Biomechanika Inżynierska

wykład 5 dr inż. Szymon Cygan Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej Politechnika Warszawska 1

U człowieka kręgosłup spełnia trzy podstawowe funkcje: Ochrona rdzenia kręgowego Narząd ruchu Narząd podpory ciała 2

- budowa 7 kręgów szyjnych (C1-C7) 2 kręgów piersiowych (Th1-Th12) 5 kręgów lędźwiowych (L1- L5) Kość krzyżowa (zrośnięte kręgi krzyżowe S1-S5) Kość guziczna (zrośnięte kręgi guziczne, szczątkowe, w ilości 45) 3

Krążek międzykręgowy, tarcza międzykręgowa tzw dysk (łac. discus intervertebralis) Struktura kręgosłupa występująca między trzonami kręgów, zbudowana z jądra miażdżystego (gęste galaretowate wypełnienie) otoczonego pierścieniem włóknistym Silne zespolenie pierścienia włóknistego z płytkami chrzęstnymi i trzonami kręgów stanowi pod względem mechanicznym bardzo stabilny układ, umożliwiający jednocześnie pewien zakres ruchu kręgosłupa 11

Krążek międzykręgowy, tarcza międzykręgowa tzw dysk (łac. discus intervertebralis) Pełni funkcję amortyzatora kręgosłupa i zapewnia mu ruchomość (jak łożysko ślizgowe). Umożliwia zgięcie, prostowanie, ruchy boczne i obrotowe kręgosłupa. Dzięki dyskom kręgi nie ocierają się o siebie 12

Połączenia międzykręgowe Połączenia poszczególnych kręgów ze sobą stanowi triada stawowa (zwana również triadą podparcia), stanowiąc podstawową jednostkę anatomiczną i funkcjonalną kręgosłupa Składa się ona z trzech połączeń będących jednocześnie punktami podparcia, które stanowią dwa symetryczne stawy międzywyrostkowe i krążek międzykręgowy Triadę stawową wzmacniają więzadła i mięśnie, które zapewniają właściwą ruchomość kręgosłupa i jego funkcje 13

Więzadła Od przodu do łuków kręgów przylega więzadło żółte Pomiędzy wyrostkami kolczystymi więzadła międzykolcowe i nadkolcowe Między wyrostkami poprzecznymi więzadło międzypoprzeczne Krążki międzykręgowe wzmocnione są: więzadłem podłużnym przednim wiązadłem podłużnym tylnym 14

Stabilizacja W stabilizacji kręgosłupa istotną rolę spełniają mięśnie: Prostownik grzbietu, biegnący z tyłu, przyczepiony do wyrostków kolczystych Mięśnie brzucha Mięśnie międzyżebrowe Mięśnie te stabilizują kręgosłup i utrzymują jego właściwy kształt w płaszczyznach strzałkowej i czołowej 17

Krzywizny kręgosłupa Ze względów biomechanicznych istotne znaczenie w pracy kręgosłupa mają jego wygięcia w płaszczyźnie strzałkowej Mają one istotne znaczenie w przenoszeniu obciążeń oraz utrzymaniu stabilności kręgosłupa, a co za tym idzie, w ogólnej wytrzymałości struktur kręgosłupa oraz amortyzacji obciążeń dynamicznych W części szyjnej i lędźwiowej krzywizny kręgosłupa są zwrócone do przodu (lordoza), w części piersiowej i krzyżowej ku tyłowi (kifoza) 18

Krzywizny kręgosłupa Wygięcia kręgosłupa mają kluczowe znaczenie w ruchach skrętnych, spełniają funkcje amortyzatora, łagodząc wszelkie dynamiczne uderzenia pochodzące z zewnątrz Swobodna pozycja stojąca, w której następuje wzrost lordozy, jest najbardziej ekonomiczną ze względu na minimalną aktywność mięśni i znikomy wydatek energetyczny 19

Krzywizny kręgosłupa - kształtowanie Wielkość wygięcia części lędźwiowej jest uzależniona nie tylko od prawidłowej budowy anatomicznej, ale również w dużej mierze od przodopochylenia miednicy O ukształtowaniu całego kręgosłupa przede wszystkim decydują dwie cechy: Kąt nachylenia kości krzyżowej Wygięcie lordozy lędźwiowej Są to cechy budowy ciała, na które można wpływać poprzez przystosowanie stanowisk pracy, siedzeń w środkach komunikacji, w szkole, w domu, itp. Na wartość tych czynników wpływa również właściwe odżywianie, czynne ćwiczenia mięśni grzbietu, brzucha i kończyn dolnych. 20

