Wykład I

Biomechanika jest nauką interdyscyplinarną o ruchach żywych organizmów obciążeniach i wynikających z tego skutkach.

Wykonywane ruchy są następstwem sił:

1)zewnętrznych (przyspieszenie, przyciąganie ziemskie, mogą pochodzić od os. Współćwiczącej)

2) wewnętrznych (siły generowane przez mięśnie przenoszone przez ukł. kostny)

Na skutek działania sił następuje zmiana położenia całego ciała czł. (chód, bieg) lub zmiana poszczególnych części ciała, co pozwala na wykonywanie określonych czynności (siedzenie, pisanie). Struktura działających obciążeń zewnętrznych i wewnętrznych na narząd ruchu czł. Jest bardzo złożona i do końca nie poznana.

Biomechanika dzieli się na:

1. Inżynieryjną- obejmuje modelowanie ruchu i badanie lokomocji, techniki pomiarowe, własności mechanicznych i regulacyjnych mięśni szkieletu

2. Rehabilitacyjną

3. Sportową

4. Kosmiczną

5. Ogólną- zbieranie danych, metodologia

W wielu ośrodkach technicznych i medycznych prowadzone są badania z zakresu biomechaniki wyjaśniające przyczyny i przebieg występujących zaburzeń ukł. mięśniowo-szkieletowego oraz opracowanie metod leczenia, aby nie leczyć skutków ale starać się usuwać przyczyny choroby przed jej powstaniem.

Prowadzone badania w biomechanice wymagają znajomości obciążenia struktur kostnych, ich własności fizycznych (współczynnik sprężystości, gęstość) oraz procesów biologicznych występujących w danym momencie. Przedstawione uwarunkowania są często niemożliwe do spełnienia i występuje konieczność prowadzenia badań na modelach fizycznych (manekiny, odlewy kości z tworzyw sztucznych), modelach numerycznych, w warunkach klinicznych na fragmentach kości.

W miarę możliwości sporządzone modele fizyczne ( odlewy z mas plastycznych) i modele numeryczne powinny obiektywnie odtwarzać fragment narządu ruchu, a prowadzący badanie musi zdawać sobie sprawę z wpływu przyjętych uproszczeń na otrzymanie wyniki.

W badaniach modelowych niemożliwe jest odtworzenie złożonych struktur aparatu mięśniowo-więzadłowego. Dotyczy to również badań prowadzonych na preparatach anatomicznych. Bardzo istotny jest czas jaki upłynął od momentu pobrania preparatu do badania. Dobrze jest jeżeli modele teoretyczne potwierdzone są badaniami klinicznymi.

Narząd ruchu- jest to część organizmu odpowiadająca za zachowanie postawy i wykonywanie ruchów.

Narząd ruchu stanowi nierozerwalną całość anatomiczną oraz czynnościową i musi być traktowany jako jeden łańcuch kinematyczny. Jakakolwiek zmiana anatomiczna lub czynnościowa w jednym elemencie powoduje natychmiastowe zaburzenie funkcji i biomechaniki oraz wtórne zmiany anatomiczne elementów ukł. kostno-stawowego i mięśniowego. Przy planowanych korekcjach narząd ruchu należy traktować jako całość, a nie leczyć jego elementy.

Ukł. ruchu człowieka składa się z kości, stawów, więzadeł i mm poprzecznie prążkowanych. Kości stanowią bierny aparat ruchu. Połączone są ruchomo w stawach tworząc dźwignie. Staw stanowi punkt podparcia dźwigni i tworzy ruchome połączenia między kośćmi wyłącznie do ruchów obrotowych.

Funkcje biernego szkieletu człowieka:

1. Podporowa- ukł. bierny ruchu jest rusztowaniem, przenosi siły, podtrzymuje narządy wewnętrzne czł, z mm zabezpiecza pionową postawę ciała

2. Ochronna- sztywne elementy kostne ochraniają trzewia przed bezpośrednimi (urazy) i pośrednimi (podczas chodu, biegu) urazami (czaszka, żebra, miednica).

3. Amortyzacyjna- osłabienie drgań i wstrząsów działających szkodliwie na narządy wewnętrzne człowieka podczas przemieszczania się (pomocne są wygięcia kręgosłupa, sklepienia stóp, chrząstka stawowa, naprzemienne ruchy zginania w stawach kkd)

4. Ruchowa-pozwala na przemieszczanie się człowieka (chód)

5. Wytwarzanie elementów morfotycznych krwi.

Wykład II

• Mm poprzecznie prążkowane (nazywane również szkieletowymi lub mm zależnymi od naszej woli) obdarzone są zdolnością kurczenia i stanowią czynną część ukł. ruchu czł.

Skurcz jest efektem potencjałów powstałych w części ruchowej kory mózgowej i w pełni zależny jest od naszej woli.

• Skurcz mm gładkich oraz m sercowego nie podlega naszej woli mimo, że stan psychiczny człowieka wywiera istotny wpływ na częstość i zmianę siły Skórczów mm gładkich i m sercowego.

• Podczas pracy mm szkieletowe przetwarzają energię chemiczną na energię mechaniczną i cieplną i wymuszają ruchy szkieletu. Mm mają zbliżać do siebie przyczepy, nie mogą ich pchać. W mechanice silniki mogą ciągnąć i pchać poruszane elementy.

• Ze względu na zdolność wytwarzania energii mechanicznej, mm tworzą napędy (silniki, siłowniki) działające tylko na jedną stronę. Sprawność energetyczna mm człowieka wynosi 20%-25%. Silnika wysokoprężnego ok. 40%.

