2013-01-23

2

anatomia połączeń stawowych

stawy ruchome pozwalają na zmiany położenia kątowego sąsiadujących kości

tworzą zazwyczaj dopasowane do siebie powierzchnie kości zamknięte torebką stawową

powierzchnie stawowe kości pokryte są cienką warstwą chrząstki szklistej - bardzo twardej i idealnie gładkiej

wnętrze torebki stawowej nosi nazwę jamy stawowej i wypełnione jest płynem nazywanym mazią stawową

maź stawowa zwilża powierzchnie stawowe, zmniejszając ich tarcie, oraz w ograniczonym zakresie zmienia rozkład nacisku na kości

maź zapewnia odżywianie tkanek stawowych

3

anatomia połączeń stawowych

- maź, tkanka chrzęstna

zapewnia smarowanie minimalizujące tarcie

współczynnik lepkości mazi nie jest wartością stałą

tkanka chrzęstna pokrywająca powierzchnie stawowe charakteryzuje się bardzo niskim współczynnikiem tarcia

współczynnik ten ma wartość bezwymiarową

stosunek oporów poślizgowych do składowej normalnej siły nacisku wywieranej na staw czy inne połączenia mechaniczne

0,0026 przy obciążeniu 500 kPa

0,0038 przy max obciążeniu 2 Mpa

wartość 0,3 – 0,5 powierzchnia dwóch naoliwionych płytek

powierzchnia pokryta teflonem 0,05 – 0,1

4

anatomia połączeń stawowych

- torebka stawowa

jest bardzo elastyczna, nie ogranicza ruchu w stawie

struktura połączenia stawowego preferuje pewne płaszczyzny,

w których może się odbywać ruch

części torebki stawowej mogą być wzmocnione przez zgrubienia tkanki dzięki temu mają zmniejszoną podatność na odkształcenia

powierzchnie torebki stawowej, które w czasie ruchu ulegają odkształceniu, noszą nazwę obszarów słabego oporu

pozostałe obszary, które nie odkształcają się w czasie ruchu, noszą nazwę punktów lub powierzchni mechanicznie martwych

są zazwyczaj dodatkowo wzmocnione więzadłami, pogrubionymi pasmami tkanki łącznej przebiegającymi od jednej kości do drugiej

ich zadaniem jest stabilizacja mechaniczna stawu

5

struktury wspomagające biomechanikę stawu

- więzadła

są to płaskie struktury łącznotkankowe, grubości kilku milimetrów, stabilizujące stawy

ich stabilizująca funkcją zależy od kształtu, umiejscowienia mocowań do kości oraz charakterystyki mechanicznej tkanki

wszelkie urazy i procesy naprawcze zmieniają tę charakterystykę

rozkład naprężeń w więzadłach, jest bardzo niejednorodny, oprócz sił rozciągających, działają siły ścinające

dla sił działających poprzecznie więzadła zachowują się jak materiał jednorodny o nieliniowej zależności sztywności od wydłużenia

6

struktury wspomagające biomechanikę stawu

- więzadła

przebieg więzadeł - ma istotny wpływ na charakterystykę

przemieszczeń oraz na ruchomość stawu

1

2013-01-23

położenie więzadła w płaszczyźnie ruchu może ograniczać ruch zginania lub prostowania stawu zawiasowego

w narządzie ruchu człowieka najczęściej występują więzadła ograniczające nadmierny wyprost stawu

przeciwstawianie się bocznym przesunięciom główki kości

boki torebki stawowej są zwykle dodatkowo wzmocnione pasmami mięśniowymi aktywnie wspomagającymi więzadła w ograniczeniu ruchomości stawu w danym kierunku

zasadniczą rolę w kontroli pracy połączenia stawowego odgrywają mięśnie długie, ich przebieg nad torebką stawową, a tym samym kierunek wytwarzanych przez nie sił, regulują kaletki maziowe

