Tezy do zaliczenia II semestru z biomechaniki klinicznej

Pytania do tezy 7: Równowaga ciała w warunkach statyki. Obciążenia statyczne w wybranych strukturach tkankowych człowieka.

7.1. Zdefiniuj związki pomiędzy równowagą (statecznością) ciała człowieka w statyce a: wielkością płaszczyzny podparcia, wielkością masy ciała, wysokością położenia ogólnego środka masy, kątami stabilności.

Ogólny warunek równowagi w statyce:

Σ P_i = 0 (suma sił)

Σ M_i = 0 (suma momentu sił)

Ogólnym warunkiem zachowania równowagi w statyce jest utrzymanie rzutu OSM (ogólnego środka masy) w obrębie płaszczyzny podparcia.

• Równowaga ciała jest wprost proporcjonalna od masy ciała

• Równowaga ciała jest wprost proporcjonalna do wielkości płaszczyzn podparcia

• Równowaga ciała jest odwrotnie proporcjonalna do wysokości położenia ogólnego środka masy od płaszczyzny podparcia

• Równowaga w danym kierunku jest wprost proporcjonalna do kierunku kąta stabilności

7.2. Scharakteryzuj znaczenie płaszczyzny podparcia w procesie równowagi. Podaj sposoby zwiększania płaszczyzny podparcia na kilku przykładach odnoszących się do rehabilitacji ruchowej (fizjoterapii) i sportu.

Warunkiem utrzymania równowagi w statyce jest utrzymanie OSM.

Równowaga jest wprost proporcjonalna do masy ciała i wprost proporcjonalna
do wielkości płaszczyzny podparcia, czyli im szerzej stoimy, tym większa równowaga ciała jest w równowadze, jeśli ogólny środek ciężkości leży prostopadle
do płaszczyzny podparcia. Ciało jest podparte wówczas, gdy ogólny środek ciężkości ciała znajduje się powyżej punktu podparcia. Przez ten punkt rozumiany punkt przyłożenia wypadkowej siły nacisku na podłoże, człowiek może być podparty
w jednym punkcie, stojąc na pionowo ustalonym pręcie w dwóch punktach- stoi na dwóch nogach.

Płaszczyzna podparcia ma ogromne znaczenie w procesie równowagi. To od jej wielkości zależy stabilność struktury naszego ciała. Płaszczyzna podparcia może być rozszerzona w każdym kierunku przez odwiedzenie, zgięcie lub wyprost w stawie biodrowym, co zmienia ułożenie kończyn dolnych. Przy staniu ze stopami złączonymi podstawą podparcia ciała jest powierzchnia dwóch podeszw, lecz przy rozstawieniu stóp podstawa ta rozszerza się, a jej powierzchnia na tyle wzrasta, że linia ciężkości trafia na nią. Jest to dalsza metoda dostosowania naszej niestabilnej struktury
do utrzymania postawy wyprostnej. W rehabilitacji bardzo ważne jest zwiększanie
tej płaszczyzny poprzez kule, balkoniki rehabilitacyjne lub trójnóg. A w sporcie
np. przez kijki do nart.

7.3. Wyjaśnij pojęcia : stabilności i równowagi.

Stabilność-zdolność do aktywnego przywracania typowej pozycji ciała w przestrzeni, utraconej w wyniku działania czynników destabilizujących. Czynnikiem destabilizującym może być własna aktywność ruchowa organizmu lub też siły zewnętrzne pojawiające się wskutek interakcji z otoczeniem.

Równowaga- to pewien określony stan układu posturalnego. Stan ten charakteryzuje pionowa orientacja ciała osiągnięta dzięki zrównoważeniu działających na ciało sił oraz ich momentów. Równowagę zapewnia układ nerwowy przez odruchowe napięcie odpowiednich grup mięśni nazywanych mięśniami posturalnymi lub antygrawitacyjnymi.

7.4 Scharakteryzuj metody oceny stabilności postawy. Scharakteryzuj proces analizy wychwiań.

• Posturogram- jest to przykład przemieszczeń środka nacisku stóp w czasie spokojnego stania. Kierunki na tej płaszczyźnie oznaczone są literami X i Y, przy czym X oznacza wychwiania w płaszczyźnie strzałkowej, a Y wychylenie boczne e płaszczyźnie czołowej. Do najczęściej analizowanych i chyba najbardziej wartościowych parametrów posturogramu należy długość drogi posturogramu. Droga, jaką przebywa środek ciężkości w czasie testu zależy od narzuconego czasu rejestracji oraz od szybkości ruchu COG w czasie próby. Zazwyczaj upośledzenie kontroli równowagi postawy stojącej przejawia się wydłużeniem tej drogi. Innym parametrem stosowanym do podstawowej oceny posturogramu jest zakres wychwiań w głównych płaszczyznach. Poszczególne zakresy definiowane są jako różnice pomiędzy skrajnymi odchyleniami środka ciężkości wzdłuż osi X lub Y. Jeśli kolejne skrajne punkty statokinezjogramu połączymy ze sobą liniami, otrzymamy wielobok o nieregularnym kształcie. Postawę stojącą człowieka przy standardowym podparciu dwunożnym cechują większe wychwiania w płaszczyźnie strzałkowej. Przemieszczenia COG w płaszczyźnie czołowej są znacznie mniejsza a wzrost niestabilności w tej płaszczyźnie jest zazwyczaj skutecznie kompensowany przez szersze rozstawiania stóp.

• Analiza rozkładu przestrzennego punktów ststokinezjogramu- w celu przeprowadzenia takiej analizy cały zakres wychwiań dzielimy na jednakowe komórki w kształcie kwadratu o boku 0,1-0,5mm. W trakcie badania rzut COG odwiedza każdy z tych kwadratów określoną liczbę razy . Na podstawie analizy tych wartości możemy zbudować histogram przestrzenny. Kształt histogramu pozwala ocenić, czy kontrola położenia referencyjnego COG, a tym samym pionowa orientacja ciała, jest prawidłowa. Takim wyznacznikiem prawidłowej kontroli jest zazwyczaj histogram o skupionym rozkładzie i ostrym maksimum. Upośledzenie kontroli powoduje, że histogram przestrzenny staje się rozmyty lub niesymetryczny.

• Ocena kontroli środka ciężkości ciała w czasie jego świadomego przemieszczania w wyznaczonym kierunku- sprowadza się do badania maksymalnego pochylenia całego ciała do przodu, przy czym ruch jest w zasadzie ograniczony do stawu skokowego.

• Test zasięgu funkcjonalnego Duncana- ocenia zakres maksymalnego wychylenia ciała do granicy stabilności. W tym teście stawiamy pacjenta bokiem do ściany z ręką wyciągniętą do przodu. Zaznaczamy na ścianie położenie dłoni i następnie prosimy osobę badaną o pochylenie się maksymalnie do przodu bez uginania bioder. Ponownie zaznaczamy położenie dłoni, a odległość między obydwoma położeniami dłoni nazywana jest zasięgiem funkcjonalnym. Zasięg ten jest miarą kontrolowanego przemieszczania się środka ciężkości ciała, a tym samym jest też zakresem stabilności postawy stojącej.

• Pomiar szybkości i zakresu ruchów dowolnych- Ruch poszczególnych części ciała, a szczególnie te wymagające dużej siły i o znacznej amplitudzie, powodują większe odchylenie COG w stosunku do położenia referencyjnego. W czasie wykonywania takich ruchów stabilność postawy jest ciągle zakłócana. Dlatego system kontrolujący postawę musi monitorować i korygować przemieszczenia środka ciężkości w czasie aktywności ruchowej, tak aby zapewnić maksymalną stabilność.

