biomechanika kliniczna
Biomechanika istoty ludzkiej jest to przeniesienie zasad mechaniki na prawidłowo funkcjonujący narząd ruchu zdrowego człowieka i jest częścią fizjologii ruchu.
Biomechanika kliniczna obejmuje zagadnienia mechaniki ciała ludzkiego w schorzeniach narządu ruchu i jest częścią patologii ruchu.
CELE I ZADANIA
Biomechanika kliniczna porównuje i analizuje ruch fizjologiczny i patologiczna oraz zjawiska podczas niego zachodzące. Biomechanika kliniczna bada zjawiska adaptacyjne i kompensacyjne narządu ruchu, przez co rozumie się swoista autokracje istniejących patologii.
Zajmuje się również możliwościami korekcji patologii poprzez ingerencje zewnętrzną
UKŁAD KOSTNY
W biomechanice znaczenie mają następujące cechy fizyczne kości:
Elastyczność i wytrzymałość (są one współzależne!)
Elastyczność decyduje o możliwości odkształcenia kości pod wpływem działania różnic kierunkowych sił, bez przerwania jej ciągłości,
moduł Younga
Ustalony dla tej cechy moduł elastyczności Younga, w której punktem odniesienia jest względna wytrzymałość struktury na rozciąganie, jest teoretyczną siłą, która działając na jednostkę przekroju poprzecznego, podwaja jego pierwotną długość.
ELASTYCZNOŚĆ A WYTRZYMAŁOŚĆ
Z tej definicji wynika, że moduł odnosi sie wyłącznie do wytrzymałości na rozciąganie.
Wytrzymałość określa wielkość siły, która działając na jednostkę przekroju poprzecznego powoduje złamanie kości.
RODZAJE SIŁ DZIAŁAJĄCYCH NA KOŚĆ
Na kość działają siły:
Ściskające (kompresja),
Zginające,
Skręcające oraz
Ścinające
Izolowane działanie poszczególnych rodzajów zdarzają się rzadko. Zarówno działanie sił fizjologicznych (ruch zamierzony, kontrolowany) jak również sił patologicznych (uraz, upadek ruch niezamierzony, niekontrolowany) są wypadkową tych sił.
STRUKTURA KOŚCI A JEJ FUNKCJE
Wewnętrzna struktura kości odzwierciedla działanie na nią sił fizycznych potwierdzając związek i zależność pomiędzy architektoniką kości i spełnianą przez nią funkcję.
Funkcją tą jest przenoszenie obciążeń statycznych i dynamicznych w zakresie jednej kości, jak również przekazywanie tych obciążeń na kości sąsiadujące poprzez połączenia stawowe i więzozrosty.
WOLF W 1870 ROKU
Przedstawił koncepcję przebudowy (reorientacji) układu beleczkowego kości gąbczastej pod wpływem zmieniających się warunków mechanicznych ucisku i rozciągania.
Koncepcja Wolfa po serii doświadczeń i obserwacji otrzymała ostateczną formę w roku1892.
PROCES ZMIANY KSZTAŁTU KOŚCI NAZYWANY JEST W BIOMECHANICE REMODELINGIEM
Kształt kości ulega samoistnym zmianom poprzez wchłanianie masy kostnej w miejscu ucisku (zanik) oraz jej nowotworzenie w miejscu rozciągania ( odkładanie się, nawarstwianie, pogrubianie). Procesy te zachodzą zarówno w stanach fizjologicznych (kształtowanie się kości rosnącej) jak i patologicznych (krzywica, osteoporoza, zmiany zwyrodnieniowe).
Prawa wzrostu są zasadą, nie są jednak regułą.
Według JORESA
Ucisk nie zawsze generuje wzrostu kości. Jeżeli ucisk jest nadmierny i stały lub gdy czas działania siły ucisku przekracza znacznie okresy bezuciskowe występują niekorzystne zjawiska hamujące. W efekcie mamy do czynienia z resorpcją i zanikiem tkanki kostnej.
REASUMUJĄC
Cykliczne działanie równoważonych sił nacisku wywiera korzystny wpływ na remodeling kości.
Nadmiernie zwiększone siły ucisku działające zbyt długo wywołują patologiczne reakcje zaniku kostnego.
