Biomechanika człowieka i kinematyka stawu kolanowego Człowiek- najlepsza inwestycja Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
1. Terminologia 2. Wstęp do biomechaniki człowieka 3. Kinematyka stawu kolanowego 4. Metody analizy biokinematyki 5. Analiza chodu 2
Terminologia Płaszczyzny ruchu: poprzeczna czołowa strzałkowa 3
Terminologia Pojęcia topografii anatomicznej: anterior/posterior przedni/tylni superior/inferior górny/dolny proximalis/distalis bliższy/dalszy medialis/lateralis przyśrodkowy/boczny 4
Wstęp do biomechaniki człowieka Biomechanika - zajmuje się opisem ruchu człowieka i zwierząt (biokinematyka) oraz zjawiskami ten ruch wywołującymi (biodynamika) Działy biomechaniki: biomechanika ogólna (General Biomechanics) biomechanika inżynierska (Biomechanics of Engineering) biomechanika medyczna i inżynieria rehabilitacyjna (Medical Biomechanics and Rehabilitation Engineering) biomechanika sportu (Biomechanics of Sport) 5
Biomechanika złamań Wstęp do biomechaniki człowieka Kość cechuje duża elastyczność zatem działające na nią siły nie prowadzą do złamania lecz do jej odkształcenia. Stosunek naprężenia do związanego z nim odkształcenia jest wartością stałą dla danego materiału (Skorko 1979). Im materiał bardziej sztywny tym moduł sprężystości wyższy. Jednak kość zachowuje elastyczność tylko w pewnym zakresie określonym jako strefa odkształcenia sprężystego po przekroczeniu którego następuje odkształcenie plastyczne i jeśli naprężenia przekroczą dozwoloną granicę plastyczności nastąpi złamanie kości. W przypadku kości strefa odkształcenia plastycznego jest bardzo niewielka. Podczas działania na kość obciążeniem gromadzi ona pewną ilość energii. Np. w przypadku szybkiego biegu kość pochłania więcej energii niż w przypadku biegu wolnego. Im więcej energii się zgromadzi tym większe będzie zniszczenie kości (Markel 1996). Rodzaj złamania zależy ponadto od kierunku działania siły. 6
Wstęp do biomechaniki człowieka Mechanizm kontroli ruchu zamiar ruchu Centrum Sterow ania: mózg impuls aktyw acji Napęd: muscles siła Maszyna: układ szkieletow y + obciążenie ruch Sensory: układ receptorów czucia 7
Wstęp do biomechaniki człowieka Dźwignie proste mechanizmy służące do zmiany wywieranej siły poprzez użycie odpowiedniego ramienia momentu siła (F) opór (R) ramię siły ramię oporu oś obrotu 8
Wstęp do biomechaniki człowieka Klasy dźwigni działających w człowieku: 1 klasy dźwignie obustronne 2 klasy dźwignie rzadko występujące u człowieka 3 klasy dźwignie najczęściej występujące i używane przez człowieka 9
Wstęp do biomechaniki człowieka Dźwignie 1 klasy: - mogą być oszczędnościowe i szybkościowe opór (R) siła (F) siła (F) opór (R) ramię siły ramię oporu ramię siły ramię oporu oś obrotu oś obrotu 10
Wstęp do biomechaniki człowieka Dźwignie 1 klasy: - przykład stawu szczytowo- -potylicznego siła opór oś obrotu 11
Wstęp do biomechaniki człowieka Dźwignie 2 klasy: - porównanie do taczki opór siła (F) ramię siły ramię oporu siła opór (R) oś obrotu 12 oś obrotu przykład wykorzystania tej dźwigni w stawie łokciowym dla mięśnia ramienno-promieniowego
Wstęp do biomechaniki człowieka Dźwignie 3 klasy: - najczęstsze dźwignie u człowieka - mało wydajne z powodu małego ramienia siły nieefektywne mechanicznie opór (R) siła (F) ramię siły ramię oporu oś obrotu 13 siła oś obrotu opór przykład wykorzystania tej dźwigni w stawie łokciowym dla mięśnia dwugłowego ramienia
Wstęp do biomechaniki człowieka Typy stawów (Fick 1904,1911): zawiasowy obrotowy kulowy elipsoidalny (kłykciowy) 14 siodełkowaty