• Podczas pracy mm szkieletowe zmęczą się i muszą mieć okres odpoczynku. Serce pracuje całe życie, nie męczy się.

• Zadaniem biomechaniki jest optymalizacja ruchów.

• Mm nie działają pojedynczo. Każdy ruch człowieka powstaje w wyniku zespołowego działania wielu mm (zginacze i prostowniki) i biorą w nich udział przeciwnie działające grupy mm. Jeden mięsień obsługuje średnio 3 stawy, jeden stopień swobody obsługuje średnio ok. 8 mm.

CZŁON-w biomechanice i bionice jest to kość

PARA BIOKINEMATYCZNA- parę tworzy ruchome połączenie dwóch członów napędzanych mechanizmem/ ami ( mięśniami). Miejscem ruchu jest najczęściej biołożysko (staw).

ŁANCUCH BIOKINEMATYCZNY- spójny ukł. członów połączonych ruchowo. Muszą być nie mniej jak dwa człony( kciuk) Kub więcej (kg i kd).

BIOMECHANIZM KINEMATYCZNY-jest to łańcuch biokinematyczny zdolny do przekazywania określonego ruchu kinematycznego.

PODSTAWA-człon względem którego można badać ruch innych członów (miednica, obręcz barkowa)

STOPNIE SWOBODY-jest to możliwość ruchu względem osi (x,z,y) lub w płaszczyznach (horyzontalnej, strzałkowej, czołowej). U człowieka jest max 3 (biodro), najmniej jeden (staw międzypaliczkowy).

Stopa i dłoń mają po 30 stopni swobody.

Różnice na niekorzyść kończyny dolnej:

-redukcja ruchliwości obręczy biodrowej

-zmniejszenie zakresu ruchu stopy

-zmniejszenie zakresu ruchu goleni w stawie kolanowym

RUCHLIWOŚĆ- nazywamy sumę stopni swobody ruchomych cz łonów. Ruchliwość kkg (z obręczą barkową)wynosi 72, kkd 60- jest to 52% pełnej ruchliwości człowieka. W sumie mamy 240 stopni swobody, ujmując kk ucha 244 ukł.gnykowego 250

Budowa ciała:

Budowę człowieka określamy na podstawie jego wysokości i objętości ciała, kształtu głowy, stosunku pomiędzy kk i tułowiem, rozwoju mm, tk. tłuszczowej.

Typy konstrukcyjne Kretschnera:

• asteniczny (leptosomiczny)- twarz wąska, szyja długa, klp płaska, kkd długie, barki i miednica wąskie, mm słabo rozwinięte

• atletyczny- twarz podłużna prawie kwadratowa, szyja silnie zbudowana, barki i klp szerokie i mocno wysklepione, miednica szeroka, kkg i kkd długie, mm rozwinięte, stopy szerokie

• pykniczny- twarz szeroka, szyja krótka, barki z klp szerokie i dobrze wysklepione, kk zwykle krótkie o słabej mięśniówce i dobrze rozwiniętej tk. tłuszczowej.

Ciężar ciała formuła Broca:

Wzrost w cm- 100

• przy wzroście 155-165 cm – dł. ciała 100

• 165-175 cm- dł. ciała 105

• 175-185 cm- dł. ciała 110

Wykład III

BIOMECHANIKA STAWU BIODROWEGO

Staw biodrowy człowieka jest przegubem kolisto-panewkowym o 3 stopniach swobody. Ruch w stawie odbywa się jednocześnie wokół kilku osi, który można modelować jako ruch posuwisto-zwrotny. Współdziałające powierzchnie poruszają się z prędkością 5-10 cm/s na drodze o dł. ok. 5 cm.

Kulista głowa panewki ( odpowiednik czopa w łożysku mechanicznym) zanurzona jest w gnieździe w miednicy kostnej ( będącym odpowiednikiem panwi w łożysku mechanicznym). Przestrzeń pomiędzy czopem a panwią wypełniona jest mazią stawową tworząc węzeł tarcia zamknięty grubą torebką. Maź jest odpowiednikiem płynów smarujących stosowanych w mechanice.

CHRZĄSTKA STAWOWA

Powierzchnie stawu pokryte są nieprzeźroczystą, szklistą chrząstką, która nie jest unerwiona i unaczyniona. Chrząstka stawowa składa się:

1. Macierzy z zatopionymi w niej kom. chrząstki ( chondrocytami).

2. Z agregatów proteoglikonowych

3. Z włókien kolagenowych, tworzących łuki (arkady)

Komórki chrząstki wielkość 10-30 mikrometrów stanowią ok. 0,1% objętości chrząstki, nie stykają się ze sobą i pozbawione są możliwości podziału o najwolniejszej przemianie materii. W ciągu godziny zużywają 1/50 – 1/1000 mniej tlenu w porównaniu z innymi tkankami.

BIOMECHANIKA BIODRA

Okres połowiczny odnowy agregatów proteoglikanowych wynosi od 2 tygodni do 200 dni, proteoglikanów chrząstki głowy kości udowej ok. 800 dni, proteoglikanów chrząstki kłykcia kości udowej ok. 300 dni. Mniejsze chrząstki proteoglikanów mają krótszy, większe dłuższy okres połowicznej odnowy.

