96 Rozdział 8 MODELE BIOMECHANICZNE WYBRANYCH STRUKTUR UKŁADU MIĘŚNIOWO- SZKIELETOWEGO Przedstawiono i opisano wybrane modele biomechaniczne takich struktur jak staw biodrowy, staw ramienny oraz kręgosłup. 8.1. Staw biodrowy Staw biodrowy jest jednym z ważniejszych elementów układu kostnego człowieka zapewniając odpowiedni zakres ruchów kończyn dolnych oraz pośrednicząc w przenoszeniu obciążenia z kręgosłupa, poprzez miednicę, na kości udowe. Jednocześnie jest to jeden z najbardziej eksploatowanych stawów nośnych. Ze względu na swoje funkcje, uszkodzenie stawu biodrowego może prowadzić do trwałego kalectwa. Narażony jest on na złamania (np. złamanie szyjki kości udowej), zmiany patologiczne (np. nadmierny przyrost tkanki kostnej na głowie kości udowej), czy choroby (np. zwyrodnienie stawu czy też osteoporoza). Procesy tarcia i zużycia, jakie zachodzą w stawie biodrowym, mają specyficzny charakter i nie znajdują repliki w rozwiązaniach technicznych. 8.1.1. Budowa i struktura stawu biodrowego Ten wieloosiowy staw jest stawem kulistym. Główkę stawową tworzy głowa kości udowej, stanowiąca 2/3 wycinka kuli (rys. 8.1, fot. 8.1). Głęboka panewka stawowa, utworzona przez kość miedniczną, otoczona jest obrąbkiem panewkowym, który ją znacznie pogłębia. a) b) Rys. 8.1. Budowa anatomiczna stawu biodrowego: a) widok z zewnątrz: 1. kość miednicza, 2. więzadło kulszowo-udowe, 3. więzadło biodrowo-udowe, 4. kość udowa; b) przekrój wzdłużny: 1. głowa kości udowej, 2. obrąbek panewkowy, 3. panewka, 4. więzadło głowy kości udowej, 5. włókna warstwy okrężnej, 5. szyjka kości udowej [100] Fot. 8.1. Zdjęcie radiograficzne stawu biodrowego [101]
97 Chrząstka stawowa nie pokrywa całej powierzchni panewki, tworzy jedynie powierzchnię księżycowatą leżącą przy brzegu panewki, otwartą ku dołowi i przodowi. Środek panewki jest bardziej zagłębiony, wobec czego między końcami chrząstki księżycowatej powstaje wcięcie, przez które przerzuca się więzadło poprzeczne panewki. Dno panewki jest wypełnione tkanką tłuszczową oraz więzadłem głowy kości udowej. Więzadło to wnika w głowę w miejscu dołka centralnego. Chrząstka głowy, jak i panewki w obrazie radiologicznym daje efekt szpary stawowej, której prawidłowa szerokość wg Huecka oceniana jest na 4 do 5 milimetrów [15]. Torebka stawu biodrowego jest gruba i bardzo mocna. Przyczepia się na kości miednicznej do brzegu panewki, na zewnątrz od obrąbka, na kości udowej przyczep torebki leży z przodu na krętarzu większym i kresie międzykrętarzowej, od tyłu zaś około 1,5 cm od grzebienia międzykrętarzowego, obejmując większą część szyjki kości udowej [6]. Torebka stawowa posiada silne więzadła wzmacniające ją i hamujące ruchy kończyny, odciążając w znacznym stopniu mięśnie. Największe napięcie torebki występuje w pozycji stojącej ciała, natomiast położenie spoczynkowe stawu występuje przy lekkim zgięciu, odwiedzeniu i obrocie na zewnątrz kończyny dolnej. Z tego powodu, np. przy zapaleniu stawu biodrowego, chory odruchowo układa kończynę w położeniu spoczynkowym, co zmniejsza dolegliwości bólowe. 8.1.2. Ruchy w stawie biodrowym Staw jest wieloosiowym, najbardziej ruchomym stawem kończyny dolnej. Odbywają się w nim ruchy w trzech zasadniczych płaszczyznach (rys. 8.2) oraz bardzo duża liczba rozmaitych ruchów w płaszczyznach dowolnych, przechodzących przez środek stawu. Teoretycznie więc staw biodrowy posiada nieskończoną liczbę osi, co w powiązaniu z bardzo rozbudowanym i skomplikowanym aparatem mięśniowym umożliwia człowiekowi wykonywanie precyzyjnych i płynnych funkcji lokomocyjnych. Podstawowe ruchy, to: prostowanie-zginanie (10 0-0 0-130 0 ), odwiedzenieprzywiedzenie (40 0-0 0-30 0 ) oraz obrót na zewnątrz-obrót do wewnątrz (50 0-0 0-400 0 ). a) b) c) Rys. 8.2. Ruchy w stawie biodrowym: a) zginanie i prostowanie, b) odwodzenie i przywodzenie, c) obrót na zewnątrz i obrót do wewnątrz [101]
