Biomechanika Inżynierska

Transkrypt

1 wykład 3 Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej Politechnika Warszawska 1

2 Podstawowe pojęcia Pozycja anatomiczna postawa stojąca, wyprostowana, kończyny górne zwisające swobodnie po obu stronach tułowia, powierzchnie dłoniowe zwrócone są do przodu, głowa i oczy zwrócone do przodu, pięty złączone, śródstopie wraz z palcami odwiedzione nieco na zewnątrz, 2

3 Podstawowe pojęcia Płaszczyzny Czołowa / boczna (planum frontale frontal / lateral / coronal plane) Strzałkowa / pośrodkowa (planum sagittale / medianum sagittal / median plane) Poprzeczna / pozioma (planum transversale transverse / horizontal plane) 3

4 Podstawowe pojęcia 3 Osie Pionowa / podłużna / długa (vertical / longitudinal) 2 Poprzeczna / pozioma (transverse / horizontal) Strzałkowa / przednio-tylna (sagital) 1 4

5 Podstawowe pojęcia Kierunki Wzgl. pł. czołowej Wzgl. pł. strzałkowej k. przedni (brzuszny) - anterior k. tylny (grzbietowy) - posterior k. przyśrodkowy k. boczny k. lewy - sinister k. prawy - dexter Wzgl. pł. poprzecznej k. górny - superior k. dolny - inferior 5

6 Podstawowe pojęcia Opisując wzajemne położenie struktur używa się następujących terminów: pośredni (intermedius) leżący pomiędzy dwoma (podobnymi) strukturami środkowy (medius) leżący w środku odległości pomiędzy dwoma (podobnymi) strukturami poprzeczny (transversus; transversalis) leżący prostopadle do osi długiej podłużny (longitudinalis) leżący równolegle do osi długiej ciała lub struktury osiowy (axialis) leżący w osi (długiej)... 6

7 Podstawowe pojęcia... wewnętrzny (internus) zawarty w pewnej przestrzeni lub strukturze, prowadzący lub skierowany do niej zewnętrzny (externus) leżący poza pewną przestrzenią lub strukturą, prowadzący poza jej obręb, położony bardziej powierzchownie w porównaniu z wewnętrznym głęboki (profundus) leżący wewnątrz pewnej przestrzeni, względnie daleko od jej granic powierzchowny (superficialis) leżący względnie blisko granic pewnej przestrzeni środkowy; ośrodkowy (centralis) czynnościowo nadrzędny; rzadziej geometrycznie leżący w środku obwodowy (periphericus; peripheralis) czynnościowo podrzędny, oddalony od czynnościowego ośrodka; rzadziej leżący geometrycznie na obwodzie 7

8 Podstawowe pojęcia Dodatkowe nazewnictwo dotyczy struktur kończyn, w tym nerwów: bliższy (proximalis) - proksymalny znajdujący się bliżej połączenia kończyny z tułowiem; górny w pozycji anatomicznej dalszy (distalis) - dystalny znajdujący się dalej od połączenia kończyny z tułowiem; dolny w pozycji anatomicznej 8

9 Podstawowe pojęcia Dla kończyny górnej: łokciowy (ulnaris) znajdujący się po stronie kości łokciowej; przyśrodkowy w pozycji anatomicznej promieniowy (radialis) znajdujący się po stronie kości promieniowej; boczny w pozycji anatomicznej dłoniowy (palmaris; volaris) przedni w pozycji anatomicznej 9

10 Podstawowe pojęcia Dla kończyny dolnej: strzałkowy (fibularis; peronealis) znajdujący się po stronie kości strzałkowej; boczny w pozycji anatomicznej piszczelowy (tibialis) znajdujący się po stronie piszczeli; przyśrodkowy w pozycji anatomicznej podeszwowy (plantaris) dolny w pozycji anatomicznej 10

11 Szkielet 11

12 Szkielet Szkielet, układ szkieletowy, kościec (łac. skeleton, skeletus) twarda konstrukcja anatomiczna wchodząca w skład ciała zwierząt. Szkielet może: stanowić miejsce przyczepu mięśni; nadawać ciału kształt; być osłoną dla narządów. Zbudowany może być z substancji nie organicznych lub organicznych. 12

13 Szkielet 13

14 Szkielet Rodzaje szkieletów Ze względu na funkcję: szkielet właściwy służący do poruszania się organizmu jako miejsce przyczepu i podpory mięśni (np. układ kostny) szkielet ochronny służący do mechanicznej ochrony organizmu lub narządu (muszla, karapaks) szkielet ruchowo-obronny pełniący obie ww. funkcje (pancerz stawonogów) 14

