Piotr Gołuchowski gr.20 b

Biomechaniczna analiza budowy i funkcji głównych stawów oraz kręgosłupa

Kręgosłup

Kręgosłup stanowi ruchomy słup kostny, rozciągający się od podstawy czaszki do dolnego końca tułowia i położony jest w linii pośrodkowej po grzbietowej stronie ciała. Spełnia on trzy zasadnicze funkcje:
-ochrony rdzenia kręgowego
-narządu ruchu
-narządu podpory ciała.

Budowa kręgu na każdym kręgu możemy wyróżnić część przednią i tylną. Część przednia to trzon kręgu, a tylna to łuk kręgu.
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 kręgów nałożonych na siebie, a otwory każdego kręgu tworzą kanał kręgowy. W kanale tym znajduje się część ośrodkowego układu nerwowego , zwana rdzeniem kręgowym.

Łuk kręgu jest znacznie węższy od trzonu. Od łuku kręgu odchodzi 7 wyrostków: nieparzysty wyrostek kolczysty, parzyste wyrostki poprzeczne i dwie pary wyrostków stawowych - górne i dolne.
Wyrostki stawowe służą do stawowego połączenia kręgów między sobą, wyrostki kolczyste i poprzeczne są miejscami przyczepów mięśni i wiązadeł.

Połączenia trzonów kręgów realizowane są za pomocą włóknistych krążków międzykręgowych. Tak samo jak niejednakowa jest grubość kręgów tak również krążki międzykręgowe mają różna grubość i zwiększa się ona w miarę schodzenia w dół kręgosłupa. W poszczególnych partiach kręgosłupa również wysokość przedniej części krążka i tylnej znacznie się różnią co jest przyczyną powstania krzywizn kręgosłupa. Krążek zbudowany jest z miażdżystego jądra oraz oraz otaczających go pierścieni włóknistych. Przy samych powierzchniach trzonów krążek ma budowę szklistą. Jest to chrząstka która ściśle przylega do trzonów kręgosłupa. Człowiek posiada 23 krążki międzykręgowe. Pierwszy krążek znajduje się pomiędzy drugim, a trzecim kręgiem szyjnym, a ostatni pomiędzy odcinkiem lędźwiowym kręgosłupa, a kością krzyżową.

Stawy międzykręgowe są to stawy pomiędzy wyrostkami stawowymi kręgów. Tworzą je stykające się ze sobą powierzchnie stawowe wyrostków stawowych.

Więzadła kręgosłupa.

Więzadła dzielimy na dwie główne grupy, czyli na grupę więzadeł rozciągających się pomiędzy sąsiednimi kręgami i na więzadła biegnące wzdłuż całego kręgosłupa.

• Więzadła wiążące sąsiednie łuki kręgów nazywamy więzadłami międzyłukowymi.

• Więzadła łączące wyrostki poprzeczne noszą nazwę więzadeł międzypoprzecznych, a więzadła wyrostków kolczystych to więzadła międzykolcowe.

• Więzadła międzyłukowe (więzadła żółte) rozpinają się pomiędzy brzegami łuków kręgów . Tworzy je błona zbudowana z tkanki łącznej sprężystej. Wzmacniają one torebki stawów międzykręgowych, przylegając bezpośrednio do ich tylnych powierzchni .

• Więzadła międzypoprzeczne rozciągają się pomiędzy wyrostkami poprzecznymi. Najwyraźniej zaznaczone są w lędźwiowej części kręgosłupa. W części szyjnej zaznaczone są bardzo słabo, lub wręcz ich nie ma. Tworzy je tkanka łączna włóknista.

• 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.

Więzadło podłużne przednie. Swój początek bierze już na kości potylicznej, i biegnąc na przednich częściach trzonów kręgów wzdłuż całego kręgosłupa kończy się na powierzchni miednicznej kości krzyżowej. Podobnie jak kręgosłup, przystosowane jest do przenoszenia coraz większych sił i w miarę postępu w dół jest ono coraz grubsze, a przez to coraz silniejsze.