98 Rolę środka smarującego w stawie biodrowym spełnia ciecz synowialna, o barwie jasnożółtej, która jest dializatorem plazmy krwi. W jej skład wchodzą makromolekuły hialuronowe, komórki cząstek tłuszczu oraz woda. Posiada własności cieczy Newtonowskiej o dużej lepkości. Rys. 8.3. Kość udowa [101] Kość udowa w swej środkowej części ma przekrój rurowy, co daje jej, przy tak niewielkim przekroju, duże własności wytrzymałościowe. W górnej części znajduje się głowa kości udowej, która zbudowana jest z kości zbitej, podobnie jak szyjka. Kość udowa jest bardzo skomplikowana przestrzennie, dlatego też opisując ją geometrycznie trzeba wprowadzić pewne parametry: kąt szyjkowo-trzonowy ( ), nachylenie osi trzonu ( ) i odległość środka głowy od osi trzonu (h) (rys. 8.3). 8.1.3. Obciążenie stawu biodrowego Obciążenia stawu biodrowego wynikające z aktywności fizycznej, a w szczególności chodu, są wynikiem całego szeregu oddziaływań zewnętrznych (np. siły grawitacji na ciało) i reakcji pochodzących od współdziałania elementów układu kostno-stawowego, układu więzadłowego i mięśniowego (siły wewnętrzne). Rys. 8.4. Udział masy ciała w obciążeniu stawu biodrowego podczas chodu [101]
99 Staw biodrowy przenosi siły statyczne i dynamiczne, a kąty ich działania zależą od fazy ruchu. Wg Bergmana [1], w poszczególnych fazach ruchu zmienia się wartość obciążenia stawu biodrowego. Przy użyciu specjalnego rodzaju implantów zaopatrzonych w czujniki oraz oprzyrządowania telemetrycznego, badali oni rzeczywiste siły działające na staw w stawie biodrowym podczas chodu (rys. 8.4). Podczas cyklu chodu, zmienia się zarówno wartość jak i kierunek działania siły obciążającej staw biodrowy [28]. Istnieje kilka modeli określających rozkład sił działających w stawie biodrowym. Najpopularniejszymi modelami są: model Pauwelsa [28], model Maqueta [19] oraz Będzińskiego [1]. Wszystkie przyjmowane modele charakteryzują pewne stany równowagi, z racji bardzo skomplikowanego układu biokinematycznego. Model Pauwelsa Jednym z pierwszych modeli obciążenia stawu biodrowego jest model Pauwelsa (rys. 8.5), w którym założono, że obciążenia powstające w trakcie stania na jednej kończynie dolnej (np. w fazie podporowej chodu) są jednymi z najważniejszych, jakie oddziaływują na staw biodrowy człowieka [28]. Rys. 8.5. Model obciążenia stawu biodrowego wg Pauwelsa [1] Model Pauwelsa zakłada równowagę momentów sił wokół środka kości udowej, która jest uważana jednocześnie za środek obrotu. Siły zewnętrzne, jakie działają na staw biodrowy, to w tym przypadku ciężar ciała (siła K), który jest równoważony przez napięcie mięśni odwodzicieli (M). Reakcja (R), powstająca na powierzchni stawowej głowy kości udowej, jest wynikiem obu powyższych oddziaływań. Model Maqueta Kolejny model został zaproponowany przez Maqueta, który odmiennie rozumiał oddziaływanie i funkcje pasma biodrowo-piszczelowego [19]. W modelu Maqueta przesuwa się ono swobodnie po powierzchni krętarza większego, powodując powstanie reakcji zwróconej prostopadle do powierzchni krętarza, w kierunku przyśrodkowym. Powoduje to zarówno zmianę proporcji sił powstających wokół stawu biodrowego, jak również kierunku i wartości reakcji obciążającej głowę kości udowej. Zarówno model Pauwelsa, jak i Maqueta, uwzględniają jedynie grupy mięśniowe oddziaływujące głównie w
