第8章 硬組織生物力學

8.2.1硬骨的發育 從組織學與胚胎學來說，身體所有硬骨皆源於胚胎期的結締組織，是一種高度特化的組織，硬骨皆經由兩種不同骨化方式發育至成熟，分別是膜內骨化 (intramembranous ossification) 及軟骨內骨化 (endochondral ossification)

在胎兒時期先由間質細胞所分化的軟骨母細胞 (chondroblast)，再形成軟骨性的硬骨雛形，軟骨進行鈣化及骨膜微血管延伸進入軟骨，這些微血管會形成初級骨化中心 (primary ossification center)，由此過程產生的稱為骨幹 (diaphysis)，向兩端生長。 當硬骨發育成熟後內部分為緻密骨 (compact bone) 與海綿骨 (cacellous bone)

8.2.2 成熟硬骨的分類 人體之成熟骨骼約206～208塊，發展至成熟時，大體上可分為： (1) 中軸骨(axial skeleton) 和 (2) 四肢骨 (appendicular skeleton)。 中軸骨包括頭、頸及軀幹；四肢骨包括肩帶 (shoulder girdle)、骨盆帶 (pelvic girdle) 及其他肢。

由功能性的角度來看，硬骨為人體的主要支持構造，提供身體以下功能 保護人體重要器官 支持人體外型 與肌肉系統合作產生動作 新生血球細胞之持續補充 儲存鹽類

8.2.3 硬骨的力學特性 黏彈性質 (viscoelasticity) 硬骨在不同應變速率 (strain rate) 下的強度

8.2.4 硬骨在不同受力方向的力學性質 硬骨在不同受力狀況下的強度 硬骨在重複負重下的特性 年齡對於硬骨性質的影響

8.3.1 關節的分類 關節的分類主要是依照活動度做為分類準則 不動關節 (immovable joints, synarthroses)：不能活動的關節稱之為不動關節 (synarthroses) 微動關節 (slightly movable joints, amphiarthroses)：活動範圍較小的關節稱之為微動關節 (amphiarthroses) 可動關節 (freely movable joints, diarthroses)：可自由活動的關節則為可動關節 (diarthroses)。

8.3.2 滑液關節的功能性分類 滑液關節可依關節接觸面型態區分成滑動關節 (gliding joint)、樞紐關節 (hinge joint)、車軸關節(pivot joint)、橢圓關節 (ellipsoidal joint)、鞍狀關節 (saddle joint) 及球狀關節 (ball-and-socket)。

滑動關節 (gliding joints)：又稱為平面關節 樞紐關節 (hinge joints)：又稱為屈戍關節 車軸關節 (pivot joints)：其運動方式為旋轉 橢圓關節 (ellipsoidal joints)：又稱為髁狀關節 鞍狀關節 (saddle joints)：可以提供的活動為迴旋，具有較大的活動範圍，是為雙軸關節 球狀關節 (ball-and-socket joints)：又稱為杵臼關節

8.3.3 人體重要關節 人體關節 (human joints) 主要可分為中軸關節及四肢關節兩類。在中軸關節裡，脊椎關節與骨盆關節主要以軟骨關節為主，主要結構功能為當其柔軟度缺失時，可提供高程度抗震及吸收衝擊之效果。四肢關節則以滑液關節為主，主要是為了因應不同功能性及具有較大的動作範圍。

脊椎關節 (spine joints) 人體軀幹的骨架是由脊柱 (vertebral column)、胸骨及肋骨組成的。成人脊柱是由7塊頸椎 (cervical column)、12塊胸椎 (thoracic column)、5塊腰椎 (lumbar column)、5塊薦椎合成一塊薦骨 (sacrum) 及3～5塊尾椎合成一塊尾骨 (coccyx)，共26塊椎骨 (vertebrae) 組成。

脊椎的作用在於保護脊椎神經及支持體重，以下列三種方式形成關節： (1)位於椎體間的聯合關節，此關節一般稱為椎間關節 (intervertebral joint)； (2)位於上椎體之下關節突與下椎體之上關節突之間的兩個滑液滑動關節，此關節一般稱為小面關節 (facet joint) 或骨突關節； (3)縱向韌帶和節間韌帶以構成膜間聯合。

肩關節 (shoulder joint) 肩關節屬於滑液球窩關節，為連接上臂與軀幹部分的結構，其中包含盂肱關節、肩鎖關節和胸鎖關節，形成肱骨、肩胛骨、鎖骨和胸骨之間的動作鏈，具有相當大的動作。