Więzadło podłużne tylne. Zaczyna się na kości potylicznej, wyściela przednią ścianę kanału kręgowego , a kończy się w górnej części kanału krzyżowego. Dodatkowo więzadło to zrasta się też z krawędziami krążków międzykręgowych.

Mechanika kręgosłupa

Żeby móc omawiać mechanikę 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 zaliczymy (patrząc od góry) ciężar głowy, ciężar ramion, ciężar tułowia, oraz momenty występujące gdy zakłócimy symetrię strzałkową ciała, np. gdy wyciągniemy przed siebie jedną rękę. Siły dynamiczne powstają podczas poruszania się. Występują tu siły bezwładności i odśrodkowe. Siłom tym przeciwdziałają (równoważą je) mięśnie dynamicznie reagujące na zmiany obciążeń w kręgosłupie.
Należy też zwrócić uwagę na fakt, że nieco inne siły działają na kręgosłup gdy stoimy w pozycji wyprostowanej, a inne gdy pochylamy się do przodu.

Dlatego też każda zmiana równowagi układu kręgosłupa powoduje rozwój zniekształceń w tym miejscu jak również jest przyczyną powstawania zniekształceń w innych miejscach kręgosłupa. Kręgosłup ma dwojaką statykę, wewnętrzną wynikającą bezpośrednio z właściwości wytrzymałościowych kolumny kręgosłupa oraz zewnętrzną wynikającą z własności mięśni brzucha, klatki piersiowej i mięśni pleców.

Wieloodcinkowy (kostno-chrzęstno-więzadłowy) słup (kolumna), której esowaty kształt: zwiększa wytrzymałość na obciążanie, zwiększa sprężystość, zwiększa zdolność wytłumiania wstrząsów.

Osiową równowagę kręgosłupa utrzymuje napięcie aparatu więzadłowo-torebkowego oraz działanie mięśni (głównie tułowia i w szczególności głębokie mięśnie grzbietu). Stabilizacja w płaszczyźnie czołowej - głębokie mm. grzbietu. Stabilizacja w płaszczyźnie strzałkowej - współdziałanie mm. głębokich grzbietu z mm. brzucha (głównie prostymi).

Długość kręgosłupa: 45% DŁUGOŚCI CIAŁA (miara po krzywiznach); ¾ wysokości stanowią trzony, ¼ wysokości stanowią krążki. Tzw. wysokość kręgosłupa: 40% DŁUGOŚCI CIAŁA = 2/5 długości ciała (miara w linii prostej).

płaszczyzna strzałkowa

Kolumna przednia = trzony kręgowe = element podporowo-nośny. Kolumna tylna = łuki + wyrostki poprzeczne i kolczyste = element dynamiczny

Połączenia kręgów wolnych: (ruchy zachodzą jednocześnie we wszystkich)

-dwa stawy międzykręgowe (powierzchnie wyrostków stawowych)

-staw międzytrzonowy (tworzy krążek międzykręgowy)

Obecność krzywizn strzałkowych zwiększa wytrzymałość kręgosłupa na obciążenia osiowe 17 x. Wytrzymałość esowatej belki w porównaniu z belką prostą = x² + 1 (X - liczba skrzywień); 4² + 1 = 17

Fizjologiczny kształt kręgosłupa nie ulega zmianie tylko wtedy, gdy krążki międzykręgowe i więzadła kręgosłupa, czyli cały bierny aparat równowagi oraz czynny aparat równowagi (mięśnie grzbietu), są w stanie symetrycznego napięcia (Tylman).

Układ mięśniowy

ZGIĘCIE (mięśnie brzucha)

PROSTOWANIE (biernie-więzadła żółte, czynnie-zespół mięśni prostowników)

ZGIĘCIA BOCZNE (brzuszne i grzbietowe pasma mięśniowe jednej strony)

RUCHY OBROTOWE („spirale mięśniowe” mięśni grzbietu i brzucha obydwu stron)

RUCHY OBWODZENIA (kombinacja powyższych)

Staw Ramienny

Powierzchnie stawowe

• Głowa kości ramiennej oraz panewka stawowa łopatki

Torebka stawowa

W związku z ogromna różnicą między wielkością głowy oraz panewki i wielkością ruchomości stawu torebka stawowa tworzy luźny, długi i obszerny worek. Wskutek tego również, gdy ramię jest opuszczone, dolna część torebki skierowana do jamy pachowej wytwarza charakterystyczny fałd. Mięśnie obracające ramię (rotatory) otaczają dookoła torebkę wzmacniając ją. Przebiega przez nią ścięgno głowy długiej mięśnie dwugłowego ramienia w odcinku górnym.

