Biomechaniczna analiza budowy i funkcji głównych stawów i kręgosłupa.
Pojęcie i pomiary symetrii funkcjonalnej
Wyznaczenie charakterystyki mocy mechanicznej wybranych zespołów mięśniowych w funkcji odciążenia zewnętrznego
Kinematyczny i kinetyczny opis mechaniki lokomocyjnych form ruchu chodu i biegu.
Analiza wartości sił reakcji oraz rozkładu parcia stóp na podłoże podczas chodu.
Zmiany funkcji mięśni kończyny dolnej po urazach i operacji w obrębie stawu kolanowego oraz po alloplastyce stawu biodrowego.
Wybrane zagadnienia zaawansowanej analizy chodu człowieka po udarach, amputacji kończyny dolnej, zaburzeniach neuronów mięśniowych.
Wykorzystanie elektromiografii do badania pracy mięśni podczas ruch całego ciała (w chodzie) i ruchu wybranych segmentów ciała.
BIOMECHANIKA UKŁADU KOSTENGO KRĘGOSŁUPA.
Ruch kręgosłupa odbywa się w trzech płaszczyznach:
strzałkowa - zginanie i prostowanie w zakresie zależnych od części kręgosłupa
wyrostki stawowe- ruch poślizgowy
trzon - wzdłuż osi która stanowi dysk
jądro miażdżyste - przemieszcza się do przodu i do tyłu napierając na pierścień włóknisty
Czołowa - zginanie boczne o całkowitym zakresie ok. 60° , L3, L4, największy udział
Pozioma - ruchy skrętne dookoła osi pionowej powodują unoszenie w stosunku do siebie kręgow i ich obrót
W płaszczyźnie strzałkowej zdrowy kręgosłup zachowuje trzy naturalne krzywice:
lordoza szyjna od 20° do 40°
kifoza piersiowa od 20° do 40°
lordoza lędźwiowa od 30° do 50°
Funkcje kręgosłupa:
podporowa dla czaszki oraz obręczy barkowej i miednicznej
miejsce przyczepu mięśni głowy i szyi, tułowia i kończyn
ochrona rdzenia kręgowego
Najczęstsze schorzenia kręgosłupa:
skrzywienia - skolioza, kifoza, brodoza, kifoskolioza, garb
zesztywniająca zapalenie stawów kręgosłupa o podłożu reumatycznym (chorobę reumatyczne). Choroby reumatyczne ti grupa chorób zwanych dalej gościowymi mającymi różna etiologię.
Złamania w wyniku urazu
Dyskopatia (wypadanie jądra miażdżystego tarczy międzykręgowej i kręgozmyk)
Kręgozmyk - to powolny ześlizg trzonu kręgu wyżej położonego w stosunku do kręgu niższego. Najczęściej na poziomie L4, L5. Jest wynikiem przerwania łuku położonego wyżej które może być wrodzone, urazowe lub nabyte
Ruchy kręgosłupa:
zginanie
skłon
rotacja
BADANIE KRĘGOSŁUPA ( badanie napięcia mięśniowego)
OBCIĄŻANIE KRĘGOSUPA (działanie dźwigni, działanie siły i momentów)
Sprężyste krążki znajdujące się między kręgami przy wykonywaniu różnych czynności znoszą obciążanie, które liczy się w kilogramach na centymetr kwadratowy
Przy różnych bólach najmniejsze obciążenie kręgosłupa jest leżenie na plecach a nogi na stołku.