Podstawowym składnikiem macierzy są agregaty proteoglikanowe oraz włókna kolagenowe. Agregaty mają kształt miotełek o ujemnym ładunku wzajemnie odpychające się i przyciągające dodatnio naładowane roztwory oraz cząstki wody znajdujące się w chrząstce.

Występujące obciążenia stawu zbliżają do siebie glikozaminoglikany wyciskają wodę z przestrzeni między łańcuchami. Zwolnienie nacisku pozwala na rozprężenie łańcuchów oraz na powrót wody do przestrzeni między łańcuchami.

Dzięki wodochłonności agregatów proteoglikanowych i porowatej budowie chrząstka ma właściwości gąbki. Pory chrząstki mają średnicę 20-60A i pozwalają na przemieszczanie się płynów w chrząstce, co zabezpiecza odżywianie i przemieszczanie się produktów przemiany materii z chrząstki do jamy stawowej i odwrotnie.

Wytrzymałość mechaniczną chrząstka zawdzięcza miękkim i elastycznym włóknom kolagenowym typu II. Grubość włókien kolagenowych wynosi od kilku do 100, 200 nm. Średnic włókien zmniejsza się w chorobach stawów oraz ze wzrostem wieku.

Włókna kolagenowe swoimi końcami zakotwiczone są w zwapniałej warstwie chrząstki znajdującej się na powierzchni kości podchrzęstnej, następnie biegną promieniście w kierunku powierzchni stawowej i powracają do miejsca zakotwiczenia.

Utworzona łukowata plecionka z włókien kolagenowych oddalona jest od powierzchni stawu 1-kilku mikrometrów wymuszając falisty kształt powierzchni chrząstki. Nierówności zdrowej chrząstki stawowej wynoszą od kilku do kilkunastu mikrometrów.

Chrząstka stawowa jest doskonałym amortyzatorem. Poprzez zmianę wysokości arkad (nawet o połowę) doskonale przystosowuje się do obciążeń ściskających i przenosi je równomiernie po powierzchni stawowej, następnie do kości podchrzęstnej i gąbczastej, która w sposób ciągły przechodzi w kość zbitą (korową)

OBCIĄŻENIA STAWU BIODROWEGO

Staw biodrowy jest doskonale dostosowany do przenoszenia obciążeń statyczno-dynamicznych z tułowia do kd. Kierunki sił działających na staw biodrowy uzależnione są od wykonywanych czynności, od fazy chodu, masy ciała, od przyspieszenia ziemskiego, od indywidualnych cech danej osoby i innych nieznanych parametrów. Odtworzenie pełnego obrazu sił i momentów sił działających na staw jest niemożliwe.

Podczas chodu na staw działają siły ściskające o charakterze 1,5-2 mln razy w roku, 4 razy większe od ciężaru ciała o zmiennych wartościach i kierunkach.

Max obciążenie występuje w momencie zetknięcia pięty z podłożem i jest ok. 4 razy większe od ciężaru ciała. Zmniejsza się w trakcie przenoszenia ciężaru ciała przez śródstopie (jest ok. 2,5 razy większe od ciężaru ciała), aby osiągnąć wartości ok. 3x większe od ciężaru ciała w momencie odbicia palców stopy od podłoża.

Wykład IV

Podczas przenoszenia kończyny, obciążenia w stawie biodrowym wynoszą 50-150% wartości ciężaru ciała człowieka.

Podczas fizjologicznych obciążeń zdrowa chrząstka stawowa ulega niewielkim odkształceniom. Przy nadmiernym obciążeniu naciski powodują zmniejszenie wysokości arkad nawet o połowę. Po ustąpieniu obciążenia łuki chrząstki stawowej powracają do pierwotnego kształtu. Raz złamane włókno kolagenowe nigdy nie powróci do swojego pierwotnego kształtu.

Przy zeskokach z wysokości, niekontrolowanych poślizgnięciach obciążenia w stawie są 10-15 razy większe od masy ciała. Działające siły mogą doprowadzić do nieodwracalnego uszkodzenia chrząstki stawowej i kości podchrzęstnej.

W miejsce uszkodzonej chrząstki szklistej powstaje mało wartościowa chrząstka włóknista, w skład której w większości wchodzą włókna kolagenowe typu III charakterystyczne dla tkanek bliznowatych. Niepełnowartościowa chrząstka ulega szybszemu zużyciu (zwyrodnieniu), co przyspiesza wystąpienie zmian zwyrodnieniowych stawu biodrowego

SMAROWANIE STAWU BIODROWEGO (STAWÓW)

Pomimo występowania podobieństwa pomiędzy łożyskami i stawami maziówkowymi, budowa i fizjologia tych ostatnich sprawia, że są to najdoskonalsze łożyska nie mające odpowiednika w technice i stanowią niedościgniony wzór idealnego węzła pracy. Przyjmuje się, że staw człowieka zdrowy nie zużywa się.

Maź stawowa jest płynem o właściwościach cieczy nienewtonowskiej (inteligentny smar) jest dializatem osocza krwi, nie posiada fibrynogenu. W skład jej wchodzi kwas hialuronowy, nadający jej doskonałe właściwości.

Maź charakteryzuje się bardzo dużą i zmienna lepkością, w porównaniu ze znanymi olejami stosowanymi w mechanice.

Lepkość mazi stawowej zmienia się w zależności od prędkości chodu i obciążenia stawu. Do zabezpieczenia bezawaryjnej pracy stawu wystarczy 0,5-3 ml mazi.

