Anatomia i funkcjonalna biomechanika stawu kolanowego
Duża liczba badań i prac badawczo - doświadczalnych przeprowadzonych w ostatnich latach spowodowała, że znacznie pogłębiła się wiedza o anatomii i mechanice kolana. Istotą zrozumienia funkcji stawu kolanowego jest uzmysłowienie sobie, że nie jest to prosty staw zawiasowy, oraz że ruch odbywający się w tym stawie ma charakter złożony. Cechą charakterystyczną stawu jest jego duża stabilność w wyproście i stopniowo wzrastająca ruchomość rotacyjna w trakcie zginania.
Staw kolanowy jest jednym z najczęściej uszkadzanych stawów, a jego kontuzje są jedną z najczęstszych przyczyn przerwania aktywności sportowej. Wymaga nie tylko znajomości anatomii, ale przede wszystkim biomechaniki i rehabilitacji całego aparatu wyprostnego kolana.
Dlatego też na podstawie własnego doświadczenia z rehabilitacją aparatu wiązadłowego stawu kolanowego oraz pracy ze sportowcami i osobami aktywnymi fizycznie stworzono program rehabilitacji i prewencji gwarantujący powrót do aktywności fizycznej i uprawiania sportu na najwyższym poziomie.
Centrum kompetencji leczenia stawu kolanowego zapewnia skuteczną opiekę na najwyższym poziomie w przypadkach rehabilitacji:
urazów aparatu wiązadłowego przed i po operacji,
urazów łąkotek
· zmian przeciążeniowych,
· zespołów bólowych,
· zmian zwyrodnieniowych stawu kolanowego,
· zmian pourazowych,
· niestabilności,
· reedukacji i powrotu do sportu.
Struktury anatomiczne
a ) struktury kostne
W pozycji stojącej końce górne kości udowych są rozstawione na szerokość miednicy, natomiast końce dolne stykają się ze sobą. Dalszy odcinek kości udowej tworzą dwa zaokrąglone kłykcie udowe: przyśrodkowy i boczny, które ustawione są w stosunku do siebie rozbieżnie. Na przekroju przednia ich część jest owalna, tylna zaś bardziej kulista. Kłykieć przyśrodkowy kości udowej jest większy, co wiąże się z ogólną budową kończyn. W przedniej części pomiędzy kłykciami znajduje się powierzchnia rzepkowa, natomiast w tylnej kłykcie są rozdzielone przestrzenią.
Koniec bliższy kości piszczelowej jest utworzony przez dwie raczej płaskie powierzchnie kłykcia przyśrodkowego i bocznego. Powierzchnie te są przedzielone wyniosłością międzykłykciową z dwoma guzkami przyśrodkowym i bocznym, które są miejscem przyczepu więzadeł krzyżowych i łąkotek.
Rzepka jest spłaszczoną kością włączoną w aparat wyprostny kolana. Szersza jej część zwana jest podstawą, dalsza, wierzchołkiem.
b ) powierzchnie stawowe
Powierzchnie stawowe są pokryte 5-7 mm warstwą chrząstki szklistej. Chrząstka ta jest wysoce zorganizowaną i wyspecjalizowaną tkanką łączną. Woda związana z macierzą stanowi 70-80% masy chrząstki. W stanie suchym chrząstka zawiera 30-70% kolagenu, 20-40% proteoglikanów, 10% glikoprotein, tłuszczów i chondrocytów. Ponieważ chrząstka stawowa nie zawiera naczyń krwionośnych i limfatycznych, jej odżywianie pochodzi głównie z płynu maziowego, z którym bezpośrednio się styka oraz - w mniejszym stopniu - od strony unaczynionej warstwy podchrzęstnej.
Najważniejszym źródłem składników odżywczych dla chrząstki jest jednak płyn stawowy, z którego podczas ruchu stawu przenikają odpowiednie substancje. Rzeczywisty mechanizm, w czasie którego zachodzi tą drogą odżywianie, nie jest całkowicie wyjaśniony.
