Biomechaniczne aspekty zaopatrzenia ortopedycznego. Prof. dr hab. inż. Roman Paśniczek

Transkrypt

1 Biomechaniczne aspekty zaopatrzenia ortopedycznego Prof. dr hab. inż. Roman Paśniczek

2 Główne cele jakie powinny spełniać bierne urządzenia ortotyczne Zapobieganie deformacjom Stabilizacja stawówpodparcie ciała względnie odciążenie upośledzonej kończyny Korekcja deformacji Aspekt edukacyjny Trening osłabionych mięśni jako element przygotowujący do zabiegu operacyjnego

3 Podział ortoz ze względu na pełnioną funkcję Stabilizującowspomagające Prawidłowe ustawienie kończyny, stabilne podparcie masy ciała. Poprawa efektywności ruchów użytkowych upośledzonej kończyny, zabezpieczenie przed nadmiernym zakresem ruchu w stawach. ORTOZY Profilaktyczne Zapewniają odpowiednie ustawienie elementów kończyny w przypadkach pooperacyjnych lub patologicznychzmniejszenie nacisków wywieranych na struktury mięśniowo-stawowe przez masę ciała. Korekcyjne Oddziaływują na układ stawowo-mięśniowy kończyny celem zmniejszenia lub całkowitej eliminacji deformacji kończyny (wrodzonej lub nabytej). Odciążające są stosowane wyłącznie w razie konieczności zmniejszenia lub likwidacji obciążenia niewydolnych struktur podpórczych, jak również zmniejszenia nacisków wywieranych na te struktury przez masę ciała Czynne funkcjonalne Ich celem jest wywołanie odpowiedniej funkcji kompensacyjnej kończyny w wybranej fazie ruchu za pomocą zewnętrznego efektora (np. napęd elektryczny, pneumatyczny).

4 Podział ortoz w zależności od poziomu dysfunkcji. 1. obuwie ortotyczne 2. stabilizator stawu skokowopiętowego AFO (Ankle-Foot-Orthosis) najczęściej w postaci łuski z tworzywa termoplastycznego wkładanej do buta (w przypadku opadającej stopy) 3. ortozy usztywniające W przypadku złamania kości podudzia, pozwalają na częściowe odciążenie tej kości 4. ortozy stabilizujące KAFO ortoza stabilizująca staw skokowy i kolanowy KAFO (Knee-Ankle-Foot- Orthosis). Wykonana jako aparat szynowoopaskowy z zamkiem blokującym staw kolanowy. Jej zaletą jest dobra stabilizacja kończyny i łatwość zakładania. Stosuje się różne rodzaje ortoz np. standardowa dwuszynowa lub ortoza typu LETOR opracowana w Centrum Rehabilitacji w Konstancinie. 6. ortoza usztywniająca w przypadku złamania kości udowej, z ogranicznikiem przeprostu w stawie kolanowym 7. ortozy odciążające 8. ortozy totalne kończyny dolnej z koszem biodrowym (HKAFO) Główny nacisk położony jest na stabilizację stawów biodrowych w płaszczyźnie czołowej. 9. parapodia- stabilizują kończyny dolne oraz dolna część tułowia, zaopatrzone w zamki stawów kolanowego i biodrowego. Pozwalają na lokomocję pod wpływem skrętnych ruchów ciała pacjenta, np. parapodium A. Olędzkiego 5. stabilizator stawu kolanowego Celem uzyskania efektu korekcyjnego i stabilizacji upośledzonych kończyn dolnych wyposażenie ortopedyczne powinno wywoływać odpowiednie momenty sił, które spowodują prawidłowe ustawienie elementów anatomicznych w stawie objętym ortozą.

5 Przykłady ortez kontrolujących staw skokowy. a szyna tylna; b szyna zapiętkowa; c aparat z przegubem Klenzeka; d aparat ze sprężyną umieszczoną pod podeszwą; e aparat ze sprężyną umieszczoną na szynie bocznej; f obuwie ortopedyczne stosowane w przypadku stopy piętowej (a ramię działania siły).

