Biomechanika Inżynierska

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

Wybrane stawy i kręgosłup Wykład oparty na: Będziński R. Biomechanika inżynierska Zagadnienia wybrane. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1997 2

Stawy Staw biodrowy http://www.hss.edu/hip-pain-center-hip-conditions.asp Image by Stephen Woods (łac. articulatio coxae, ang. hip) - staw kulisty tworzony przez głowę kości udowej oraz panewkę stawu biodrowego kości miednicznej 3

Staw biodrowy Staw kulisty panewkowy o trzech stopniach swobody. Jeden z najbardziej eksploatowanych stawów nośnych. Budowa części kostnych, silne mięśnie i więzadła doskonałe przystosowanie do przenoszenia dużych obciążeń statycznodynamicznych 4

Staw biodrowy Uczestniczy w przekazywaniu obciążeń z kręgosłupa lędźwiowego, poprzez miednicę do kończyn dolnych. Obciążenia są przekazywane w warunkach bardzo złożonego ruchu. Skomplikowane kształty elementów kostnych miednicy są doskonale dopasowane do przenoszenia obciążeń. 5

Staw biodrowy Obciążenia stawu biodrowego stanowią złożony układ sił i momentów. Obciążenia wynikające z masy ciała oraz wykonywanych czynności, przekazywane są przez miednicę na staw biodrowy. Złożoność układów przekazywania obciążeń, powoduje, że odtworzenie pełnego schematu sił i momentów i ich wzajemnych reakcji jest w zasadzie niemożliwe. 6

Staw biodrowy Zdaniem wielu autorów podstawowe znaczenie w obciążeniu stawu biodrowego mają: Mięśnie pośladkowe (gluteus), zwłaszcza dla obciążeń boczno-przyśrodkowego zginania, Mięsień dwugłowy uda, mający istotne znaczenie dla oddziaływań przednio-tylnych, Pasmo biodrowo-piszczelowe odwodzicieli Pasmo odwodzicieli, ma większe znaczenie w obciążaniu kości udowej niż pasmo przywodzicieli Grupy mięśni rotatorów wywołują momenty skręcające kość udową. 7

Staw biodrowy 8

Stawy 9

Staw biodrowy Kość udowa Jednym z podstawowych elementów biorących udział w przenoszeniu obciążeń w kończynie dolnej jest kość udowa. Kość ta należy do najbardziej wytężonych elementów szkieletu człowieka. Kość udowa kość długa. Granica między tkanką kostną zbitą a gąbczastą jest trudna do dokładnego określenia. Kość ma bardzo nieregularną i skomplikowaną budowę geometryczną. 10

Staw biodrowy kość udowa 11

Staw biodrowy kość udowa Rurowy trzon kości udowej, zbudowany z tkanki kostnej zbitej, zapewnia dużą wytrzymałość przy stosunkowo niewielkiej masie. Głowa kości udowej jest połączona z trzonem uda za pośrednictwem krótkiego, skośno ustawionego ramienia (szyjki). Zróżnicowanie własności mechanicznych trzonu kości (istota zbita) oraz nasady (istota gąbczasta otoczona zbitą), daje efekt dużej wytrzymałości (twarde warstwy powierzchniowe) połączony ze sprężystością (miękki rdzeń). Chrząstka pokrywająca głowę kości udowej (największa grubość warstwy 3-4 mm w strefie obciążenia) stanowi sprężystą ochronę kostnych części stawu. Chrząstka wykazuje znaczną sprężystość i odporność na działanie obciążeń dynamicznych, umożliwia jednocześnie równomierny rozkład obciążeń na powierzchniach stawowych. 12

Staw biodrowy Podstawowymi parametrami wpływającymi na charakter i strukturę obciążeń kości udowej są: Nachylenie pasm mięśniowych odwodziciela Nachylenie siły wypadkowej stawu biodrowego (α) Kąt szyjkowo-trzonowy (γ) Nachylenie osi trzonu (δ) Odległość środka głowy od osi trzonu (h) 13

Staw biodrowy kość udowa Na skutek oddalenia główki od osi trzonu tworzy się ramię, powodujące powstawanie momentu gnącego. W rzeczywistości kość jest obciążona przestrzennym układem sił. Powstają naprężenia i odkształcenia w pozostałych płaszczyznach. Kość ulega nie tylko zginaniu, ściskaniu, ale również skręcaniu. W anatomicznie prawidłowym stawie biodrowym: kąt szyjkowo-trzonowy wynosi 125-128, przodoskręcenie szyjki 12, w panewce zanurzone jest ok. 2/3 obwodu kości udowej. 14