Współpracujące powierzchnie czopa i panewki oddzielone są od siebie filmem maziowym (płynem) o wysokości 80-200 mikrometrów, znacznie przewyższającym nierówności powierzchni zdrowej chrząstki. Dlatego ten rodzaj smarowania nazywa się smarowaniem płynnym.

Dzięki mazi stawowej współczynnik tarcia w zdrowym stawie jest najniższy ze znanych w przyrodzie. W doskonałych łożyskach mechanicznych współczynnik tarcia jest od kilkunastu do kilkudziesięciu razy większy, w porównaniu ze zdrowym stawem.

Przy zeskokach z wysokości, przy znacznej nadwadze ciała może dojść do chwilowego styku współpracujących powierzchni chrząstki głowy i panewki. Grozi to załamaniem włókien kolagenowych, z których zbudowane są arkady. Złamane włókno nigdy nie powróci do swojego pierwotnego kształtu.

Mechanizm biosmarowania jest skomplikowany i nie został w pełni poznany. Znanych jest 30 teorii smarowania stawu.

Wykład V

BIOMECHANIKA ARTROZY BIODER (zmiany zwyrodnieniowe)

Zwyrodnienia stawów biodrowych (coxartosis) należą do najczęstszych przewlekłych i niezapalnych i nieurazowych chorób narządu ruchu, w których (niezależnie od przyczyn) dominują:

1. Postępujący proces niszczenia chrząstki stawowej (zwężenie szpary stawowej).

2. Przebudowa warstwy podchrzęstnej kości.

3. Tworzenie wyrośli chrzęstno – kostnych na krawędziach stawu z towarzyszącym bólem i ograniczeniem funkcji stawu.

Większość badaczy uważa, że pierwsze zmiany występują na powierzchni chrząstki stawowej, zmiany torebki stawowej i osteofity chrzęstno – kostne są zmianami wtórnymi.

Artroza biodra nie stanowi jednolitej jednostki chorobowej.

Najczęściej stosowany jest podział uwzględniający przyczynę (etiologię) choroby:

1. Zmiany o nieznanej przyczynie (pierwotne lub idiopatyczne) Na podstawie wywiadu, badań klinicznych i badań dodatkowych nie jesteśmy w stanie podać przyczyny choroby.

Część badaczy uważa, że nie ma zmian pierwotnych tylko to my nie jesteśmy w stanie podać przyczyny choroby i proponują podawać rozpoznanie artrozy niewyjaśnionej.

Za powody wystąpienia choroby uważa się:

- wady przemiany materii chrząstki stawowej

- zmiany składu fizyko-chemicznego i zmniejszenie ilości mazi stawowej co pogarsza warunki smarowania stawu

- niedokrwienie (zmiany w tętnicach biodrowych) lub przekrwienie głowy kości udowej („migrenę”)

- dyskretny niedorozwój panewki lub głowy k. udowej (mieści się jeszcze w normie)

2. Zmiany o znacznej etiologii (wtórne) występujące po przebytych chorobach (najczęściej po urazach, chorobie Perethera) lub w przebiegu chorób reumatoidalnych.

Niektórzy autorzy uważają, że artrozy stawów biodrowych o nieznanej przyczynie nie występują i proponują wprowadzić termin „koskartrozy niewyjaśnionej”.

Nieznane jest leczenie przyczynowe zmian zwyrodnieniowych bioder, ani postępowanie, po którym może nastąpić odbudowa chrząstki stawowej. Duże nadzieje wiąże się z możliwościami hodowli i przeszczepiania nasad stawu biodrowego, jak również z podawaniem dostawowo kwasu hialuronowego (HA).

Stosowane leczenie opóźnia, ale nie powoduje cofnięcia się choroby. Powodem tego jest fakt, że w trakcie zmieniających się obciążeń stawu, maź wciskana jest do ubytków chrząstki (pod ciśnieniem 1atmosfery), co powoduje zwiększenie wymiarów szczeliny i dalszy postęp choroby.

Występujące nierówności są wielokrotnie większe od występujących w zdrowym stawie i powodują wzrost oporów tarcia powierzchni trących i przyspieszenie zużycia chrząstki (zmęczeniowe, ścierne i puszkowacenie).

Zmniejszenie grubości chrząstki stawowej (brak amortyzatora) powoduje wystąpienie znacznie większych naprężeń w warstwach podchrzęstnych panewki i głów i jest powodem wystąpienia złamań kości podchrzęstnej, co jest jedną z przyczyn wystąpienia cyst i osłabienia właściwości mechanicznych kości podchrzęstnej.

Dodatkowo sytuacje pogarszają występujące zmiany w składzie chemicznym i zmniejszenie ilości mazi stawowej. Brak cieczy lub nieodpowiednia jej ilość lub jakość powoduje zmniejszenie filmu maziowego, wskutek czego może dojść do bezpośredniego utyku (bez warstwy smarnej) współpracujących fragmentów powierzchni stawu (smarowanie mieszane).

Ponieważ zmiany składu mazi stawowej są jedną z przyczyn zmian zwyrodnieniowych godną polecenia metodą jest wstrzykiwanie kwasu hialuronowego (HA) do jamy stawowej, który poprawia warunki smarowania stawu i odracza w czasie potrzebę wykonania alloplastyki biodra.

Wykład VI

POSTAWA – sposób trzymania się w pozycji stojącej. Postawa jest cechą osobniczą wyrażoną przez sylwetkę przy minimalnym napięciu ukł. mięśniowego i ukł. nerwowego.