Mechanizm obciążeń kręgosłupa:
Przez przeciążenie rozumie się taki stan, w którym pod wpływem działania sił na kręgosłup w procsie przenoszenia obciążęń zaostaje przekroczona wytrzymałość fizyczna tkanek, zdolnośc adaptacji oraz wydolność. Istotny udział w przenoszeniu obciążeń przez kręgosłup mają mięśnie przykręgosłupowe, przyczepione do boków i wewnątrz dwóch komór jamy brzusznej i klatki piersiowej oddzielonych przeponą. Jama brzuszna jest wypełniona kombinacją substancji stałych i płynnych. Klatka piersiowa jest wypełniona powietrzem. Działanie mięśni przemienia te komory w cylindry o półsztywnych ścianach, wypełnione powietrzem oraz płynem, zdolne do przekazywania skumulowanych sił obciążających kręgosłup. Siła wynikająca z przenoszenia ciężaru rękami, jest przekazywana do kręgosłupa przez mięśnie pasa barkowego (czworoboczny), miednicę, a także sztywna klatkę piersiową i brzuch. Im większy podnosi się ciężar, tym większe jest działanie mięśni tułowia, piersi i brzucha, towarzyszy temu zwiększenie ciśnienia w jamie brzusznej i piersiowej.
Obecnie stosowane metody badawcze mechanicznych właściwości kręgosłupa
Radiologia
Elektormiografia
Pomiary geometri i pozycji ciała
Badanie teusometryczne odkształceń kręgów
Badanie wytrzymałości mechanicznej
Parametry na modelach fizycznych kręgosłupa
Modelowanie matematyczne
Czynnościowo mięśnie , więzadeł stawów i kości u człowieka i z tego powodu dochodzi do zachwiań równowagi statyczno dynamicznej.
Wewnętrzna stabilność jest czynnikiem ciśnienie wewnętrznego krążków międzykręgowych.
Ciśnienie płynu wchłanianego przez jądro powoduje odpychanie od siebie trzonów kręgów, opór stawiają więzadła, które mają tendencje do zbliżania trzonów, stwarza to bardzo stabilny układ miedzy przylegającymi trzonami kręgosłupa, która składa się na przemian z elementów sztywnych i sprężystych, charakteryzuje się duża giętkością dzięki dużej odkształcalności krążków międzykręgowych. Wielkość giętkości zależy od właściwości pierścienia włóknistego i stanu jądra miażdżystego, kształtu geometrycznego kręgosłupa i ograniczeń więzadeł międzykręgowych.
Oddziaływanie jamy brzysznej i klatki piersiowej na zmieszenie obciążenia kręgosłupa według Morris'a J. M . Mięśni tłowaia i ciśnienie występujące w jamie brzusznej to odciążenie kręgosłupa:
w części piersiowej około 50%
w części lędźwiowej około 30%
BIOMECHANIKA UKŁADU RUCHU
Staw Kolanowy
Najbardziej skomplikowany trójwymiarowy system mechaniczny człowieka. Ruchy elementów składowych zależą od:
stopni swobody charakterystyki ruchu
warunków obciążeń
oddziaływań mięśniowych podczas realizacji funkcji stawów
Zakres charakterystyk ruchowych stawu zależy od:
ukształtowania powierzchni stawowych
struktury więzadeł
Podczas ruchu w stawach stanowi:
przegub przekazujący obciążenia pomiędzy trzema kośćmi: udowa, piszczelowa i strzałkowa
jeden stopień swobody (przenoszenie pionowych obciążeń ściskających)
Budowa kończyny dolnej istotnie wpływa na ukształtowanie powierzchni stawowych kolana. Podstawowa oś kończyny:
oś mechaniczna, oś główna kości udowej ze środkiem stawu skokowego 0 u mężczyzn 3°, a u kobiet 5°
oś kości udowej z osią mechaniczna - oś kości piszczelowej pokrywa się z osią geometryczną
linia statyczna od powierzchni stawowych w kolanie jest nachylona od osi mechanicznej pod kątem 87°
Wszelkie odchylenia wywołują nieprawidłowe....
Obciążenia stawu kolanowego
Osiowe podczas chodzenia w poziomie lub po schodach 1-3 razy większe od ciężaru ciała, a dla biegania 2 razy.
