96
Rozdział 8
MODELE BIOMECHANICZNE WYBRANYCH STRUKTUR UKA
ADU MI
ÅšNIOWO-
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, majÄ… specyficzny charakter i nie znajdujÄ… repliki w rozwiÄ…zaniach 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 (100-00-1300), odwiedzenie-
przywiedzenie (400-00-300) oraz obrót na zewnątrz-obrót do wewnątrz (500-00-4000).
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 (gð), nachylenie osi trzonu (dð) i odlegÅ‚ość Å›rodka gÅ‚owy 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 siÄ™ 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
płaszczyz
nie 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 (Ru).
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 Å‚opatki.
Na czynność obręczy barkowej składają się cztery stawy: staw ramienny, staw barkowo-obojczykowy,
staw mostkowo-obojczykowy oraz połączenie żebrowo-łopatkowe. Wszystkie te stawy, wraz z
mięśniami, więzadłami i kaletkami, tworzą jednostkę ruchową umożliwiającą największy zakres
ruchów spośród wszystkich stawów ciała. Osią tego ruchu jest punkt znajdujący się ok. 2.5 cm poniżej
wyrostka barkowego w osi ramienia. Właściwy staw ramienny jest stawem kulistym, wolnym,
składającym się z niewielkiej panewki oraz z powierzchni stawowej kości głowy ramiennej,
stanowiącej wycinek kuli. Powierzchnię panewki, w celu zapewnienia stabilności bardzo płytkiego
stawu, zwiększa obrąbek stawowy, czyli pierścień chrzęstny [6].
8.2.2. Ruchy w stawie barkowym
Prawidłowy ruch stawu barkowego jest uzależniony od elementów kostnych, więzadłowych oraz
mięśniowych. Komponenty kostne są niewystarczające do uzyskania stabilności. Promień krzywizny
głowy kości ramiennej jest około 3 razy większy od zagłębienia panewki. Geometria powierzchni
panewki pozwala na uzyskanie niewielkiego podciśnienia wewnątrzstawowego i wzrost stabilności.
Dużo większa stabilność uzależniona jest od położenia łopatki i jej panewki stawowej w stosunku do
ruszającej się głowy [1]. Można to porównać do piłki balansującej na nosie foki. Aby opisać ruchy w
stawie barkowym, na początku należy zdefiniować lokalny układ współrzędnych do przeprowadzenia
analizy kinematycznej (rys. 8.8). Do utworzenia modelu biomechanicznego stawu barkowego należy
wziąć pod uwagę następujące parametry wejściowe: obroty i pozycje klatki piersiowej, stopnie
swobody opaski barkowej, obroty kości promieniowej, ruchy łokcia i przedramienia oraz obroty
nadgarstka.
Ys
Ys
Ys
Ys
Ys
Ys
Ys
Xs
Xs
Xs
Xs
Xs
Xs
AA
AA
Zs
Zs
Zs
Zs
Zs
Zs
Zs
Rys. 8.8. Definicja lokalnego układu współrzędnych w stawie barkowym [103]
W stawie barkowym wykonywane są trzy podstawowe ruchy klatki piersiowej (rys. 8.9): obrót w tył
(ang. backward rotation), skręcanie (ang. torsion) oraz ruch poprzeczny (ang. lateral rotation).
 103
Yt
Yt
Yt Yt
Yt Yt
Yt Yt
Yt Yt
Yt Yt
Yt Yt
Yt
Yt
Yt
Yt
Zt
Zt
Zt
Zt
Zt
Zt
Zt
Zt
Zt
Zt
Zt
Zt
Zt
Zt
Zt
Zt
Zt
Zt
Xt Xt
Xt Xt
Xt Xt
Xt Xt
Xt Xt
Xt Xt
Xt
Xt
Xt
Xt
Xt
Xt
skręcanie
skręcanie
skręcanie
skręcanie
Ruch
Ruch
Ruch
Obrót w tył
Obrót w tył
Obrót w tył
Obrót w tył
poprzeczny
poprzeczny
poprzeczny
Rys. 8.9. Obroty klatki piersiowej [103]
Obojczyk wykonuje ruchy: wysuwania i cofania, podniesienia oraz obrót wokół własnej osi (rys.
8.10).
Yc
Yc
Yc
Yc
Yc
Yc
Yc
Yc
Yc
Yc
Yc
Yc
Zc Zc
Zc Zc
Zc Zc
Zc Zc
Zc
Zc
Zc
Zc
Xc Xc
Xc Xc
Xc Xc
Xc Xc
Xc
Xc
Xc
Xc
wysunięcie/cofnięcie podniesienie obórt wokół osi
wysunięcie/cofnięcie podniesienie obórt wokół osi
wysunięcie/cofnięcie podniesienie obórt wokół osi
Rys. 8.10. Ruchy obojczyka [103]
Rozważając kość barkową uwzględnia się następujące parametry: płaszczyzna podniesienia, kąt
podniesienia oraz obrót osiowy (rys. 8.11).
Yh Yh Yh
Yh Yh Yh
Yh Yh Yh
Yh Yh Yh
Xh Xh Zh Xh
Xh Xh Zh Xh
Xh Xh Zh Xh
Xh Xh Zh Xh
Zh
Zh
Zh
Zh
Zh
Zh
Zh
Zh
płaszczyzna podniesienia obrót osiowy
płaszczyzna podniesienia kąt podniesienia obrót osiowy
płaszczyzna podniesienia kąt podniesienia obrót osiowy
Rys. 8.11. Ruchy kości [103]
A
opatka wykonuje ruchy wysuwania i cofania, obrót boczny oraz obrót w płaszczyz
nie czołowej (rys.
8.12).
Ys
Ys
Ys
Ys
Ys
Ys
Zs
Zs
Xs Zs
Xs Zs
Xs
Xs
Zs
Zs
Obrót boczny
Wysunięcie / cofnięcie Ob. w pł. czołowej
Rys. 8.12. Obrót łopatki [103]
 104
8.3. Kręgosłup
Mówiąc o kręgosłupie często ograniczamy nasze wyobrażenie na jego temat do kręgów i krążków
międzykręgowych. Ale z punktu widzenia biomechaniki nie jest on narządem niezależnym od innych
układów (rys. 8.13). Jego praca związana jest z budową oraz współpracą wiązadeł i mięśni
bezpośrednio związanych z kręgosłupem i pośrednio współpracujących z kręgosłupem (prosty
brzucha, skośny zewnętrzny brzucha, poprzeczny brzucha, czworoboczny lędz
wi) [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 lędz
wiowych (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 płaszczyz
nie 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 płaszczyz
nie strzałkowej: przednie
wygięcie kręgosłupa (lordoza szyjna - średnio 90), wygięcie klatki piersiowej, wklęsłe do przodu,
(kifoza piersiowa - średnio 390), wygięcie lędz
wiowe (lordoza lędz
wiowa - średnio 570) (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 lędz
wiowej. 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 900. Wyrostki stawowe wykonują ruch
poślizgowy, a trzon przesuwa się po osi, którą stanowi krążek międzykręgowy;
 106
2. czołowej  zginanie boczne w zakresie do 600. W tym ruchu największy udział mają trzeci i
czwarty kręg lędz
wiowy;
3. poziomej  ruchy skrętne dookoła osi pionowej. Są one najmniej poznane. Przypuszcza się, że
umożliwia je lordoza lędz
wiowa, 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. A
uk 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. Najwyraz
niej
zaznaczone są w lędz
wiowej 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 lędz
wiowej 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.