三、发育性髋关节发育不良的静力学
髋关节是人体最大的负重关节，正常情况下髋臼窝呈半球形凹陷，周缘有盂唇加深，可包绕股骨头约2/3，各个方向作用于髋关节的力之间保持平衡，髋关节具有良好的稳定性且受力分布均匀。DDH中紊乱的髋关节杵臼结构导致关节软骨、软骨下骨及周围软组织应力分布及力学传递异常，长期异常的力学环境也可导致髋关节异常发育。
正常情况下，髋臼顶周围30°范围为主要受力区，该区承受的压应力分布一致，髋臼与股骨头之间的应力模式为面-面模式（图2-1a），且与骨小梁走行基本保持一致，正常髋臼顶软骨下致密骨板厚度均匀也证实了该点。DDH时髋臼对股骨头的覆盖减少，股骨头向外、上方移位，髋臼顶负重区向边缘移动，受力面积减小，应力集中于头、顶中部并趋于髋臼外缘，呈三角形分布，严重者甚至呈点状分布，髋臼外上缘局部压应力明显增加，可达正常的2～15倍，甚至更高，并形成慢性剪切应力（图2-1b）。既往研究已证实剪切力对关节软骨所造成的伤害要远大于压力对其造成的影响。由于负重力线两侧总压力相等以保持平衡，当负重区越向边缘靠近时，局部压应力就越大，当软骨承受的应力过高时，其中的水分被挤出，长期失水与受压造成软骨化学结构改变并发生固缩、碎裂及坏死等改变，加速软骨磨损并加快骨关节炎进程。髋臼外上缘骨及软组织在应力刺激下可在一定程度内发生代偿性增生，以最大限度维持股骨头位于髋臼内，若局部高压力及剪切力持续存在，髋臼顶边缘组织失代偿，盂唇及骨组织撕裂，股骨头进一步脱位。同时，由于髋臼窝发育不良呈浅杯状或浅盘状，髋关节旋转中心向外上移位，可进一步通过改变力臂调节外展肌力量和髋关节受力。
图2-1 正常髋关节（a）及发育不良髋关节（b）应力分布示意图
双足对称站立时，身体重心（S）位于两侧股骨头中心连线中点上方约第3骶椎上缘前方7cm处，两侧髋关节支撑人体的头、躯干和两侧上肢，重力经骶骨、骶髂关节、髋臼平均分布至两侧下肢（图2-2a）。从理论上讲，维持这种平衡仅需关节囊和韧带的稳定即可，不需要髋周肌肉收缩产生力矩，单侧髋关节承受部分体重（除双侧下肢重量以外体重的1/2，即约1/3体重）施加的力（K）。实际上，为防止身体摇晃和持续维持身体于直立位，髋关节周围肌肉收缩，关节承受额外的肌力作用，肌力大小与肌肉收缩程度成正比。肌腹由多条肌束组成，肌束由许多肌纤维组成，平行的肌纤维越多，肌肉收缩产生的力就越大。肌肉所能施加的最大肌力可通过沿肌纤维方向的最大肌应力（σmax）和垂直于肌纤维排列方向的横截面积（physiological cross sectional area，PCSA）计算获得：F=σmax×PCSA。其中，σmax约为37N/cm2，PCSA可通过肌肉体积（Vm）和最优肌肉长度（Lfiber）近似计算得出：PCSA=Vm/Lfiber，由于肌肉的密度约为1g/ml，Vm值与肌肉的质量值相当。例如，一块肌肉的PCSA为1cm2，则该肌肉所能施加的最大肌力为1（cm2）×37（N/cm2）=37N。
单足站立时，身体重力使S及K线发生偏移并通过负重足与地面垂直，偏移程度取决于头、躯干、上肢和非负重下肢的位置以及骨盆的倾斜度。若躯干、上肢及头部向负重侧偏移使K线通过负重侧髋关节中心，负重髋关节仅支撑人体的头、躯干、两侧上肢及对侧下肢，承受约5/6体重施加的力。若K线仍位于两侧髋关节之间，身体有向非负重侧倾斜的趋势，负重侧髋周肌肉紧张并施加力（M），以维持骨盆及身体平衡，其中外展肌群起主要作用。