Chrząstka stawowa – funkcje
· rozkłada obciążenie na większe powierzchnie doprowadzając do mniejszych napięć powierzchniowych
· rozprasza energię związaną z obciążeniem
· pozwala na płynny i pozbawiony tarcia ruch w stawie
Kilkumilimetrowej grubości chrząstka pokrywająca powierzchnie stawowe spełnia bardzo istotną funkcję biomechaniczną w stawie kolanowym. Stanowi ona naturalny amortyzator w przenoszeniu obciążeń wzdłuż osi stawu, a jednocześnie umożliwia sprawne wykonywanie ruchów. Chrząstka stawowa stanowi jeden z podstawowych elementów anatomiczno - czynnościowych oraz na równi z łąkotkami i więzadłami współtworzy doskonały mechanizm stawu.
c ) łąkotki
Przy wspomnianych dwojakiego rodzaju ruchach powierzchnie stawowe nie są do siebie dobrze dostosowane. Rolę lepszego dopasowania powierzchni stawowych mogą wziąć na siebie jedynie przesuwalne twory elastyczne, dostosowujące się do zmiennych warunków, powstających w stawie. Takimi tworami, leżącymi między powierzchniami stawowymi główki i panewki, są dwie łąkotki stawowe boczna i przyśrodkowa. Dzielą one staw kolanowy na dwa piętra: w górnym odbywają się głównie ruchy zginania i prostowania, w dolnym — obrotowe. Łąkotki, jako twory elastyczne, zmieniają swój kształt przy ruchach odbywających się w stawie, przystosowując się do powierzchni kości. Przy prostowaniu stawu wysuwają się do przodu, przy zgięciu zaś do tyłu. Przy ruchach obrotowych jedna przesuwa się do przodu, druga do tyłu. Łąkotki w stawie zdrowym nie dają się wyczuwać.
Funkcje łąkotek
· pogłębienie powierzchni stawowej piszczeli
· przenoszenie obciążeń i osłanianie chrzestnych powierzchni stawu
· rozprzestrzenianie mazi stawowej
· ograniczanie maksymalnego zgięcia i wyprostu stawu
· rola proprioceptywna – rogi tylne łąkotek
Najistotniejszymi różnicami anatomicznymi jest większy stopień krzywizny łąkotki przyśrodkowej, jej większa ruchomość, posiada również silny przyczep do wiązadła pobocznego przyśrodkowego. Natomiast łąkotka boczna nie posiada żadnego kontaktu z więzadłem pobocznym strzałkowym.
d ) wiązadła
W stawie kolanowym najważniejszą rolę odgrywają więzadła krzyżowe i poboczne;
· wiązadło poboczne piszczelowe – tibial collateral ligament ( MCL )
Jest to płaskie pasmo włókniste długości około 10 cm i szerokości około 2-2,5 cm biegnące od nadkłykcia przyśrodkowego do przyśrodkowej powierzchni piszczeli, nieco do tyłu od przyczepu gęsiej stopki. Główną funkcją tego więzadła jest ograniczenie nadmiernej koślawości oraz rotacji zewnętrznej piszczeli.
· więzadło poboczne strzałkowe – fibular collateral ligament ( LCL )
Biegnie od nadkłykcia udowego ku dołowi i nieco, do tyłu przyczepiając się do bocznej powierzchni głowy kości strzałkowej. Główna rola tego więzadła polega na ograniczaniu szpotawości kolana.
· wiązadło krzyżowe przednie – arterior cruciate ligemant ( ACL )
Jest to bardzo silne wiązadło o średniej długości 31mm i 11 mm szerokości. Więzadło krzyżowe przednie biegnie od powierzchni przyśrodkowej kłykcia bocznego kości udowej i przyczepia się na polu międzykłykciowym przednim kości piszczelowej. 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.
· wiązadło krzyżowe tylne – posterior cruciate ligemant ( PCL )
Jest to więzadło większe i silniejsze od ACL Rozpoczyna się wachlarzowato na powierzchni wewnętrznej przyśrodkowego kłykcia udowego, biegnąc skośnie do dołu, przyczepia się do pola międzykłykciowego tylnego na kości piszczelowej. 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.
Podczas obrotu goleni do wewnątrz więzadła owijają się dokoła siebie, hamując ten ruch. Jedynie przy obrocie na zewnątrz odwijają się i nie są napięte.
e ) mięśnie
Mięśnie działające na staw kolanowy zaliczane są do grupy tzw. stabilizatorów czynnych. Najważniejszą rolę wśród nich odgrywa najsilniejszy prostownik stawu - mięsień czworogłowy. Jest dynamicznym partnerem PCL w stabilizowaniu kolana w płaszczyźnie strzałkowej oraz decyduje o wyproście kolana. Mięsień ten jest silnie powiązany ze strukturami, do których przylega, bezpośrednio, jak również poprzez liczne proprioceptywne odruchy. Pozostałe stabilizatory czynne to mięśnie: krawiecki, smukły, półścięgnisty, półbłoniasty, podkolanowy, dwugłowy uda oraz brzuchaty łydki.
f ) staw rzepkowo-udowy i mechanizm wyprostny kolana
Staw rzepkowo-udowy tworzy rzepka i powierzchnia rzepkowa kłykci kości udowej. Staw ten odgrywa bardzo ważną rolę w mechanizmie wyprostnym kolana. Na podstawie rzepki, w jej najszerszej części, przyczepia się ścięgno mięśnia czworogłowego, natomiast w części dalszej przechodzi w ścięgno, zwane więzadłem rzepki.