6 Siły bezpośrednio związane z przenoszeniem obciążeń w kończynie dolnej zawierają: - siły mięśniowe Fm, - siły występujące w stawach Fst, - ciężar ciała Wb = mg oraz siły inercji Fi, które razem stanowią całkowitą siłę oddziaływania ciała TBF, - siły reakcji podłoża GRF, - korygujące siły systemu regulacyjnego: F1, F2, F3 - trzypunktowy system regulacji nacisku oraz system regulacji wartością siły reakcji podłoża (GRF). Rozkład sił na ciele człowieka w czasie chodu (po zetknięciu pięty z podłożem)

7 Trzypunktowy system - A, czteropunktowy system - B regulacji nacisków

8 Efekty wpływu ramienia dźwigni i powierzchni kontaktu ortozy AFO z ciałem

9 Wiele ortoz AFO stosowanych do stabilizacji ruchów w stawie skokowym z wykorzystaniem systemu kontroli typu 3PP dział kompleksowo. Zabezpiecza przed zgięciem podeszwowym (rys. A), grzbietowym (rys. B), nawracaniem (rys. C) i odwracaniem (rys. D) stopy w stawie skokowym oraz zapobiega odwodzeniu (rys. E) i przywodzeniu (rys. F) stopy.

10 Działanie systemu kontroli GRF na kończynę dolną w przypadku: A - braku kontaktu kończyny dolnej z podłożem (w końcowej fazie przeniesienia), B - w chwili postawienia pięty na podłożu, C - jak w B, z ortozą AFO.

11 System kontroli GRF w płaszczyźnie czołowej w przypadku koślawości stopy. A - GRF wytwarza moment odwracający, zwiększający deformację, B - system kontroli GRF w przypadku zastosowania ortozy nadkostkowej z podparciem stopy, generuje moment nawracający, korygujący deformację stopy.

12 Funkcjonalne różnice pomiędzy systemami kontroli GRF i 3PP: a) Sterowanie GRF kończyny dolnej poprzez zastosowanie ortozy jest możliwe tylko wtedy, gdy ortoza ma kontakt z podłożem, tzn. w czasie fazy podporowej. Sterowanie 3PP działa kontrolując ruch w stawie podczas całego cyklu chodu - w fazie podporowej i przeniesienia kończyny. b) Sterowanie GRF zależy od strukturalnej wytrzymałości buta i występuje pomiędzy butem, a ortozą. Kontrola 3PP nie zależy od struktury buta lub możliwości utwierdzenia ortozy do buta. c) Sterowanie GRF wytwarza moment wokół pierwszego wolnego stawu leżącego najbliżej ortozy, poprzez zastosowanie sił przyłożonych do segmentu poniżej połączenia stawowego. Sterowanie 3PP może kontrolować ruch tylko w tym stawie, w którym konieczne jest występowanie odpowiedniej siły po każdej stronie stawu.

13 d) Systemy sterowania GRF są mniej bezpieczne, jeśli osoba z deformacją stopy porusza się po nierównym terenie. System sterowania 3PP jest bardziej bezpieczny, ponieważ nie zależy od rodzaju terenu. System 3PP działa zarówno w fazie podporowej jak i przeniesienia, a więc stopa jest utrzymywana w prawidłowej pozycji podczas początkowego kontaktu z podłożem. System 3PP utrzymuje pozycję STJ podczas całego cyklu chodu, dlatego jest bardziej bezpieczny niż GRF. e) W niektórych przypadkach system kontroli GRF nie ogranicza ruchu w stawie tak bardzo jak system 3PP. Z tego powodu wykonywanie ruchów ze sterowaniem GRF jest bardziej efektywne pod względem energetycznym, aniżeli z zastosowaniem systemu kontroli 3PP. System kontroli 3PP oraz GRF mogą być stosowane nie tylko w przypadkach aparatów AFO, ale również w przypadkach ortoz obejmujących wyższe stawy kończyny dolnej. Aparat ortotyczny AFO ze sterowaniem GRF jest energetycznie bardziej efektywny niż ortoza KAFO z kontrolą 3PP. Jednak mimo niższej sprawności energetycznej ortoza KAFO zapewnia bezpieczniejszy model chodu.