100 płaszczyźnie czołowej, podczas gdy rzeczywista sytuacja jest bardziej złożona i obejmuje również oddziaływanie w pozostałych płaszczyznach podstawowego układu współrzędnych. Model Będzińskiego Model obciążenia stawu biodrowego Będzińskiego, który powstał na Politechnice Wrocławskiej, obejmuje poza wymienionymi grupami, również mięśnie rotujące kość udową względem miednicy (rys. 8.6). Model ten opisuje sytuacje bardziej złożone, niż symetryczne stanie na jednej nodze, np. wchodzenie po schodach lub stanie na jednej nodze, uwzględniając: oddziaływanie mas tułowia na główkę kości udowej (R), oddziaływanie mięśni odwodzicieli (M), oddziaływanie pasma biodrowopiszczelowego (T) oraz oddziaływanie rotatorów wywołujących skręcenie kości udowej (R u ). Rys. 8.6. Model obciążenia stawu biodrowego wg Będzińskiego [1] Autor modelu uważa, że z uwagi na złożoność układu przekazywania obciążeń, odtworzenie pełnego schematu sił i momentów, ich wzajemnej relacji w stawie biodrowym, jest w zasadzie niemożliwe [1]. Ponadto cechy osobnicze, wiek czy też płeć, uniemożliwiają ujednolicenie i schematyzację układu biokinematycznego. Współczesne metody numeryczne umożliwiają uzyskanie bardziej złożonych modeli obciążenia uwzględniających większość grup mięśniowych, biorących udział w przenoszeniu obciążenia oraz ruchu kończyny dolnej. Przykładem może być program Visible Human Projekt, pełen model kończyny dolnej, który umożliwia bardziej realistyczne określenie sił mięśniowych oraz reakcji w stawach zarówno w sytuacjach obciążenia statycznego jak i dynamicznego (rys. 8.7). Rys. 8.7. Model anatomiczny kończyny dolnej, Visible Human Projekt [102]
101 8.2. Staw barkowy Ramię jest jednym z najbardziej skomplikowanych systemów mięśniowo-szkieletowych ludzkiego ciała. Składa się z czterech elementów kostnych: tułów, obojczyk, łopatka i kość barkowa [15]. Jego ruchy są kontrolowane za pomocą 17 mięśni oraz ograniczone przez więzadła i połączenia pomiędzy tułowiem oraz łopatką, co daje w wyniku zamknięty mechanizm. Ważniejsze osiągnięcia w dziedzinie modelowania biomechanicznego ludzkiego ramienia obejmują [21]: 1) Prok i van der Helm (1991) - 3D model ramienia ze strukturami morfologicznymi mięśni i stawów. Ostatnio powiększono reprezentację ramienia o łokieć oraz połączenia przedramienia; 2) Happee (1992) badania nad sterowaniem mięśni ramienia oraz opracowanie nowej metody optymalizacji dla symulacji dynamiki odwróconej; 3) Rozendaal (1997) teoretyczne badania nad stabilnością stawu ramienia; 4) Stroeve (1998) użycie sztucznych sieci neuronowych do modelowania roli centralnego układu nerwowego w sterowaniu ruchem ramienia; 5) Brouwn (2000) eksperymentalny zapis danych podczas aktywacji mięśni ramienia; 6) Erwin de Vlugt (1998) użycie manipulatora 2DOF w celu odwzorowania dużej różnorodności warunków postaw i ruchu. Staw barkowy, w tym staw ramienny, stał się tzw. stawem lat dziewięćdziesiątych XX