Więzadła

Kurczo-ramienne (wzmacnia górną ścianę torebki stawowej)

Obrąbkowo-ramienne (ogranicza ruchy rotacyjne)

Mechanika stawu

Jest to staw kulisty wolny. Znaczna ruchomość spowodowana jest tym, że panewka jest mała w stosunku do głowy stawowej, torebka jest bardzo obszerna i luźna. Wyróżniamy cztery zasadnicze ruchy: odwiedzenie i przywiedzenie, zgięcie i wyprost, obwodzenie oraz rotacji. Odwiedzenie do 90 stopni spowodowane oparciem się guzka większego o sklepienie stawu. Dalszy ruch jest możliwy dzięki współruchowi w stawach obojczyka do 160 stopni. Do 180 stopni poprzez wyprost w odcinku piersiowym kręgosłupa. Zgięcie wyprost ( 170 - 50) rotacja wew. - zew. (70 - 60).

Staw Łokciowy

Staw złożony, składa się z trzech stawów anatomicznie złączonych z sobą i objętych wspólną torebką.

• Staw ramienno-łokciowy to staw zawiasowy

• Staw ramienno-promieniowy to staw kulisty

• Staw promieniowo-łokciowy bliższy to staw obrotowy

Staw ramienno-łokciowy

Powierzchnie stawowe:

• główka stanowi bloczek kości ramiennej, składa się on z większego stożka łokciowego i mniejszego promieniowego.

Chrząstka stawowa z przodu sięga wyżej po stronie łokciowej niż promieniowej, z tyłu odwrotnie.

• Panewka utworzona przez wcięcie bloczkowe kości łokciowej, ograniczone przez wyrostek łokciowy i wyrostek dziobiasty.

Staw ramienno-promieniowy

Powierzchnie stawowe:

• główka tworzy główka kości ramiennej. Jest ona kształtu prawie kulistego, ale tylko jej powierzchnia przednia i dolna, jako powierzchnie stawowe, są pokryte chrząstką.

• Panewka tworzy dołek głowy kości promieniowej

Staw promieniowo-łokciowy bliższy

Powierzchnie stawowe:

• główka jest utworzona przez obwód stawowy głowy kości promieniowej

• panewkę tworzy wcięcie promieniowe kości łokciowej i więzadło pierścieniowate.

• Więzadło pierścieniowate kości promieniowej uzupełnia panewkę kostną, przyczepia się do przedniego i tylnego brzegu wcięcia promieniowego kości łokciowej i obejmuje obwód stawowy głowy kości promieniowej. Na stronie wewnętrznej często pokryte chrząstką. Więzadło czworokątne łączy obie kości stawu.

Torebka stawowa

Napięta i wzmocniona więzadłami z obu boków, obszerna, cienka z przodu i z tyłu. Powierzchnie kości objęte błoną włóknistą torebki, a nie pokryte chrząstką są wysłane gładką, błyszcząca błoną maziową. Między wcięciem promieniowym kości łokciowej a obwodem stawowym głowy kości promieniowej znajduje się wąskie ku dołowi skierowane uwypuklenie torebki, zwane zachyłkiem workowatym.

Więzadła

• Więzadło poboczne-łokciowe. Zapobiega przesuwaniu się k. łokciowej w kierunku promieniowym.

• Więzadło poboczne-promieniowe. Od nadkłykcia bocznego, dzieląc się następnie na dwa rozbieżne ramiona: jedno biegnie do przodu, drugie do tyłu głowy kości promieniowej, przyczepiają się one na kości łokciowej (do przodu i do tyłu od wcięcia promieniowego)

Mechanika stawu

Staw ten jest w zasadzie stawem zawiasowym, jego oś przebiega poniżej obu nadkłykci k. ramiennej, przez środek bloczka i środek główki kości ramiennej. W położeniu wyprostowanym ramię i przedramię tworzą kąt 175-180 stopni. W położeniu maksymalnego zgięcia około 40 stopni.