Zmiany postawy ciała w ciągu życia:

- dziecko rodzi się z kręgosłupem w kształcie litery C ku tyłowi i przykurczami wyprostnymi w stawie biodrowym i kolanowym

- lordoza szyjna zaczyna się kształtować ok. 3 miesiąca życia, kiedy dziecko zaczyna leżeć na brzuchu

- ok. 6-7 miesiąca życia kształtuje się lordoza lędźwiowa, dziecko zaczyna siedzieć, zmniejsza się kifoza piersiowa i pogłębia się lordoza szyjna, ale nadal utrzymują się przykurcze wyprostne w stawie biodrowym i kolanowym

- 10-11 miesiąc zaczyna się chód, zmniejsza się kifoza piersiowa, pogłębia lordoza szyjna i lędźwiowa, zaczynają się zmniejszać przykurcze w st. biodrowym i kolanowym

- ok. 6 roku życia kształtuje się postawa ciała, pogorszenie postawy pojawia się w okresie dojrzewania płciowego, najlepsza postawa ciała 20-30 rok życia, pogorszenie sylwetki następuje w wieku starszym (50-60lat), u kobiet gorsza postawa -> osteoporoza (pogłębienie kifozy piersiowej, lordozy lędźwiowej, pozorne wydłużenie kończyn dolnych, uwypuklenie brzucha, pozornie skrócony tułów).

Wady postawy: postawą nazywamy układ ciała jeśli przyjmujemy stojąc w pozycji swobodnie wyprostowanej kiedy:

- pion spuszczony z bocznej powierzchni głowy przebiega przez środek ucha, barku, biodra, kolana i kostki bocznej

- pion spuszczony od szczytu głowy przebiega po kręgosłupie, przez szparę międzypośladkową, między stawami kolanowymi i między stopami.

W podanych sytuacjach środek ciężkości będzie padał w środku „czworoboku podparcia”. Wśród wielu postaw ciała najczęściej podaje się następujące:

- postawę zwykłą (swobodna, nawykowa) poddawaną badaniu

- postawę „baczną” (na baczność)

Odruch postawy to mechanizm utrzymujący prawidłową postawę ciała w pozycji stojącej oraz podczas chodu. Składa się na niego łuk odruchowy:

- składowa czuciowa doprowadzająca bodźce do mózgu ze ścięgien, mięśni, skóry, stawów, błędnika, wzrokowe

- składowa ruchowa (odprowadzająca) biegnąca z mózgu do komórek rogów przednich rdzenia kręgowego i następnie do mięśni poprzecznie prążkowanych.

Zmienność postawy ciała:

- czynniki endogenne (wiek, stan psychiczny, choroby)

- czynniki egzogenne (oddziaływanie środowiska)

O kształcie kręgosłupa decyduje przede wszystkim:

- wygięcie lordozy lędźwiowej

- kąt nachylenia kości krzyżowej

Metody oznaczania postawy ciała:

- subiektywne (porównania do wzorców)

- obiektywne (RTG, punktowe, fotometryczne, elastometryczne, sferosomatometryczne).

Postawa zmienia się w ciągu dnia, pod wpływem bodźców. Dobre samopoczucie, sukcesy w życiu, chęć prezentacji, radość pobudza do przyjęcia lepszej postawy. Złe samopoczucie, przygnębienie, powoduje przyjęcie gorszej postawy ciała.

Wadą postawy nazywamy wyraźne odchylenie od postawy zwykłej, poddające się czynnej lub biernej korekcji, bądź cofające się podczas wzrostu dziecka. Stan taki, jeżeli trwa zbyt długo, doprowadza do przeciążeń narządu ruchu, do przedwczesnego wystąpienia zmian zwyrodnieniowych stawów, przykurczów mięśni.

Wykład VII

CHÓD – forma ruchu służąca do przemieszczania się człowieka, przy którym nie traci się kontaktów z podłożem.

BIEG – sposób służący do przemieszczania, osoba traci kontakt z podłożem (występuje faza lotu).

CHÓD CZŁOWIEKA

Model chodzenia człowieka zmienia się z wiekiem. Podstawowym modelem chodu dziecka jest tzw. model zgięciowy. Dziecko z powodu braku pełnego wyprostu w stawach kolanowych i biodrowych chodzi na „ugiętych nogach” stawia krótkie kroki i rozstawia szeroko nóżki. Następstwem tego jest obniżenie środku ciężkości ciała i zwiększenie powierzchni czworoboku podparcia, przez co chód staje się bezpieczny.

Około 7 roku życia wykształca się ostateczny wzorzec chodu. Chód rozwija się dalej, cele jego zmiany w późniejszym wieku nie są tak intensywne. U dorosłych pogorszenie występuje po wystąpieniu zmian patologicznych i w starszym wieku.

Prawidłowy chód składa się z rytmicznie następujących po sobie faz:

- faza podporu (od momentu styku pięty z podłożem do oderwania palców od podłoża) ciężar ciała przenoszony jest przez stopę

- faza odbicia

- faza przenoszenia kończyny

Podczas chodu występuje faza podwójnego podporu stóp – przyjęcie ciężaru ciała ze stabilizacją kończyn oraz faza jednostronnego podporu z przeniesieniem kończyny.

Chód fizjologiczny określamy jako normosteniczny.

Chód wolny/ ostrożny jako usteniczny.

Chód szybki/żywy jako hipesteniczny.