15 Szkielet Karapaks - twarda grzbietowa powłoka zewnętrzna ciała, występuje u skorupiaków, pajęczaków i żółwi 15

16 Szkielet Rodzaje szkieletów: Ze względu na położenie: szkielet zewnętrzny (egzoszkielet) na zewnątrz ciała, typowy dla bezkręgowców (stawonogi, mięczaki), u kręgowców zwany szkieletem skórnym, na który składają się płytki kostne, zęby, łuski oraz rogowe wytwory naskórka, jak włosy, dzioby, pazury, rogi szkielet wewnętrzny (endoszkielet) wewnątrz ciała, typowy dla strunowców, w pewnych postaciach również u bezkręgowców szkielet somatyczny szkielet osiowy (mózgoczaszka, kręgosłup, żebra, mostek, struna grzbietowa) szkielet kończyn i obręczy kończyn szkielet wisceralny (trzewny) trzewioczaszka szkielet serca 16

17 Szkielet Rozwój ewolucyjny: Osłonice struna tylko w wieku larwalnym Bezczaszkowce struna chrzęstna (najstarszy znany ok. 530 mln lat) Kręgowce Minóg rzeczny i paszcza minoga Bezżuchwowce Żuchwowce Ryby. Chrzęstnoszkieletowe (400 mln lat) Kostnoszkieletowe [promieniopłetwe i mięśniopłetwe] 17

18 Szkielet Rozwój ewolucyjny: Struna grzbietowa, chorda (chorda dorsalis, notochord) pierwotna forma wewnętrznego szkieletu osiowego strunowców (Chordata). Ma postać walcowatego, sprężystego pręta zbudowanego z komórek tkanki łącznej. Nad struną grzbietową ciągnie się cewkowaty układ nerwowy, a pod nią przewód pokarmowy. U form wyższych ewolucyjnie funkcjonuje w okresie zarodkowym, później zastępowana jest przez kręgosłup, a jej pozostałością są jądra miażdżyste w krążkach (dyskach) międzykręgowych. 18

19 Szkielet Rozwój ewolucyjny i osobniczy (teoria rekapitulacji): 19

20 Rozwój osobniczy u ludzi: Rozwój szkieletu zaczyna się w trzecim tygodniu życia płodowego od wytworzenia struny. Struna jest zaczątkiem kręgosłupa, rdzenia kręgowego i mózgu. W 4-tym tygodniu pojawiają się zaczątki kończyn. Kończyny rozwijają się między 5 a 8 tygodniem. Pod koniec piątego tygodnia pojawia się ogon. Koło 7-go tygodnia (2 cm) wykształconych jest 260 kości chodź nie jest to tkanka kostna. Osteogeneza trwa jeszcze długo po narodzinach... 20

21 Osteogeneza kostnienie: Proces przetwarzania szkieletu chrzęstnego czy też błoniastego w szkielet kostny. Kostnienie śródchrzęstne odbywa się na modelu chrzęstnym kości, w którym tkanka chrzęstna zostaje zamieniona na tkankę kostną. Kostnienie błoniaste odbywa się wprost na podłożu tkanki łącznej, której komórki zamieniają się w osteoblasty i przetwarzają tkankę łączną w kostną. 21

22 Rozwój osobniczy: Okres Zjawisko Trzeci miesiąc życia płodowego Rozpoczyna się kostnienie w kościach długich Czwarty miesiąc Pojawia się większość punktów kostnienia w trzonach kości długich Od narodzin do 5 lat Pojawiają się punkty wtórne kostnienia w nasadach kości długich 5 do 12 lat (kobiety), 5 do 14 lat (mężczyźni) Kostnienie szybko rozprzestrzenia się od punktów kostnienia, wiele kości ulega skostnieniu 17 do 20 Kości kończyn górnych i czaszki ulegają całkowitemu skostnieniu 18 do 23 Kości kończyn dolnych i kości miedniczne ulegają całkowitemu skostnieniu 23 do 25 Skostnienie mostka, obojczyków i kręgów do 25 lat Niemal wszystkie kości są skostniałe 22

23 U dorosłego szkielet składa się z 206 kości. Liczba ta jest większa u dzieci ze względu na wiele punktów kostnienia (według Reichera: około 270 u noworodka i 356 u 14-latka) spada dopiero po połączeniu się np. trzonów z nasadami. U starszych ludzi kości może być mniej niż 206 ze względu na zrastanie kości czaszki. Średnia waga szkieletu to 10 kilogramów u kobiet i 12 kilogramów u mężczyzn. 23

24 Tkanka kostna (textus osseus) klasyfikacja Tkanka łączna (textus connectivus) Tkanka tłuszczowa Krew Limfa. Tkanka łączna podporowa Tkanka chrzęstna Tkanka kostna (kość - łac. os, lm ossa; gr ostéon) 24