7

typy połączeń stawowych

oparty na stopniach swobody - staw, czyli połączenie dwóch kolejnych

segmentów łańcucha, można scharakteryzować na podstawie liczby

niezależnych płaszczyzn, w których może odbywać się ruch

jeden stopień swobody - ruch tylko w jednej płaszczyźnie

stawy międzypaliczkowe i staw łokciowy, ruch zginania i prostowania

dwa stopnie swobody - staw ma dwie osie ruchu, istnieją dwie niezależne płaszczyzny, w których może zostać wykonany ruch

staw promieniowo-nadgarstkowy, ruchy zginania i prostowania wokół osi poprzecznej oraz ruchy przywodzenia i odwodzenia wokół osi strzałkowej

trzy stopnie swobody - ruchy mogą być wykonywane w trzech niezależnych płaszczyznach

stawy kulisto-panewkowe (staw biodrowy, staw ramienny) umożliwiają niezależne ruchy, prostowania i zginania, odwodzenia i przywodzenia oraz rotacje

W stawach o dwóch i trzech stopniach swobody możliwe jest wykonywanie ruchów okrężnych

8

typy połączeń stawowych

oparty na liczbie elementów kostnych tworzących staw

jeżeli w stawie łączą się dwie kości, staw taki nazywamy prostym

(staw biodrowy lub ramienny)

jeśli torebka stawowa otacza co najmniej trzy kości, tworzą one staw złożony

(staw łokciowy)

w zależności od ukształtowania powierzchni stawowych

staw płaski - gdy powierzchnie stawowe są płaskie

stawy międzykręgowe odcinka szyjnego i piersiowego kręgosłupa, ruchomość tych stawów jest zazwyczaj ograniczona za pomocą mięśni lub pomocniczych struktur, takich jak więzadła

staw zawiasowy

występujące w połączeniach kości paliczkowych, kości ramiennej z łokciową

stawy siodełkowe

stawy kuliste

występują w połączeniach kończyn z tułowiem, zapewniają największą swobodę ruchu połączonych za ich pomocą kości

9

typy połączeń stawowych

Prawidłową pracę połączeń stawowych zapewnia:

• czucie stawowe

• nerwowe sprzężenie zwrotne

2

2013-01-23

•

• zdolność tworzących go tkanek do modelowania struktury oraz

naprawy po uszkodzeniu

10

charakterystyka ruchów stawowych

Powierzchnie ruchomych stawów:

nie są dokładnie płaskie, cylindryczne czy sferyczne

najczęściej mają kształt owalny, czyli powierzchnię, której promień krzywizny zmienia się w trakcie ruchu

wklęsło-wypukłe powierzchnie stawowe

powierzchni tego typu może być kilka w jednym stawie

owalny kształt powierzchni pozwala na zwiększenie zakresu ruchu

i optymalizację powierzchni połączenia przy minimalnej wielkości stawu

11

charakterystyka ruchów stawowych

w czasie zmiany położenia stawu mogą występować 3 rodzaje ruchów:

toczenie

podobnie jak przy toczeniu kuli po powierzchni stołu, obydwie powierzchnie stawowe stykają się coraz to w innym punkcie

ślizganie i skręcanie

ten sam punkt jednej powierzchni styka się z coraz to nowym punktem drugiej powierzchni

W większości zdrowych stawów występują różne kombinacje tych trzech ruchów.

Z powodu niedopasowania i skomplikowanych powierzchni stawowych osie stawów są bardzo złożone. W porównaniu z technicznymi strukturami, takimi jak np. zawiasy, osie stawowe nie są stałe i najczęściej przemieszczają się w czasie ruchu.