W pozycjach od wyprostu do zgięcia rzepka w różnym stopniu przylega do powierzchni stawowej kości udowej. Maksymalnie dotyczy to tylko 25% całej powierzchni stawowej rzepki, ma to miejsce w pozycji 60-90° zgięcia. W czasie ruchów zginania i prostowania pozostałe części rzepki, nie mające tego kontaktu, niejako się podnoszą i to miejsce wypełniane jest przez ciało tłuszczowe oraz okoliczne fałdy maziowe. O prawidłowej czynności mechanizmu wyprostnego decyduje mięsień czworogłowy wraz z jego przyczepami do rzepki, rzepka i staw rzepkowo-udowy oraz więzadło rzepki z przyczepami do rzepki i guzowatości kości piszczelowej.
g ) torebka stawowa
Torebka stawowa składa się z dwóch warstw: wewnętrznej (błony maziowej) i zewnętrznej (błony włóknistej). Błona maziowa ma własny układ naczyń włosowatych rozpoczynający się na granicy chrząstki i kości, który łączy się z naczyniami kości i jamy szpikowej oraz liczne połączenia tętniczo-żylne. W przypadkach unieruchomienia stawu dochodzi do upośledzenia ukrwienia, natomiast podczas znacznego wysiłku ruchowego, np. w czasie pracy fizycznej lub aktywności sportowej dochodzi do powiększenia się sieci kapilar.
Błona maziowa - funkcje
· wydziela i resorbuje płyn stawowy, wpływa na odżywianie chrząstki i ułatwia poślizg podczas ruchów w stawie
· żywo reaguje odczynem wysiękowym lub zapalnym na uraz, zakażenie czy przeciążenie
· wyzwala reakcję bólową na powstały stan zapalny lub mechaniczne uszkodzenie
Torebkę stawową wzmacniają więzadła zewnętrzne. Należą tu przede wszystkim więzadła poboczne, następnie troczki rzepki i więzadła podkolanowe. Silne więzadła poboczne łączą kości udową i piszczelową po obu stronach stawu. Silne wiązadło poboczne przyśrodkowe ( MCL ) zrasta się z torebką , natomiast LCL nie ma żadnego połączenia z torebką stawową.
h ) kaletki maziowe
W okolicy stawu kolanowego występuje szereg kaletek maziowych. Leżą one przeważnie między kośćmi i mięśniami czy ścięgnami, zmniejszając tarcie i ucisk. Niektóre leżą pod skórą na powierzchniach wyprostnych stawów, chroniąc je przed uciskiem zewnętrznym. Należy tu m.in. kaletka podskórna podrzepkowa, chroniąca staw od przodu, lub kaletka podskórna przedrzepkowa.
Unaczynienie stawu kolanowego pochodzi od tętnic kolanowych odchodzących od tętnicy podkolanowej. Unerwienie, głównie czuciowe, pochodzi od nerwów udowego, piszczelowego, strzałkowego wspólnego i zasłonowego. Bardzo ważną rolę w prawidłowej funkcji stawu kolanowego odgrywa propriocepcja. Receptory czucia głębokiego (proprioceptory): mechanoreceptory, chemoreceptory, receptory bólu, termo-receptory, osmoreceptory rozmieszczone w torebce stawowej, więzadłach oraz łąkotkach warunkują występowanie odruchów koniecznych do skoordynowanego działania mięśni na staw.
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;
· stabilizatory bierne: więzadła, struktury torebkowe - łączą udo, piszczel i rzepkę,
· stabilizatory czynne: mięśnie - działają pod wpływem systemu nerwowego ( koordynacja nerwowo-mięśniowa jest podstawą stabilności kolana ),
· 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 LCL 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 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 tzw. zaryglowania 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.
Fizjologiczny zakres ruchów w stawie kolanowym
· wyprost-zgięcie (20)10 - 0 - 145 (150)
· rotacja w zgięciu: wewnętrzna 15-35 zewnętrzna
Zakres ruchomości kolana konieczny w czynnościach życia codziennego według Kettelkampa
· chód - 0-67 stopni
· chodzenie po schodach - 0-90 stopni
· siadanie - 0-93 stopni