14 Biomechaniczne aspekty protezowania Siły działające na kikut - A1 i protezę - A2, wpływ rotacji stopy na rozkład sił działających między protezą, a kikutem, B1- rotacja wewnętrzna, B2 - rotacja zewnętrzna. TBF (1) - całkowity ciężar ciała, GRF - siła reakcji podłoża, 3 - pozioma siła bezwładności, 4 - boczna siła stabilizująca, 5 - przyśrodkowa siła stabilizująca, 6 - wypadkowa reakcja wynikająca z oddziaływania sił bocznych oraz ciężaru ciała działająca na kikut.

15 Schemat blokowy systemu wspomagania funkcji ruchowych z wykorzystaniem zewnętrznych źródeł energii

16 Schemat blokowy systemu wspomagania funkcji ruchowych z wykorzystaniem własnych wewnętrznych źródeł energii

17 Przykłady ortez kontrolujących staw skokowy. a szyna tylna; b szyna zapiętkowa; c aparat z przegubem Klenzeka; d aparat ze sprężyną umieszczoną pod podeszwą; e aparat ze sprężyną umieszczoną na szynie bocznej; f obuwie ortopedyczne stosowane w przypadku stopy piętowej (a ramię działania siły).

18 W przypadkach opadającej stopy wg. Bradu-Rochampton istnieje 10 typów urządzeń podtrzymujących stopę:

19 Aparat odciążający szynowo-opaskowy firmy Otto-Bock

20 Spiralny aparat detorsyjny działający wybiórczo na staw biodrowy Ortoza redresyjna korygująca łokciowe odchylenie ręki w stawie nadgarstkowym

21

22 Zalety pionizacji Poprawa funkcji centralnego i obwodowego układu krążenia, Poprawa trofiki tkanek, Ułatwienie funkcji oddechowych, a tym samym utlenowania tkanek ustroju, Usprawnienie funkcji wydalniczych, Usprawnienie funkcji układu nerwowego na skutek silnych bodźców proprioceptywnych, Zmniejszenie tendencji do rozwoju spastyczności.

23 Pionizacja nie jest bez znaczenia dla psychiki pacjenta niepełnosprawnego. Nawet u chorych, u których zasadniczym środkiem lokomocji pozostaje wózek inwalidzki- uzyskanie możliwości poruszania się na własnych nogach ma duże znaczenie psychologiczne i funkcjonalne., ułatwiające życie codzienne.

24 Podjęcie prób chodzenia u osób z porażeniem kończyn dolnych jest możliwe po zaopatrzeniu pacjenta w ortozę, której zadaniem jest zapewnienie stabilności kończyn w pozycji spionizowanej, zabezpieczenie przed wystąpieniem deformacji kończyn (np. Przeprostu w stawie kolanowym, końskiego ustawienia stopy) oraz ułatwienie lokomocji.

25 Podstawowe zaopatrzenie ortopedyczne pacjenta z porażeniem kończyn dolnych stanowi najczęściej aparat dwuszynowo-opaskowy, stabilizujący kończynę dolną w stawie kolanowym i skokowym (KAFO) z zamkiem uruchamiającym lub blokującym staw kolanowy w wyproście. W ostatnim dwudziestoleciu obserwuje się tendencję do wspomagania, bądź nawet zastąpienia biernych aparatów zaopatrzeniem aktywnym. Obecnie dominuje kierunek wspomagania funkcji lokomocyjnych na drodze FES.