wieku. Dopiero bowiem wtedy, dzięki pracom naukowym, zaangażowaniu sprzętu wizyjnego (artroskopia) oraz symulacji komputerowych, zaczęto rozpoznawać złożony mechanizm stawu barkowego, jego kinematykę oraz patofizjologię. Uświadomienie sobie biomechaniki tego stawu jest podstawą do zrozumienia ruchów rzutowych czy płytkich, prowadząc również do ustalenia właściwych programów treningowych oraz rehabilitacyjnych. Opisując i poznając, jak np. poszczególne sekwencje ruchowe są wykonywane i jakie siły mięśniowe są zaangażowane w utrzymaniu stabilności barku lub jakie mechanizmy powodują jego destabilizację, można podjąć właściwe decyzje o postępowaniu leczniczym w patologii barku. 8.2.1. Budowa i struktura stawu barkowego Pas ramienia składa się z łańcucha zamkniętego i połączonego kinematycznie kości, które łączą górne ramię do tułowia. Cztery kości zawarte w zestawie ramienia to klatka piersiowa, obojczyk, łopatka i kość barkowa. Kości te są przeważnie modelowane jako sztywne segmenty pomiędzy następującymi ruchomymi połączeniami [6,15]: 1. połączenie mostkowo-obojczykowe, które wyraża obojczyk za pomocą jego bliższego końca w mostku;
102 2. połączenie wyrostka barkowego łopatki i obojczyka, które wyraża łopatkę za pomocą jej dalszego końca obojczyka; 3. połączenie panewka-kość barkowa, które umożliwia głowie kości barkowej na obrót w jamie panewkowej łopatki. Na czynność obręczy barkowej składają się cztery stawy: staw ramienny, staw barkowo-obojczykowy, staw mostkowo-obojczykowy oraz połączenie żebrowo-łopatkowe. Wszystkie te stawy, wraz z mięśniami, więzadłami i kaletkami, tworzą jednostkę ruchową umożliwiającą największy zakres ruchów spośród wszystkich stawów ciała. Osią tego ruchu jest punkt znajdujący się ok. 2.5 cm poniżej wyrostka barkowego w osi ramienia. Właściwy staw ramienny jest stawem kulistym, wolnym, składającym się z niewielkiej panewki oraz z powierzchni stawowej kości głowy ramiennej, stanowiącej wycinek kuli. Powierzchnię panewki, w celu zapewnienia stabilności bardzo płytkiego stawu, zwiększa obrąbek stawowy, czyli pierścień chrzęstny [6]. 8.2.2. Ruchy w stawie barkowym Prawidłowy ruch stawu barkowego jest uzależniony od elementów kostnych, więzadłowych oraz mięśniowych. Komponenty kostne są niewystarczające do uzyskania stabilności. Promień krzywizny głowy kości ramiennej jest około 3 razy większy od zagłębienia panewki. Geometria powierzchni panewki pozwala na uzyskanie niewielkiego podciśnienia wewnątrzstawowego i wzrost stabilności. Dużo większa stabilność uzależniona jest od położenia łopatki i jej panewki stawowej w stosunku do ruszającej się głowy [1]. Można to porównać do piłki balansującej na nosie foki. Aby opisać ruchy w stawie barkowym, na początku należy zdefiniować lokalny układ współrzędnych do przeprowadzenia analizy kinematycznej (rys. 8.8). Do utworzenia modelu biomechanicznego stawu barkowego należy wziąć pod uwagę następujące parametry wejściowe: obroty i pozycje klatki piersiowej, stopnie swobody opaski barkowej, obroty kości promieniowej, ruchy łokcia i przedramienia oraz obroty nadgarstka. Ys Ys Xs Xs AA Zs Zs Rys. 8.8. Definicja lokalnego układu współrzędnych w stawie barkowym [103] W stawie barkowym wykonywane są trzy podstawowe ruchy klatki piersiowej (rys. 8.9): obrót w tył (ang. backward rotation), skręcanie (ang. torsion) oraz ruch poprzeczny (ang. lateral rotation).
