Laboratorium Biomechaniki

Analiza mechanizmów stawu kolanowego

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest dokonanie przez studentów analizy kinematycznej wybranych elementów stawu kolanowego oraz zapoznanie się z budową i podstawami projektowania stabilizatorów kolana.

1. Wprowadzenie

Odpowiednie zrozumienie kinematyki organizmu ludzkiego pozwala na zaprojektowanie prawidłowo działającego sprzętu rehabilitacyjnego oraz protez. Zapotrzebowanie na tego typu konstrukcje wynika z wzrostu zainteresowania społeczeństwa sportami ekstremalnymi oraz tendencji do starzenia się populacji.

Staw kolanowy jest największym stawem organizmu ludzkiego. Pod względem funkcjonalnym, jest to staw zawiasowy zmodyfikowany. Prawidłowe funkcjonowanie jest zapewnione poprzez zabezpieczenia więzadłowe i ścięgniste oraz dwie łąkotki, przyśrodkową i boczną. Mimo szeregu wzmocnień i zabezpieczeń, staw ten jest bardzo podatny na uszkodzenia.

Łąkotki stawowe, są to dwa półksiężycowate twory zbudowane z tkanki łącznej włóknistej i chrząstki włóknistej. Łąkotki zlokalizowane są wewnątrz torebki stawowej, między kością udową a piszczelową, dzieląc jamę stawowa na dwa piętra, odpowiednio górne i dolne. Łąkotki, poza pełnieniem funkcji amortyzującej, umożliwiają lepsze dopasowanie do siebie powierzchni stawowych oraz umożliwiają ruch pronacji i supinacji (przy zgiętym kolanie). Odpowiednia pozycja łąkotek jest uwarunkowana poprzez pasma łącznotkankowe przytwierdzające je do kości piszczelowej oraz zrośniecie obu łakotek z więzadłem poprzecznym kolana.

Staw kolanowy jest poddany bardzo dużym obciążeniom, a jego odpowiednia pracy nie była by możliwa bez odpowiedniego wzmocnienia. Więzadła stawu kolanowego zlokalizowane są zarówno na zewnątrz jak i wewnątrz torebki stawowej. Z tej racji, więzadła te dzieli się na wewnętrzne i zewnętrzne.

Głównymi więzadłami zewnętrznymi są więzadła poboczne, oraz troczki i więzadło rzepki. Dodatkowo, tylna powierzchnia torebki stawowej jest wzmocniona przez więzadło podkolanowe skośne(hamuje nadmierne prostowanie stawu i ruchy obrotowe), oraz więzadło podkolanowe łukowate). Więzadła poboczne, odpowiednio piszczelowe(MCL, łac. ligamentum collaterale tibiale) i strzałkowe(FCL, łac. ligamentum collaterale fibulare), stabilizują staw gdy kolano jest wyprostowane. Podczas zgięcia natomiast, rozluźniają się i umożliwiają rotację.

Najważniejszymi więzadłami wewnętrznymi stawu kolanowego są więzadła krzyżowe, odpowiednio przednie (ACL, łac. ligamentum cruciatum anterius) i tylne (PCL, łac. ligamentum cruciatum posteriori). Więzadła te odpowiadają za bardzo silne połączenie kości udowej i piszczelowej, z racji że poszczególne ich pasa są napięte praktycznie we wszystkich położeniach stawu. Ograniczają one maksymalny wyprost i zgięcie oraz ruchy obrotowe podudzia(tylko w przypadku zgiętego kolana). Podczas ruchu skrętnego, więzadła krzyżowe owijają się wokół siebie. Rys.1 Przedstawia rozsunięty staw kolanowy uwidaczniający więzadła krzyżowe.

Rys. 1 Rozsunięty staw kolanowy. Rozsuniecie pozwala na uwidocznienie obu więzadeł krzyżowych.

W wielu przypadkach, podczas urazu stawu kolanowego, dochodzi do uszkodzenia kilku struktur jednocześnie. Jednym z najpopularniejszych urazów tego typu jest tzw. Triada O’Donoghue. W urazie tym dochodzi do jednoczesnego zerwania więzadła krzyżowego przedniego, więzadła pobocznego piszczelowego i zniszczenia łąkotki przyśrodkowej. Do urazu tego dochodzi najczęściej podczas uprawiania narciarstwa i sportów kontaktowych (piłka nożna, sporty walki). Leczenie, w zależności od rozległości urazu i aktywności pacjenta polega na samej stabilizacji stawu, lub wykonaniu zabiegu operacyjnego.

Użycie stabilizatorów kolana pozwala na szybszy powrót pacjenta do zdrowia niż użycie opatrunku gipsowego. Większość stabilizatorów pozwala na poprawne odciążenie więzadeł pobocznych, jednak w przypadku więzadeł krzyżowych osiągnięcie prawidłowej stabilizacji bywa problematyczne.

1. Przebieg ćwiczenia

1. Zapoznać się z dostarczonymi materiałami anatomicznymi. Następnie na tej podstawie powinna zostać wykonana analiza kinematyczna stawu kolanowego w płaszczyźnie strzałkowej w oparciu o model anatomiczny oraz przekroje uzyskane z badania MRI. Należy kolejno

- rozrysować mechanizm więzadła krzyżowego

- wykonać jego model

- sprawdzić jego poprawność w porównaniu z biologicznym odpowiednikiem

1. Na dostarczonym rysunku poglądowym należy zaproponować położenie środka obrotu stawu.

2. Należy przeanalizować budowę komercyjnych stabilizatorów stawu kolanowego:

- rozrysować mechanizm stabilizatorów

- ocenić stopień ich poprawności we współpracy ze stawem kolanowym.

1. Pytania Kontrolne

- Wymienić dwa główne więzadła zewnętrze i wewnętrzne. Jaka jest ich rola?

- Opisać stopnie swobody stawu kolanowego

- Łąkotki stawowe

1. Sprawozdanie

W sprawozdaniu powinny być zawarte wszystkie zagadnienia wymienione w punkcie 3. Należy zamieścić rysunki wykonane na zajęciach(model + wyznaczony środek obrotu. Należy również zmieścić zdjęcie i łańcuch kinematyczny stabilizatora kolanowego o budowie rozwiązującej problem niedopasowywania się osi.

1. Literatura

1. Z. Zagrobelny, M. Woźniewski, Biomechanika Kliniczna, Wydawnictwo AWF Wrocław, 1992

2. J. Błaszczyk, Biomechanika Kliniczna, Wydawnictwo Lekarski PZWL, Warszawa, 2004

3. B. Sokołowski, Zarys Anatomii Człowieka, Krakow 1995

4. J. Sobotta R.Putz, R.Pabst, Atlas Anatomii Człowieka, Wrocław, 2006