7.5. Scharakteryzuj zaburzenia stabilności postawy u ludzi w wieku starszym.

Procesom starzenia towarzyszy postępująca degradacja wszystkich systemów fizjologicznych. Z wiekiem następuje również stopniowe upośledzenie funkcji systemu ruchowego i posturalnego, od których wydolności zależy stabilność postawy. Głównym objawem niestabilności są zaburzenia równowagi, powodujące często tragiczne w skutkach upadki. Większość upadków u osób starszych występuje w czasie lokomocji. W takich warunkach przeważają upadki w kierunku do przodu, powodując najczęściej uszkodzenia kończyn górnych. Prawdopodobieństwo upadku do tyłu i na boki jest podobne. Mężczyźni częściej upadają w wyniku poślizgnięcia się. Wśród starszych kobiet przeważają upadki spowodowane potknięciem się i w konsekwencji upadają one do przodu. Upadek może spowodować poważniejsze urazy głowy, złamania, zwichnięcia i uszkodzenia tkanek miękkich. Złamania dotyczą zazwyczaj KKG, stawu biodrowego, żeber i kręgosłupa. W czasie upadku typową strategią obronna jest używanie KKG w celu ochrony głowy i tułowia. Wielkość i rodzaj urazu związanego z upadkiem wyznaczają dwie grupy czynników. Z jednej strony są to siła i związane z nią momenty podczas uderzenia o ziemię. Drugą grupę stanowi wytrzymałość tkanek na przeciążenia spowodowane upadkiem. Upadek można podzielić na dwie fazy : przeduderzeniową zwaną też fazą zstępującą, oraz zderzenie. Maksymalna siła zderzenia, a tym samym jej skutki, zależą między innymi od twardości podłoża, objętości tkanki miękkiej w obszarze zderzenia oraz kinematyki ciała. Nauczenie pacjenta, jak zachować się w czasie upadku pozwala mu na znaczne zredukowanie maksymalnego przeciążenia, a tym samym może zmniejszyć prawdopodobieństwo złamania KKG. Ugięcie KKG i stawów łokciowych pozwala łatwo zamortyzować siłę uderzenia.

7.6. Scharakteryzuj heurystyczne modele stabilności postawy.

Heurystyczny model stabilności człowieka- mechaniczna granica stabilności wyznaczona obwiednią stóp oddzielona jest od rzeczywistej granicy stabilności ( GS) marginesem bezpieczeństwa ( MB). Szerokość tego marginesu zmienia się z wiekiem oraz zależy od wydolności układu równowagi. W modelu tym przyjmuje się, ze układ nerwowy kontroluje stabilność przez kontrolę położenia środka ciężkości ciała. Kontrola ta ma inny charakter w każdym z dwóch obszarów położonych koncentrycznie wokół normalnego położenia środka ciężkości. W pierwszym z nich dowolna aktywność ruchowa powoduje odchylenie środka ciężkości od położenia referencyjnego, jednak obszar tych przemieszczeń jest minimalny dzięki automatycznym korekcjom posturalnym. Jednak środek ciężkości może się znaleźć w drugim obszarze nazywanym marginesem bezpieczeństwa. Wówczas przerywana jest aktywność ruchowa, a położenia COG jest korygowane przez realizację prostego programu ruchowego np. wykonanie kroku.

Model mechanicznej stabilności ciała człowieka- ciało reprezentowane jest przez bryłę sztywną w kształcie walca, którego stabilność statyczna zależy od masy i wysokości położenia środka ciężkości oraz od powierzchni podparcia.

7.7. Scharakteryzuj interakcje posturalno-ruchowe i strategie przywracania równowagi posturalnej.

Interakcja posturalno ruchowa

Możemy wyróżnić antycypacyjną i reaktywną korekcję postawy.

Korekcja antycypacyjna - w kontroli stabilności postawy obserwuje się więc przestawienie ze sterowania równoległego na kontrolę sekwencyjną. Następuje rozbicie w wymiarze czasowym aktu ruchowego na składowe posturalne i ruchowe. Ponieważ kontrola stabilności postawy dotyczy przede wszystkim tułowia, antycypacyjne korekcje posturalne wykonywane są jeszcze przed rozpoczęciem zasadniczego aktu ruchowego. Np. w czasie ruchu wznoszenia ramion do przodu jako pierwsza pojawia się aktywność mm. nóg, dzieki czemu wstępnie korygowane jest połozenie środka ciężkości ciała. Po nim z opóźnieniem 50-100 ms pojawia się aktywność mm. ramion związanych z wykonaniem właściwego ruchu.

Korekcja reaktywna- wykazuje inne właściwości biomechaniczne w porównaniu z korekcjami antycypacyjnymi. Korekcje reaktywne działają w pętli sprzężenia zwrotnego. Krótkie fazy naprzemiennej aktywności mięsni posturalnych i mięśni realizujących właściwy ruch są charakterystyczne dla tych korekcji. Korekcje te są realizowane na bieżąco w czasie wykonywania ruchu.

Strategie przywracania równowagi posturalnej:

1. Odzyskanie równowagi obserwuje się w czasie nieznacznego zaburzenia równowagi osoby stojącej na sztywnym podłożu. W tym przypadku w czasie odzyskiwania równowagi występuje charakterystyczna sekwencja rozpoczynająca się skurczem mięśni stawu skokowego. Sekwencję tę nazwaną strategią stawu skokowego.

2. Strategia przywracania równowagi pojawia się u osób stojących na wąskim podłożu. W tej sytuacji działanie takiego samego bodźca wywołującego utratę równowagi kompensowane jest za pomocą sekwencji aktywności mięśniowej, rozpoczynającej się w mięśniach ud i tułowia i przenoszącej się w dół na dalsze mięśnie KKD. Jest to strategia stawu biodrowego.

3. Strategia kroku obserwowana jest w przypadku działania znacznego bodźca destabilizującego i polega na wykonaniu wykroku powstrzymującego ciało przed upadkiem.

7.8. Oblicz obciążenie pochodzące od statycznego momentu siły ciężkości segmentów ciała lub kończyny( górnej /dolnej) w wybranych ustawieniach kątowych ciała- kończyn.

Pytania do tezy 8: Biomechaniczna interpretacja postawy ciała.

8.1. Scharakteryzuj pojęcie postawy ciała człowieka. Omów podstawowe etapy kształtowania się postawy w ontogenezie człowieka.

„Z biomechanicznego punktu widzenia postawa ciała człowieka to ustawienie poszczególnych segmentów ciała względem siebie oraz względem wektora siły ciężkości podczas nie wymuszanej pozycji stojącej”.

Postawa człowieka nie jest stała w ciągu całego jego życia, lecz ulega zmianom
od urodzenia aż do śmierci. Człowiek po urodzeniu powoli i stopniowo „prostuje się”
ze zgięciowej postawy ciała, jaką posiadał jako zarodek ludzki w łonie matki wszelkie bierne rozciąganie jest szkodliwe (zwłaszcza dla stawów biodrowych). Z chwilą, gdy dziecko jest zdolne obrócić się na brzuszek i zaczyna czynnie wstawać wykształca się szyjna. Gdy dziecko zaczyna wstawać wykształca się lordoza lędźwiowa.
W miarę dorastania dziecka stopniowo rozwija się wygięcie przednio- tylne kręgosłupa i dopiero w 18- 20 r.ż. osiąga ono postawę uznaną za prawidłową
dla człowieka dorosłego. Z chwilą ukończenia wzrostu postawy ciała człowieka utrzymuje się ona tak przez większą część życia (wyłączając jakieś urazy
czy schorzenia). Dopiero na skutek starzenia się powstają zmiany wsteczne (najczęściej zwyrodnieniowe w stawach kręgosłupa i kończyn dolnych). Postawa zmienia się, znacznie zwiększa się kifoza piersiowa, głowa wysuwa się do przodu. Kończyny dolne ustawiają się w zgięciu w stawach biodrowych i kolanowych.

8.2. Scharakteryzuj biomechaniczną interpretację postawy ciała zwracając uwagę na strategię równoważenia momentów sił ciężkości przez momenty sił mięśniowych.

Z punku widzenia biomechanicznego, strategia sterowania postawą ciała polega
na równoważeniu momentów sił pochodzących od ciężarów segmentów ciała momentami sił odpowiednich grup mięśniowych działających na poziomach tych segmentów.

Metodą składania sił lub momentów sił można określić środki ciężkości dowolnej masy ciała, leżącej powyżej danego stawu i tym samym obliczyć w różnych typach postaw momenty sił ciężkości oraz równoważące je momenty sił mięśniowych
w danym stawie. Do przodu od osi obrotu w stawach szczytowo- potylicznych działa ciężar głowy, której środek ciężkości oznaczamy Q₁. W celu zachowania równowagi muszą działać na ten staw prostownik głowy oznaczone m₁ znajdujące się w tyle
od dawnej osi obrotu.

Analogicznie jest ze środkiem ciężkości rąk, głowy Q₂- ciężar ten równoważą mm. Grzbietu m₂.