Skolioza Trójpłaszczyznowa deformacja kręgosłupa Pomimo wielu hipotez próbujących wyjaśnić przyczynę powstawania skoliozy strukturalnej, 85% z nich stanowią skoliozy idiopatyczne (o nieznanej przyczynie). Wiadomo, że jej przyczyną nie jest zła postawa lub niewłaściwe nawyki jedzenia i siedzenia, ani noszenie teczki lub plecaka w jednym ręku. 21

Skolioza ocena Metoda Cobba Proste wzdłuż górnej powierzchni górnego kręgu krańcowego skrzywienia i dolnej powierzchni dolnego kręgu krańcowego. Proste prostopadłe do tych linii. Przecięcie wskazuje kąt wygięcia w stopniach. Wartość tego kąta wzrasta proporcjonalnie do zwiększania deformacji. Jeżeli wynosi on więcej niż 10 stopni, to pacjent ma skoliozę. 22

Skolioza ocena Skrzywienie o kącie powyżej 5 Cobba występuje u 42,8% populacji. Skrzywienie o kącie powyżej 10 u 17,6% Skrzywienie o kącie powyżej 15 u 6,3% Skrzywienie o kącie powyżej 20 u 3,4% Skrzywienie o kącie powyżej 25 u 1,8% 23

Ruchomość kręgosłupa Ruch kręgosłupa odbywa się w trzech płaszczyznach: Strzałkowej zginanie i prostowanie w zakresie zależnym od części kręgosłupa. Wyrostki stawowe wykonują ruch poślizgowy. Trzon zaś przesuwa się po osi, którą stanowi krążek międzykręgowy. Jądro miażdżyste przemieszcza się do przodu lub do tyłu, napierając na pierścień włóknisty. Czołowej zginanie boczne o całkowitym zakresie ok. 60. Największy udział w tym ruchu mają trzeci i czwarty kręg lędźwiowy. Poziomej ruchy skrętne dookoła osi pionowej. Są one najmniej poznane. Przypuszcza się, że umożliwiają je krzywizny kręgosłupa oraz podatność krążków międzykręgowych, które, zmieniając warunki przestrzenne, powodują unoszenie kręgów w stosunku do siebie i ich obrót. 24

Ruchomość kręgosłupa Zasadniczy ruch kręgosłupa występuje w tym samym kierunku co działające obciążenie. Istnieją również tzw. ruchy towarzyszące (dlatego często mówi się o parowaniu ruchów, tzw. couplingu), jeśli np. uznać ruch skrętny kręgosłupa za główny, to towarzyszy mu zginanie w płaszczyźnie czołowej i strzałkowej. 25

Stabilność kręgosłupa Wewnętrzna - jest wynikiem ciśnienia wewnątrz krążków międzykręgowych i oporowi stawianemu przez więzadła. Zewnętrzna zapewniana przez mięśnie grzbietu, brzucha i klatki piersiowej. Stwarza to bardzo stabilny układ między przylegającymi trzonami kręgosłupa, który składa się na przemian z elementów sztywnych i sprężystych i charakteryzuje się dużą giętkością (przede wszystkim dzięki dużej odkształcalności krążków międzykręgowych) 27

Obciążanie kręgosłupa Kluczowe są mięśnie przykręgowe, przyczepione do boków i wewnątrz dwóch komór, tj. jamy brzusznej i klatki piersiowej, oddzielonych przeponą. Pierwsza z nich wypełniona jest mieszaniną stałych i płynnych substancji, druga zaś w dużej mierze powietrzem. Działanie mięśni przemienia te komory w cylindry o półsztywnych ścianach, wypełnione powietrzem oraz płynem, zdolne do przekazywania skumulowanych sił odciążających kręgosłup. 28

Obciążanie kręgosłupa Siła przekazywana jest do kręgosłupa przez mięśnie pasa barkowego (przede wszystkim czworoboczny), miednicę, a częściowo przez sztywną klatkę piersiową i brzuch. Im większy ciężar, tym większe działanie mięśni tułowia, piersi i brzucha; towarzyszy temu powiększanie ciśnienia w jamie brzusznej i piersiowej. Działanie mięśni tułowia oraz ciśnienie występujące w jamach powoduje odciążenie kręgosłupa w części piersiowej o około 50%, a w części lędźwiowej o ok. 30 %. 29

Zmiany ciśnienia w lędźwiowym krążku międzykręgowym L3-L4 w zależności od pozycji ciała in vivo 30

Zmiany ciśnienia w lędźwiowym krążku międzykręgowym L3-L4 w zależności od pozycji ciała in vivo 31