Chód fizjologiczny:

- faza podparcia - 65%

- faza przenoszenia – 35%

- faza dwupodporowa – 20%

Zwiększenie prędkości chodu:

- wydłużenie kroku

- wzrost częstotliwości

- parametry najbardziej zmienne osobniczo

Chód fizjologiczny: 90-110 kroków/min => bieg 180 kroków/min

Ze względu na budowę kończyn dolnych które zginają się naprzemiennie dochodzi do wychyleń środka ciężkości, amplituda wynosi 6-8 cm – w płaszczyźnie strzałkowej i horyzontalnej.

Cechy chodu:

- pewny

- ekonomiczny

- estetyczny

Ocena subiektywna chodu:

- izometryczny – jednakowa długość kroku

- izochroniczny – fazy chodu jednakowe

- izotoniczny – właściwe współruchy tułowia

- barwa chodu – indywidualny sposób chodzenia

Chód z pogranicza fizjo i patologii:

- kołyszący

- marynarski

- podskakujący

- z rotacją stóp na zewnątrz

- drobnym krokiem

- majestatyczny

- kłaniający

- sztywny

Utykanie – asymetria chodu:

- ból patologiczny, obciążenie kończyny

- zmiany narządu ruchu, skrócenie kończyny, niedowłady.

Chód o laskach:

- dwutaktowy – przemieszczenie laski z kd lub kangurowy

- trójtaktowy – obie kule następnie k. jedną, następnie drugą

- czterotaktowy – jedna laska, druga laska, jedna k., druga k.

Wykład VIII

CZYNNOŚĆ MIĘŚNI

Siłownikami wewnętrznymi człowieka są mięśnie. Siły przenoszone są przez bierny układ ruchu (człony-kości i węzły ruchowe-stawy), czego efektem jest ruch kończyn i tułowia.

Do najbardziej naturalnych i opanowanych czynności należą chód i bieg. W życiu na te ruchy nakładają się inne czynności jak: robocze, ćwiczenia fizjoterapeutyczne, których należy wyuczyć się. Podawane w biomechanice podziały grup mięśniowych często odbiegają od przedstawionych w anatomii opisowej, gdyż anatomia przedstawia stan mięśni nie podlegających ruchowi.

W zależności od zmiany długości mięśni wyróżnia się następujące ich czynności:

1. Czynność statyczna – długość mięśnia nie ulega zmianie i nie zmienia się odległość pomiędzy przyczepami. Mięsień działający statycznie spełnia funkcje:

- stabilizacyjną – stwarza stabilną podstawę do działania innych mięśni (stabilizowanie stawu ramiennego pozwoli na pracę mięśniom zginającym staw łokciowy),

- wzmocnienie układu biernego narządu ruchu – głównie torebki i więzadeł stawowych, podczas przenoszenia ciężaru działającego wzdłuż osi kończyny. Wzmożone napięcie mięśni wzmacnia funkcję bierną stawu.

1. Czynność dynamiczna – podczas pracy występuje zmiana długości i napięcie mięśni,

- koncentryczna (pokazująca) – następuje skracanie mięśnia. Mięsień pokazuje opór zewnętrzny. Stosowany termin skurcz „izotoniczny” nie ma uzasadnienia.

- ekscentryczna (ustępującą) – występuje rozciągnięcie mięśnia pod wpływem działania sił zewnętrznych. Zapobiega to niekontrolowanemu opadaniu kończyny wywołanemu działaniem siły ciężkości.

Podczas pracy statycznej i dynamicznej pobudzony mięsień działa z jednakową siłą na przyczep początkowy oraz końcowy i męczy się.

Występują dwa rodzaje mięsni poprzecznie prążkowanych: białe, czerwone i mieszane.

Mięśnie białe (zwane szybkimi) posiadają większą ilość zgromadzonego glikogenu i enzymów niezbędnych do uwalniania energii w warunkach beztlenowych (glikogenoliza), mniejszą ilość mioglobiny (białko właściwe dla mięśni koloru czerwonego, zbliżone budową do hemoglobiny i stąd ich jaśniejszy kolor). Mięśnie białe kurczą się szybciej i silniej, lecz szybko tracą rezerwy energetyczne i szybko ulegają zmęczeniu. Przy krótkotrwałych wysiłkach o dużym nasileniu organizm „używa” tych właśnie mięśni. Ten rodzaj włókien występuje m.in. w mięśniach łydki, w mięśniach wykonujących precyzyjne ruchy.

Mięśnie czerwone (wolne) są przystosowane do wysiłków wytrzymałościowych. Mają większą ilość mioglobiny w związku z tym są czerwone, mają mniej zgromadzonego glikogenu, włókna mięśniowe pracują wolniej i wolniej się męczą. Ten rodzaj włókien występuje w mięśniach utrzymujących postawę ciała, w dużych mięśniach kończyn (dwugłowe, czworogłowe, przywodziciele).

Zjawisko koordynacji mięśniowej:

Mięśnie nie działają pojedynczo. Każdy ruch człowieka powstaje w wyniku zespołowego działania wielu mięśni (zginacze i prostowniki) i biorą w nich udział przeciwnie działające grupy mięśni. Jeden mięsień obsługuje średnio 3 stawy, jeden stopień swobody obsługuje średnio ok. 8 mięśni.

Mięśnie nie działają pojedynczo. Podczas pracy jedne mięśnie rozciągają się, inne skracają się. Każdy ruch jest wywołany poprzez działanie wielu mięśni i wyróżniamy:

1. Mięśnie agonistyczne (jednakowego działania) – są to mięśnie, których skurcz powoduje określony ruch poprzez skrócenie długości mięśnia (np. ruch zgięcia w stawie).