W postawie prawidłowej środek ciężkości głowy, kończyn górnych i klatki piersiowej Q działających na odcinek lędźwiowy jest równoważony mm. brzucha
i prostownikami grzbietu w odcinku lędźwiowym. W tej prawidłowej sylwetce postawę utrzymują prostowniki i zginacze stawu biodrowego, gdyż rzut siły ciężkości
Q przechodzi przez oś obrotu. Natomiast w złej postawie rzut ten przechodzi do tyłu
od osi. Powstały moment obrotowy równoważą zginacze stawu biodrowego,
w stawach kolanowych i skokowych rzut środka ciężkości całego ciała przechodzi
do przodu od osi obrotu. Zmusza to do pracy zginacze stawów kolanowych
i zginacze podeszwowe stawów skokowych.

8.3. Wyjaśnij, dlaczego dla prawidłowej postawy tak ważna jest kontrola masy ciała (unikanie nadwagi) oraz siła i wytrzymałość mięśni? Wskaż, które zespoły mięśniowe są „kluczowymi” w tym procesie.

Dla prawidłowej postawy niezmiernie ważna jest kontrola masy ciała, siła
i wytrzymałość mięśni. Nadwaga ujemnie wpływa na stawy, narządy wewnętrzne
i ogólną postawę ciała. Przy tym zmienia się środek ciężkości, co wpływa
na zwiększenie płaszczyzny podparcia człowieka- nierównomiernie rozłożenie masy ciała, zmiana krzywizny kręgosłupa, przodopochylenie miednicy powoduje przeciążenie stawów kończyn dolnych (nogi ustawione są w pewnym odwiedzeniu, aby zwiększyć płaszczyznę podparcia. Często dochodzi do nóg szpotawych
lub też koślawych). Siła mięśni, aby utrzymać całą sylwetkę w prawidłowy sposób. Niezmiernie ważna jest siła kluczowych mięśni podtrzymujących prawidłową postawę tj. mm. grzbietu, brzucha i barku i pośladków, ich osłabienie sprzyja wadom postawy (są cztery podstawowe wady). Wytrzymałość tych mm. jest równie ważna, co ich siła, ze względu na konieczność utrzymania prawidłowej postawy przez dłuższy czas.
Aby utrzymać prawidłową postawę ciała należy, więc kontrolować wagę, wzmacniać mm. utrzymujące ją, nie dopuszczać do przykurczy.

Postawa człowieka jest wyrazem jego stanu fizycznego i psychicznego- dobra postawa zależy od:

• prawidłowo ukształtowanego układu kostno- więzadłowego

• dobrze rozwiniętego układu mięśniowego

• sprawności układu nerwowego

Oprócz tego mięsień przystosowany jest morfologiczne:

• budowa dla siły- krótkie, liczne włókna o pierzastym układzie

• budowa dla szybkości- długie i mniej liczne włókna mięśniowe o równoległym układzie.

Mechaniczne przystosowanie mięśnia:

• dla siły- przyczepy w większej odległości od środka ruchu, większe ramię dźwigni

• dla szybkości- przyczepy w bliższej odległości, krótsze ramię dźwigni

Do mm., które mają bezpośredni wpływ na postawę ciała należą: mm. grzbietu,
mm. pośladkowe (wielki i średni) oraz mm. brzucha. Aby nasza postawa ciała była prawidłowa powinniśmy prowadzić aktywny tryb życia, a tym samym nie dopuścić
do nadwagi. Bardzo ważna jest kontrola masy ciała, ponieważ jeśli nasza waga będzie prawidłowa nasz organizm „nie odczuje” znacznego przeciążenia nadmierną tkanką tłuszczową.

W przypadku otyłości nie tylko nasze poczucie fizyczne i psychiczne będzie w złej „formie”, ale przede wszystkim nasz kręgosłup, który jest trzonem postawy. Mimo,
iż nasz kręgosłup jest odporny na wiele urazów to jednak nie możemy zapominać, aby kontrolować naszą masę ciała, ponieważ nasz kręgosłup, do którego przyczepiają się ważne mięśnie nie będzie w stanie funkcjonować w prawidłowy sposób.

Nadmierna otyłość nie tylko obciąża kręgosłup, ale także wpływa na płasko- koślawe ustawienia stóp.

8.4. Wyjaśnij biomechaniczny sens stosowania „pajączka” do korekty prawidłowej postawy ciała. Zinterpretuj rolę pętli sprzężenia zwrotnego „biofeedback” w tym procesie.

Mówiąc o stosowaniu „pajączka” do korekty prawidłowej postawy ciała mamy
na myśli oddziaływanie w tym procesie układu zamkniętego, czyli sprzężenia zwrotnego. Zadanie ruchowe odbywa się na tyle długo, że korekta sygnału
jest możliwa. W takim układzie poza sygnałem sterującym od układu sterującego
do układu sterowanego powstaje sygnał zwrotny. Mówimy wówczas o sprzężeniu zwrotnym, ta regulacja ma na celu adaptację sygnału sterującego, do zakłóceń, jakie są na wyjściu. Wówczas korygujemy naszą postawę starając się o najmniejszy margines błędu (odchylenia) od zamierzonego celu. Jeżeli nasza postawa stosując „pajączka” jest nieodpowiednia wówczas zostaje wysłana korekta w postaci dźwiękowej i natychmiast minimalizujemy to odchylenie. Gdy nauczymy
się „trzymania” prawidłowej postawy wówczas możemy korygować naszą postawę bez potrzeby używania „pajączka”.

Sprzężenie zwrotne→ to regulacja, która ma na celu pewną adaptację sygnału sterującego do zakłóceń, jaka jest na wyjściu albo korygujemy kolejny sygnał, albo zmieniamy program w stosunku do zaistniałej sytuacji, starając się o najmniejszy margines błędu (odchylenia) od zamierzonego celu.

• dodatnie→ oznacza, że każda kolejna poprawka wzmacnia sygnał pierwotny

• ujemne→ zapewnia homeostazę. W tym przypadku mamy ciągłe porównanie sygnału wyjściowego z żądanym i w komparatorze formułowane jest wzmocnienie lub osłabienie sygnału.

Dziecko, gdy siedzi, je, czy odrabia lekcje przyjmuje nieprawidłową postawę,
a pajączek ma mu o tym przypominać.

Warunkiem prawidłowego zastosowania jest dopasowanie pajączka: umiejętności przyjęcia przez dziecko prawidłowej postawy.

Podsumowanie:

• „pajączka” generalnie stosuje się u dzieci w celu przypomnienia im o prawidłowej pozycji pleców w każdej pozycji

• gdy dziecko się bawi, uczy i je posiłek przy stole- często zapomina o prostych plecach, a „pajączek” ma mu o tym przypominać sygnałem dźwiękowym

• gdy dziecko przyjmuje postawę zgarbioną sygnał dźwiękowy przypomina
  mu o wyprostowaniu się

• jeżeli pajączek jest odpowiednio dopasowany, dziecko wie, jaka postawa
  jest prawidłowa, to rola „pajączka” się sprawdza, gdyż po sygnale dziecko prostuje się

• rola pętli sprzężenia zwrotnego „biofeedback” w tym procesie jest przewodzącą, gdyż przy przyjęciu złej postawy- nieprawidłowej- następuje sygnał dźwiękowy, który nakazuje dziecku powrót do prawidłowej postawy

Pytania do tezy 10: Biomechanika chodu

10.1. Zdefiniuj pojęcie chodu i scharakteryzuj strukturę biokinematyczną chodu standardowego: fazy i okresy cyklu, trajektoria OSM, mechanizm zapoczątkowania chody wyrażony w zmianie położenia OSM

Chód jest lokomocją polegającą na przemieszczaniu masy ciała, skupionej w środku ciężkości wzdłuż drogi wymagającej najmniejszego wydatku energetycznego.

Chód człowieka jest formą lokomocji, w której funkcję podporowo- napędową spełniają kończyny dolne, pewną zaś rolę równoważną dla ich pracy- kończyny górne.

Praca kończyn jest na przemian stronna, a ruchy cykliczne- tj. określone fazy ruchów powtarzają się.

Celem chodu jest przemieszczanie ciała człowieka, natomiast jego struktura: kinematyczna i dynamiczna powinny się tak kształtować, aby lokomocja była możliwie ekonomiczna.