103 Yt Yt Zt Zt Yt Zt Xt Xt Xt Obrót w tył skręcanie Ruch poprzeczny Rys. 8.9. Obroty klatki piersiowej [103] Obojczyk wykonuje ruchy: wysuwania i cofania, podniesienia oraz obrót wokół własnej osi (rys. 8.10). Yc Zc Yc Zc Yc Zc Xc Xc Xc wysunięcie/cofnięcie podniesienie obórt wokół osi Rys. 8.10. Ruchy obojczyka [103] Rozważając kość barkową uwzględnia się następujące parametry: płaszczyzna podniesienia, kąt podniesienia oraz obrót osiowy (rys. 8.11). Yh Yh Yh Xh Zh Xh Zh Xh Zh płaszczyzna podniesienia kąt podniesienia obrót osiowy Rys. 8.11. Ruchy kości [103] Łopatka wykonuje ruchy wysuwania i cofania, obrót boczny oraz obrót w płaszczyźnie czołowej (rys. 8.12). Ys Ys Ys Zs Xs Zs Xs Zs Wysunięcie / cofnięcie Obrót boczny Ob. w pł. czołowej Rys. 8.12. Obrót łopatki [103]
104 8.3. Kręgosłup Mówiąc o kręgosłupie często ograniczamy nasze wyobrażenie na jego temat do kręgów i krążków międzykręgowych. Ale z punktu widzenia biomechaniki nie jest on narządem niezależnym od innych układów (rys. 8.13). Jego praca związana jest z budową oraz współpracą wiązadeł i mięśni bezpośrednio związanych z kręgosłupem i pośrednio współpracujących z kręgosłupem (prosty brzucha, skośny zewnętrzny brzucha, poprzeczny brzucha, czworoboczny lędźwi) [19]. Dodatkowo, kręgosłup wspomagany jest przez ciśnienie brzuszne. Rys. 8.13. Kręgosłup w trzech płaszczyznach [104] Przez wiele milionów lat, postawa człowieka dążyła do osiągnięcia postawy wyprostowanej. Kiedy właśnie kręgosłup przystosował się do takiej postawy, współczesny człowiek gwałtownie stara się zmienić jego przeznaczenie. Obecnie wymagamy od kręgosłupa, aby przystosował się raczej do pracy w pozycji siedzącej. Nawet praca fizyczna człowieka jest często wykonywana z krzywdą dla kręgosłupa (np. noszenie ciężkiej teczki na ramieniu). Kręgosłup stanowi ruchomy słup kostny, rozciągający się od podstawy czaszki do dolnego końca tułowia i położony jest w linii pośrodkowej po grzbietowej stronie ciała (rys. 8.14). Rys. 8.14. Kręgi kręgosłupa [104]
105 Kręgosłup spełnia trzy zasadnicze funkcje: chroni rdzeń kręgowy, stanowi narządu ruchu i jest podporą innych narządów ciała, tworząc jednocześnie podporę dla górnej części ciała, przez co budowa jego dolnych odcinków jest masywniejsza. 8.3.1. Budowa i struktura kręgosłupa W skład kręgosłupa (columna vertebralis) wchodzi 7 kręgów szyjnych (vertebrae cervicales), 12 kręgów piersiowych (vertebrae thoracicae), 5 kręgów lędźwiowych (vertebrae lumbales), pięć kręgów krzyżowych (vertebrae sacrales) oraz 4-5 kręgów ogonowych, czyli guzicznych (vertebrae coccygeae) (rys. 8.14) [23]. Z punktu widzenia biomechaniki, istotne znaczenie w pracy kręgosłupa mają jego wygięcia w płaszczyźnie strzałkowej, ponieważ to one są istotne w przenoszeniu obciążeń, a co się z tym wiąże, w ogólnej wytrzymałości struktur kręgosłupa oraz amortyzacji obciążeń dynamicznych. Kręgosłup posiada naturalne krzywizny w płaszczyźnie strzałkowej: przednie wygięcie kręgosłupa (lordoza szyjna - średnio 9 0 ), wygięcie klatki piersiowej, wklęsłe do przodu, (kifoza piersiowa - średnio 39 0 ), wygięcie lędźwiowe (lordoza lędźwiowa - średnio 57 0 ) (rys. 8.15) [6]. Fizjologiczne krzywizny kręgosłupa powodują, że jest on 17-krotnie bardziej wytrzymały niż taki, który byłby prosty. Jest to wynikiem skośnego ustawienia trzonów kręgowych, dzięki czemu siła nacisku rozkłada się na wysokości każdego kręgu na dwie składowe: siłę dociskającą trzon do przodu oraz siłę ścinającą, powodującą ześlizgnięcie się trzonu górnego z dolnego, czemu przeciwdziałają wyrostki stawowe oraz więzadła. Rys. 8.15. Naturalne krzywizny kręgosłupa [105] Kręgosłup połączony jest w