25 Rodzaje kości: kości długie (ossa longa), np. kość udowa, ramienna kości płaskie (ossa plana), np. kości czaszki, łopatka kości krótkie (ossa brevia), np. kości nadgarstka, stępu kości różnokształtne (ossa multiformia), np. kręgi 25

26 Kostnienie c.d. Kości długie, krótkie i nieregularne powstają w wyniku kostnienia śródchrzęstnego. Od ochrzęstnej do wnętrza trzonu wnikają naczynia krwionośne, niszcząc tkankę chrzęstną, a z ochrzęstnej powstaje płaszcz kostny (pierwotne ognisko kostnienia), po czym pojawiają się w nasadach takie same ogniska (zwane wtórnymi ogniskami kostnienia). Na miejscu niszczonej tkanki chrzęstnej tworzy się tkanka kostna. Proces ten trwa do czasu, dopóki kość nie uzyska swojej właściwej długości i szerokości. Kości płaskie w wyniku kostnienia błoniastego. Kostnienie błoniaste odbywa się wprost na podłożu tkanki łącznej, której komórki zamieniają się w osteoblasty i przetwarzają tkankę łączną w kostną. 26

27 Kostnienie 27

28 Budowa kości 28

29 Budowa kości Substancja kostna zbita utworzona z gęsto ułożonych osteonów. Jest najgrubsza w trzonach kości długich. Pokrywa też nasady tych kości, ale jej warstwa jest znacznie cieńsza. Substancja kostna gąbczasta (trabekularna) występuje m.in. w nasadach kości długich. [ 29

30 Kostnienie Kość budowana jest przez komórki kościotwórcze osteoblasty. W przypadku kostnienia śródchrzęstnego: Najpierw pod błoną otaczającą chrząstkę (ochrzęstną). Potem tworzą się punkty kostnienia wewnątrz chrząstki agregaty osteoblastów, które zaczynają tworzyć tkankę kostną. W przypadku kostnienia błoniastego: Na błonie tkanki łącznej tworzą się osteoblasty, które ulegają grupowaniu i rozpoczynają tworzenie kości. 30

31 Kostnienie Osteoblasty wytwarzają część organiczną kości osteoid, substancję zawierającą włókna kolagenu, białka niekolagenowe, proteoglikany i fosfolipidy. Osteoid stanowi objętościowo 50% kości, wagowo 40%. Wokół włókien kolagenu w wyniku mineralizacji tworzone są długie kryształy hydroksyapatytu. Hydroksyapatyt jest głównym mineralnym składnikiem kości i zębów odpowiedzialnym za ich wytrzymałość mechaniczną. 31

32 Kostnienie Po obudowaniu się kością osteoblasty przekształcają się w osteocyty dojrzałe komórki kostne. Osteocyty znajdują się w tzw. jamkach kostnych, a ich wypustki cytoplazmatyczne, dzięki którymi kontaktują się z innymi osteocytami i zachowują funkcje życiowe, są położone w kanalikach kostnych. 32

33 Kostnienie Nadbudowywana cylindrycznie wokół naczynia kość tworzy słoje - blaszki kostne wokół powstałego w ten sposób kanału. Kanał Haversa kanał osteonu, którym przechodzą naczynia krwionośne (tętnica i żyła) oraz nerwy. Osteon (system Haversa) podstawowa jednostka strukturalna i funkcjonalna tkanki kostnej zbitej, zbudowana z koncentrycznie ułożonych wokół kanału Haversa blaszek kostnych z komórkami kostnymi osteocytami. 33

34 Tkanka kostna 35

35 Tkanka kostna Zakończenie procesu kostnienia to nie koniec tworzenia kości! Przez całe życie kość jest przebudowywana. Kluczową rolę w tym procesie pełnią osteoklasty komórki kościogubne. 36

36 Prawo Wolffa: Kość ma zdolność przystosowania się do obciążeń. Budowa podąża za funkcją. Beleczki kości gąbczastej układają się wzdłuż kierunku naprężeń. Kształt kości zapewnia optymalny rozkład naprężeń. Ułożenie osteonów w kości zbitej pokrywa się z kierunkiem działania naprężeń głównych. Julius Wolff ( ) niemiecki chirurg. 37

37 R. Będziński,,

38 Prawo Wolffa - przykłady: Tenis Sporty walki Kosmonauci Otyli? Brak ruchu? 39

39 Prawo Wolffa c.d.: Na wzmacnianie tkanki kostnej wpływ ma tylko cykliczne obciążanie. Wzrost naprężeń powoduje odkształcenie w wyniku którego wywoływany jest przepływ płynu w kanalikach kostnych rejestrowany przez osteocyty. Żywa tkanka kości decyduje, czy konieczna jest wzmożona aktywność osteoblastów, czy osteoklastów. Proces przekazywania informacji to mechanotransdukcja 40