髋关节承受M与K的合力（R）的作用，R线指向并经过髋关节中心（图2-2b），此时在负重侧股骨头形成一个类似平衡杠杆系统的支点，M的大小与股骨头支点至M线的力臂（h）和股骨头支点至K线的力臂（h'）直接相关，M与K保持力矩平衡，即Mh = Kh'。K和h保持不变，若K线偏向负重侧髋关节，h'减小，M随之减小，R也相应减小；相反，若K线偏离负重侧髋关节，h'增大，M随之增加以平衡K产生的力矩，R也相应增加。正常情况下，单足站立时h与h'的比例约为1：2.0～1：3.5，M约为K的2.0～3.5倍，所以负重侧髋关节受力约为3.0～4.5K，相当于2.50～3.75倍体重施加的力。髋臼发育不良是DDH的主要特征之一，髋臼呈浅杯状或浅盘状，髋关节旋转中心向外、上移位，h'增加，因此M需要随之增大才能保持平衡，长期肌肉紧张和挛缩也是造成临床DDH患者外展肌无力和髋部疼痛的原因。
图2-2 髋关节静力学示意图
a.正常髋关节力线传导示意图；b.ddH患者髋关节力线传导示意图。
S：身体重心；M：外展肌肌力；K：部分体重力；R：M与K合力；h：M力臂；h'：K力臂。
股骨头、股骨颈处存在四组主要的骨小梁群，包括三组抗压骨小梁群及一组抗张骨小梁群，其位置、数量及排列方向与应力分布和大小相吻合（图2-3a），服从Wolff定律。主抗压骨小梁群由股骨干近端内侧向股骨头上部走行，基本平行于下肢力学轴线（股骨头中心至踝关节中心连线），是对抗及传递股骨头压应力的主要结构。主抗张骨小梁群由股骨近端外侧沿大转子基部和股骨颈外侧向股骨头走行，与抗压骨小梁群相交，并延伸到股骨头的内下侧，主要对抗横向张力作用，同时最大限度降低股骨颈剪切应力。次抗压骨小梁群由股骨干近端内侧向大转子走行，大转子骨小梁群由股骨近端大转子下方向上方走行，保证股骨的强度和韧性，传递部分压力。主抗压、主抗张和次抗压骨小梁群之间形成Ward三角区，该区应力小、骨密度低，充满疏松结缔组织。这四组骨小梁群对股骨头承重具有重要作用，成人X线片上可观察到部分骨小梁群（图2-3b）。在发生骨质疏松或女性更年期后，股骨颈骨小梁群从最次要的骨小梁群开始消失，即以大转子→次抗压→主抗张→主抗压骨小梁群的顺序逐一消失，这也是防止股骨颈骨折的重要保护机制。
DDH常合并股骨近端解剖结构异常，包括颈干角、前倾角及颈长的改变等。股骨颈干角常出现低于或高于正常的情况，导致髋内翻（颈干角≤110°）或髋外翻（颈干角≥140°）。单纯髋内、外翻时，R作用于负重髋关节中央，压力仍均匀分布，髋臼受力面基本不变，股骨头受力面在髋内翻时外移、髋外翻时内移，股骨头旋转中心、重力K及其力臂h保持不变。髋内翻时，大转子较正常升高，M的方向外偏，h伸长，M减小以平衡K（M=Kh'/h），髋外展肌功能减弱，R相应减小（图2-4a）；相反，髋外翻时，大转子较正常降低，M的方向内偏，h缩短，外展肌功能增强，M增大以平衡K，R相应增加（图2-4b）。若将R分解为垂直向下和水平向外的分力，前者沿下肢力线轴传递，并对股骨颈产生剪切应力，其大小取决于R线与股骨颈轴线（Z）之间的夹角（倾斜度），夹角越大，剪切应力也越大；后者增加股骨头向外侧移位倾向（图2-4c）。
图2-3 股骨头、颈处骨小梁群示意图（a）及成人X线片（b）
图2-4 股骨颈干角的生物力学意义
a.髋内翻患者髋关节力线传导示意图；b.髋外翻患者髋关节力线传导示意图；c.髋内翻、髋外翻和正常人群股骨头颈处力线的传导的差异。
S：身体重心；M：外展肌肌力；K：部分体重力；R：M与K合力；h：M力臂；h'：K力臂；力矩平衡Mh=Kh'。