Przeciążenie stawu:
uszkodzenie na skutek aktywności sportowej 60%
uszkodzenia więzadeł, łąkątki, torebki stawowej, chrząstki stawowej
Podczas stanie na obu stopach obciążenie obu stawów kolanowych stanowi 85% ciężaru ciała (G).
Dla mężczyzny o masie 70 kg
R1=R2=292N
Stanie na jednej nodze 93% ciężaru ciała
Objawy przeciążeń - przemieszczanie oddziaływanie siły wypadkowej obciążającej staw w stronę przyśrodkową lub boczną.
Przemieszczenie przyśrodkowe na skutek:
zmniejszenia sił mięśniowych działających po stronie bocznej stawu
zwiększenie masy ciała lub przesunięcia masy ciała w stronę na zewnątrz od obciążanej kończyny
kombinacji dwóch sytuacji - kombinacji szpotawości stawu ze zmiana siły
Zmiany układu sił polegająca na przesunięciu siły wypadkowej - powodującej przeciwne zmiany. Kolan prawidłowo obciążone w stawie ma równomierny rozkład na obu kłykciach kości piszczelowej - bocznym i przyśrodkowym.
Działanie sił na dźwignie kostne:
Założenia: m= 75 kg, Mpk= 210N, rm= 0,07m
Mm= Fm*rm
Fm= Mm:rm = 210N : 0,07m=3000N = 3 KN
Rs²= Fm² + Fm²
Rs²= 3² + 3² = 18
Rs= 4,25 KN
TOCZENIE I RUCH ŚLOZGOWY
Właściwości więzadeł:
ACL - więzadło krzyżowe przednie
PCL - więzadło krzyżowe tylne
|
|
ACL |
PCL |
obciążenia maksymalne |
2161+/-157N |
1742+/-390N |
|
|
|
|
|
sztywność |
242+/-28Nlmm |
380+/-80Nlmm |
|
|
|
|
|
wydłużenie maksymalne |
11,5 mm |
10 mm |
|
|
|
|
|
odkształcenia maksymalne |
10-12% |
|
|
|
|
|
|
Alloplastyka stawu kolanowego.
Wykorzystanie endoprotezy w zależności od stopnia rozwoju zmian patologicznych zarówno w strukturach kostnych jak i tkankach miękkich okołostawowych
Typ ednoprotez:
zawiasowa
kłykciowa
mierzanowa
Pomiary momentów sił w stawie kolanowym:
Badane osoby/n=101
pacjent po rekonstrukcji więzadła krzyżowego przedniego
-51osób (29 mężczyzn, 22 kobiety)
osoby zdrowe
- 50 osób (25 mężczyzn, 25 kobiet)
Wyniki: Pacjenci po urazie więzadeł krzyżowych przednich oraz w wyniku przeprowadzonej operacji i rehabilitacji nie wykazują deficytu siły mięśniowej mierzonej w warunkach statycznych. Operacja więzadeł krzyżowych przednich powoduje deficyt w możliwościach dynamicznych prostowników stawu kolanowego.
Mechanika stawów:
Staw biodrowy: kość miedniczna, kość udowa, więzadło kulszowo-udowe, więzadło biodrowe udowe
staw kulisty, panewkowy
przystosowany do przenoszenia dużych obciążeń statyczno-dynamicznych dzięki budowie kostnej części stawu, silnym mięśniom, więzadłom
tworzy rodzaj przegubu kulistego, który prócz funkcji dynamicznych pełni zadania podporowe, podczas statycznego obciążenia kończyn i lokomocji
przegub o trzech stopniach swobody w płaszczyznach: czołowej, strzałkowej i horyzontalnej
uczestniczy w przekazywaniu obciążeń kręgosłupa lędźwiowego przez miednice i kończyny dolne
oprócz aspektów wytrzymałościowych zachodzą aspekty tarcia i zużycia
Staw biodrowy jest jednym z najbardziej narażonych na zmiany przeciążeniowe elementów układu kostno-stawowego człowieka.