肘關節 (elbow joint) 肘關節屬於滑液關節，其中包含肱尺關節、肱橈關節及橈尺近側關節三部分。肱尺關節是典型的單軸屈戍關節，而肱橈關節為雙軸關節。

腕關節 (wrist joint) 腕關節為滑液橢圓關節，腕複合的主要動作有屈曲、伸直、外展、內收及旋轉。

髖關節 (hip joint) 髖關節是滑液球窩關節，其結構乃由髖臼及股骨頭所組成，髖關節的運動為三度空間且範圍相當大

膝關節 (knee joint) 膝關節為人體中最大且最複雜的關節，為脛股骨關節 (屈戍關節) 及髕股骨關節兩個關節所共同組合而成。兩個關節均為滑液關節 (滑動關節)，共同使用相同的關節囊。 (1)脛股骨關節 (tibiofemoral joint)：脛骨髁是平的，股骨髁是凸起滑車型態，因此，脛股關節是非常不穩定的。可經由兩個半月板、強韌的外在滑囊韌帶，和有力的肌肉等部分以代償骨骼的穩定度不足。

(2)髕股骨關節 (patellofemoral joint)：髕股關節屬滑液滑動關節，當膝伸直和屈曲過程中，髕骨在股骨髁間上下滑動。

踝關節 (ankle joint) 每個足部皆有26塊骨頭，分別與兩塊或更多的骨頭形成關節。因此，足部包含了大量的關節與動作，相當複雜

8.4.1 創傷性破壞 創傷性破壞對硬骨而言便是骨折的發生，在X光片中可以看到骨骼破壞的情形，當骨折發生時，外在可觀察到的幾項症狀，包括： 肢體因骨折部位移動而有異常動作出現，一般又稱為假性關節 (pseudoarthrosis)； 骨折端發出異常聲響； 視覺或觸摸即可發現肢體的變形； 骨折部位附近有瘀血、腫脹現象； 骨折部位出現壓痛； 肢體受力時產生疼痛； 部分功能發生障礙等。

骨折破壞的機制 衝擊破壞 (impact failure) 間接破壞 (indirect failure) 病理破壞 (pathological failure) 疲勞破壞 (fatigue failure)

骨折的分類 (classification of fractures) 單純骨折及複合骨折 (simple and compound fractures) 開放性骨折與封閉性骨折 (open and closed fractures) 骨折形狀：就材料的觀點而言，在受到不同型態的外力影響下，會相對應產生不同的破壞型態。

橫斷性骨折 (transverse fracture) 斜形及螺旋形骨折 (oblique and spiral fractures) 壓迫性骨折 (crush fracture) 粉碎性骨折 (comminuted fracture) 柳條狀骨折 (greenstick fracture)

骨折創傷治療方法 牽引 (traction) 夾板、石膏與吊帶 (splint, cast, and sling) 外固定裝置 (external fixation)

內固定裝置 (internal fixation) 螺釘 (screws) 骨板 (plates) 髓內釘 (intramedullary nails) 鎖定式釘 (locking nails) 鋼線 (wires) 骨釘板 (nail-plates)

8.4.2 骨性疾病 骨性疾病主要是因為過度使用、病變、老化、退化或先天遺傳等因素所造成，其結果也有可能形成結構不穩定，使得骨頭容易產生破壞。 類風濕性關節炎 (rheumatoid arthritis)：類風濕性關節炎是相當常見的慢性關節炎，發炎現象是因自體細胞免疫與體液免疫異常所造成 骨性關節炎 (osteoarthritis)：骨性關節炎即為退化性關節炎，臨床上又稱為骨性關節症 (osteoarthrosis)。

骨質疏鬆症 (osteoporosis)：骨質疏鬆症是一種持續性骨質流失的疾病，患者會增加骨折危險。 骨壞死 (osteonecrosis)：骨壞死的發生多由於供血或供養發生問題導致局部骨骼壞死，尤以髖部股骨頸最容易發生缺血性壞死 (avascular necrosis, AVN)。

8.4.3 臨床常見治療方法 對於因疾病而導致關節發生破壞，須依照各種不同的需求選擇所應施行的手術 關節清除術 (debridement) 關節固定術 (arthrodesis)：關節固定術在於將兩相鄰的關節面加以融合 (fusion)，可消除疼痛並且增加穩定度。 骨切開術 (osteotomy)：骨切開術治療可矯正畸形以減輕關節負擔、改變癒合部位結構，以達良好的骨重塑 (remodeling) 及切斷骨內的血管以減少疼痛等功能。

人工關節置換術 (joint replacement)： 人工關節置換則可保留關節的活動度，利用所提供的關節面，在日常生活中大部分的動作在置換完人工關節後並不會有太大的影響。 人工關節置換可重建關節面並同時修復力學軸的位置，以達到兩全其美的功效。另外，如股骨頸因骨質疏鬆而骨折的患者，也可使用人工髖關節置換，不僅恢復功能，同時也修補了骨結構的缺損 。