髋关节R线与Z线在股骨头中心相交，但它们的方向并不一致，两者之间的距离从上往下也逐渐增大（图2-5a），导致股骨颈的应力分布也存在差异。将R分解为垂直及平行于Z线方向的分力，前者对股骨颈产生弯矩作用，在股骨颈内下方产生压应力、外上方产生张应力（图2-5b）；而后者对股骨颈产生均匀压应力（图2-5c），进一步加大内下方原有弯矩产生的压应力、部分抵消外上方原有弯矩产生的张应力，最终导致股骨颈承受的最大压应力位于内侧，而最大张应力位于外侧（图2-5d），而且压应力总是大于张应力。因此，髋内翻时，股骨颈承受的压应力减小，张应力和剪切应力增大，股骨头脱位趋势减弱；而髋外翻时，股骨颈承受的压应力增大，张应力和剪切应力减小，股骨头脱位趋势增加，当外翻至R与股骨颈轴线一致时张应力和剪切应力消失（表2-1）。
表2-1 髋内、外翻时股骨颈受力情况
图2-5 股骨颈的应力分布
a.股骨颈所承受合力（R）与股骨颈轴线（Z）自股骨头中心往下逐渐分开；b.R垂直于Z线的分力在股骨颈内下方产生压应力、外上方产生张应力；c.R平行于Z线的分力对股骨颈产生均匀压应力；d.R对股骨颈内侧产生压应力、对外侧产生张应力，而且压应力总是大于张应力。
R：股骨颈所承受合力；Z：股骨颈轴线。
股骨颈前倾角是指股骨颈长轴与股骨远端内、外侧髁横轴之间的夹角，正常为12°～15°，大多数DDH患者股骨颈前倾角在出生时就大于正常婴幼儿，而且没有像正常儿童那样随着生长发育在14岁左右下降至正常水平。出生后股骨颈前倾角的变化还与施加在股骨和骨骺生长平面上的力以及髋关节周围软组织对关节的限制作用有关。髋关节过度内旋或外旋时，关节周围部分肌肉及关节囊被牵拉，而另一部分则松弛，对股骨颈产生一个扭转力矩，若该力矩持续存在，股骨前倾角为适应力学需要而逐渐重塑。目前在动物实验中已证实将髋关节固定于内旋状态或切断内旋肌群可导致股骨颈前倾角较正常增大；相反，将髋关节固定于外旋状态或切断其外旋肌群，股骨颈前倾角较正常减小。这也很好地解释了婴儿双下肢被长时间伸直位包裹（“蜡烛包”，髋关节过度内旋）将增加DDH的发生风险。
多数DDH患者股骨颈前倾角大于正常，髋关节内旋活动度增大而外旋活动度减小；也有少数病例前倾角维持在正常范围或减小，股骨前倾角减小导致髋关节外旋活动增大而内旋活动减小（图2-6）。股骨颈前倾角增大时h伸长，平衡K所需的M相应减小（M = Kh'/h），外展肌受力减少可导致其萎缩、松弛；相反，股骨颈前倾角减小导致M增大。此外，股骨颈过度前倾不仅限制髋关节的外旋运动，还会使一部分股骨头失去髋臼的覆盖，髋臼及股骨头负重面积减小，应力集中。
图2-6 股骨颈前倾角异常示意图
DDH时股骨颈长度也可发生细长或短粗样改变，股骨颈细长病例股骨偏心距（股骨头旋转中心至股骨干长轴的垂直距离）增加，h伸长，平衡K所需M减小，R也相应降低，但股骨颈受力面积也减小；相反，股骨颈短粗病例股骨偏心距缩短，h缩短、R增大，但股骨颈受力面积也增大。所以，股骨颈长度发育异常所引起的股骨颈力学改变与解剖异常的程度密切相关。此外，韧带、肌肉和肌腱也可调节髋关节的受力状态，同时也受应力影响而发生重新塑形，应力增大会促进其变得更加坚韧，应力减小会导致其松弛、萎缩。
作用于髋关节的力包括压应力、张应力和剪切应力等，这些力的作用通过体重负荷和肌肉收缩作用综合表现。关节软骨及软骨下骨的形成及状态维持与局部压应力相关，生理性应力刺激促进关节软骨形成并维持正常稳态，过低应力刺激导致软骨发育不良、软骨下骨骨质疏松，过高应力刺激将破坏软骨、软骨下骨正常结构；骨对应力的反应较软骨更为敏感，应力增加刺激骨的形成，应力减少加速骨的吸收。