Na przeciążenia maja wpływ:
urazy komunikacyjne
siedzący tryb życia
zaburzenia w przemianie materii
Struktura obciążeń kości udowej. Występują grupy sił:
działająca w stawie na główkę kości udowej oraz długiej strony na kłykcie stawu kolanowego.
Oddziaływanie mięśni (ponad 30 grup mięśniowych)
Więzi więzadeł (nieistotne w ruchu fizjologicznym)
Siły bezwładności (często pomijanej w porównaniu do małej masy kości udowej)
Kość udowa - długa o nieregularnej budowie geometrycznej
Podstawowe parametry wpływające na charakter i strukturę obciążeń:
nachylenie pasm mięśniowych odwodziciela
nachylenie siły wypadkowej stawu biodrowego
kąt szyjkowo - trzonowy decydujący o koślawości lub szpotawości (norma 125°-188°)
nachylenie osi trzonu
odległości środka głowy trzonu
Modele obciążeniowe stawu biodrowego uwzględniają:
mm. pośladkowe (obciążenia boczno-przyśrodkowe)
m. Dwugłowy uda (obciążenia tylko-przednie)
odwodziciele biodorwo-piszczelowe
grupa mięśni rotatorów
zakres ruchy |
||
płaszczyzna |
zapis ruchu |
zakres ruchu |
S |
wyprost - 0 - zgięcie |
15 - 0 -125 |
F |
odwodzenie - 0 - przywodzenie |
45 - 0 - 15 |
R |
rotacja zwe. - 0 - rotacja wew. |
45 - 0 - 40 |
Mechanika:
Siły zewnętrzne:
siła ciężkości (G)
oddziaływanie podporowe
inne siły oddziałujące na człowieka
Siły wewnętrzne wynikające z oddziaływania mięśni (trudne do ocenienia obciązenia statyczne i dynamiczne wynikające z masy siły mięśni działających na staw, przyspieszenia ruchu i przyspieszenia ziemskiego). W środku ciężkości obciążenie podczas stania wynosi 60% ciężaru ciała, a podparcie na jednej nodze zwiększa obciążenie do 81% ciężaru ciała. Nieprawidłowy rozkład obciążeń w stawie sprzyja szybkiemu postępowaniu zmian zwyrodnieniowych polegających na wadliwym rozwoju panewki oraz odchyleniach w budowie bliższej części kośi udowej.
Alloplastyka stawu biodrowego - całkowita lub częściowa, endoproteza - trzpień, główka, panewka: cementowa i bezcementowa (technika wszczepienna).
Kto uprawia sport na wózkach?
Osoby z wrodzoną lub nabytą niepełnosprawnością w wyniku której dochodzi do porażenia kończyn dolnych i/lub kończyn górnych.
Osoby z wrodzona niepełnosprawnością < Osoby z nabytą niepełnosprawnością
Przyczyny niepełnosprawności:
urazowe uszkodzenia rdzenia kręgowego URK para-tetraplegie
choroba Hajnego-Medina
rozszczep kręgosłupa (przepuklina oponowo-rdzeniowa)
jamistośc rdznia kręgowego
................ rdzenia kręgowego
skolioza porażeniowa
Istota zrozumienia biomechanicznej jazdy na wóżku.
pozwala na uniknięcie powstających urazów głównie w orębie stawu barkowego i łokciowego
umozliwa optymalizacje usprawniania dyscyplin sportowych
wpływa na poprawę ogólnej jakości życia
Kinematyka w stawie ramiennym.