NIE TYLKO UCISK MODELUJE KOŚĆ
Nie można pominąć zmian zachodzących w kości pod wpływem pociągania. Zmiana kształtu kości widoczna szczególniej w miejscach przyczepu mięśni zawiadujących ruchem kości tworzących długie dźwignie ( guzowatość piszczelowa, guz kości piętowej, guzowatość kości promieniowej).
FIZYCZNE WŁAŚCIWOŚCI CHRZĄSTKI
Chrząstka stawowa jest najczęściej i najbardziej obciążaną strukturą narządu ruchu. Jej główną funkcją jest stworzenie dla stawu gładkich powierzchni stawowych w całym zakresie ruchu jest poddawana siłom grawitacji oraz siłom wyzwolonym poprzez napięcie mięśniowe.
Skurcz mięśnia lub grupy mięsni wyzwala siłę rozdzielającą się na dwie składowe.
Jedna jest komponentą działającą pionowo do osi ramienia dźwigni wywołującej obrót- składowa obrotowa siły
Druga działa równolegle do osi ramienia dźwigni, ma większą wartość jednostkową i stabilizuje staw zwierając końce stawowe - składowa stabilizująca
KOMPRESJA CHRZĄSTKI
Jeżeli komponenta stabilizująca jest znacznie większa od obrotowej, powodującej ruch rejestrowany (widzialny), staje się oczywiste, że chrząstka stawowa zostaje poddana siłom ściskającym (kompresji).
OCHRONA CHRZĄSTKI
Przeciwdziałanie niekorzystnym efektom sił ściskających powodujących zużywanie się chrząstki, odbywa się na zasadzie zmian pól kontaktu powierzchni stawowych. Zmniejsza to lub eliminuje koncentrację sił na jednostkę jej powierzchni.
Klasycznym przykładem jest staw kolanowy przenoszący największe obciążenia. Podczas zginania w pierwszej fazie występuje ruch toczenia (kołyskowy) przechodząc stopniowo w ruch ślizgowy. W miarę zginania stawu zmniejsza się nacisk ciężaru ciała a aparat stabilizujący bierny i czynny przeciwdziała wystąpieniu patologicznemu, niekontrolowanemu ruchowi.
STABILIZACJA BIERNA
Więzadło krzyżowe przednie acl
Więzadło krzyżowe tylne pcl
Więzadło poboczne strzałkowe cll
Więzadło poboczne piszczelowe cml
Torebka stawowa
Zdrowe ( nieuszkodzone) więzadło i torebka stawowa to prawidłowa propriocepcja
STABILIZACJA CZYNNA DYNAMICZNA
Mięśnie grupy przedniej
Czterogłowy uda, krawiecki
Mięśnie grupy tylnej
Dwugłowy uda, półbłoniasty,
Półścięgnisty, smukły, podkolanowy
Mięśnie grupy bocznej
Napinacz powięzi szerokiej
GRUBOSC CHRZĄSTKI A FUNKCJA I RODZAJ RUCHU W STAWIE
Ewolucyjny rozwój szkieletu ukształtował w ten sposób powierzchnie stawowe, że w miejscu największej koncentracji sił warstwa chrząstki jest najgrubsza.
Przeciwieństwem jest zawiasowy staw łokciowy, w którym podczas ruchu ucisk chrząstki rozkłada się jednolicie a jej grubość jest niemal jednakowa na całej powierzchni.
Chrząstka składa się z komórek, włókien kolagenowych (fibrylli) i substancji hyalinowej.
Grubość chrząstki stawowej jest proporcjonalna do ciśnienia działającego na nią, ale jest odwrotnie proporcjonalna do kongruencji (przystawalności)
Z powierzchni stawowych kresa strzałkowa rzepki ma najgrubszą warstwę
ŚREDNIE FIZJOLOGICZNE PARAMETRY ODKSZTAŁCEŃ
Zdolność odkształcania ilustruje możliwość zmniejszenia jej grubości z 5 do 2, 5 mm oraz z 2, 5 do 1 mm bez utraty właściwości biologicznych i mechanicznych.
