要组成部分，其生物力学性能可以提供人体负荷传递，对人体活动和运动十分重要。

本文拟以“人股骨头软骨生物力学性能实验研究”为课题，使用机械性能测试分析关节软骨的弹性性能，并以力学性能实验为基础分析膝关节软骨的力学性能，探究膝关节软骨在不同应力条件下的力学性能变化规律，为进一步深入研究和更加精确的评价膝关节软骨的组织力学物理性质提供参考和信息。

1、研究背景人股骨头软骨是膝关节的关键骨组织，它由一层柔软的、有弹性的核心，以及外层质地硬的软骨层覆盖组成。

人股骨头软骨具有软硬相间的复杂多层结构，同时具有良好的耐磨性，保证膝关节的正常活动。

自20世纪以来，人们对膝关节软骨的研究一直备受重视，研究人员给出了力学性能机械性能等各种性质的研究结果，但是目前膝关节软骨的细节特性仍然不够详尽，因此有必要继续进行研究，并以力学性能实验为基础，深入探讨膝关节软骨的组织力学物理性质。

2、实验原理本文实验使用力学性能实验研究了膝关节软骨在不同应力下的力学性能变化规律，模拟真实膝关节软骨组织负荷传递情况，以实验方法揭示膝关节软骨在力学和动力学状态下的力学性能特性。

实验中，采用平台式万能材料测试机，以不同力量和速度给出的单向负荷对膝关节软骨样本进行载荷试验，收集不同应力下软骨的变形、强度和弹性参数，分析软骨的力学性能变化规律，反映膝关节软骨的组织力学物理性质。

3、实验步骤（1）实验准备：准备一个新鲜半月板切片，用布绑紧材料仪表，检查连接是否稳定，确认无损和脱落。

（2）拉伸实验：将半月板切片放置在机器上，利用准备好的拉伸试验仪，以恒定的负载、恒定的速度进行拉伸，并记录拉伸情况。

（3）破坏实验：调整机器载荷，以恒定的负载、恒定的速度加载材料，直至样品破裂，并记录破坏的情况。

4、结果分析本文实验研究发现，膝关节软骨组织的力学性能表现出一定的非线性特征，其变形受力量大小影响，应力越大，变形越明显；其强度随应力的增大而逐渐增加；膝关节软骨的刚度逐渐增大，且形变性能随应力的增大而减小；膝关节软骨具有较高的弹性，随应力的增加而减小，表明其具有良好的弹性间隙性能，可以更有效地缓冲负荷传递，从而改善人体的运动活动和抗辐射能力。