Największe ruchy osi stawowych występują w stawie: kolanowym, łokciowym i w nadgarstku

12

charakterystyka ruchów stawowych

- owalne powierzchnie

położenie stawu, któremu odpowiada maksymalne dopasowanie jego powierzchni, nazywane jest pozycją ścisłego upakowania

w tej pozycji powierzchnie stawowe są najbardziej do siebie dociśnięte, a powierzchnia kontaktu jest największa

pozycji luźnego upakowania - więzadła i torebka stawowa nie są naprężone, a staw może zostać biernie rozciągnięty nawet na kilka milimetrów

pozycja luźnego upakowania pozwala na ruchy stawowe: toczenia, ślizgani i skręcające przy znacznie zmniejszonym tarciu powierzchni

13

charakterystyka ruchów stawowych

- ruchy w stawie

zakres ruchów fizjologicznych

bierne rozciąganie

w trakcie rozciągania stawu jego powierzchnie mogą się także ślizgać i obracać, co pozwala na ocenę jakości tych powierzchni (ruchy dodatkowe lub luz połączenia stawowego)

luzy stawowe mają podstawowe znaczenie dla bezbolesnego ruchu stawowego

ruchy dodatkowe nie mogą być wykonane przez samego pacjenta, a wręcz wymagają rozluźnienia mięśni i zastosowania siły zewnętrznej

3

2013-01-23

ruchy te mają istotne znaczenie w diagnostyce narządu ruchu, często dzięki nim możliwa jest lokalizacja miejsca uszkodzenia w złożonych łańcuchach kinematycznych w warunkach fizjologicznych więzadła i torebka stawowa ograniczają bierne ruchy dodatkowe w pozycji ścisłego upakowania, w przypadku przerwania lub naciągnięcia więzadeł połączenie stawowe staje się niestabilne, a w stawie stwierdza się nadmierne ruchy dodatkowe

14

charakterystyka ruchów stawowych

- przykład

uszkodzenie więzadła krzyżowego przedniego stawu kolanowego zwiększa ryzyko uszkodzenia łąkotek

w stanach zapalnych ruchy dodatkowe wywołują ból

w wyniku reakcji bólowej ruchomość stawu zostaje ograniczona

charakterystycznym objawem uszkodzenia łąkotek jest blokowanie ruchu w kolanie, przemieszczanie się w stawie oderwanych fragmentów łąkotki, któremu zazwyczaj towarzyszy ból, jest przyczyną takich blokad

15

tkanka chrzęstna powierzchni stawowych

spełnia trzy podstawowe funkcje:

zapewnia odpowiedni rozkład nacisku na powierzchni stawowej

zmniejsza tarcie w czasie ruchu stawu

amortyzacja nagłych przeciążeń stawu

Tkanka chrzęstna zbudowana jest z komórek nazywanych chondrocytami oraz macierzy chrzęstnej

chondrocyty

średnica wynosi 10-30 um

tworzą skupiska 2-3-komórkowe rozmieszczone w rozstępach macierzy

średnio przypada 14 tysięcy komórek na 1 mm3 tkanki

rozlokowane są w warstwach powierzchniowych tkanki

16

tkanka chrzęstna powierzchni stawowych

macierz chrzęstna

zbudowana jest z wody, kolagenu i proteoglikanów

może mieć bardzo zróżnicowaną strukturę, z tego względu wyróżnia się tkankę chrzęstną szklistą oraz białą i żółtą chrząstkę włóknistą

chrząstka jest formą tkanki łącznej zbudowanej w 75-80% z wody oraz

w 20% z substancji stałych tworzących macierz chrzęstną

• substancja stała chrząstki to głównie:

• kolagen (65%)

• proteoglikany (25%)

• gilkoproteiny i chondrocyty (<10%)

• lipidy (<10%)

17

tkanka chrzęstna powierzchni stawowych

Proteoglikany - makrocząsteczki tkanki łącznej utworzone

z węglowodanów i białek

• zdolność tworzenia zespołów nazywanych agrekanami (ang. agrecan)

• agrekan składa się z rdzenia białkowego z dołączonymi łańcuchami

glikozaminoglikanów: chondroitynosiarczanu, keratynosiar czanu i kwasu

hialuranowego, wzajemne proporcje poszczególnych glikozaminoglikanów decydują o typie tkania chrzęstnej