Moduł elastyczności chrząstki Raubera wytrzymałość na rozciąganie 0, 17 kg/ mm2. na skręcanie 0, 24kg/ mm2 na działanie sił ścinających 0, 35 kg/mm2 a na ucisk aż 1, 57 kg/mm2
ZNACZENIE ELASTYCZNOŚCI CHRZĄSTKI
Zdrowa chrząstka jest elastyczna, co zapewnia jej zdolności do rozciągania i poddawaniu sie uciskowi.
Można tu mówić o odkształceniach dynamicznych.
Ustanie działania siły przywraca chrząstce jej poprzedni kształt
Chrząstka jest doskonale elastyczna dla małych obciążeń i pod warunkiem, że nie działają one zbyt długo np. obciążenie 50-120 g/mm2 przez nie więcej niż 60 min. Umiejętność chrząstki do odkształceń dynamicznych umożliwia lepszy kontakt powierzchni staw poprzez zwiększenie powierzchni styku i optymalne rozłożenie sił ucisku.
PATOMECHANIKA MIĘŚNI
Funkcja mięśni może ulec zaburzeniu w dwóch przeciwnych kierunkach. Obniżenie aktywności (niedoczynność, hypoaktywność). Jest spowodowana zmianami chorobowymi, w wyniku, których dochodzi do upośledzenia unerwienia, lub zaburzone zostają procesy metaboliczne, odpowiedzialne za indukowanie prawidłowego napięcia mięśnia.
Przeciwny biegun to hiperaktywność (nadczynność), wynikająca najczęściej z nadmiernego pobudzenia.
PRZYCZYNY ZABURZEŃ
W patologii hipoaktywność występuje w miopatiach lub porażeniach neuropatycznych.
Hiperaktywność w porażeniach OUN i porażeniach rdzeniowych.
ZMĘCZENIE MIĘŚNIA
Każdy mięsień prędzej czy później ulega zmęczeniu i jego wydolność w warunkach fizjologicznych zależy od wytrenowania. Zwiększona pobudliwość mieści się w granicach normy, jeśli wynika z aktywnego pobudzenia jak również fizjologiczne jest zmęczenie mięśnia po wykonaniu określonej pracy, w którym wyczerpały się zapasy nagromadzonej energii.
W zdrowym mięśniu nadpobudliwość i zmęczenie są stanami odwracalnymi z zastrzeżeniem, że stworzone zostały warunki do regeneracji (odpoczynku) mięśni. Przedłużający się stan nadpobudliwości i zmęczenia przy dalszym obciążeniu może wywołać procesy patologiczne skutkujące nieodwracalnymi zmianami, manifestującymi się przykurczami. Początkowy niedowład (plegia) może przejść w porażenie (paresis).
ENERGIA MIESNIA
Źródłem energii kurczącego się mięśnia jest biochemiczna reakcja rozpadu glikogenu. Powstaje dwutlenek węgla i woda. Jest to reakcja, której towarzyszy wydzielanie ciepła. Proces ten jest równocześnie wykorzystywany przez organizm do magazynowania we włóknach mięśniowych dużej ilości energii w postaci fosforanów. Produkcja ich odbywa się z udziałem tlenu cząsteczkowego.
DŁUG TLENOWY
Reakcja ta wskazuje jak istotna role w metabolizmie mięśnia odgrywa prawidłowe stężenie tlenu w tkankach i jak negatywny wpływ na kondycje mięśnia ma dług tlenowy. Przy jego narastaniu o kontynuowaniu zdolności mięśnia do skurczu decyduje obecność w nim wysokoenergetycznych fosforanów.
Dług tlenowy mięśnia określa różnicę pomiędzy ilością zużytego tlenu podczas znacznego wysiłku a ilością zużytą w takim samym czasie w spoczynku mierzoną przed wysiłkiem. Przy dużym krótkotrwałym wysiłkiem czas potrzebny na uruchomienie mechanizmów bioenergetycznych nawet przy wystarczającym zaopatrzeniu w tlen, może być zbyt krotki. W tym momencie organizm musi zaciągnąć dług energetyczny, który wyrównuje po zakończeniu wysiłku.
Końcowym produktem przemiany glikogenu w mięśniu jest kwas mlekowy. Duże, długotrwałe wysiłki prowadzą do zaburzeń w jego resyntezie i wypłukiwaniu z mięśnia. W efekcie występują objawy zakwaszeni mięśnia.