faza odepchnięcia
odepchniecie wyprostu, przywiedzenia i rotacji zwenętrznej (w końcowej częśći)
aktywne mięśnie zginacze, rotatopry zewnętrzne , odwodziciele łopatki
faza spoczynku
odepchnięcie zgięcia, przywiedzenia i rotacji zewnetrznej do wyprostu odwiedzenie i rotacji wewnetrznej
aktywne mięśnie: prostowniki (deltoideus ......), odwodziciele (deltoideus medialis, supraspinatus), rotatory wewnętrzne (subscapulanis), odwodziciele łopatki (trapezoius medialis)
Kinematyka w stawie łokciowym:
faza odepchnicia:
od zgięcia do wyprostu w zależności od prędkości
aktywne mięśnie: zginacze (biceps brachialis), prostowniki (triceps brachialis)
faza wypoczynku:
od wyprostu do zgięcia
aktywne mięśnie zginacze
Kinematyka w stawie nadgarstkowym:
faza odepchnięcia
w momencie kontaktu w lekkim wyproście, odwiedzeniu nadgarstka, odwrócenie nadgarstka, przechodzi w przywiedzenie i nawrócenie
Staw skokowy
Działanie siły na dźwigie kostne miejsce na rysunki
Założenia:
R = 700 N
Rm= 0,04 m
V=0,1m
α= 71°
W warunkach statyki
∑ M1 = 0
∑ F1 = 0
(1)
RrR - Fmrm =0
Fm=RrR/rm = 700*0,1/0,04=1750N- siły mięśniowej
(2)
Ry-R-Fmy=0
Fmy=Fmsinα
Ry=R=Fmsinα=700+1750x
(3)
Rx-Fmx=0
Fmx=Fmcosα
Rx=Fmcosα=1750*0,3255=570N
(4)
Rs²=Rx²+Ry²
Rs=2423N
Zamiana zakresu ruchu stawu ramiennego-unoszenie (wykres )
ELEKTORMIOGRAFIA (EMG)
Metoda disgnostyczna wykorzystywana do oceny czynności elektrycznej mięśni szkiletowych.
Dziedzina elektrodiagnostyki zajmująca się rozpoznawaniem chorób układu nerwoego i zdolności mięsni do pracy. Badanie aktywności bioelektrycznej mięśni (EMG) dostarcza rzeczywistych informacji na temet aktywności nerwoej oraz wzorców koordynacji ięsniowej. Jest niezbędne w celu zrozumienia strategi sterowania ruchem. Jest jednym zpodstawowych badan w rozpoznawaniu chorób mięsni i nerwów obwodowych.. Badanie to pozwala ustalis lokalizację i charakter zmian patologicznych w mięsniach oraz ocenić dynamikę procesu chorobowego.
Sygnał EMG powstaje w wyniku pobudzenia włókien mięsniowych przez potencjały docierające z włokien ukłądu nerwoego. Znajdujące się w rogach przednich rdzenia kręgowego motoneurony alfa sa miejscem integracji aktywności różnych ośrodków nerwowo-ruchowych. Zakończenia aksonalne motoneuronów tworza specyficzne synapsy z komórkami mięsniowymi. Te połączenia synaptyczne nosza nazwę płytki końcowej lub złącz nerwowo-mięsniowego. Pod wpływem potencjału czynnościowego motoneuronów uwalniana jest acytelocholina.
Aktywność pojedynczego włókna mięsnowego, można zarejestrować za pomocą specjalnej mikroelektrody wkówalnej do wnętrza komórki lub zewnątrzkomórkowe elektrody igłowe.
Najczęściej w laboratoriach biomechanicznych wykorzystywana jest technika rejestracjo sygnałów mięsniowych z powierzchni skóry, nazwana jest elektromiografią powierzchniową.
Na charakterystykę, częstotliwość sygnałów powierzchniowych EMG jej kształt, amplitudę znaczny wpływ mają:
właściwości bioelektryczne tkanki oddzielającej mięśnie od elektrody
odległość źródła sygnału od elektrody
rozmiary i kofiguracha elektrod rejestracyjnych
Rejestrowany z powierzchni skóry sygnał elektromiograficzny powstaje w wyniku sumowanie czasowego i przestrzennego. Udział poszczególnych prądów czynnościowych włókien mięśniowych w tworzeniu sygnału powierzchniowego EMG jest większe im bliżej elektrody znajduje się aktywne włókno. W zależności od odległości źródła sygnału od elektrody rejestrującej amplitudy.