Chód charakteryzuje symetryczne poruszanie nogami. Składowa pionowa siły odbicia (reakcji) jest mniejsza od ciężaru człowieka, dlatego też w chodzie
nie występuje faza lotu.

Ekonomiczny chód obserwujemy przy częstotliwości 90- 110 kroków na minutę. Wówczas składowa pionowa siły reakcji mieści się w przedziale (0,8- 1,2Q), gdzie
Q- ciężar ciała, a przy częstotliwości 195- 200 kroków min. Składowa pionowa siły reakcji przekracza wartość 2Q i chód przechodzi w bieg.

CYKL CHODU

(100%)

FAZA PODPORU FAZA WYMACHU

(60%) (40%)

podpór piętą podpór podpór okres okres okres

środkowy przodostopia przeniesienia przyspieszenia hamowania

Ogólny środek ciężkości ciała zlokalizowany jest w odległości 2 cali tj. ok. 5cm
do przodu od drugiego kręgu krzyżowego.

Przemieszczenie OSM w trzech płaszczyznach:

a) pł. pozioma b) pł. strzałkowa c) pł. czołowa

Podczas normalnego chodu przesuwa się on nie więcej niż 5cm w kierunku pionowym amplitudy OSM- płaszczyzna pionowa na 5cm.

Wahania środka ciężkości wykazują, że porusza się on po łagodnej krzywej sinusoidalnej w trakcie propulsji ciała do przodu.

Struktura kinematyczna chodu standardowego

a) podpór pojedynczy

• początek wymachu

• wymach środkowy

• zakończenie wymachu

b) podpór podwójny

• podpór piętą

• moment obciążenia

c) podpór pojedynczy

• podpór środkowy

• zakończenie podporu

d) podpór podwójny

• poprzedzenie wymachu

10.2. Scharakteryzuj strukturę biokinematyczną chodu standardowego: koordynacja N/M wybranych zespołów mięśniowych, dynamiczna reakcja podłoża („dynamika odbicia”).

Z chwilą odbicia włączą się mięsień czworogłowy uda zużywając ok. 40% swej energii zasila zgięcie biodra i nadaje nodze pierwszy impuls. Podczas nagłego skręcenia uda na zewnątrz dołączają się mięśnie przywodziciele. Grupa prostowników (piszczelowy przedni, prostownik długi palców i prostownik długi palucha) zabezpieczają palce przed zaczepieniem o podłoże.

Bezpośrednio przed zetknięciem pięty z podłożem grupa mięśni kulszowo- goleniowych stabilizuje kolano. Gdy ciężar ciała przenosi się na nogę działa na nią grupa przywodzicieli, prawie natychmiast grupa odwodzicieli stabilizuje miednicę względem uda. Równocześnie włącza się mięsień pośladkowy, prostując biodro
i zmniejszając rotację wewnętrzną uda. Grupa prostowników, która w fazie wykroku jest wydłużona hamuje stopę, zapobiegając jej zahaczeniu o podłoże. W tym czasie przystępuje do pracy mięsień czworogłowy uda. Łagodzi on uderzenie pięty
o podłoże i przejmuje ciężar ciała, po czym doprowadza kolano do wyprostu.
Gdy człowiek zaczyna stawiać kroki do przodu mięsień prostownik grzbietu i mięśnie odwodziciele oda kontrolują pochylenie miednicy do przodu i utrzymują wyprostną postawę. Podczas pełnego podporu ustaje wszelka aktywność mięśni za wyjątkiem mięśni łydki, które zaczynają pracę w tej fazie. Ich działanie jest największe tuż przed odbiciem. Zginacze podeszwowe stopy wykazują największą aktywność podczas podporu przodostopia. Zginacze grzbietowe- ich aktywność rozpoczyna
się przed fazą podporu. Związane jest to z kontrolą położenia stopy,
aby nie zahaczać o podłoże (praca koncentryczna).

Główna praca mięśni w chodzie prawidłowym zaczyna się w ostatnich 10% fazy wykroku. Polega ona na hamowaniu, za które są odpowiedzialne w kolejności mięśnie kulszowo- goleniowe, prostownik grzbietu, zginacze podeszwowe stopy, odwodziciele uda, mięsień pośladkowy wielki i czworogłowy uda.

Koordynacja nerwowo- mięśniowa zespołów mięśni charakteryzuje się tym, że:

1. maksymalne pobudzenia mięśni są krótkotrwałe

2. mięsnie pracują fazowo

3. narost aktywności jest szybki

4. są długie okresy ciszy bioelektrycznej

5. mięśnie pracują koncentrycznie i ekscentrycznie

6. aktywność mięśni pojawia się przed początkiem fazy i kończy się przed końcem fazy→ mięśnie pracują na granicy faz

10.3. Scharakteryzuj determinanty chodu.

1. Skręt miednicy w płaszczyźnie poziomej

W chwili wysunięcia nogi wykrocznej do przodu miednica podąża za tym ruchem
i wychyla się nieco w tym kierunku. Wykonuje ona zatem w płaszczyźnie poziomej skręt o około 4° do przodu i o około 4° do tyłu, czyli razem o około 8°. Ruch odbywa się w obu biodrach. Wskutek ruchu miednicy udo nogi przejmującej ciężar ustawia się w rotacji na zewnątrz w stosunku do miednicy, a udo nogi podpierającej w rotacji do wewnątrz. Skręcenie się miednicy wydłuża krok.

2. Pochylenie miednicy w płaszczyźnie czołowej

Równocześnie z uniesieniem nogi w chwili rozpoczęcia wykroku miednica po stronie wykrocznej nieco obniża się, wskutek czego po stronie podporu powstaje przywiedzenie a po stronie wykroku- odwiedzenie uda. Pochylanie miednicy
po stronie wykrocznej zmusza kolano do zgięcia, co chroni stopę przed zaczepieniem palcami o podłogę. Dzięki przechyleniu miednicy unoszenie środka ciężkości zostaje zredukowane o połowę.

3. Zgięcie kolana w fazie podporu

W fazie podporu, gdy stopa styka się z podłożem, kolano jest wyprostowane, potem zgina się pod kątem około 15°, aż stopa oprze się całą podeszwową stroną
o podłogę i następuje jego całkowity wyprost. Zgięcie kolana w chwili, gdy ciężar ciała przenosi się do przodu ponad nogą podpierającą redukuje wysokość unoszenia środka ciężkości ciała. Wygładza to linię przebiegu środka ciężkości.

4. Ruchy stopy i stawu skokowo- goleniowego

Gdy pięta nogi wykrocznej styka się z podłogą, stopa jest zgięta grzbietowo. Zaraz potem zgina się podeszwowo, opiera o podłoże i ustala.

Goleń wraz z kostkami zakreśla łuk ponad piętą. Następuje moment pełnego obciążenia stopy i zaczyna się unosić pięta. Ruch odbywa się wokół osi obrotu mieszczącej się na przodostopiu.

5. Ruch kolana

Kolano zgina się zaraz po zetknięciu pięty z podłożem, gdy kostki unoszą się, zakreślając łuk ponad stępem oraz po raz drugi, gdy pięta zaczyna odrywać się od podłoża, a stopa przygotowuje się do odbicia. Czyli kolano zgina się zawsze wtedy, gdy funkcjonalna długość kończyny zwiększa się w wyniku unoszenia kostki. Ruch kolana i stopy są ze sobą sprzężone. Zgięcie kolana amortyzuje funkcjonalne wydłużenie, które spowodowałoby niekorzystne zwiększenie amplitudy ruchu środka ciężkości w górę i w dół.

6.Ruchy boczne miednicy

Naprzemienne przekładanie masy ciała z jednej nogi na drugą powoduje przemieszczanie się miednicy na boki. Boczne ruchy miednicy wiążą się z rotacją miednicy (wyznacznik 1) i z obniżaniem się jej połowy (wyznacznik 2)

11. Pytania do tezy: Biomechanika biegu

11.1. Zdefiniuj pojęcie biegu i scharakteryzuj biokinematyczną strukturę biegu: fazy i okresy cyklu, trajektoria OSM.

Bieg- jest formą lokomocji charakteryzujący się przemieszczaniem ciała człowieka w przestrzeni i w czasie w wyniku rozwijania sił napędowych KKD w jednopodporowych cyklicznie występujących po sobie fazach.

Prędkość biegu- jest funkcjonalna długość kroku L i częstotliwości kroku F.