• są odpowiedzialne za sztywność tkanki chrzęstnej i jej zdolność do przenoszenia obciążeń

są wbudowane w sieć kolagenową

4

2013-01-23

równowaga dwóch sił: oddziaływań elektrostatycznych oraz naprężeń mechanicznych kolagenu, siły elektro-statyczne wzajemnego odpychania sąsiadujących z sobą ujemnie naładowanych grup siarczanowych i karboksylowych, wchodzących w skład cząsteczek proteoglikanów, równoważone są przez naprężenia mechaniczne włókien sieci kolagenowej nadając chrząstce doskonałe właściwości amortyzujące

18

tkanka chrzęstna powierzchni stawowych

Proteoglikany są makrocząsteczkami obdarzonymi wysokim ujemnym ładunkiem elektrycznym, dzięki temu mają one zdolność silnego osmotycznego wiązania wody

w wyniku wchłonięcia dużej ilości wody następuje „puchnięcie" tkanki chrzęstnej powodując, że staje się ona bardzo elastyczna

woda stanowi około 80% całkowitej masy chrząstki

maksymalną objętość związanej wody ograniczają naprężenia włókien kolagenowych, którymi oplecione są proteoglikany.

19

tkanka chrzęstna powierzchni stawowych

- z punktu widzenia mechaniki

W tkance chrzęstnej stawu można wyróżnić cztery warstwy morfologiczne różniące się orientacją włókien kolagenowych

• w warstwie powierzchniowej, stanowiącej 10-20% całkowitej grubości tkanki, włókna są zorientowane równolegle do powierzchni stawu, kolagen zajmuje 16-31% objętości tkanki

• strefą przejściowa lub środkową - grubsza warstwa, obejmująca 40-60% grubości chrząstki, włókna kolagenowe są nieuporządkowane i nie można określić preferowanej orientacji włókien, kolagen zajmuje 14-42% objętości tkanki

• warstwa głęboka, obejmują 30% grubości tkanki, włókna kolagenowe są skierowane prostopadle do powierzchni kości

• najgłębiej położona jest warstwa zmineralizowana stanowiąca połączenie chrząstki z kością

20

dodatkowe stawowe struktury chrzęstne

- krążki stawowe i łąkotki

Krążki - całkowicie pogłębiają jamę stawową, zapewniając pełny kontakt powierzchni stawowych

Łąkotki (przyśrodkowa i boczna) staw kolanowy, nie wypełniają całej jamy stawowej, pokrywając około 2/ powierzchni stawowej kości piszczelowej

3

wypełniają przestrzeń między kłykciami kości udowej i piszczelowej, zwiększając kongruencję i zwartość stawu

ograniczają przednio-tylne przemieszczenie kości piszczelowej

przez zwiększenie powierzchni kontaktu stawu łąkotki zmniejszają lokalne naprężenia w chrząstce stawowej oraz amortyzują wstrząsy

przenoszą prawie 70% obciążenia stawu kolanowego, a ich właściwości poślizgowe chronią staw przed szybkim zużyciem lub uszkodzeniem w wyniku przeciążenia

21

fizjologiczne mechanizmy zabezpieczające

kości i stawy przed przeciążeniem

Przeciążenie stawów - odgrywa kluczową rolę w powstawaniu zmian patologicznych, czynniki ryzyka:

• wszystkie wady postawy

• asymetria funkcjonalna narządu ruchu

• nadmierne napięcie mięśniowe

•

Każdy z tych czynników w dłuższej perspektywie staje się przyczyną kumulacji urazów 5

2013-01-23

prowadzących do zmian zwyrodnieniowych kości, stawów i mięśni

Połączenia stawowe - obciążenie mechaniczne, chrząstek stawowych wynika z pełnionych przez nie funkcji, jest wypadkową oddziaływań sił wewnętrznych i zewnętrznych 22

fizjologiczne mechanizmy zabezpieczające

kości i stawy przed przeciążeniem

obciążenia wewnętrzne

• zależą od prawidłowego funkcjonowania układu mięśniowego, istotne znaczenie mają relacje między aktywnym napięciem i rozkurczem poszczególnych mięśni oraz grup mięśniowych

• współskurcz mięśni antagonistycznych jest zazwyczaj przyczyną nadmiernego obciążenia stawu