40 Złamania Proces leczenia złamań dzieli się na trzy fazy Faza zapalna kilka dni Faza złamania i zapalna Tworzenie ziarniny Faza reperacji kilka tygodni Tworzenie kostniniy miękkiej (Cartilage Callus) Tworzenie kostniniy twardej (Lamellar bone) Przebudowa (remodeling) do kilku lat od złamania 41

41 Połączenia kości Połączenia kości Połączenia ścisłe Więzozrosty Chrząstkozrosty Połączenia półścisłe Połączenia wolne / ruchome - stawy Kościozrosty W. włókniste W. sprężyste Szwy 42

42 Połączenia kości Więzozrosty połączenie przy pomocy tkanki łącznej włóknistej: W. włóknisty np. błony międzykostne przedramienia lub goleni syndesmosis W. sprężysty np. więzadła żółte między łukami kręgów rys. 2 Szew Gładki (prosty) np. wyrostki podniebne szczęki Łuskowaty np. łuska kości skroniowej z kością ciemieniową Piłowaty, najmocniejszy ze szwów np. większość kości sklepienia czaszki Wklinowanie np. ząb w zębodole 43

43 Połączenia kości Chrząstkozrosty połączenie ścisłe dwóch kości za pomocą tkanki chrzęstnej. Połączenie częste w wieku dziecięcym (trzony kości długich z nasadami). U dorosłych połączenie żeber z mostkiem, połączenie kości łonowych. 44

44 Połączenia kości opracował-dr-tomasz-kozłowski Kościozrosty najmocniejsze połączenie kości powstające z wiekiem przez kostnienie pozostałych więzozrostów. Typowe jest kostnienie chrząstek nasadowych i szwów czaszki. Kostnieć mogą również stawy w kości krzyżowej oraz patologicznie po złamaniu kości w stawie. 45

45 Połączenia kości Połączenia półścisłe stawy płaskie. Połączenia ruchome / wolne stawy. Połączenie, w którym stykają się dwie lub więcej kości niezrośnięte żadnym rodzajem tkanki nazywamy stawem. (Podstawy Biomechaniki Mrozowski, Awrajcewicz). Ruchome połączenie między składnikami szkieletu. (wikipedia) Staw = połączenie maziowe 46

46 Rodzaje stawów Płaski Eliptyczny Kulisty panewkowy Siodełkowaty Zawiasowy Obrotowy

47 Stawy Podział w zależności od klasy stawy jednoosiowe staw zawiasowy staw łokciowy staw obrotowy staw promieniowołokciowy staw śrubowy staw szczytowoobrotowy stawy dwuosiowe staw eliptyczny staw promieniowonadgarstkowy staw siodełkowaty staw śródręcznonadgarstkowy kciuka stawy wieloosiowe staw kulisty wolny staw ramienny staw kulisty panewkowy staw biodrowy stawy nieregularne staw płaski staw krzyżowo-biodrowy staw mostkowo-obojczykowy chociaż ma on raczej charakter stawu kulistego 48

48 Stawy Staw Typowymi elementami stawu są: powierzchnia stawowa czyli główka i panewka stawowa, ew. są to pow. st. płaskie (kość krzyżowa z miednicą) torebka stawowa zamyka jamę stawową i stabilizuje staw jama stawowa płyn maziowy Staw może również zawierać: więzadła stawowe obrąbek stawowy łąkotki kaletki maziowe trzeszczki kosmki maziowe fałdy maziowe Poszczególne stawy różnią się zadaniami biologicznymi, a więc mają odmienną budowę i ruchomość. 49

49 Stawy Staw Elementy opcjonalne stawu: więzadła stawowe pasma wytrzymałej tkanki łącznej wzmacniające połączenie kości w stawie (staw kolanowy) obrąbek stawowy - struktura chrząstki włóknistej będąca przedłużeniem panewki (staw biodrowy), zabezpiecza staw łąkotki - elastyczne twory, zbudowane z tkanki chrzęstnej włóknistej pogłębiające i dopasowujące powierzchnie stawowe, uniemożliwiające ruch obrotowy (staw kolanowy) kaletki maziowe - woreczek z tkanki łącznej, wytwór torebki stawowej, z reguły z nią połączony, zmniejsza tarcie podczas pracy mięśnia, ułatwia ślizgania się organów w czasie ruchu, uzupełnia torebkę stawową trzeszczki - kość powstająca w wyniku skostnienia ścięgien, inaczej kość heterotopowa, kość trzewna (rzepka - patella) kosmki maziowe małe wypustki błony maziowej torebki stawowej zwiększające powierzchnię wydzielającą maź stawową fałdy maziowe fałdy błony maziowej, pozostałość po życiu płodowym 50