Biomechanika inżynierska. Staw biodrowy - J. Buśkiewicz

Transkrypt

1 1 Staw biodrowy - budowa, funkcje, modelowanie Choroby i urazy stawu biodrowego należą do chorób cywilizacyjnych. Uzyskana w procesie ewolucji pionowa postawa ciała znacznie zwiększyła obciążenie stawów biodrowych. W organizmie człowieka ich zużycie objawia się najwcześniej. Rysunek. Staw biodrowy budowa anatomiczna. 1 głowa kości udowej, 2 warstwa okrężna 3 - jama stawowa, 4 więzadło głowy kości udowej, 5 torebka stawowa, 6 szyjka kości udowej, krętarz większy, krętarz mniejszy. * Źródła rysunków 1. Biocybernetyka i inżynieria biomedyczna 2000, pod redakcją Macieja Nałęcza, Akademicka Oficyna Wydawnicza, Warszawa a. Komputerowo wspomagane projektowanie i wytwarzanie indywidualnych endoprtotez stawu biodrowego, M. Dietrich, J. Domański, R. Granowski, K. Kędzior, K. Kwiatkowski, K. Skalski b. Projektowanie trzpieni endoprotez stawu biodrowego, Sz. Piszczatowski, A. Werner. c. Wytrzymałościowe aspekty projektowania i analizy inżynierskiej układu implant-kość, G. Krzesiński d. Biomechanika stawu biodrowego i kolanowego, R. Będziński, K. Ścigała. 2. Biomechaniki inżynierska, R. Będziński, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, Biomechanika narządów ruchu, praca zbiorowa pod redakcją D. Tejszerskiej, E. Świtońskiego, M. Guzika, Wydawnictwo Naukowe Instytut Technologii Eksploatacji PIB, Radom, 2011.

2 2 Analiza sił w stawie biodrowym MIĘŚNIE UDA Źródło wikipedia

3 3 Źródło wikipedia Grupa przednia uda to: mięsień krawiecki - mięsień ten zgina staw biodrowy i kolanowy, obraca udo na zewnątrz i jednocześnie przywodzi je. Jeżeli kolano jest zgięte w stawie kolanowym, to obraca podudzie do środka. Jest to jednak mięsień słaby i pełni funkcje jedynie pomocnicze, mięsień czworogłowy - to bardzo silny mięsień, prostuje staw kolanowy i prostuje staw biodrowy. Grupa tylna: Przebiegają od guza kulszowego, a kończą się na goleni. Ich praca prostuje staw biodrowy i zgina kolanowy. Jeżeli kolano jest zgięte, możliwy jest ruch obracania golenia do wewnątrz i na zewnątrz. Do grupy tej zaliczamy: mięsień półścięgnisty, mięsień półbłoniasty, mięsień dwugłowy uda. Grupa przyśrodkowa: mięsień grzebieniowy - przywodzi i zgina udo, obraca je na zewnątrz, mięsień przywodziciel długi - to silny mięsień, przywodzi udo, obraca je na zewnątrz oraz zgina staw biodrowy, mięsień przywodziciel krótki, mięsień przywodziciel wielki - jest to najsilniejszy mięsień przywodzący udo. W przeciwieństwie do poprzednich grup mięśni - prostuje staw biodrowy. Dlatego też obraca udo do wewnątrz a nie na zewnątrz, tak jak to czynią inne przywodziciele, mięsień smukły - pracuje przy zginaniu kolana.

4 4 Cztery podstawowe grupy sił Podstawowe mięsnie w obciążeniu stawu biodrowego Rysunek Działanie grup mięśniowych 1 pasmo odwodzące, 2 - krętarz duży, 3 - kość udowa, 4 pasmo przywodzące. Rysunek. Model dwumasowy Pauwelsa dla wyznaczenia obciążeń stawu biodrowego. Rysunek. Aktywny model obciążeń stawu biodrowego z uwzględnieniem pasma biodrowo-piszczelowego i momentów rotacyjnych.

5 5 Rysunek. Przebieg sił w stawie biodrowym w jednym cyklu chodu (wg Bergmana) Momenty sił mięśniowych w stawach biodrowym i kolanowym podczas maksymalnego skurczu izometrycznego. Badana grupa Studenci Akademii Medycznej Studenci AWF Badana grupa Źródło Liczba badanych Staw biodrowy średnia wartość [Nm] z odchyleniem standardowym Odwodzenie Przywodzenie Noga prawa Noga lewa Noga prawa Noga lewa ,7±24,7 161,7±18,4 165,3±28,4 147,6±20,4 Zginanie Prostowanie ,5±44,9 244,7±34,8 242,6±47,5 233,2±50,2 Rotacja do wewnątrz Rotacja na zewnątrz ±21,89 91,9±22,26 77,8±16,86 76,8±18,29 Źródło Liczba badanych Staw kolanowy średnia wartość [Nm] z odchyleniem standardowym Zginanie Prostowanie Studenci AM ,2±42 163,5±46,3 248,5±38,7 244,3±44,9 1. Gorwa J., Przeciążenia dynamiczne oraz biomechaniczny profil u tancerzy zawodowych uprawiających taniec klasyczny i współczesny, praca doktorska, Poznań, Wychowański M., Wybrane metody oceny dynamiki układu ruchu człowieka, Wydawnictwo AWF, Warszawa 2008.