Działanie mięsni

• Zginacze: dwugłowy ramienia, ramienny oraz m. Ramienno-promieniowy, nawrotny obły, prostownik promieniowy długi nadgarstka.

• Prostowniki: obie krótkie głowy m. Trójgłowego, m. Łokciowy(jako pomocnik)

Staw Biodrowy

Powierzchnie stawowe

Panewka stawowa kości miednicznej wraz z obrąbkiem stawowym oraz głowa kości udowej

Torebka stawowa

Tworzy ciasny i krótki worek, w przeciwieństwie do torebki stawu ramiennego. W postawie wyprostowanej jest ona silnie skręcona i napięta.

Więzadła

w. głowy kości udowej, w. poprzeczne panewki,

w. biodrowo-udowe (hamuje ruchy obrotowe uda na zewnątrz, a poza tym ogranicza przeginanie do tyłu i ruchy przywodzenia, prostowania oraz obrót do wewnątrz)

w. łonowo-udowe ( ogranicza odwodzenie uda, ruchy obrotowe na zew.)

w. kulszowo-udowe (hamuje obrót do wewnątrz oraz ruchy przywodzenia)

Mechanika stawu

Staw biodrowy jest stawem kulistym panewkowym; ruchy mogą odbywać się dookoła niezliczonej liczby osi. Możemy wyróżnić trzy główne: oś poprzeczna, czyli zgięcie wyprost (15 - 125), oś strzałkowa, czyli odwiedzenie przywiedzenie (45 - 25) oraz rotacja wew. i zew. (40 - 45). Dla stawu biodrowego postawa stojąca stanowi położenie krańcowe. Położenie pośrednie to: lekkie zgięcie, odwiedzenie i rotacja zewnętrzna. Ruchy w stawie biodrowym prawie bez wyjątku łączą się z ruchami kręgosłupa i mogą się wzajemnie zastępować.

Działanie mięśni

• Zespół mięśniowy zginający kd w stawie biodrowym od pozycji pośredniej do zgięcia (50- 60 stopni):

m. prosty uda

m. naprężacz powięzi szerokiej

m. krawiecki;

• Zespół mięśniowy prostujący kd w stawie biodrowym (ze zgięcia 90 stopni do pozycji pośredniej):

m. pośladkowy wielki (cz. udowa);

m. przywodziciel wielki;

m. półbłoniasty;

m. pośladkowy wielki (cz. pasmowa);

m. półścięgnisty;

m. pośladkowy średni (cz. tylna);

m. czworoboczny uda;

m. przywodziciel krótki;

m. zasłaniacz zewnętrzny;

m. dwugłowy uda (głowa długa);

m. smukły;

m. pośladkowy mały (cz. tylna);

m. gruszkowaty;

m. zasłaniacz wewnętrzny

mm. blizniacze.

• Zespół mięśniowy prostujący kd w stawie biodrowym (od pozycji pośredniej do pełnego wyprostu):

m. półbłoniasty;

m. dwugłowy uda (głowa długa);

m. półścięgnisty;

• Zespół mięśniowy odwodzący kd w stawie biodrowym:

m. pośladkowy średni;

m. prosty uda;

m. pośladkowy wielki (cz. pasmowa);

m. naprężacz powięzi szerokiej;

m. pośladkowy mały;

m. krawiecki;

m. gruszkowaty.

• Zespół mięśniowy przywodzący kd w stawie biodrowym:

m. pośladkowy wielki (cz. udowa);

m. przywodziciel wielki;

m. przywodziciel długi;

m. przywodziciel krótki;

m. biodrowo- lędźwiowy;

m. półbłoniasty;

m. dwugłowy uda (głowa długa);

m. grzebieniowy;

m. zasłaniacz wewnętrzny;

mm. bliźniacze;

m. zasłaniacz zewnętrzny;

m. półścięgnisty;

m. czworoboczny uda;

m. smukły.