Staw biodrowy Siły działające na staw biodrowy można podzielić na zewnętrzne i wewnętrzne. Siły zewnętrzne: siła przyciągania ziemskiego, oddziaływania podporowe, siły, z jakimi inne ciała działają na ciało człowieka. Siły wewnętrzne to przede wszystkim siły wynikające z działania mięśni. Siły te są trudne do oceny, ze względu na ich dużą liczbę, określenie ich punktów przyłożenia oraz kierunek działania. Kąty i kierunki wektorów sił mięśni działających na staw biodrowy są zmienne i zależą od funkcji i fazy chodu. 15

Staw biodrowy W poszczególnych fazach chodu ulega zmianie kierunek i wartość wektora wypadkowej siły (R) stawu biodrowego. Zmianie ulega również położenie środka ciężkości ciała (S), który przesuwa się w stronę przeciwną w stosunku do kończyny obciążanej. 16

Staw biodrowy 17

Staw biodrowy Model obciążeń stawu biodrowego model Pauwelsa zakłada, że: Podczas stania na obu kończynach w środku ciężkości S4 sumują się obciążenia od głowy, tułowia i kończyn górnych i stanowią 62% masy ciała. Podczas podparcia na jednej nodze staw biodrowy przenosi obciążenia od głowy, tułowia, kończyn górnych oraz drugiej kończyny, co stanowi 81% całkowitej masy człowieka. Środek ciężkości umiejscowiony jest w punkcie S5. 18

Stawy 19

Staw biodrowy W fazie jednostronnego obciążenia kończyny całkowita wartość siły obciążającej staw biodrowy wynika z oddziaływania masy ciała oraz siły, z jaką działają na staw mięśnie okołostawowe. Relacje obciążeń zachodzących w stawie biodrowym przedstawia się graficznie za pomocą dźwigni dwuramiennej, w której punkt podparcia odpowiada środkowi stawu biodrowego. 20

Stawy 21

Staw biodrowy W modelu Pauwelsa podczas stania jednonożnego: Wektor wypadkowej siły R jest przyłożony w punkcie obrotu 0 pod kątem 16, pokrywającym się z anatomicznym środkiem głowy udowej Ramię siły odwodzicieli przebiega od punktu obrotu do szczytu krętarza większego Ramię masy ciała przebiega od punktu obrotu 0 do punktu k, będącego rzutem środka ciężkości na poziomą biegnącą przez punkt obrotu 0 Siła R jest wypadkową wielkością zredukowanego ciężaru ciała PZ = 0,81 P oraz siły M mięśni odwodzących w stawie biodrowym. 22

Staw biodrowy Obciążenia w stawie biodrowym mają wpływ na kształtowanie się struktury wewnętrznej kości, zarówno nad panewką w miednicy, jak i w głowie, szyjce oraz rejonie krętarza większego kości udowej. Układ beleczek kostnych odpowiada przebiegowi trajektorii naprężeń głównych (prawo Wolffa). W panewce stawu biodrowego tworzą się charakterystyczne łuki. [Porównywane z łukami gotyckimi, gdyż przypominają one konstrukcje podpór w gotyckich budowlach sakralnych. Jak wiadomo, podpory te miały za zadanie optymalne rozprowadzenie obciążeń (tzn. bez wywoływania koncentracji naprężeń).] 23

Staw biodrowy 24

Staw biodrowy Pytania, które kiedyś obowiązywały do tej części wykładu: Krótko omówić budowę stawu biodrowego. Opisać siły obciążające staw biodrowy Jakie wpływ mają obciążenia na budowę stawu biodrowego i kości udowej Opisać model Pauwelsa wykorzystywany do opisu obciążeń w stawie biodrowym 25

Staw kolanowy Staw kolanowy (łac. articulatio genus, ang. knee joint) największy staw ciała człowieka, staw złożony (zawiasowy zmodyfikowany) Najbardziej skomplikowany staw człowieka Staw złożony (tworzą go 3 kości) https://www.youtube.com/watch?v=fvtmzr3d_3s 26