Modele obciążeniowe kręgosłupa W analizie warunków pracy kręgosłupa oraz w ocenie patomechanizmu przeciążeń, opracowuje się uproszczone modele umożliwiające wyznaczenie nawet szacunkowych obciążeń poszczególnych części kręgosłupa. Najszersze zastosowanie znalazły modele obciążeniowe Stotte'a, Örengrenna i White'a. W analizie obciążeń elementów kręgosłupa coraz częściej wykorzystywane są metody numeryczne, zwłaszcza metoda elementów skończonych MES (FEM finite element method, FEA finite element analysis). 32

Model Stotte'a Założeniem modelu Stotte'a jest to, że środek ciała pokrywa się ze środkiem ciężkości ciała, który jest podstawą do przyjmowania obciążeń działających na kręgosłup i obciążeń w rejonie danego kręgu. Rys. na następnej stronie: Składowe sił działających na kręg w płaszczyźnie krążka międzykręgowego L5-S1 oraz prostopadle do niej, w pozycji stojącej. Kąt α jest kątem pochylenia kości krzyżowej w stosunku do poziomu, punkt 0 jest chwilowym środkiem obrotu umiejscowionym w środku krążka międzykręgowego. 33

Qt - ciężar głowy, karku (szyi) i części tułowia powyżej analizowanej płaszczyzny Ql - ciężar ramion działający przez staw ramienny Pp - siła wywierana prze ciśnienie śródbrzuszne przyłożone w środku pasma p (w środku jamy brzusznej) Pm - składowa siły wzdłużnej mięśni brzucha Px - siła prostowników grzbietu Pc, Ps - siły reakcji prostopadła i równoległa do płaszczyzny x-x 34

Model Stotte'a Siła reakcji Pc, działająca pod kątem prostym do płaszczyzny x-x, powoduje ściskanie krążka międzykręgowego Siła Ps jest składową styczną siły reakcji, która wywołuje ścinanie krążka międzykręgowego oraz oddziałuje na wyrostki stawowe 35

Model Schultza Model Schulza traktuje ciało ludzkie jako bryłę sztywną. W celu wyznaczenia sił wewnętrznych należy dokonać myślowego przekroju modelu i wyznaczyć siły reakcji korzystając z równań równowagi Newtona (równowaga sił i momentów w trzech płaszczyznach) 38

Modele MES 40

Modele MES Małgorzata Mateusiak; Model kręgosłupa lędźwiowego do analiz MES; Praca dyplomowa inżynierska, promotor: dr inż. Krzysztof Piotr Mikołajczyk; Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej, Warszawa, 2015 r. 41

Zwyrodnienia kręgosłupa jako podstawowy element narządu ruchu człowieka stanowi jedną nierozerwalną całość łańcuch kinematyczny. Każda zmiana anatomiczna i czynnościowa w jakimś odcinku powoduje zmianę czynności i rozwój zniekształceń zarówno w pozostałych odcinkach kręgosłupa, jak i w całym narządzie ruchu. Jako przeciążenie rozumie się zaburzenia struktur kostnych, więzadłowych, jak również mięśniowych kręgosłupa, powstałe w wyniku długotrwałych obciążeń, nawet jeśli obciążenia te nie przekroczyły granicy wytrzymałości danej struktury lub też w wyniku doraźnego przekroczenia obciążeń ekstremalnych dla danych struktur. 42

Zwyrodnienia kręgosłupa Mechaniczne przyczyny zniszczeń struktur kręgosłupa można podzielić na dwie grupy: O podłożu traumatologicznym urazy związane z doraźnym przekroczeniem wartości granicznych wytrzymałości powstają na skutek nagłego zadziałania na element kręgosłupa siły przekraczającej jego wytrzymałość Zmęczeniowe w wyniku normalnych funkcji życiowych człowieka, lecz często realizowanych w nieergonomicznych warunkach (na skutek długotrwałego działania cyklicznych obciążeń) 43

Zwyrodnienia kręgosłupa Obciążenia mechaniczne kręgosłupa odgrywają zasadniczą rolę w chorobach, zwłaszcza kręgosłupa lędźwiowego i szyjnego, nawet wówczas, gdy nie występują przeciążenia traumatologiczne. Bóle kręgosłupa, brak jego stabilności, zależą od wielu czynników, lecz mechaniczne deformacje tkanek miękkich oraz anomalie w działaniu mięśni są najprawdopodobniej jednym z najważniejszych czynników przeciążeniowych. 44