RODZAJE ZMĘCZONEGO MIĘŚNIA
Biomechaniczne- kumulacja kwasu mlekowego i innych produktów ubocznych przemiany materii w stężeniu upośledzającym kurczliwość mięśnia
Fizjologiczne- zdolność do długotrwałego skurczu
Fizyczne- zdolność do wykonywania pracy i wydajność mięśnia
Objawy zmęczenia mięśnia to sztywność i bolesne skurcze
TYPY RUCHU STAWOWEGO
Ruch ślizgowy
Powierzchniowy- przesuwanie się obręczy barkowej z łopatką po ścianie klatki piersiowej. Może być prostolinijny, obrotowy lub być ich kombinacja. Rodzaj zależy od kierunku przemieszczenia ramienia. Ten typ ruchu ma miejsce w stawach międzykręgowych).
Liniowy- płytka wklęsła powierzchnia stawowa ślizgającej się kości przemieszcza się linijnie po większej wypukłej powierzchni kości tworzącej z nią parę kinematyczną.
Ten rodzaj ruchu występuje w stawach śródręczno – paliczkowych.
Ruch toczenia (kołyskowy)
W ruchu tym punkty o równej odległości na powierzchniach stawowych stykają się ze sobą sukcesywnie podczas wykonywania ruchu (zmiana położenia pary kinematycznej) W tym typie ruchu zawsze jedna powierzchnia jest wypukła a przylegająca do niej musi być wklęsła.
Ten typ ruchu z pewnym uproszczeniem występuje w pierwszej fazie zgięcia stawu kolanowego (15-20 stopni), jeżeli pominiemy nieznaczną rotację wewnętrzną.
Ruch toczenia połączony z ruchem ślizgowym
W stawie o tym typie ruchu kontaktowe punkty powierzchni stawowych o jednakowej odległości, na skutek przejścia jednego typu ruchu w drugi, stopniowo zanikają.
W stawie kolanowym ruch toczenia płynnie przechodzi w ślizgowy.
Ruch rotacji osiowej
W tym typie ruchu kontaktujące się powierzchnie stawowe są małe. Ich kontakt może być wręcz punktowy (staw promieniowo - ramienny). Podczas ruchu jedna powierzchnia wykonuje względem drugiej, tworzącej staw, ruch okrężny.
STOPNIE SWOBODY RUCHU
Do inżynierii wprowadził je Reuleax (1875)
Do biomechaniki zaadaptował je Fischer (1907).
W biomechanice stawu od Fick’a (1910) poprzez Steindlera (1977) jest szeroko stosowana do dziś.
JEDEN STOPIEŃ SWOBODY RUCHU
Występuje w stawach, w których ruchy mogą odbywać się wyłącznie wokół jednej osi lub w jednej płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu. Przykładem są stawy zawiasowe pozwalające na zgięcie i wyprost wokół ich osi poprzecznej. Każdy punkt na poruszającej się kości może poruszać się wyłącznie po wypukłej linii kolistej określającej jego drogę.
DWA STOPNIE SWOBODY RUCHU
Występuje w stawach, w których ruch jest możliwy wokół dwóch prostopadłych do siebie osi lub w dwóch płaszczyznach przebiegających przez środek stawu. W praktyce ruchy mogą zachodzić wokół każdej liczby osi czy w każdej liczbie płaszczyzn przechodzących przez środek stawu. Koordynacja składowych ruchu umożliwia wykonanie ruchu obwodzenia. Kość porusza się po pow. stożka a jej koniec porusza się po drodze okrężnej.
Staw śródręczno - paliczkowy ma dwa stopnie swobody ruchu czynne i jeden bierny. Podobnie w stawie nadgarstkowo- śródręcznym kciuka, stawie nadgarstkowym i kolanowym.
TRZY STOPNIE SWOBODY RUCHU
Mają stawy, w których ruch jest możliwy wokół trzech prostopadłych do siebie osi lub w trzech płaszczyznach przechodzących przez środek stawu. Należą do nich stawy kulisto-panewkowe. Odbywają się tu ruchy zgięcia - wyprostu, odwiedzenia - przywiedzenia oraz rotacji. W stawie biodrowym osie, (wokół których) i płaszczyzny, (w których) odbywa się ruch przechodzą przez środek głowy kości udowej. W stawie ramienno- łopatkowym nie.
