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

), odwiedzenie-

przywiedzenie (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 biodrowo-

piszczelowego (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.

Xs

Ys

Zs

AA

Ys

Zs

Xs

Xs

Xs

Ys

Ys

Zs

Zs

AA

Ys

Zs

Xs

Ys

Zs

Ys

Zs

Xs

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

Ruch

poprzeczny

Xt

Xt

Yt

Yt

Zt

Zt

Obrót w tył

Yt

Yt

Zt

Zt

Xt

Xt

skręcanie

Xt

Xt

Yt

Yt

Zt

Zt

Ruch

poprzeczny

Ruch

poprzeczny

Xt

Xt

Yt

Yt

Zt

Zt

Obrót w tył

Yt

Yt

Zt

Zt

Xt

Xt

Obrót w tył

Obrót w tył

Yt

Yt

Zt

Zt

Xt

Xt

skręcanie

Xt

Xt

Yt

Yt

Zt

Zt

skręcanie

skręcanie

Xt

Xt

Yt

Yt

Zt

Zt

Xt

Xt

Yt

Yt

Zt

Zt

Rys. 8.9. Obroty klatki piersiowej [103]

Obojczyk wykonuje ruchy: wysuwania i cofania, podniesienia oraz obrót wokół własnej osi (rys.

8.10).

Xc

Xc

Yc

Yc

Zc

Zc

wysunięcie/cofnięcie

Xc

Xc

Yc

Yc

Zc

Zc

Xc

Xc

Yc

Yc

Zc

Zc

podniesienie

obórt wokół osi

Xc

Xc

Yc

Yc

Zc

Zc

wysunięcie/cofnięcie

wysunięcie/cofnięcie

Xc

Xc

Yc

Yc

Zc

Zc

Xc

Xc

Yc

Yc

Zc

Zc

podniesienie

podniesienie

obórt wokół osi

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).

Xh

Xh

Yh

Yh

Zh

Zh

płaszczyzna podniesienia

kąt podniesienia

obrót osiowy

Yh

Yh

Yh

Yh

Zh

Zh

Zh

Zh

Xh

Xh

Xh

Xh

Xh

Xh

Yh

Yh

Zh

Zh

płaszczyzna podniesienia

płaszczyzna podniesienia

kąt podniesienia

obrót osiowy

obrót osiowy

Yh

Yh

Yh

Yh

Zh

Zh

Zh

Zh

Xh

Xh

Xh

Xh

Rys. 8.11. Ruchy kości [103]

Łopatka wykonuje ruchy wysuwania i cofania, obrót boczny oraz obrót w płaszczyźnie czołowej (rys.

8.12).

Rys. 8.12. Obrót łopatki [103]

X

X

s

s

Y

Y

s

s

Z

Z

s

s

X

X

s

s

Y

Y

s

s

Y

Y

s

s

Z

Z

s

s

Z

Z

s

s

Obrót boczny

Wysunięcie / cofnięcie

Ob.

w pł. czołowej

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.