Urazy kręgosłupa Więzadła w rejonie łuku kręgu najczęściej są niszczone poprzez ruch zgięciowy kręgosłupa do przodu Zmiany destrukcyjne wyrostka stawowego są najczęściej powodowane przez nadmierne ruchy skrętne oraz przeprost (skłon do tyłu) Zmiany przeciążeniowe trzonów kręgów są najprawdopodobniej powodowane długotrwałym zmiennym obciążeniem ściskającym Złamania trzonów są najczęściej powodowane przez obciążenia przekraczające doraźną wytrzymałość struktur kostnych. Krążki międzykręgowe mogą podlegać przeciążeniom poprzez obciążenie zginaniem oraz asymetrycznym ściskaniem 45

Przepuklina (wypadnięcie) krążka międzykręgowego 46

Przepuklina (wypadnięcie) krążka międzykręgowego 47

Patologie krążka międzykręgowego dyskopatie Krążek zdegenerowany* Wybrzuszenie krążka* Przepuklina krążka* Spłaszczenie krążka* Degeneracja krążka* z naroślami kostnymi (osteofitami) * Tłumaczenia własne mogą odbiegać zakresem znaczeń od przyjętej terminologii medycznej 48

Spondylolisteza (kręgozmyk) Jednym z częstszych dolegliwych schorzeń kręgosłupa lędźwiowego jest spondylolisteza, polegająca na ześlizgiwaniu się kręgu wyżej położonego w stosunku do położonego niżej Poprzedza ją spondyloliza nabyta, tzn. przerwa w ciągłości łuku kręgowego między wyrostkami stawowymi górnymi i dolnymi w węzinie Skutki takich przeciążeń są bardzo groźne, ponieważ najczęściej występuje styczne obciążenie rdzenia kręgowego Przerwa w ciągłości tkanki kostnej węziny (spondyloliza) występuje prawie u 4-6% populacji i jest usytuowana zawsze w dolnych kręgach lędźwiowych (L4-L5) 49

Niestabilność kręgosłupa Od strony mechaniki niestabilność struktur kręgosłupa występuje wówczas, gdy małe przeciążenie powoduje duży wzrost przemieszczeń. W pojęciu klinicznym niestabilność określa stan, w którym podczas ruchu lub pod wpływem zmiany obciążeń dochodzi do przemieszczenia względem siebie segmentów ruchowych kręgosłupa. Organizm traci zdolność do zachowania prawidłowych stosunków przestrzennych między poszczególnymi kręgami, doprowadzając do ciasnoty kanału kręgowego lub otworu międzykręgowego. Dennis zaproponował model biomechaniczny kręgosłupa, w którym wyróżnił trzy kolumny kręgosłupa w płaszczyźnie strzałkowej: przednią, środkową i tylną: Przednia przednia połowa trzonu kręgowego Środkową tylna połowa trzonu kręgowego Tylną łuk kręgowy ze stawami międzykręgowymi i zespołem tylnych więzadeł. 51

Niestabilność kręgosłupa Uszkodzenie jednej z kolumn nie zaburza zwartości kręgosłupa, jeśli dwie pozostałe pozostają nie uszkodzone, Uszkodzenie dwóch z trzech kolumn zawsze wywołuje niestabilność kręgosłupa. Niestabilności i przeciążeniom kręgosłupa można zapobiegać stosując zasady ergonomii przy wykonywaniu codziennych czynności. 52

Wpływ pochylenia oparcia na ciśnienie w krążku międzykręgowym 53

Wpływ wygięcia pleców na ciśnienie w krążku międzykręgowym 56

Pchanie vs. ciągnięcie W czasie ciągnięcia mięśnie prostownika grzbietu stanowią reakcję (stawiają opór) momentów gnących, wywoływanych przez poziome siły ciągnięcia. Podczas pchania mięśnie brzucha przeciwstawiają się działaniu momentów sił wywoływanych przez siły pchania wózka. Ponieważ mięśnie brzucha mają znacznie większe ramię dźwigni niż mięśnie prostownika grzbietu, więc wymagane siły są relatywnie mniejsze. 57

Pytania, które kiedyś obowiązywały do tej części wykładu: Scharakteryzować segment ruchowy kręgosłupa (sposób połączenia kręgów ze sobą) Krzywizny kręgosłupa scharakteryzować i wyjaśnić ich znaczenie dla biomechaniki kręgosłupa Co to jest ruchomość kręgosłupa? W jakich odcinkach kręgosłupa ruchomość w danych płaszczyznach jest największa, a w jakich najmniejsza? Stabilność kręgosłupa co to jest i co może doprowadzić do jej utraty? Przeciążenia kręgosłupa co to jest oraz jakie są relacje przyczynowoskutkowe przeciążeń kręgosłupa? 60