6 6 Udziały włókien wolnokurczących (I) pośrednich (IIA) oraz szybkokurczących (IIB) w mięśniach. Mięsień krawiecki Mięsień prosty uda I [%] IIA [%] IIB [%] Pierrynowski M.R., Morrisom J.B., A physiological model for the evaluation of muscular forces in human locomotion, Mathematical Sciences, 1985, 75, s Przekrój fizjologiczny mięśnia [cm 2 m ] = l cos m masa mokrego mięśnia, gęstość mięśnia równa 1,056 g/cm 3, l długość mięśnia, kąt między włóknami mięśniowymi a ścięgnem, do którego włókna są zaczepione. Mięsień krawiecki Mięsień prosty uda 2,90 M 2,68 K 42,96 M 9,2 K Friedrich J.A., Brand R.A., Muscle fiber architecture in the human lower limb, Journal of Biomechanics, 1990, 23, s Parametryzacja wymiarowa kości udowej: Rysunek. Przykładowa endoproteza połowiczna prosta z wybranymi wymiarami [mm] (według normy ISO 7206).

7 7 Alloplastyka stawu zastępowanie chorego stawu sztucznym stawem. Alloplastyka częściowa - panewka stawu naturalnego nie jest zniszczona, stosuje się tylko trzpień Kapoplastyka wymianie podlega jedynie część panewkowa, głowa i szyjka kości pozostaje Regulacje dotyczące implantów zawiera norma ISO 7206 Implant zbudowany jest z trzpienia, głowy oraz panewki. Kształt trzpienia musi zapewniać dobre mocowanie w jamie szpikowej, jako że niektóre protezy są mocowane bezcementowo (cement kostny). Szyjka trzpienia jest zorientowana przestrzennie. Na niej mocuje się kulista główka wykonana z tego samego materiału co trzpień. Trzpień przejmuje obciążenia z głowy i przekazuje je na kość. Informacje dodatkowe Liczba zabiegów w Polsce: 15 tyś rocznie Koszt 7 tys. Liczba zabiegów na świecie 800 tyś rocznie Rysunek. Budowa endoprotezy stawu biodrowego.

8 8 STAW KOLANOWY - budowa, funkcje, modelowanie Rysunek. Budowa anatomiczna stawu kolanowego 1 kość udowa, 2 jama stawowa, 3 rzepka, 4 kaletka maziowa podrzepkowa, 5 więzadło rzepkowe, 6 ciało tłuszczowe podrzepkowe, 7 kość piszczelowa, 8 chrząstka stawowa, 9 torebka stawowa. Budowa i funkcje Podstawowe mięśnie Rysunek. Ruchy obtaczania i poślizgu uda po powierzchni łąkotki. Więzadła odpowiedzialne za te ruchy.

9 9 Rysunek. Rola rzepki w obciążeniu stawu kolanowego. Oś mechaniczna Rysunek. Struktura ukształtowania kończyny dolnej. Rysunek. Patologiczne ukształtowania kończyny dolnej: Patologiczne ukształtowania kończyny dolnej

10 10 Model Maqueta Obciążenia w płaszczyźnie czołowej Obciążenia w płaszczyźnie strzałkowej * Źródła rysunków 4. Biocybernetyka i inżynieria biomedyczna 2000, pod redakcją Macieja Nałęcza, Akademicka Oficyna Wydawnicza, Warszawa Biomechaniki inżynierska, R. Będziński, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, Biomechanika narządów ruchu, praca zbiorowa pod redakcją D. Tejszerskiej, E. Świtońskiego, M. Guzika, Wydawnictwo Naukowe Instytut Technologii Eksploatacji PIB, Radom, 2011.

11 11 STAW ŁOKCIOWY - budowa, funkcje, modelowanie 1. Budowa Rysunek. Staw łokciowy. Ruchy w stawie łokciowym Staw ramienno- łokciowy i ramienno -promieniowy Staw promieniowo łokciowy bliższy

12 12

13 13 Tabela. Zakresy ruchów w stawie łokciowym i rozwijane momenty sił w mięśniach. Rodzaj ruchu Zakres Maksymalna wartość momentu sił mięśniowych [Nm] Zgięcie prostowanie 5 o -145 o 35 maksymalna pronacja 80 o 5,5 maksymalna supinacja 70 o 6 Pozostałe tkanki Torebka stawowa. Błona maziowa. Więzadła. o więzadło poboczne promieniowe, o więzadło poboczne łokciowe, o więzadło pierścieniowate kości promieniowej, o więzadło czworoboczne. Obciążenia w stawie łokciowym: Model z siłą mięśnia dwugłowego ramienia:

14 14 Bibliografia 1. Kędzior K., Skalski K., Pomianowski S., Święszkowski W., Endoproteza głowy kości promieniowej, Patent PL , Politechnika Warszawska, Morrey B.F., The elbow and its disorders, W.B. Saunders Company, Philadelphia,Pensylvania, pp , Biocybernetyka i inżynieria biomedyczna 2000, rozdział 20.5 Alloplastyka stawu łokciowego, pod redakcją Macieja Nałęcza, Akademicka Oficyna Wydawnicza, Warszawa, Biomechanika narządów ruchu, praca zbiorowa pod redakcją D. Tejszerskiej, E. Świtońskiego, M. Guzika, Wydawnictwo Naukowe Instytut Technologii Eksploatacji PIB, Radom, 2011.