Bieg

Struktura kinematyczna

Jeden krok biegowy

Faza podporu Faza lotu

-Okres amortyzacji - Okres wznoszenia OSM

-Okres odbicia -Okres opadania OSM

Fazy Kończyny wymachowej ( 1,2,3) Fazy Kończyny podporowej ( 4,5,6)

Fi- sila bezwładności

Fo- siła odśrodkowa

a-przyśpieszenie

V- prędkość

L- siła reakcji

N- siła, składowa prostopadła

T- siła tarcia

11.2 Scharakteryzuj strukturę biodynamiczną biegu( przebiegi czasowe sił reakcji podłoża w zależności od techniki stawiania stopy)

Pytania do tezy 12: Biomechaniczna interpretacja techniki ruchu.

12.1. Zdefiniuj pojęcie techniki ruchu i skutecznej techniki ruchu.

Technika :

• Ogół środków i czynności wchodzących w zakres działalności ludzkiej związanej z wytwarzaniem dóbr materialnych.

• Celowy, racjonalny, oparty na teorii sposób wykonywania prac w jakiejś dziedzinie, metoda.

Technika ruchu :

• Ogólny sposób rozwiązywania zadania ruchowego określonego przez taktykę działania przy uwzględnieniu cech psychicznych i fizycznych człowieka.

Technika ruchu skuteczna:

• Pozwala na osiągnięcie maksymalnego rezultatu sportowego jeżeli parametry wykonywanego ruchu mają wartości ekstremalne ( rzadziej optymalne)

12.2. Scharakteryzuj model czynników wpływających na rezultat działalności ruchowej człowieka. Scharakteryzuj związek ilości ćwiczeń i informacji z techniką ruchu.

Czynniki decydujące o rezultacie ruchowym:

Technika ruchu zależy od liczby i rodzaju wykonywanych ćwiczeń oraz podawanych informacji- w procesie szkolenia ruchowego.

Te = f ( n_ć, n _inf)

Trenaż- stymulatory i ich zastosowanie w treningu.

• Jest to urządzenie lub zespół urządzeń, które zapewniają następujące możliwości, stworzenie ściśle określonych ( przeważnie niespecyficznych) warunków do pracy mięśni: obiektywnego pomiaru wartości ustalonych parametrów ruchu ( na bieżąco) w celu wytworzenia sprzężenia zwrotnego między trenażem a ćwiczącymi, wcześniejszego zaprogramowania , bieżącego ( podczas serii ćwiczeń) skorygowania zadań ruchowych.

12.3. Zdefiniuj kryteria oceny skutecznej techniki ruchu w minimum 2 zadaniach ruchowych ( dyscyplinach sportu)

Kryteria oceny skutecznej techniki w grach sportowych - warunki statyki.

1.Kryterium stabilności postawy - miara stabilności postawy jest wielkość powierzchni postawy ( konturu podparcia) p i wysokości uniesienia ogólnego środka masy h. p= max. , h= min.

2.Kryterium dogodności do startu w dowolnym kierunku- start tym szybszy, im większy impuls siły rozwinie zawodnik

Gdzie:

m.- masa zawodnika

V- prędkość na starcie

T- siła tarcia

t- czas

3.Kryterium ekonomi wysiłku- ekonomiczna ( będzie ) postawa, przy której mięśnie będą mniej napięte.

Mn= Qr = min.

Gdzie: Mn= moment siły mięsni

Q= siła ciężkości

r= ramię siły

Kryteria oceny skutecznej techniki uderzeń

1.Kryterium celność ruchu charakteryzuje skierowanie uderzenia ( lub piłki) w to miejsce, które jest zaliczane przez przepisy i aktualnie najtrudniejsze do obrony. Kryterium oceniane jest wg. min. odchyleń od środków trafienia.

Δ S x,y,z = min. ΔS- przestrzenne odchylenie od środka trafienia.

2.Kryterium zaskoczenia przeciwnika- zaskoczenie przeciwnika zależy od skierowania uderzenia ( lub piłki) w czasie najmniej spodziewanym przez przeciwnika, powodując jego wydłużony czas obrony.

t obrony= max.

Kiedy najłatwiej zaskoczyć przeciwnika. Gdy:

• Ma w danym momencie zachwianą równowagę

• Ma duży pęd w określonym kierunku

• Jest chwilowo pozbawiony możliwości rozwijania sił zew. ( w fazie lotu)

3.Kryterium dużego pędu części uderzającej- powoduje nadanie obiektowi lub wywołanie dużego impulsu siły uderzającej.

Mu ( V _u1- V _u2) = Mp( Vp2- V_p1)

Mu- masa uderzajaca

V _u1- prędkość Mu przed uderzeniem, V _u2- po uderzeniu

Mp= masa piłki lub przeciwnika

V_p1- prędkość Mp przed uderzeniem, V _p2- po uderzeniu

Pytania do tezy 13: Biomechanika kręgosłupa

13.1. Scharakteryzuj mechanizmy i modele obciążeń kręgosłupa.

Mechanizmy obciążeń kręgosłupa

→ Przyczyny zniekształceń i dysfunkcji kręgosłupa

• urazy, stany zapalne, procesy nowotworowe

• czynniki mechaniczne działające na układ kostno- stawowy, więzadłowo- mięśniowy, wpływające na jego ukształtowanie oraz zakres ruchomości

→ Prawidłowy rozkład obciążeń decyduje o prawidłowym ukształtowaniu zespołu kostno- stawowego i stanowi podstawę prawidłowych jego czynności

→ Kręgosłup- podstawowy element narządu ruchu- zmiana czynnościowa
i anatomiczna w jakimś odcinku powoduje zmianę czynności i rozwój zniekształceń
w pozostałych odcinkach kręgosłupa i w całym narządzie ruchu. Skutki przeciążenia kręgosłupa lokalizują się najczęściej w danej części. Powstawaniu przeciążeń sprzyjają niekorzystne sytuacje biomechaniczne

→ Kręgosłup ma zewnętrzną i wewnętrzną stabilność. Wewnętrzną- dzięki podtrzymywaniu przez krążki międzykręgowe i więzadła, drugą zaś dzięki mięśniom, zwłaszcza brzucha i klatki piersiowej. Wewnętrzna stabilność jest wynikiem ciśnienia wewnątrz krążków międzykręgowych

Stwarza to bardzo stabilny układ między przylegającymi trzonami kręgosłupa, który składa się na przemian z elementów sztywnych i sprężystych, charakteryzuje
się dużą giętkością, przede wszystkim dzięki dużej odkształcalności krążków międzykręgowych. Wielkość giętkości zależy zarówno od właściwości pierścienia włóknistego i stanu jądra miażdżystego jak też od kształtu geometrycznego, a także od ograniczeń stwarzanych przez więzadła międzykręgowe

→ Istotny udział w przenoszeniu obciążeń przez kręgosłup mają mięśnie przykręgowe przyczepione do boków i wewnątrz jamy brzusznej i klatki piersiowej.

Siła wynikająca z podnoszenia ciężaru rękami jest przekazywana do kręgosłupa przez mięśnie pasa barkowego, przede wszystkim przez mięsień czworoboczny, miednicę, a częściowo przez sztywną klatkę piersiową i brzuch. Im większy ciężar się podnosi, tym większe jest działanie mięśni tułowia, brzucha i piersi; towarzyszy temu także powiększanie się 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 około 30%.

→ W zależności od pozycji ciała zmienia się ciśnienie wewnątrz krążka międzykręgowego między L₃ i L₄. Nachemson określił obciążenia kręgosłupa
na poziomie lędźwiowym dla różnych pozycji i czynności.

→ Na zmiany ciśnienia w krążku wpływa także zmiana parametrów geometrycznych siedziska (zmiana kąta odchylenia i wysokości podparcia pleców). Wpływa to także na aktywność mięsni. Najmniejsze napięcie i ciśnienie w krążku występuje wtedy, gdy kąt odchylenia wynosi 120° oraz podparcie lędźwi znajduje się na wysokości
ok. 20cm. Najwyższe ciśnienie występowało wtedy, gdy kąt odchylenia wynosi 90°.