26 Stół do pionizacji S- 100 Pionizator jezdny PJ3

27 Przykładowe rozwiązania konstrukcyjne ortoz Aparat dwuszynowy (krok naprzemienny) Aparat stabilizujący Para Walker (krok kangurowy) Letor (krok naprzemienny) Parapodium PW A. Olędzkiego (krok naprzemienny)

28 Modularny system pneumatyczny wg Rabischonga

29

30 Letor opracowany w Konstancinie.

31 Parapodium wg Motlocka Parapodium PW A. Olędzkiego

32 Parapodium PW TM Aparat umożliwiający paraplegikom: Samodzielne wstawanie Samodzielne siadanie Samodzielne chodzenie Posługiwanie się rękoma w pozycji stojącej

33 Parapodia dziecięce

34

35 Ortoza Andersona

36

37

38

39

40

41

42

43 W ostatnich latach do analizy chodu coraz częściej stosowane są metody modelowania ruchu. Modelowanie jest narzędziem badania doświadczalnego, w trakcie którego zastępujemy badany obiekt pewnym innym obiektem. Model jest odwzorowaniem jednego zjawiska na drugie podobne, w celu badania zjawiska oryginalnego. Obecnie do realizacji procesu modelowania bardzo szerokie zastosowanie mają systemy komputerowe, które w dzisiejszych czasach mają ogromne moce obliczeniowe. Dzięki temu możliwe było powstanie oprogramowania do symulacji pewnych zjawisk, nawet na poziomie molekularnym, a nawet atomowym.

44 Model symulacyjny narządu ruchu utworzony w programie SIMM

45 W przypadku analizy chodu tworzony jest model narządu ruchu, umożliwiający symulacyjną rekonstrukcję ruchu na podstawie danych uzyskiwanych z systemu 3D. Jednym z bardziej zaawansowanych modeli symulacyjnych narządu ruchu jest program komputerowy pod nazwą SIMM (Software for Interactive Musculoskeletal Modeling) firmy Musculographics Inc., który oprócz podstawowych modułów do wizualizacji danych z systemów analizy chodu, umożliwia również planowanie ingerencji (nawet chirurgicznych) i obserwowanie ich skutków.

46 Model symulacyjny narządu ruchu utworzony w programie SIMM

47 Uzyskany w ten sposób model szkieletowy jest wyposażany w mięśnie i więzadła, co sprawia, że możliwe jest odtworzenie ruchów i dokładne zdiagnozowanie przyczyn zaburzeń chodu pacjenta. Pomoc takiego narzędzia przy planowaniu chirurgicznych przesunięć przyczepów mięśni jest nieoceniona. Lekarz może polegać już nie tylko na swoim doświadczeniu i wiedzy, ale jest w stanie z dużym prawdopodobieństwem stwierdzić przed zabiegiem, jaki wpływ na pacjenta będzie miała planowana ingerencja chirurgiczna.

48 W przypadkach opadającej stopy wg. Bradu-Rochampton istnieje 10 typów urządzeń podtrzymujących stopę:

49

50

51

52 Implantowany system do korygowania chodu u osób z hemiplegią

53 Schemat aparatu ortotycznego dla tetraplegików ze sterowaniem za pomocą sygnałów odbieranych z nerwów.

54 Rozmieszczenie elektrod stymulacyjnych na ciele celem wspomagania chodu paraplegika

55 Aparat ortotyczny dwuszynowy po nałożeniu na kończyny pacjenta

56 Zamek stawu kolanowego Widok ogólny urządzenia

57 Rozmieszczenie elektrod stymulacyjnych w przypadkach odtwarzania czynności lokomocyjnych paraplegików z zastosowaniem stymulatorów implantowanych

58 Neuroproteza do odtwarzania funkcji ruchowych ręki tetraplegika

59 Neuroproteza do odtwarzania funkcji ruchowych ręki tetraplegika

60

61

62

63

64