Stosujemy dwie konfiguracje biegunowe:
jednobiegunowa
dwubiegunowa
Sygnał elektromiograficzny ma charakter algebraiczny sumy wszystkich potencjałów czynnościowych kurczących się włókien mięśniowych, znajdujących się miedzy elektrodami.
Odbiory jednokierunkowe charakteryzują się:
większą czułością
większa wrażliwością na wszelkiego typu zakłóceń
w tej metodzie pojedyncza elektroda aktywna zostaje przytwierdzona do skóry
Powierzchniowy sygnały EMG są bardzo małe, wiec w celu zmniejszenia zakłóceń stosuje się jeszcze jedną elektrodę - elektroda uziemiająca
Metoda rejestracji dwubiegunowej pozwala na jeszcze większa redukcja zakłóceń elektrycznych. W takim przypadku na skórze w pobliżu aktywnego mięśnia umieszcza się obok siebie dwie aktywne elektrody. Jeśli w danym momencie do każdej elektrody dociera ten sam sygnał napięcie na wyjściu wznawiającej się od zera.
Charakterystyka tych sygnałów zależy od:
Charakterystyki i liczby włókien mięśniowych znajdujących się w obszarze rejestracji elektrod. Na sygnał EMG wpływa między innymi liczba aktywnych jednostek nerwowych oraz ich typ, stopień [pobudzenia i synchronizacja.
Miejsca położenia i orientacji elektrod. Elektrody powinny być położone równolegle w stosunku do włókien mięśniowych.
Konfiguracji elektrod, zwłaszcza od ich powierzchni i ich odległości między nimi
Odległościami aktywnych włókien od elektrod oraz od grubości tkanki skóry i tłuszczowej w obszarze rejestracji.
Zmiany kształtu mięśnia.
Istotny wpływ na wielkośc rejestrowanych sygnałów i również na wrażliwość na zakłocenia ma opór elektrod. Istotny wpływ ma odpowiednie przygotowanie skóry oraz zamocowanie elektrod. Żeby tą oporność zmniejszyć skórę należy oczyścić i odtłuścić, czasami używa się delikatnego papieru ściernego do usunięcia martwego naskórka, a następnie odtłuszcza się miejsce tamponem zwilżonym w alkoholu.
Za pomocą elektrod powierzchniowych sygnały są małe i stąd bierze się ich znaczna wrażliwość na zakłócenia. To właściwie zmiany oporności elektrod są głównym źródłem tzw. Artefaktów naukowych. Są one widoczne w postaci wolnych, zsynchronizowanych z ruchem fali o dużej amplitudzie. Ciało człowieka jest dobrym przewodnikiem elektryczności i działa jak antena.
Artefakty ...................- 50Hz
Wielkośc sygnału rejestrowanego elektrodami powierzchniowymizalezy także od średnicy elektrod.
Zastosowanie EMG w biomechanice:
są ważnym wskaźnikiem układu nerwowego
analizując rejestrowane sygnały EMG, staramy się odnieść do zachowania mięśnia
jest intensywnie stosowana w celu zrozumienia czasowej organizacji czynności ruchowej
interesuje nas udział różnych mięśni w realizacji określonej fazy ruchu oraz koordynacji aktywności poszczególnych mięśni
drugim obszarem zainteresowań są reakcje pomiędzy aktywnością bioelektryczna mięśnia a wytwarzana przez niego siłę
EMG jest oparametrem pozwalającym obliczenie wzgldnej siłu mięsnia
Do badanie efektu zmęczenia mięśnia
Parametry opisując sygnał EMG:
liczba przejśc sygnału przez zero
analiza zapisu EMG
schemat toru pomiarowego
Parametry EMG do oceny zmęczenia:
MF-medialna wartość częstotliwości
MPF- średnia wartość widma mocy sygnału EMG
ZCG- liczba przejść przez linię zera na wykresie.