• oprócz siły niezbędnej do realizacji określonej czynności mięśnie agonistyczne muszą pokonać opór mięśni przeciwstawnych

•

zewnętrzne siły - są zazwyczaj źródłem znacznych przeciążeń stawów

• w czasie prawidłowego chodu, w momencie rozpoczynającego fazę podparcia kontaktu pięty z podłożem, siła przenoszona przez staw kolanowy przewyższa 3-4 razy ciężar ciała

• nadmierne ugięcie kolana w fazie podporu powodaduje zwiększone obciążenie stawu rzepkowo-udowego przewyższające nawet dziewięciokrotnie ciężar ciała, obciążenia te mogą wzrosnąć wielokrotnie w przypadku ciężkiej pracy lub np. w czasie wyczynu sportowego

23

fizjologiczne mechanizmy zabezpieczające

kości i stawy przed przeciążeniem

System mięśniowy - jest głównym elementem układu napędowego organizmu, odgrywają również nie mniej ważną rolę aktywnych tłumików rozpraszających nadmierną energię

• rozpraszanie nadmiarów energii oraz amortyzacja wstrząsów zabezpiecza stawy i kości przed przeciążeniem

• właściwości lepko-sprężyste mięśni powodują, że w czasie rozciągania są one w stanie pochłonąć i rozproszyć znaczne ilości energii kinetycznej

• charakterystyka mechaniczna mięśni jest kontrolowana przez układ nerwowy

• biernie rozciągane mięśnie w zakresie fizjologicznych zmian długości stawiają niewielki opór i nie są w stanie wchłonąć znacznych ilości energii

sprawność działania mięśniowych mechanizmów amortyzujących może zostać zaburzona w wyniku procesów patologicznych zachodzących w układzie nerwowo-mięśniowym, starzenie się organizmu, zmienia charakterystykę mechaniczną mięśni, powoduje spowolnienie działania układu nerwowego

24

ścięgna

Ścięgna - włókniste twory łącznotkankowe łączące mięśnie z kośćmi

• najczęściej podłużne struktury o przekroju okrągłym lub owalnym

• zbudowane są z włókien kolagenowych pogrupowanych w pęczki, wzmacniających macierz utworzoną przez uwodniony żel proteoglikanowy

• siły wywierane na ścięgno w czasie normalnej aktywności lokomocyjnej nie przekraczają 20-30% obciążenia maksymalnego, powtarzające się obciążenia submaksymalne powodują mikrouszkodzenia lub nawet częściowe zerwanie ścięgna

• kolagen stanowi co najmniej 30% masy ścięgna, nadając mu znaczną statyczną wytrzymałość na rozciąganie

• elastyna - białko włókniste, w przeciwieństwie do względnie sztywnego kolagenu włókna elastyny mogą zostać odkształcone sprężyście nawet 2,5-krotnie, czyli wydłużenie względne może sięgnąć 250%

zmęczenie ścięgna - powtarzające się przeciążenia, nawet jeśli nie przekraczają granicy wytrzymałości ścięgna na rozerwanie, powodują znaczne obniżenie jej wartości, najczęściej występują dwa typy urazów ścięgien: przeciążeniowe oraz zmęczeniowe 6

2013-01-23

25

powięzi

otacza poszczególne mięśnie lub grupy mięśni

utrzymuje mięśnie w określonej pozycji i zapobiega ich przemieszczeniu

łączy poszczególne włókna mięśniowe ze ścięgnem

dotychczas zgromadzone dane pozwalają stwierdzić, że podatność powięzi na rozciąganie zbliżona jest do rozciągliwości ścięgna

struktury te stanowią szeregowy element elastyczny wpływający na rozciągliwość mięśnia

znaczna elastyczność powięzi sugeruje, że tworzy ona rodzaj mechanicznego bufora zabezpieczającego włókna mięśniowe przed uszkodzeniem

mechanizm wyrównujący naprężenia w poszczególnych włóknach mięśniowych i w poszczególnych jednostkach ruchowych

sprężystość powięzi pozwala na gromadzenie w niej energii w czasie skurczu mięśnia 7