关节的生物力学

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 bicondylaris): 膝关节
• 数据分析处理
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 and visualize the proximity of subchondral bone surfaces during static loading or dynamic movement.
（4）加固关节的韧带： • ①、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。 • ②、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。 • ③、胫侧副韧带：位于膝关节的内侧偏后方。 • 起于：股骨内侧髁；止于：胫骨内侧髁。 • 作用：从内侧加固和限制膝关节过伸。 • ④、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。
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自由度 3 Flexion（弯曲） 90–120 Extension（伸展） 10–20 Abduction（外展） 30–45 Medial rotation（旋内） 30–40 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
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， 它是滑液膜的分泌物。
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自由度3 Flexion （弯曲）150 Extension （伸展）50–60 Abduction（外展） 90–120 Abduction Complete Rotation（旋转） 肩关节最大能承受1.5倍的身体重量（BW）
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
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关节稳定性
• 髋关节Twk.baidu.come 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。
• 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 first categorization of the models depends on the type of motion reproduced by the mathematics. 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
踝关节The Foot Structure; the Ankle Joint
• 踝关节（ankle joint），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。
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）
人类关节的有限元分析 Finite Element Analysis of Human Joints.
• Numerical methods are required to solve these 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，能更加准确的 研究关节内部的各种变化。
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自由度2 Flexion（弯曲） 120–140 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。
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自由度1 Flexion 20 –30 Extension 40–45 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，所以肩关节是 人体运动范围最大而又最灵活的关节，它可做前 屈、后伸、内收、外展、内旋、外旋以及环转等 运动。 • 但肩关节的这个结构上的特点虽然保证了它的灵 活性，但它的牢固稳定性都较其他关节为差，是 全身大关节中结构最不稳固的关节。
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。
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
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：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。