→ Przykładem zmian zwyrodnieniowych, powstających pod wpływem przeciążenia są zmiany w dolnej części kręgosłupa w obrębie krążków międzykręgowych- discosis w więzadłach- ligamentosis, w obrębie powierzchni nośnych kręgów- spondylosis

→ Jednym z częstszych dolegliwości kręgosłupa lędźwiowego jest kręgozmyk. Poprzedza ją spondyloza nabyta tzn. przerwa ciągłości łuku kręgowego między wyrostkami stawowymi górnymi i dolnymi w węzinie.

Najczęściej do tego schorzenia dochodzi na skutek dysproporcji pomiędzy wytrzymałością tkanki kostnej, a działającymi na nią siłami.

Modele obciążeń kręgosłupa

Dominują modele wykorzystujące równania równowagi sił i momentów względem jednego punktu lub płaszczyzny kręgosłupa. Modele te stwarzają szanse wyznaczania szacunkowych wartości obciążeń dla wybranych czynności człowieka. Stwarza to szansę wyznaczania parametrów wytrzymałościowych stosowanych implantów lub też oceny skutków przeciążeń.

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 sił i obciążeń w rejonie danego kręgu.Warunek obciążeń w rejonie kości krzyżowej i kręgu L₅ dla pozycji kręgosłupa w skłonie do przodu.Przyjęto następujące oznaczenia:

Q_t- ciężar głowy i karku (szyi) i tej części tułowia powyżej analizowanej płaszczyzny

Q₁- ciężar ramion działający przez staw ramienny

P_p- siła wywierana przez ciśnienie śródbrzuszne

P_m- składowa siły wzdłuż mięśni brzucha

Wymienione obciążenia są równoważne przez składową P_c rekcji, działającą
pod kątem prostym do płaszczyzny x-x, która powoduje ściskanie krążka międzykręgowego. Siła P_s natomiast jest składową styczną, która wywołuje ścinanie krążka międzykręgowego oraz oddziałuje na wyrostki stawowe. Ciśnienie wewnątrz jamy brzusznej zależy od charakterystyki mięśni skośnych (wewnętrznych, zewnętrznych) brzucha. Siła generowana przez mięsnie brzucha wywołuje reakcje podpierające kręgosłup i jest mniejsza.

Model obciążeniowy kręgosłupa wg Stotte'a:

Model obciążeniowy kręgosłupa lędźwiowego Schultza:

Pięć po lewej stronie przekroju to następujące równoważniki:

• prawy mięśnia najdłuższego grzbietu F_ir działający w osi (x₁- y₁), w kącie tworzonym przez osie x i y.

• prawy prostownika grzbietu F_xr w osi (x_p- y_p)

• prawy skośny wewnętrzny F_ir w osi (x_o, y_o), w kącie β z osią z

• prawy skośny zewnętrzny F_kr w osi (x_o, y_o), w kącie δ z osią z

• prawy skośny zewnętrzny F_kr w osi (x_o, y_o), w kącie δ z osią z

• prawy prosty brzucha F_mr w osi (x_m, y_m)

Pięć odpowiednich ekwiwalentów rozmieszczonych jest symetrycznie po lewej stronie.

Ciśnienie w jamie brzusznej F_p działa prostopadle do osi y w odległości d_yp od punktu 0. Siły reakcji oddziaływania kręgu są następujące:

F_c- siła ściskająca trzon kręgu prostopadła do jego powierzchni

F_s- siła styczna do powierzchni kręgu

F_r- siła reakcji kręgu na boczny skręt, działająca w osi x

Analiza sił wewnętrznych wykazuje, że obciążenia działające na kręgosłup i mięśnie odcinka lędźwiowego w wykonywanych próbach fizycznych są wywoływane bardziej przez momenty zewnętrznych obciążeń kręgosłupa, niż przez same obciążenia zewnętrzne.

Metoda elementów skończonych (MES):

1. kręgosłup Model numeryczny kręgosłupa

2. mięsień prostownik grzbietu do obliczeń MES.

3. mięsień lędźwiowy

4. mięśnie brzucha

5. klatka piersiowa przepona kręg L₁

6. więzadło nadkolcowe

7. więzadło żółte

8. mięsnie rotacyjne

9. dysk międzykręgowy L₂- L₃

13.2. Scharakteryzuj podstawowe kryteria prewencji przeciążeń kręgosłupa.

Jako przeciążenie określa się zaburzenie struktur kostnych, więzadłowych, jak również mięśniowych kręgosłupa, powstałych w wyniku długotrwałych obciążeń, nawet jeśli obciążenia te nie przekroczyłyby granic wytrzymałości danej struktury
lub też w wyniku doraźnego przekroczenia obciążeń ekstremalnych dla danych struktur. Pierwszy jest wynikiem normalnych funkcji życiowych kręgosłupa, ale często realizowanych w nie anatomicznych warunkach. Przykład przeciążeń zmęczeniowych to np.: zwyrodnienia krążka międzykręgowego- dyskopatia. Drugi mechanizm przeciążenia ma podłoże traumatologiczne, czyli uraz związany z doraźnym przekroczeniem wartości granicznych wytrzymałości danych struktur kręgosłupa np. wypadki komunikacyjne.

Obciążenia mechaniczne kręgosłupa odgrywają zasadniczą rolę w chorobach zwłaszcza kręgosłupa lędźwiowego, czy szyjnego, nawet wówczas gdy nie występują przeciążenia traumatologiczne. Bóle, brak stabilności zależą od wielu czynników, ale jednym z ważniejszych czynników przeciążeniowych są mechaniczne deformacje tkanek miękkich i anomalii w działaniu mięśni.

Niektóre reakcje przyczynowo- skutkowe przeciążeń struktur kręgosłupa można
ze sobą powiązać.

1. Więzadła w rejonie łuku kręgu są najczęściej niszczone przez ruch zgięciowy kręgosłupa do przodu (w tym nadmierny)

2. Zmiany destrukcyjne wyrostka stawowego są najczęściej spowodowane przez nadmierne ruchy skrętne oraz przeprost

3. Zmiany przeciążeniowe trzonów kręgów są najprawdopobniej spowodowane długotrwałym zmiennym obciążeniem stykającym

4. Krążki międzykręgowe mogą podlegać przeciążeniom poprzez obciążanie zginaniem oraz asymetrycznym ściskaniem.

5. Złamania trzonów są najczęściej spowodowane przez obciążenia przekraczające wytrzymałość struktur kostnych.

Typowym złamaniem przeciążeniowym jest kręgozmyk- w wyniku długotrwałych obciążeń zmiennych następuje przeciążeniowe pęknięcie węziny, a następnie ślizg trzonu kręgu. Skutki są groźne. Najczęściej występuje styczne obciążenie rdzenia kręgowego.

Wystąpieniu stanu przeciążeń towarzyszy lub sprzyja zjawisko niestabilności.
Od strony mechaniki niestabilność struktur kręgosłupa występuje wtedy, gdy małe obciążenie powoduje duży wzrost przemieszczeń.

Stanom niestabilności i przeciążeniom mogą sprzyjać codzienne czynności, które człowiek wykonuje.

Dźwigniowy mechanizm obciążenia kręgosłupa podczas różnych przykładów trzymania ciężaru.

Na obciążenie krążka międzykręgowego składa się oddziaływanie masy unoszonego obiektu, masy górnej części tułowia, siły oddziaływania tylnych mięśni kręgosłupa oraz odpowiednie ramiona działania tych sił w stosunku do osi obiektu tj. środka krążka międzykręgowego. Aby zmniejszyć obciążenia kręgosłupa można przybliżyć unoszony ładunek.

Różnice w obciążeniu kręgosłupa podczas pchania i ciągnięcia wózka

Mięsnie prostownika grzbietu stanowią Mięśnie brzucha przeciwstawiają

Opór momentów gnących, wywoływa- się działaniu momentów sił wywoły-

nych przez poziome siły ciągnięcia wanych przez siły pchania wózka.

Mięsnie te mają znaczenie większe

Ramię dźwigni niż ramię prostowni- ka, więc wymagane siły są relaty- wnie mniejsze

Obciążenie krążka jest mniejsze podczas pchania
niż ciągnięcia.

Obciążenie przy nadwadze- zwiększone obciążenie struktur tylnych kręgosłupa
i przyczyniając się do pogłębienia lordozy oraz zwiększenia kąta pochylenia kości krzyżowej.

Zmiana pozycji podnoszenia- zmiana wygięcia, ukształtowania kręgosłupa, zmiany rozkładów i wartości obciążeń w kręgach i krążkach międzykręgowych.

