Sandra Kaźmierczak nr 1866 Gr.IX

Biomechanika Stawu Kolanowego

Staw kolanowy jest jednym z najbardziej złożonych stawów ludzkiego organizmu. Dzięki odpowiedniemu aparatowi więzadłowemu jest on zarówno właściwie stabilizowany, jak też na tyle ruchomy, aby zapewnić właściwą podstawę i lokomocję ciała. Duża liczba badań 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.

BUDOWA STAWU KOLANOWEGO:

1. struktury kostne
Na staw kolanowy składają się takie elementy jak dalszy odcinek kości udowej, który tworzą dwa zaokrąglone kłykcie: przyśrodkowy i boczny, które ustawione są w stosunku do siebie rozbieżnie. W przedniej części pomiędzy nimi znajduje się powierzchnia rzepkowa, natomiast w tylnej kłykcie są rozdzielone przestrzenią.
Koniec bliższy kości piszczelowej jest utworzony przez dwie 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, znajdującą się z przodu stawu kolanowego. Szersza jej część zwana jest podstawą, dalsza, wierzchołkiem.
2. powierzchnie stawowe
Powierzchnie stawowe są pokryte warstwą chrząstki szklistej, która jest Chrząstka wyspecjalizowaną tkanką łączną. Ponieważ chrząstka stawowa nie zawiera naczyń krwionośnych i limfatycznych, jej odżywianie pochodzi głównie z płynu maziowego, z którym bezpośrednio się. Najważniejszym źródłem składników odżywczych dla chrząstki jest jednak płyn stawowy, z którego podczas ruchu stawu przenikają odpowiednie substancje.
Funkcje chrząstki stawowej to rozkładanie obciążenia na większe powierzchnie doprowadzając do mniejszych napięć powierzchniowych, rozpraszanie energii związanej z obciążeniem oraz 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.

3. łąkotki
Łąkotki pełnią rolę lepszego dopasowania powierzchni stawowych jako przesuwalne twory elastyczne, dostosowujące się do zmiennych warunków, powstających w stawie. Leżą 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 ruchy 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 to pogłębienie powierzchni stawowej piszczeli, przenoszenie obciążeń i osłanianie chrzestnych powierzchni stawu, rozprzestrzenianie mazi stawowej, ograniczanie maksymalnego zgięcia i wyprostu stawu.
Najistotniejszymi różnicami anatomicznymi między łąkotkami 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.

4. więzadła
W stawie kolanowym najważniejszą rolę odgrywają więzadła krzyżowe i poboczne; >więzadło poboczne piszczelowe
Jest to płaskie pasmo włókniste długości około 10 cm i 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
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.

>więzadło krzyżowe przednie
Jest to bardzo silne więzadło, które 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 koślawienia i szpotawienia w wyproście i zgięciu.

>więzadło krzyżowe tylne
Rozpoczyna się na powierzchni wewnętrznej przyśrodkowego kłykcia k. udowej, 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.

5. mięśnie
Mięśnie działające na staw kolanowy zaliczane są do grupy tzw. stabilizatorów czynnych. Najważniejszą rolę wśród nich odgrywa najsilniejszy prostownik stawu - mięsień czworogłowy. Współpracuje z wiązadłem krzyżowym tylnym 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.

6. 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.

7. torebka stawowa
Torebka stawowa składa się z dwóch warstw:

-wewnętrznej (błony maziowej)

-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. 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 pełni funkcje takie jak: wydzielanie i resorbcja płynu stawowego, wpływa na odżywianie chrząstki i ułatwia poślizg podczas ruchów w stawie, 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.

8. 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) rozmieszczone w torebce stawowej, więzadłach oraz łąkotkach warunkują występowanie odruchów koniecznych do skoordynowanego działania

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

* przesunięcie

- o kierunku przednio - tylnym

- o 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.

Możliwości czynnościowe stawu kolanowego zależą od wielu czynników związanych z uwarunkowaniami anatomicznej budowy stawu kolanowego. Struktury wewnątrz stawowe podlegają szeregowi procesów mających na celu osiągnięcie właściwej stabilizacji i umożliwienie przystosowania do różnych typów postawy i lokomocji.