Staw kolanowy Staw jednojamowy, ale dwupiętrowy, gdyż wewnątrz stawu znajdują się 2 łąkotki: boczna i przyśrodkowa, które dzielą jamę stawową na 2 piętra (ale nie na 2 oddzielne jamy). Powierzchnie stawowe: nadkłykcie kości udowej, kłykcie kości piszczelowej, rzepka. Staw zawiasowy zmodyfikowany, bądź zawiasowo-obrotowy, gdyż głównymi ruchami wykonywanymi w tym stawie są: zginanie, prostowanie, przy lekko zgiętym kolanie możemy wykonywać nieznaczne ruchy obrotowe. 27

Staw kolanowy Knee diagram pl autorstwa Polish version Rechta http://commons.wikimedia.org/wiki/file:knee_diagram_pl.svg#/media/file:knee_diagram_pl.svg 28

Staw kolanowy Od przodu: rzepka, połączona od góry ze ścięgnem mięśnia czworogłowego, od dołu za pomocą więzadła z guzowatością piszczeli W płaszczyźnie czołowej: więzadłem pobocznym piszczelowym i więzadłem pobocznym strzałkowym Mięśnie i ścięgna przechodzące w rejonie kolana, oddziałując z elementami strukturalnymi, spełniają rolę aktywnych stabilizatorów podczas przenoszenia obciążeń i ruchu. Wewnątrz stawu pomiędzy kłykciami kości udowej a panewką piszczeli znajduje się łąkotka przyśrodkowa o kształcie księżyca oraz boczna, w kształcie pierścienia. Łąkotka posiada dobre właściwości sprężyste, dlatego razem z płynem stawowym oraz chrząstką stawową stanowią istotny element tłumienia drgań. 29

Widok w kierunku bocznym Stawy Widok z przodu Widok od tyłu Widok od góry 30

Staw kolanowy Staw kolanowy Podstawowym ruchem zachodzącym między kością udową, a piszczelową jest połączenie toczenia i ślizgania. Gdyby podczas tego ruchu zachodziło jedynie toczenie, to kłykcie kości udowej spadłyby z powierzchni kości piszczelowej ku tyłowi. Na początku zginania i w końcowej fazie wyprostu głównym ruchem jest toczenie. Wraz ze wzrostem kąta zgięcia zwiększa się składowa poślizgowa. Wykazano, że toczenie zachodzi po stronie przyśrodkowej stawu w zakresie 10-15º zgięcia, po bocznej stronie zaś do ok. 20º, co wskazuje, że składowa poślizgowa wcześniej pojawia się po stronie przyśrodkowej. Trzecim rodzajem ruchu zachodzącym w stawie piszczelowo-udowym jest ruch skrętny w końcowej fazie wyprostu. W wyniku zewnętrznej rotacji kości piszczelowej w czasie końcowych kilku stopni dochodzi do zaryglowania stawu. Zakres tego ruchu rotacji wynosi ok. 10º. 31

Staw kolanowy Podstawowymi mięśniami działającymi w rejonie kolana są: mięśnie zginające podudzie: krawiecki, smukły, półścięgnisty, półbłoniasty, dwugłowy i podkolanowy mięśnie prostujące podudzie: czworogłowy 32

Staw kolanowy 33

Stawy 34

Staw kolanowy Oś mechaniczna kończyny górnej Oś mechaniczna jest to linia łącząca środek głowy kości udowej ze środkiem stawu skokowego. W prawidłowo zbudowanym stawie linia ta jest odchylona od pionu w stronę boczną o ok. 3 u mężczyzn i o ok. 5 u kobiet. Linia styczna do powierzchni stawowych w kolanie jest nachylona w stosunku do osi mechanicznej pod kątem ok. 87. Wszelkie odchylenia od podanych parametrów świadczą o nieprawidłowościach w budowie stawu kolanowego. 35

Staw kolanowy Jeśli: geometryczny środek stawu kolanowego (punkt położony między guzkami przyśrodkowym i bocznym wyniosłości międzykłykciowej) jest umiejscowiony po stronie bocznej (zewnętrznej) osi mechanicznej ukształtowanie koślawe (Valgus) środek stawu kolanowego mieści się po stronie wewnętrznej (przyśrodkowej) ustawienie szpotawe (Varus) 36