Pytania do tezy 14: Biomechanika stawu biodrowego i kolanowego.

14.1. Scharakteryzuj biomechanikę stawu biodrowego.

Siły działające na staw biodrowy można podzielić na zewnętrzne i wewnętrzne. Siłami zewnętrznymi są siła przyciągania ziemskiego, oddziaływanie podporowe oraz siły, z jakimi inne ciała działają na ciało człowieka. Do sił wewnętrznych należą przede wszystkim siły wynikające z działania mięśni. Staw biodrowy przenosi obciążenia statyczne i dynamiczne, wynikające z masy ciała, siły mięśni działających na staw oraz przyspieszenia i przyciągania ziemskiego. Według Bergmana i innych autorów w poszczególnych fazach chodu zmienia się wartość obciążeń występujących w stawach biodrowych. Ulega zmianie kierunek i wartość wektora wypadkowej siły (R) stawu biodrowego. Zmianie ulega również położenie środka ciężkości ciała (S), który przemieszcza się w stronę przeciwną do kończyny obciążanej. Pauwels rozpatruje dwie sytuacje biomechaniczne w stawie biodrowym: fazę obciążenia obu nożnego i fazę stania na jednej nodze.Podczas podparcia na obu kończynach zakłada się, iż w środku ciężkości S₄ obciążenia od głowy, tułowia i kończyn górnych stanowią 62% masy ciała. Podczas podparcia na jednej nodze staw biodrowy przenosi obciążenia od głowy, tułowia, kończyny górnej oraz drugiej kończyny. Środek ciężkości jest umiejscowiony w S₅, wypadkowe obciążenia K stanowią w tym wypadku 81% całkowitej masy ciała człowieka. W modelu Pauwelsa wektor wypadkowej siły (R) stawu biodrowego
jest ukierunkowany w punkt obrotu (O), będący środkiem anatomicznym głowy kości udowej. 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.

Obciążenia stawu biodrowego podczas stania na obu nogach, kończyny obciążone symetrycznie.

S₄- środek ciężkości tułowia oraz kończyn górnych

R- siła działająca na główkę kości udowej

Obciążenia stawu biodrowego podczas ruchu, faza obciążania jednej nogi:

S₅- środek ciężkości ciała, oddziaływanie tułowia, kończyn górnych, głowy,
bez drugiej kończyny dolnej

K- wypadkowa sił oddziaływania mas ciała

M- oddziaływania mięśni odwodzących

R- reakcja wypadkowa oddziaływania na głowę kości udowej

Model dźwigni dwuramiennej, modelującej obciążenia głowy kości udowej podczas stania na jednej nodze:

relacje obciążeń

analiza wartości obciążeń w stawie biodro-

działających w stawie wym przedstawia

biodrowym z wykorzystaniem się zazwyczaj za

dźwigni dwuramiennej jest pomocą dźwigni

słuszne dla stanów równowagi, dwuramiennej, w

kiedy środek ciężkości ciała której punkt

znajduje się w płaszczyźnie podparcia odpo-

czołowej. wiada środkowi

stawu biodrowego

W modelu Pauwelsa wektor wypadkowej siły R jest przyłożony pod kątem 16° podczas stania jednonożnego w punkcie obrotu 0, pokrywającym się z anatomicznym środkiem głowy kości udowej. Ramię siły odwodzicieli przebiega od punktu obrotu do szczytu krętarza większego, ramię masy ciała natomiast od punktu obrotu 0 do punktu k, będącym rzutem środka ciężkości na poziomą, biegnącą przez punkt obrotu 0. Siła R jest wypadkową zredukowanego ciężaru ciała P_z oraz siły M mięśni odwodzących w stawie biodrowym (pośladkowy średni i mały) stabilizujących miednicę równoważących masę ciała. Pauwels w swoim modelu uwzględnia oddziaływanie pasma biodrowo- piszczelowego, które stymuluje za pomocą cięgna biegnącego przez oś stawu kolanowego do krętarza większego, gdzie jest utwierdzone. Wg Pauwelsa w ten sposób następuje częściowe, równoważenie momentu gnącego w trzonie kości udowej. W płaszczyźnie horyzontalnej Pauwelsa uwzględnia się oddziaływanie mięśni rotujących uda R_u
w stawie biodrowym.

Model Maqueta- odmiennie przedstawia rolę pasma biodrowo- piszczelowego.
W jego modelu pasmo zewnętrzne powięzi szerokiej uda jest napinane przez mięsień odwodzący. Symulowane jest ono jako cięgno biegnące wzdłuż trzonu kości udowej od stawu kolanowego do kości miednicy.

Model obciążeń stawu biodrowego (Zakład Doświadczalnej Analizy Konstrukcji Inżynierskich i Biomechanicznych Politechniki Wrocławskiej z Kliniką Ortopedii Akademii Medycznej we Wrocławiu)

W modelu tym uwzględniono oddziaływanie

Mas tułowia na główkę kości udowej R, jak

I oddziaływanie mięśni odwodzicieli M,

pasma biodrowo- piszczelowego T, ponadto

uwzględniono oddziaływanie rotatorów

wywołujących skręcenie kości udowej.

Aktywny model oddziaływania

Obciążeń w stawie biodrowym.

14.2. Scharakteryzuj alloplastykę stawu biodrowego.

• W zaawansowanych zmianach stawu biodrowego od ponad 30- stu lat metodą
  z wyboru stała się alloplastyka stawu biodrowego- cementowa i bezcementowa.

• Podstawowymi elementami składowymi endoprotezy są zazwyczaj: trzpień, główka i panewka. Występują protezy, gdzie główka o trzpień tworzą jedną całość.

• W leczeniu zmian zniekształcająco- zwyrodnieniowych stawu biodrowego
  do najczęściej wykonywanych zabiegów operacyjnych należą:

• osteotomie

• całkowita i częściowa endoprotetyka stawu biodrowego

• usztywnienie stawu

• Alloplastyka biodra przez usunięcie chorego stawu i wszczepienie w to miejsce „sztucznego stawu” umożliwia radykalne zlikwidowanie zmian patologicznych stawu, zmniejszenie bólu i odtworzenie funkcji biodra

• Całkowita alloplastyka- wymiana panewki i głowy

Częściowa- wymiana głowy

• Podział na kołnierzowe i bezkołnierzowe (porównując rozwiązania konstrukcyjne endoprotez Wellera i Centrament.

Rola kołnierza miała sprowadzać się do niedopuszczenia wgłębienia
się endoprotezy do wnętrza kości udowej

Endoproteza Centrament posiada oddzielną główkę- poprawia to trwałość wszczepienia

• Najszersze zastosowanie mają dziś główki ceramiczne- duża gładkość i trwałość

• Obecnie bardzo szeroko rozpowszechniają się endoprotezy bezcementowe

• Na trzpieniu endoprotezy lub jego części występuje warstwa porowata, w którą przerasta kość, co daje trwałe połączenie

• Obecnie coraz częściej pojawiają się endoprotezy z coraz krótszym trzpieniem. Dociśnięcie endoprotezy w kanale zabezpieczono dodatkowo śrubą kostną, wprowadzoną z zewnętrznej części kości

• Gdy panewka stawu naturalnego nie jest nadmiernie zniszczona stosuje
  się alloplastykę częściową. Wszczepia się wówczas tylko trzpień, najczęściej natomiast oddzielona głowa ma zwiększoną średnicę. Badania pokazały,
  że główka ma kształt eliptyczny. Opracowano więc protezę o tym kształcie głowy i uzyskano w ten sposób efekt smarowania hydrodynamicznego.

• W praktyce klinicznej stosuje się wiele kryteriów i wskazań do zabiegu alloplastyki stawu biodrowego. Do najbardziej powszechnych zaliczamy:

• artrozę główki

• złamania kości

• chorobę nowotworową

• martwicę kości

14.3. Scharakteryzuj biomechanikę stawu kolanowego.

Staw kolanowy jest największym u człowieka skomplikowanym trójwymiarowym systemem mechanicznym. Ruchy jego elementów składowych podczas aktywności życiowej zależą od stopni swobody charakterystyk ruchu z jednej strony oraz warunków obciążeń, oddziaływań mięśniowych podczas realizacji poszczególnych funkcji stawu- z drugiej.