Wstęp do biomechaniki człowieka Przykłady i rodzaje stawów: - ramienny staw kulisty wolny - biodrowy staw kulisty panewkowy 15
Wstęp do biomechaniki człowieka Przykłady i rodzaje stawów: - kolanowy staw dwukłykciowy lub dawniej staw zawiasowy zmodyfikowany udo kłykcie powierzchnie stawowe (boczne i przyśrodkowe) goleń model stawu 16
Wstęp do biomechaniki człowieka Rodzaje ruchów w stawach: obracanie toczenie ślizganie + połączone wzajemnie kombinacje 17
Budowa anatomiczna stawu kolanowego kość udowa rzepka kość piszczelowa kość strzałkowa kości kończyny dolnej 18 staw kolanowy
Budowa anatomiczna kość udowa koniec dalszy kłykieć boczny powierzchnia rzepkowa kłykieć przyśrodkowy nadkłykieć boczny nadkłykieć przyśrodkowy dół międzykłykciowy 19
Budowa anatomiczna kość piszczelowa koniec bliższy kłykieć przyśrodkowy (powierzchnia stawowa) guzowatość piszczeli wyniosłość międzykłykciowa kłykieć boczny (powierzchnia stawowa) głowa strzałki 20
Budowa anatomiczna rzepka powierzchnia przednia rzepki powierzchnia stawowa rzepki widok z przodu widok od tyłu 21
Budowa anatomiczna więzadła więzadło poboczne piszczelowe (przyśrodkowe) więzadło poboczne strzałkowe (boczne) więzadło krzyżowe tylne (PCL) więzadło poprzeczne kolana więzadło krzyżowe przednie (ACL) 22
Budowa anatomiczna łąkotki łąkotka przyśrodkowa łąkotka boczna 23
Budowa anatomiczna Mięśnie otaczające staw kolanowy od przodu mięsień napinacz powięzi szerokiej mięsień krawiecki mięsień prosty uda mięsień obszerny przyśrodkowy mięsień obszerny pośredni mięsień obszerny boczny warstwa powierzchowna warstwa głęboka 24
Budowa anatomiczna Mięśnie otaczające staw kolanowy od tyłu (górne) mięsień półścięgnisty mięsień smukły mięsień dwugłowy uda głowa długa mięsień dwugłowy uda głowa krótka mięsień półbłoniasty "gęsia stopka" widok od tyłu widok od strony przyśrodkowej 25
Budowa anatomiczna Mięśnie otaczające staw kolanowy od tyłu (dolne) mięsień podeszwowy mięsień podkolanowy mięsień brzuchaty łydki - głowa boczna mięsień brzuchaty łydki - głowa przyśrodkowa strona tylnia widok po odsłonięciu mięśnia trójgłowego łydki 26
Kinematyka stawu kolanowego Stopnie swobody i osie ruchu translacja przednia i tylnia rozciąganie nacisk 6 stopni swobody (DOF): -3 rotacje -3 translacje translacja boczna zgięcie wyprost i przyśrodkowa przywodzenie odwodzenie rotacja zew. i wewnętrzna 27
Kinematyka stawu kolanowego Zakresy praktycznego ruchu w stawie: - zgięcie/wyprost do 70 podczas chodzenia, do 160 w klękaniu - rotacja wewnętrzna i zewnętrzna - do 30 przy zgiętym kolanie tylko - przywodzenie/odwodzenie tylko kilka stopni pełen wyprost (z uwzgl. przeprostu) 0-5 10 mechanizm zaryglowania (screw home) 20 160 120 aktywny ruch pod kontrolą mięśni ruch pasywny (wymagający zewnętrznej siły) 28
Kinematyka stawu kolanowego Ruch w stawie jest kombinacją toczenia (początkowa faza), obrotu i ślizgania Przykłady możliwej współpracy stawu udowo-piszczelowego w różnych przypadkach: (A) tylko toczenie kość udowa wytacza się poza kolano przed zakończeniem zgięcia (B) tylko ślizganie kość udowa uderza w kość piszczelową (C) złożenie tych dwóch ruchów toczenia i ślizgania - daje rzeczywisty układ występujący w kolanie 29
Metoda symulacyjno doświadczalna - kinematyka stawu kolanowego Y Kość udowa x B o A... dl alfa Kinematyka stawu kolanowego Kość piszczelowa y Przykładowa trajektoria zakreślana przez punkt B O X 30
Kinematyka stawu kolanowego Przykładowe zakresy dla czynności: chodzenie 0-67 stopni wchodzenie po schodach 0-83 schodzenie ze schodów 0-90 siadanie 0-93 wiązanie butów 0-106 podnoszenie przedmiotu 0-117 [Nordin & Frankel, 1989]