2. Mięśnie synergistyczne (współpracujące) – wspomagają działanie mięśni agonistycznych (stabilizują staw lub kość, współpracują podczas ruchu).

3. Mięśnie antagonistyczne (przeciwstawne) – utrudniają wykazanie ruchu mięśniom agonistycznym (hamują ruch).

Współdziałanie i równoważenie napięcia mięśniowego pozwala na uzyskanie położenia części ciała w pożądanym położeniu i zapobiega niekontrolowanym ruchom kończyn i tułowia. Przykładem jest współpraca prostowników ze zginaczami stawów, przywodzicieli z odwodzicielami, prostowników i zginaczy tułowia itp.

Wykład IX

BUDOWA MIĘŚNI I JEDNOSTKA MOTORYCZNA

Mięsień szkieletowy (poprzecznie prążkowany) jest czynnym elementem narządu ruchu. Typowy mięsień składa się z brzuśca (siłownika) otoczonego powięzią, które przechodzi w ścięgno/-a (część bierna mięśnia). Niektóre mięśnie mają kilka brzuśców i kilka przyczepów.

Prawo „wszystko albo nic” – zawsze występuje skurcz całego włókna mięśniowego, nigdy fragmentów włókna.

Jednostkę motoryczną stanowi pewna liczba włókien mięśniowych unerwionych przez jedno włókno nerwowe (akson), mające swój początek w komórkach ruchowych rogów przednich rdzenia kręgowego. Akson rozszczepia się na wiele gałązek, które unerwiają włókna mięśniowe nie zawsze sąsiadujące ze sobą. Skurcz obejmuje grupę włókien wchodzących w skład jednostki motorycznej.

Gałązki jednej wypustki nerwowej (aksonu) przeplatają się z gałązkami innych wypustek nerwowych tworząc sieć. Dzięki temu pobudzenie dochodzi różnymi włóknami nerwowymi do sąsiadujących ze sobą włókien mięśniowych.

Wielkość jednostki motorycznej nie jest jednakowa i uzależniona jest od wykonywanej pracy:

- w dużych mięśniach wykonujących pracę mało precyzyjną akson unerwia od 400-5000 włókien,

- w mięśniach wykonywujących pracę precyzyjną akson unerwia znacznie mniejszą ilość włókien ( w mięśniach krótkich dłoni ok.108, w mięśniach gałki ocznej ok. 10 włókien)

RODZAJE DŹWIGNI KOSTNYCH

Szkielet kostny stanowi dla mm system dźwigni, które przenoszą siły, aby poruszać segmentami ciała. Siła może byś przenoszona na obiekty zewnętrzne (narzędzia). W każdej dźwigni (jedno- i dwustronnej) wyróżnia się następujące elementy:

- oś obrotu – pkt podparcia (staw)

- ramię siły – odległość pomiędzy pkt podparcia, a pkt przyłożenia siły wewnętrznej – miejsce przyczepu mięśnia

- ramię oporu – odległość pomiędzy pkt podparcia, a miejscem w którym działa siła zewnętrzna – ciężar.

Dźwignia jednostronna różni się od dźwigni dwustronnej miejscem przyłożenia osi obrotu względem działającej siły.

W dźwigni jednostronnej obie siły: wewnętrzna – siła mięśni i siła zewnętrzna – ciężar – znajdują się po tej samej stronie osi. Oś obrotu znajduje się na końcu dźwigni (zginanie).

Dźwignia dwustronna – dwuramienna – oś obrotu (podparcia) znajduje się między miejscem przyłożenia siły wewn i zewn. Ten typ reprezentowany jest w układach odpowiedzialnych za utrzymanie postawy ciała.

Podział dźwigni kostnych jednostronnych:

- drugiego typu – najczęściej występujące dźwignie, charakterystyka: ramię działania siły mięśniowej (przyczep ścięgna) jest krótsze od ramienia obciążenia, np. mięsień dwugłowy i przedramię; są one szybkie.

- trzeciego typu – ramię przyłożenia siły mięśniowej jest dłuższe od ramienia siły obciążenia; są one wolniejsze.

Wykład X

BIOMATERIAŁY

Wg szacunkowych danych, obecnie na świecie dokonuje się rocznie ok. 5mln wszczepów różnych materiałów medycznych.

Biomateriały (materiały medyczne) przeznaczone są do wyrobu elementów, które czasowo lub na stałe zastępują chore tkanki lub narządy wewnętrzne.

Materiały umieszczone wewnątrz organizmu lub na zewnątrz, częściowo pod powierzchnią skórną nazywamy implantami.

Implantologia – jest to nauka o budowie, właściwościach biomateriałów, jak również w ich oddziaływaniu na żywy organizm oraz o przyczynach ich odrzucenia.

Implanty mogą być umieszczone wewnątrz organizmu lub częściowo pod powierzchnią skóry jako:

- nici chirurgiczne – plecionki, siatki uzupełniające brak tkanek miękkich,

- materiały do zespolenia kości (płyty, wkręty, druty)

- aparaty stabilizujące, dociskowe lub rozciągające kości lub stawy

- sztuczne stawy – polimery (plastik), cementy kostne, ceramiczne, węglowe, metalowe

- protezy naczyniowe, stendy, zastawki, soczewki oka

- cewniki, dreny, sączki, aparaty do przetaczania krwi

Ze względu na przewidywany okres wszczepienia biomateriału, implanty dzielą się na:

- implanty krótkotrwałe – okres użytkowania nie przekracza 2 lat (nici, dreny, sączki, śruby, płyty i gwoździe)

- implanty długotrwałe – okres użytkowania wynosi od kilku do 20 lat (stendy, soczewki oka, sztuczne stawy, zespolenie kręgosłupa, protezy naczyniowe).