• Zespół mięśniowy rotujący zewnętrznie kd w stawie biodrowym:

m. pośladkowy średni (cz. tylna);

m. pośladkowy wielki;

m. zasłaniacz wewnętrzny;

mm. bliźniacze;

m. przywodziciel wielki;

m. gruszkowaty;

m. biodrowo- lędźwiowy;

m. pośladkowy mały;

m. prosty uda;

m. zasłaniacz zewnętrzny;

m. przywodziciel krótki;

m. grzebieniowy;

m. dwugłowy uda (głowa długa);

m. czworoboczny uda;

m. przywodziciel długi;

m. krawiecki;

m. smukły.

• Zespół mięśniowy rotujący wewnętrznie kd w stawie biodrowym:

m. naprężacz powięzi szerokiej;

m. pośladkowy mały (cz. przednia);

m. prosty uda;

m. pośladkowy średni (cz. przednia);

m. dwugłowy uda (głowa długa);

m. przywodziciel wielki;

m. smukły.

Staw Kolanowy

Staw kolanowy jest największym stawem ustroju ludzkiego, łączy kość piszczelową z kością udową najdłuższymi ramionami dźwigni. Prawidłowa czynność tego stawu decyduje o statyce i dynamice kończyn dolnych i całego narządu ruchu.

Najważniejszymi strukturami anatomicznymi stawu kolanowego są: struktury kostne, powierzchnie stawowe (chrząstka stawowa), łąkotki, więzadła, mięśnie, staw rzepkowo-udowy (między kością udową, a rzepką) i torebka stawowa.

Struktury kostne
Wypukłe kłykcie kości udowej stanowią główkę stawową, która porusza się po na wklęsłych powierzchniach kłykci kości piszczelowej stanowiących panewkę stawową. Rzepka jest spłaszczoną kością włączoną w aparat wyprostny kolana.

Łąkotki
Łąkotki, twory chrzęstno-włókniste, spełniają szczególną rolę w stawie kolanowym. Posiadają one sierpowaty kształt, a w przekroju czołowym mają postać klina podstawą zwróconą do torebki stawowej, zaś wierzchołkiem do wnętrza stawu. W prawidłowym stawie kolanowym występują dwie łąkotki: boczna i przyśrodkowa.
Funkcje łąkotek (główne):
poprawienie zwartości stawu,
przenoszenie obciążeń i osłanianie chrzęstnych powierzchni stawowych,
ograniczanie maksymalnego zgięcia i wyprostu stawu,
rola w odruchach nerwowych.

Więzadła
W stawie kolanowym najważniejszą rolę odgrywają więzadła poboczne i krzyżowe.
Więzadła poboczne:
a) więzadło poboczne piszczelowe (MCL)
Główną funkcją tego więzadła jest ograniczenie nadmiernej koślawości oraz rotacji zewnętrznej piszczeli.
b) więzadło poboczne strzałkowe (LCL)
Główna rola tego więzadła polega na ograniczaniu szpotawości kolana.
c) więzadło krzyżowe przednie (ACL)
Najważniejsza rola tego więzadła polega na ograniczaniu przedniego przemieszczania piszczeli względem kości udowej, ograniczaniu nadmiernego zgięcia i wyprostu oraz forsownego koślawienia i szpotawienia w wyproście i zgięciu.
d) więzadło krzyżowe tylne (PCL)
Więzadło to składa się z dwóch oddzielnych części zróżnicowanych anatomicznie i funkcjonalnie. Taka budowa więzadła gwarantuje jego podstawową funkcję, jaką jest zabezpieczenie tylnego przemieszczania piszczeli oraz ograniczanie maksymalnego wyprostu i zgięcia.
Pozostałe więzadła to:
e) więzadło podkolanowe skośne
f) więzadło torebkowe przyśrodkowe
g) więzadło tylne skośne

Mięśnie
Mięśnie działające na staw kolanowy zaliczane są do grupy tzw. stabilizatorów czynnych.

