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第8章
硬組織生物力學
中華民國生物醫學工程學會
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)
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• 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)
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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。
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• 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
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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
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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
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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)。
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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)。
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– 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
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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。
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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。
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• 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。
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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。
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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。
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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。
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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
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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。
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(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。
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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
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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：
(1) 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)；
(2) 骨折端發出異常聲響；
(3) 視覺或觸摸即可發現肢體的變形；
(4) 骨折部位附近有瘀血、腫脹現象；
(5) 骨折部位出現壓痛；
(6) 肢體受力時產生疼痛；
(7) 部分功能發生障礙等。
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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)
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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。
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• 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)
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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)
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• 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)
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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)。
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– 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)。
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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。
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– 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 。
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