Szczególne miejsce wśród struktur wewnątrz torebkowych zajmują wiązadła krzyżowe. Przy postawie pionowej człowieka, część przednia i tylna każdego z więzadeł krzyżowych ma odmienną funkcję przy zginaniu i prostowaniu.

Przy prostowaniu włókna przedniej części więzadła krzyżowego tylnego są słabiej napięte, a w części tylnej silniej napięte. W tym położeniu włókna tylnej części więzadła krzyżowego przedniego są silnie napięte a w części przedniej słabiej.

Przy zginaniu przednie włókna więzadła krzyżowego tylnego napinają się silniej niż tylne. W więzadle krzyżowym przednim tylne włókna będą wtedy napięte bardziej niż przednie. Dzięki temu więzadło krzyżowe przednie zapobiega przemieszczeniu kłykci kości udowej ku tyłowi przy zginaniu, a więzadło krzyżowe tylne zapobiega przemieszczeniu kłykci ku przodowi przy prostowaniu.

Więzadła krzyżowe mają względne znaczenie dla stabilizacji stawu kolanowego.

Wraz z rozwojem człowieka stają się one słabsze i cieńsze.

Więzadło krzyżowe przednie przy zwiększaniu kąta zgięcia napina się silniej niż tylne. Natomiast tylne najmniej napięte jest przy maksymalnym wyproście. Warunki do przerwania więzadeł krzyżowych są najdogodniejsze w pozycji zgięcia. Dlatego też więzadło krzyżowe przednie wydaje się częściej ulegać uszkodzeniom niż tylne.

Doświadczenia na zwłokach wykazały, że przeprost w stawie kolanowym jest możliwy do 20°. Wtedy więzadło krzyżowe tylne napina się coraz silniej. Dalsze forsowanie przeprostu prowadzi do zerwania udowego przyczepu więzadła.

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.

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 mię

śni

Staw kolanowy jest jednym z najczęściej uszkadzanych stawów, a jego kontuzje są jedną z najczęstszych przyczyn przerwania aktywności sportowej. Najczęstszymi dolegliwościami stawu kolanowego są: urazy aparatu wiązadłowego, urazy łąkotek, zmiany przeciążeniowe, zespoły bólowe, zmiany zwyrodnieniowe stawu kolanowego, zmiany pourazowe, niestabilność, itp. Omawiany staw wymaga nie tylko znajomości anatomii, ale przede wszystkim biomechaniki i rehabilitacji całego aparatu wyprostnego kolana.

Bardzo ważne jest korygowanie osi biomechanicznej kończyn i uszkodzeń towarzyszących prowadzących do destrukcji chrząstki (uszkodzenia łąkotki, więzadeł krzyżowych, fałd błony maziowej, koślawość lub szpotawość kończyn, przebyte zwichnięcie rzepki, itd.) oraz likwidacja nadmiernego nacisku powierzchni chrzęstnych (osteotomie korekcyjne kończyn, mobilizacja tkanek miękkich, wyrównanie proporcji grup mięśniowych, itd.). Fałd błony maziowej w przedziale przyśrodkowym kolana na ogół nie powoduje dolegliwości. Szczególnie często powoduje dyskomfort w kolanie o nieco zaburzonej osi biomechanicznej, gdy kolana mają kształt nieco zbliżony do litery "X". Oś obciążania stawu kolanowego przesuwa się nieco ku stronie zewnętrznej kolana a struktury po stronie przyśrodkowej ulegają przyparciu do kości udowej i wklinowują się pomiędzy rzepkę i kość udową w momencie zginania kolana. Gdy jest gruby lub ulega przerośnięciu poprzez ocieranie się o kość udową może symulować objawy jak przy uszkodzeniu łąkotki przyśrodkowej. Właściwa rehabilitacja i leczenie odżywcze może uchronić przed potrzebą interwencji chirurgicznej. Ważne jest również wykluczenie lub leczenie chorób układowych, np.: dny moczanowej, reumatoidalnych, odczynowych.

Bibliografia:

1. „Anatomia w treningu siłowym i fitness” Mark Vella

2. „Biomechanika kliniczna . Podręcznik dla studentów medycyny i fizjoterapii” Janusz Błaszczyk

---