części szyjnej z czaszką mieszczącą w sobie wiele ważnych i bardzo wrażliwych narządów takich jak mózg, ucho wewnętrzne, oko. Narządy te muszą być chronione przed nadmiernymi wstrząsami. Taką funkcje obronną spełnia dla nich kręgosłup, dzięki swojemu ukształtowaniu tzn. dzięki lordozie szyjnej, kifozie piersiowej i lordozie lędźwiowej. Taki sposób ukształtowania kręgosłupa powoduje, że jest on sprężysty, w którym rozkład sił osiowych jest dobrze rozmieszczony i przenoszony. Kręgosłup wykonuje ruchy w trzech płaszczyznach [1]: 1. strzałkowej zginanie i prostowanie w zakresie do 90 0. Wyrostki stawowe wykonują ruch poślizgowy, a trzon przesuwa się po osi, którą stanowi krążek międzykręgowy;
106 2. czołowej zginanie boczne w zakresie do 60 0. W tym ruchu największy udział mają trzeci i czwarty kręg lędźwiowy; 3. poziomej ruchy skrętne dookoła osi pionowej. Są one najmniej poznane. Przypuszcza się, że umożliwia je lordoza lędźwiowa, która zmieniając warunki przestrzenne, powoduje unoszenie kręgów w stosunku do siebie oraz ich obrót. Każdy krąg w kręgosłupie dzieli się na część przednią (trzon kręgu) i tylną (łuk kręgu) (rys. 8.16). Trzon kręgu ma kształt niskiego krążka z dwiema wklęsłymi powierzchniami po przeciwległych stronach, górnej i dolnej. Pomiędzy trzonem a łukiem znajduje się otwór kręgowy. Kręgosłup zbudowany jest z 24 takich kręgów nałożonych na siebie, a otwory każdego kręgu tworzą kanał kręgowy. W kanale kręgowym znajduje się część ośrodkowego układu nerwowego, zwana rdzeniem kręgowym. Łuk kręgu jest znacznie węższy od trzonu. Od łuku kręgu odchodzi siedem wyrostków: kolczasty, dwa wyrostki poprzeczne i dwie pary wyrostków stawowych: górne i dolne. Wyrostki stawowe służą do stawowego połączenia kręgów między sobą, natomiast wyrostki kolczaste i poprzeczne są miejscami przyczepów mięśnie i więzadeł. Rys. 8.16. Budowa kręgu [105] Do kręgosłupa doczepione są więzadła, które dzielą się na dwie grupy: rozciągające się pomiędzy sąsiednimi kręgami oraz więzadła biegnące wzdłuż całego kręgosłupa (rys. 8.17). Rys. 8.17. Więzadła kręgosłupa [105] Więzadła kręgosłupa to: 1. więzadła międzyłukowe (więzadła żółte) rozpinają się pomiędzy brzegami łuków kręgów. Tworzy je błona zbudowana z tkanki łącznej sprężystej. Wzmacniają torebki stawów międzykręgowych, przylegając bezpośrednio do ich tylnych powierzchni;
107 2. więzadła międzypoprzeczne - rozciągają się pomiędzy wyrostkami poprzecznymi. Najwyraźniej zaznaczone są w lędźwiowej części kręgosłupa. W części szyjnej są bardzo słabe lub wręcz ich nie ma. Tworzy je tkanka łączna włóknista; 3. więzadła międzykolcowe - przebiegają między wyrostkami kolczystymi kręgów i identycznie jak więzadła międzypoprzeczne, najlepiej zaznaczone są w strefie lędźwiowej kręgosłupa, słabiej w piersiowej, a najsłabiej w części szyjnej. W części szyjnej więzadło to przechodzi w silną błonę zwaną więzadłem karkowym. 8.3.2. Model biomechaniczny kręgosłupa Żeby zrozumieć biomechanikę kręgosłupa, należy uzmysłowić sobie, jak wiele sił działa na ten podstawowy narząd. Można zatem podzielić siły działające na kręgosłup na statyczne i dynamiczne. Do statycznych zalicza się (patrząc od góry) ciężar głowy, ciężar ramion, ciężar tułowia oraz momenty występujące, gdy zakłócimy symetrię strzałkową ciała, np. gdy jedna ręka jest wyciągnięta do przodu. Siły dynamiczne powstają podczas poruszania się. Występują tu siły bezwładności i odśrodkowe. Siłom tym przeciwdziałają, czyli równoważą je, mięśnie dynamicznie reagujące na zmiany obciążeń w kręgosłupie. Należy też zwrócić uwagę na fakt, że nieco inne siły działają na kręgosłup w pozycji wyprostowanej, a inne, gdy tułów