Najważniejszą rolę wśród nich odgrywa najsilniejszy prostownik stawu - mięsień czworogłowy. Jest on dynamicznym partnerem PCL w stabilizowaniu kolana w płaszczyźnie strzałkowej oraz decyduje o wyproście kolana. Pozostałe stabilizatory czynne to mięśnie: krawiecki, smukły, półścięgnisty, półbłoniasty, podkolanowy, dwugłowy uda oraz brzuchaty łydki.

Mechanika

Staw kolanowy jest określony przez 6 stopni swobody: 3 stopnie przesunięcia i 3 stopnie ruchów obrotowych:

przesunięcie

• kierunku przednio - tylnym

• kierunku przyśrodkowo - bocznym

• kompresja - dystrakcja
  

ruchy obrotowe

• prostowanie - zginanie

• przywodzenie - odwodzenie

• rotacja wewnętrzna - zewnętrzna

Prawidłowa czynność stawu kolanowego zależy od osi mechanicznej stawu, kształtu powierzchni stawowych oraz działania stabilizatorów czynnych i biernych;

1. stabilizatory bierne: więzadła, struktury torebkowe - łączą udo, piszczel i rzepkę,

2. stabilizatory czynne: mięśnie - działają pod wpływem systemu nerwowego ( koordynacja nerwowo-mięśniowa jest podstawą stabilności kolana ),

3. geometria i ukształtowanie powierzchni stawowych wraz z uzupełniającymi ich łąkotkami,

Stabilizacja bierna stawu kolanowego, o której decyduje układ więzadłowy oraz ukształtowanie powierzchni stawowych wraz z łąkotkami, jest wzmacniany przez stabilizatory czynne. Stabilizatorem czynnym jest mięsień czworogłowy, który wspomaga działanie więzadeł pobocznych i krzyżowych. Mięśnie - półścięgnisty, półbłoniasty, smukły, krawiecki - wzmacniają działanie układu torebkowo-więzadłowego po stronie przyśrodkowej oraz tylnego rogu łąkotki przyśrodkowej. Mięsień brzuchaty łydki wzmacnia działanie wiązadła krzyżowego tylnego i tylnych rogów obu łąkotek, natomiast mięśnie - dwugłowy uda i napinacz powięzi szerokiej - wspomagają działanie więzadła pobocznego strzałkowego i tylno - bocznej części łąkotki bocznej.

Biomechanika stawu i jego stabilność uwarunkowana jest natomiast synchroniczną czynnością wymienionych elementów. Współzależność pomiędzy nimi jest kontrolowana łukami nerwowymi w układzie proprioceptywnym i poddawana analizie w centralnym układzie nerwowym. Cechą charakterystyczną stawu jest jego duża stabilność w wyproście i stopniowo wzrastająca ruchomość rotacyjna w trakcie zginania.

Podstawowym ruchem zachodzącym pomiędzy kością udową a piszczelową jest połączenie ruchu toczenia ze ślizganiem. Na ten ruch nakłada się ruch rotacyjny. W początkowej fazie zginania ( 10-15 stopni po stronie przyśrodkowej, 10-20 stopni po stronie bocznej ) kłykcie wykonują ruch toczenia bez poślizgu, następnie do tego ruchu toczącego dołącza się poślizg, a w końcowej fazie kłykcie wykonują jedynie ruch poślizgowy bez toczenia. W czasie zginania rozluźniają się więzadła poboczne, zmniejsza się stabilność kolana w płaszczyźnie czołowej i możliwe stają się ruchy rotacyjne w stawie. W końcowej fazie wyprostu dochodzi do ruchu rotacji zewnętrznej piszczeli i do zablokowania stawu w wyproście. Ruch zginania w stawie kolanowym może dochodzić do 150 stopni ( bierny ) i 130 stopni ( czynny ), natomiast fizjologiczny przeprost do 10 - 20 stopni.

Bibliografia

„Anatomia człowieka - układ ruchu” - Adam Bochenek

www.pandm.prv.pl

prezentacja: „Biomechanika kręgosłupa” Zakład Biomechaniki, Protetyki i Zaopatrzenia Ortopedycznego Katedra Klinicznych Podstaw Fizjoterapii Wydział Fizjoterapii Uniwersytet Medyczny w Łodzi; Opracowanie - R.T.Perner, 2003 r.

---