Człowiek nie ma stawu, który ma więcej niż 3 stopnie swobody ruchu obrotowego. Trzy osie i trzy płaszczyzny są zamknięte w przestrzeni trójwymiarowej. Staw może jednak przemieszczać sie ruchem prostolinijnym bliższą do tułowia częścią pary kinematycznej. Daje to trzy stopnie swobody ruchu w trzech prostopadłych do siebie osiach lub płaszczyznach.
W narządzie ruchu człowieka ma to miejsce tylko w dwu przypadkach:
Staw barkowy-, w którym staw ramienno- łopatkowy przemieszcza się prostolinijnym ruchem ściany klatki piersiowej
Staw skroniowo- żuchwowy, w którym proste ruchy do przodu i tyłu łączą się z ruchami obrotowymi wokół trzech prostopadłych osi
Więcej stopni swobody ruchu mogą uzyskać poszczególne części ciała poprzez sumowanie się ruchów w dwóch lub więcej stawach. Nieustabilizowane obwodowo części łańcucha kinematycznego mają więcej stopni swobody niż segmenty bliższe.
ŁAŃCUCHY KINEMATYCZNE
Pojęcie łańcucha kinematycznego tak jak określenie stopni swobody ruchu zawdzięczamy Reuleaux (1875), który wprowadził je do inżynierii. W 1977 r. wprowadził je do biomechaniki Steindler.
DEFINICJA BIOMECHANICZNA ŁAŃCUCHA KINEMATYCZNEGO
Jest to kombinacja szeregu stawów łączących kolejne segmenty kostne będąca równocześnie złożoną jednostką motoryczną, zwaną również łańcuchem stawowym.
RODZAJE ŁAŃCUCHÓW KINEMATYCZNYCH
Otwarty łańcuch kinematyczny - w otwartym łańcuchu obwodowe segmenty kostne kończą się w przestrzeni wolno. W ciele człowieka są one najczęstsze. Przykładami są kończyny i kręgosłup.
Zamknięty łańcuch kinematyczny- obwodowe segmenty kostne są połączone, tworząc pierścień lub obwód zamknięty. W mechanice przykładem jest łańcuch do kół zębatych czy pas transmisyjny. W narządzie ruchu tworzą go miednica czy klatka piersiowa.
Steindler używa określenia łańcuch kinetyczny do sytuacji, w których staw obwodowy napotyka na opór zewnętrzny, co uniemożliwia lub utrudnia swobodny ruch. Mówimy, że łańcuch jest częściowo zamknięty, jeżeli opór może być przezwyciężony a obwodowa część stawu może się poruszać mimo oporu (pchanie, dźwiganie) lub gdy para kinematyczna zmienia położenie względem siebie nie przemieszczając się na obwodzie (podciąganie się na drążku)
Absolutnie (całkowicie) zamknięty łańcuch kinematyczny- mamy z nim do czynienia, jeżeli opór materii uniemożliwia wykonywanie jakiegokolwiek ruchu a pary kinematyczne pomimo wysiłku mięśniowego pozostają względem siebie w niezmiennej pozycji.
PRZYKURCZE STAWOWE
Wystąpieniem i narastaniem przykurczów zawiadują biologiczne i fizyczne prawa i dotyczą głównie fizycznych właściwości mięśni. Przykurcz jest procesem biernym i zawsze jest patologią. Powoduje zmianę naturalnej długości mięśnia.
RODZAJE PRZYKURCZÓW STAWOWYCH
Mięśniopochodne- występują przy braku równowagi dynamicznej, gdy chora jest grupa antagonistyczna
Neuropochodne- np. spastyczne z przewagą jednej grupy lub gdy grupa przeciwna jest w stanie porażenia wiotkiego
Strukturalne- zmiany chorobowe w strukturze samego mięśnia (blizny, zwłóknienia, zmiany zapalne)
Mieszane, będące kombinacją powyższych
POZA MIĘŚNIOWE PRZYCZYNY PRZYKURCZÓW
W etiologii przykurczów nie można pominąć przyczyn, jakimi są patologiczne zmiany około i śródstawowe, które mogą być przyczyną przymusowej pozycji stawu, bez istotnego udziału układu dynamicznego.