pochylony jest do przodu. Kręgosłup jest w stanie przenosić bardzo duże obciążenia, od 4,5 kn ( 450 kg) dla trzeciego kręgu szyjnego C3, aż do 8,3 kn (830 kg) dla kręgu L4 [1]. Najnowszą techniką wyznaczania sił występujących w kręgosłupie jest komputerowa metoda elementów skończonych. Jest to metoda oddająca najbardziej przybliżony stan naprężeń i odkształceń w kręgosłupie. Taka analiza jest możliwa dzięki powstaniu nowych i bardzo szybkich komputerów. Kręgosłup, ze względu na nieizotropowe i niejednorodne własności mechaniczne kości, a także obecność mięśni, więzadeł i ciśnienia osmotycznego w dyskach, jest trudny do modelowania. Aby rozważyć system biomechaniczny układu kręgosłupa, należy wziąć pod uwagę: - strukturę kostną (kręgi i dyski), stawową oraz więzadłową; - układ mięśni, które bezpośrednio lub pośrednio współpracują z kręgosłupem; - system nerwowy pełniący rolę układu sterowania. Można utworzyć następujące modele biomechaniczne kręgosłupa: 1. model mechaniczny bez uwzględnienia elementów biologii, 2. model cybernetyczny z uwzględnieniem sterowania mięśniami, 3. model biocybernetyczny z uwzględnieniem specyfiki nerwowej człowieka. Po utworzeniu jednego z powyższych modeli można przeprowadzić analizę całego układu, przy stosowaniu uproszczeń, redukcji stopni swobody i uproszczenia struktury mięśni, lub analizę szczegółową wybranej części lub fragmentu kręgosłupa, ilościową lub porównawczą (np. wpływu deformacji kości). W modelowaniu kręgosłupa należy uwzględnić:
108 - anizotropowe własności mechaniczne kości, więzadeł i mięśni, z możliwością zmiany orientacji kierunku uprzywilejowanego; - parametry sztywnościowe kości, np. moduł Younga (ok.1.5 GPa), które są znacznie większe od parametrów sztywnościowych dysków, mięśni i więzadeł (0.1-1 MPa); - naprężenia w mięśniach powodowane zmianą odległości między przyczepami a skurczem (pobudzeniem) w kierunku włókien mięśniowych; - jądra miażdżyste dysków kręgowych, które są elementami prawie nieściśliwymi ( =0.5); - stawy międzykręgowe oraz klatki piersiowej stanowią istotne ograniczenie ruchów względem kręgów; - niezachowawcze ciśnienia (w jądrach dysków międzykręgowych, w jamie brzusznej); - obszar jamy brzusznej jest nieściśliwy, co jest uproszczeniem, ze względu na występujące w nim gazy. Kręgosłup jest bardzo silnym i odpornym na przeciążenia narządem układu szkieletowego człowieka. Jednakże i on często jest traktowany przez właściciela niewłaściwie i ulega uszkodzeniom. Aby zachować zdrowy kręgosłup, spełniający wszystkie swoje podstawowe funkcje, należy o niego dbać. A należy robić to w sposób następujący: nie obciążać kręgosłupa nadmiernymi siłami (przenosząc ciężary należy trzymać je jak najbliżej ciała, aby momenty sił powstające na ramionach były możliwie jak najmniejsze), należy utrzymywać mięśnie brzucha, klatki piersiowej i pleców w dobrym stanie, tak aby mogły one wspomagać pracę (przenoszenie obciążeń) kręgosłupa wywołując ciśnienie jamy brzusznej i piersiowej, a mięśnie pleców mogły służyć jako przeciwwaga dla mięśni brzucha i klatki piersiowej zapewniając równowagę momentów. Należy unikać "hodowania" tkanki tłuszczowej, szczególnie na brzuchu, która powoduje powstanie nowej siły oddalonej od kręgosłupa, a więc powstanie nowego momentu sił. Należy używać kręgosłupa, aby zgodnie z prawem Wolffa, nie zanikał. Należy poruszać się w miarę możliwości bezpiecznymi samochodami zapewniającymi duże bezpieczeństwo. Ćwicząc na salach gimnastycznych należy unikać niebezpiecznych przeciążeń i zbytnich przegięć kręgosłupa. Może wydać się to banalne, ale na prawidłowe funkcjonowanie kręgosłupa wpływ ma też sposób naszego odżywiania.