Wszystkie wszczepy są martwe, nie regenerują się i są to dla człowieka ciała obce. Powinny wykazywać się:

- biokompatybilnością – biozgodnością – powinny wykazywać obojętność farmakologiczną – nie reagują z lekami i immunologiczną – nie powodować alergii, uczulenia

- wytwarzać jak najmniej produktów zużycia

- dobrą wytrzymałość podczas obciążeń

- łatwością sterylizacji, bez zmian właściwości

- nie mogą powodować powstawania skrzepów krwi.

Dotychczas nie udało się wytworzyć materiału o pełnej biozgodności. Implanty pracują w środowisku silnie korozyjnym. Mają stały kontakt z agresywnymi płynami zawierającymi duże ilości jonów: Na, K, Cl, HCO3 oraz śladowe ilości innych pierwiastków. Temperatura wewnętrzna ciała człowieka wynosi ponad 37 stopni, pH ok. 7,2. Pełną ocenę długoterminowych biomateriałów można podać po kilku, a nawet 20 latach obserwacji.

Wyróżnia się następujące grupy biomateriałów stosowanych u człowieka:

- polimery (plastik)

- cementy kostne

- ceramiczne

- węglowe

- metalowe

Polimery są to substancje chemiczne o budowie łańcuchowej o dużej masie cząsteczkowej, złożone z makrocząsteczek charakteryzujących się regularnym lub nieregularnym powtarzaniem się w nich cząsteczek (merów) jednego lub kilku rodzajów – polipropylen (mer CH2CHCH3)2.

Polimery dzielimy na:

1. Naturalne (biopolimery) – wytwarzane są przez organizmy żywe:

- białka (peptydy) włókna kolagenowe, jedwab, gąbki nasączone fibrynogenem lub żelatyną wieprzową – jako opatrunki tamujące krwawienia, kleje fibrynowe do mocowania wszczepów i rekonstrukcji, bawełna

- polinukleotydy (DNA i RNA)

- wielocukry (polisacharydy) – celuloza, skrobia, chityna, glikogen.

1. Sztuczne – wytwarzane w całości podczas syntezy chemicznej (zwane tworzywami sztucznymi lub plastikami) i należą do najczęściej stosowanych polimerów w ortopedii.

2. Modyfikowane – są to naturalne polimery zmodyfikowane chemicznie w celu dokonania zmiany ich właściwości poprzez przyłączenie do niektórych lub wszystkich merów związków chemicznych (octan celulozy, azotan celulozy, zmodyfikowane białko i skrobia).

Sztuczne polimery w formie zwartej nie powodują odczynów toksycznych ani alergicznych i są dobrze tolerowane przez tk. człowieka. Charakteryzują się niskim ciężarem właściwym i znaczną wytrzymałością na obciążenia, łatwością formowania. Do wad zaliczyć można trudności ze sterylizacją, łatwość wchłaniania wody i wymywania cząstek z jego powierzchni na których osadzają się bakterie z białkami i tworzą biofilm składający się z białek, płytek krwi, leukocytów, bakterii, grzybów i soli wapnia, mają zagłębienia.

Najczęściej stosowane polimery sztuczne: PNE, PCV – polichlorek winylu, poliuretan (PUR), poliestry (PP), poliaktyd, silikony (PDMS).

MATERIAŁY BIOCERAMICZNE

Prowadzone badania kliniczne stopów metali wykazały, że prawdopodobnie został osiągnięty pułap możliwości ich biotolerancji w organizmie człowieka. Dlatego coraz częściej w implantologii stosuje się materiały ceramiczne.

Do szczególnych właściwości bioceramiki należy zaliczyć:

- dobrą biotolerancję

- odporność na ścieranie

- odporność na korozję

- produkty zużycia nie powodują znaczących odczynów toksycznych

- porowatość umożliwiającą wzrastanie w ubytku powierzchni kości, co wpływa na poprawę biointegracji.

Materiały ceramiczne nie uwalniają jonów do otaczających tkanek. Organizm człowieka nie otrzymuje informacji o obecności biomateriału i nie wyzwala reakcji immunologicznej do odrzucenia wszczepu.

Szacuje się, że rocznie w świecie wykonanych jest ok. 150tys. Wszczepów materiałów bioceramicznych.

Materiały są twarde, kruche, mała odporność na obciążenia, są trudno obrabiane.

W ortopedii stosuje się 2 rodzaje biomateriałów:

1. Biomateriały resorbowane w tkankach

- tworzą rusztowanie dla kości

-wypełniają puste miejsca w tkance kostnej

Np. hydroksyapatyt (HAp) – ma dużą biozgodność, stanowi ok. 70% wagowej części kości człowieka (Ca10 (PO4)6 (OH)2 ; wytwarzany jest jako tworzywo zwarte i granulat, pobudza kość do wzrastania w ubytki po ok. 14 dniach od implantacji. Kość w porach HAp jest identyczna jak otaczająca.

1. Biomateriały obojętne (elementy endoprotez):

Np. Al2O3 (biokorud), dwutlenek cyrkonu (ZrO2), oraz szafir. Najczęściej stosowany jest trójtlenek alumin.