Staw kolanowy obciążenia Osiowe obciążenia przenoszone przez staw kolanowy podczas chodzenia w poziomie lub po schodach mogą być 1,3 raza większe od ciężaru ciał, podczas biegu ponad 2 razy. Przeciążenia stawu kolanowego bardzo często powodują uszkodzenia struktur kolana. Najczęściej uszkodzenia te wynikają z aktywności sportowej (ok. 60%). Około 44% stanowią uszkodzenia więzadeł; w dalszej kolejności uszkodzeniu lub zużyciu ulegają: łąkotka, torebka stawowa oraz chrząstka stawowa. 37

Staw kolanowy obciążenia Model obciążeń stawu kolanowego model Maqueta W biomechanice stawu kolanowego dominującym schematem obciążeń jest model opracowany przez Maqueta. Podczas stania na obu stopach, kolana są obciążone symetrycznie częścią masy ciała powyżej kolan (tj. ok. 85% masy ciała). Wypadkowe tych obciążeń przechodzą przez geometryczny środek kolana. Dla osoby o masie 70 kg oba kolana będą obciążone równomiernymi siłami ok. 292 N Podczas stania na jednej stopie, obciążenia kolana wynikają z oddziaływania masy całego ciała, bez uwzględnienia oddziaływania masy jednej nogi poniżej kolana (tj. ok. 93% masy całego ciała). 38

Staw kolanowy Degeneracja stawu kolanowego Przemieszczenie oddziaływania siły wypadkowej obciążającej staw w stronę przyśrodkową lub boczną. Rozpatrywanie zmian w biomechanice stawu, związanych z chorobowymi zmianami budowy geometrycznej kończyny dolnej tylko w jednej płaszczyźnie jest pewnym uproszczeniem. Prawidłowo siła wypadkowa przyłożona jest w punkcie znajdującym się w pewnej odległości od osi głównej kości piszczelowej w płaszczyźnie strzałkowej. Powoduje to powstawanie złożonego stanu naprężeń, w którym główną rolę odgrywają naprężenia gnące oraz ściskające. W przypadku zmian chorobowych powstają ponadto naprężenia skręcające, wynikające z przemieszczenia się siły obciążającej. 41

Staw kolanowy Kolano prawidłowo obciążone w staniu ma równomierny rozkład sił na obu kłykciach kości piszczelowej (bocznym i przyśrodkowym). Podczas chodu, na skutek reakcji podłoża, następuje fizjologiczne przeciążenie przedziału przyśrodkowego. Kolano szpotawe, obciążone w staniu, ma przeciążony przedział przyśrodkowy, podczas chodu naciski w nim się sumują. Z tego względu staw kolanowy ma większe predyspozycje do zaburzenia osi w ustawieniu szpotawym, niż koślawym. Nieleczone ustawienie szpotawe kolana powoduje degenerację stawu i w znacznym stopniu ogranicza możliwości lokomocyjne. Zaawansowane zmiany powodują bóle nie tylko wysiłkowe, ale również spoczynkowe. Dotyczy to głównie osób starszych. W połączeniu ze zmniejszającą się sprawnością ogólną utrudniają samodzielne funkcjonowanie. 42

Staw kolanowy 43

Staw kolanowy 44

U człowieka kręgosłup spełnia trzy podstawowe funkcje: Ochrona rdzenia kręgowego Narząd ruchu Narząd podpory ciała 45

- 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) 46

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 54

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 55

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 56

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 57

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 60

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) 61

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 62

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. 63

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. 64

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. 65

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% 66

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. 67

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. 68

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) 70

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. 71

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 %. 72

Zmiany ciśnienia w lędźwiowym krążku międzykręgowym L3-L4 w zależności od pozycji ciała in vivo 73

Zmiany ciśnienia w lędźwiowym krążku międzykręgowym L3-L4 w zależności od pozycji ciała in vivo 74

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). 75

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. 76

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 77

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 78

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) 81

Modele MES 83

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. 84

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. 85

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) 86

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. 87

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 88

Przepuklina (wypadnięcie) krążka międzykręgowego 89

Przepuklina (wypadnięcie) krążka międzykręgowego 90

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 91

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) 92

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. 94

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. 95

Wpływ pochylenia oparcia na ciśnienie w krążku międzykręgowym 96

Wpływ wygięcia pleców na ciśnienie w krążku międzykręgowym 99

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. 100

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? 103