W ustroju nośnym człowieka staw kolanowy jest przystosowany do przenoszenia obciążeń różnie ukierunkowanych o znacznych wartościach. Najprostszym przypadkiem przenoszenia obciążeń jest pozycja statyczna- stanie. Podczas ruchu staw kolanowy stanowi przegub, przekazujący obciążenia ruchu, między trzema kośćmi: udową, piszczelową i strzałkową. Podstawowe ruchy w stawie
są następujące: zginanie i przeprost. Staw kolanowy jest głównie przystosowany
do przenoszenia pionowych obciążeń ściskających. Teoretycznie staw kolanowy ma sześć stopni swobody: trzy w ruchu postępowym oraz trzy w rotacyjnym. Podstawowymi elementami stawu, przenoszącymi obciążenia są oba kłykcie kości udowej wraz z powierzchniami, które można przyrównać do panewki stawowej (kłykciami) kości piszczelowej. Od przodu elementem stabilizującym jest rzepka, połączona od góry ze ścięgnem mięśnia czworogłowego, w dolnej natomiast
za pomocą więzadła z guzowatością piszczeli. Staw ten w płaszczyźnie czołowej jest stabilizowany więzadłami pobocznymi- piszczelowym oraz z drugiej strony- więzadłem pobocznym strzałkowym.

Mięśnie i ścięgna przechodzące w rejonie kolana, oddziałując z elementami strukturalnymi podczas przenoszenia obciążeń oraz ruchu.

Wewnątrz stawu pomiędzy kłykciami kości udowej a panewką piszczeli znajdują
się łąkotka przyśrodkowa oraz boczna. Łąkotka posiada dobre własności sprężyste, dlatego razem z płynem stawowym oraz chrząstką stawową stanowią doskonały element tłumienia drgań. Istotnym elementem decydującym o funkcjach motorycznych stawu są mięśnie (układ napędowy). Podstawowymi mięśniami działającymi w rejonie stawu kolanowego są mięśnie zginające podudzie: krawiecki, smukły, półścięgnisty, półbłoniasty, dwugłowy i podkolanowy oraz prostujący podudzie: czworogłowy.

Budowa geometryczna kończyny dolnej wpływa na ukształtowanie powierzchni stawowych kolana. Podstawową osią kończyny dolnej jest oś mechaniczna (linia Mikulicza). Jest to linia łącząca środek głowy kości udowej ze środkiem stawu skokowego. W prawidłowo zbudowanym stawie linia ta jest odchylona od linii pionowej (oś- linia środkowa człowieka) w stronę boczną. Kąt tego odchylenia u mężczyzn wynosi około 3º, u kobiet natomiast, ze względu na odmienną budowę miednicy, około 5º. W analizie kończyny dolnej wyróżnia się również osie kości udowej i piszczelowej. Osie te przechodzą przez geometryczne środki przekrojów obu tych kości. Oś kości udowej tworzy z osią mechaniczną kąt 6º, w prawidłowo natomiast zbudowanej kończynie oś kości piszczelowej pokrywa się z osią geometryczną. Linia styczna do powierzchni stawowych w kolanie jest nachylona w stosunku do osi mechanicznej pod kątem ok.87º. Wszelkie odchylenia od tych parametrów świadczą o nieprawidłowościach w budowie stawu kolanowego. Jeśli geometryczny środek stawu kolanowego jest umiejscowiony po stronie bocznej (zewnętrznej) osi mechanicznej, to mamy do czynienia z kończyną o ukształtowaniu szpotawym, jeśli natomiast środek stawu kolanowego, to kończyna jest ukształtowana koślawo.

Obciążenia stawu kolanowego:

Obciążenia stawu kolanowego mogą przyjmować różne wartości, które zależą
od wykonywanej czynności. Osiowe obciążenia przenoszone przez staw podczas chodzenia w poziomie lub po schodach mogą być 1,3 raza większe od ciężaru ciała, podczas biegu natomiast ponad 2 razy.

Momenty sił (wynik oddziaływania sił mięśniowych mogą wynosić ok. 50 Nm.
W pierwszej fazie reakcje podparcia z piętą są przenoszone przez powierzchnie stawu kolanowego oraz więzadła rzepkowe, w czasie podparcia stopą natomiast większe obciążenia przenoszą tylne struktury więzadłowo mięśniowe nogi. Obciążenia stawu podczas ruchu są zmienne, zależnie od kontaktu części stopy
z podłożem oraz zakresu ruchu podudzia.

W biomechanice stawu kolanowego dominującym schematem obciążeń jest model opracowany przez Maqueta. Maquet rozważa obciążenia stawu zarówno w różnych płaszczyznach (strzałkowa, czołowa), jak i czynnościach- stanie na obu i jednej nodze.

Podczas stania równomiernego 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. Wypadkowa obciążeń wynikających ····z oddziaływania masy ciała, przechodzi przez środek ciężkości S₃, znajdujący się na poziomie kręgu lędźwiowego L₃. W płaszczyźnie strzałkowej środek ciężkości jest umiejscowiony na linii utworzonej przez środki geometryczne stawów biodrowego, kolanowego i skokowego. Dla osoby o masie 70 kg oba kolana będą obciążone równomiernie siłami ok. R₁= R₂= 292 N.

Obciążenie stawu kolanowego; stanie na obu kończynach:

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). Wypadkowa obciążeń jest w tym wypadku w środku obciążeń umiejscowionym w punkcie S₇.

Obciążenia kolana w płaszczyźnie czołowej podczas stania na jednej nodze:

Obciążenie stawu kolanowego w płaszczyźnie strzałkowej:

Siła wypadkowa obciążająca staw jest wynikiem oddziaływania masy ciała stopy
na podłoże i odpowiednich grup mięśniowych.

Obciążenie rozłożono na:

1. siły działające na staw udowo- piszczelowy

2. siły działające na staw udowo- rzepkowy

Prawidłowo obciążone kolano ma równomierny rozkład sił na kłykciach kości piszczelowej.

Podczas chodu na skutek reakcji podłoża przeciążenie przedziału przyśrodkowego- predysponujące do ustawienia szpotawego.

14.4. Scharakteryzuj alloplastykę stawu kolanowego.

Endoprotezoplastyka to jeden z najskuteczniejszych sposobów leczenia zmian destrukcyjnych stawu kolanowego.

• Implanty stawu kolanowego dzieli się na: zawiasowe, kłykciowe i mieszane.

1. zawiasowe- jedno z najstarszych rozwiązań bez możliwości rotacji.

Protezy tego typu składają się zazwyczaj z:

• udowej implantowanej w nasadzie dalszej kości udowej

• piszczelowej

• osi zawiasu (sworzeń)

• jednego lub dwóch łożysk ślizgowych

• elementów mocujących sworzeń w części udowej lub piszczelowej

• Zależnie od stopnia zaawansowania zmian destrukcyjnych struktur kostnych stawu, którym towarzyszą duże zniekształcenia i niestabilność kolana stosuje się endoprotezy całkowicie powiązane (sworzniowo- zawiasowe) lub półzwiązane.

2. kłykciowe- obecnie coraz częściej stosowane. Współczesne umożliwiają zachowanie więzadła krzyżowego.

• współczesne endoprotezy wykonuje się z takich materiałów jak stopy tytanu, kobaltu, czy panewki polietylenu wysoko cząsteczkowego (dobre właściwości mechaniczne jak odporność na zużycie cierne, dobre charakterystyki sprężyste, wytrzymałość, mały ciężar, biokompatybilność)

• w nowoczesnych rozwiązaniach udowa część implantu odwzorowuje kształt oraz funkcja kłykci

• jednym z nowoczesnych rozwiązań są implanty umożliwiające ruch rotacyjnych podudzia

• innym rozwiązaniem są protezy policentryczne, które umożliwiają odtwarzanie
  w miarę dokładnie ruchów zachodzących w stawie anatomicznym. Składają
  się one z nie związanych ze sobą części udowej i piszczelowej

• równie często są stosowane protezy geometryczne. Także składają się z dwóch oddzielnych części udowej i piszczelowej

• najprostszym rozwiązaniem są endoprotezy płytkowe; jest to rozwiązanie typu kłykciowego. Są to endoprotezy częściowe, w których wymianie ulega strona przyśrodkowa lub zewnętrzna stawu kolanowego

• wczesne rozwiązanie endoprotez były zawsze wszczepianie z użyciem cementu kostnego. Obecnie coraz częściej stosuje się endoprotezy bezcementowe.

---