WYKŁAD 8
Temat:
Biokinematyka stawów i kości
1/ Anatomia połączeń stawowych
Integralność układu mięśniowego, kostnego i stawowego ma podstawowe znaczenie dla prawidłowego wykonania ruchu. Różnorodność wykonywanych ruchów przez człowieka związana jest z rozbudowaną strukturą połączeń stawowych poszczególnych łańcuchów kinematycznych.
Istotą naszych rozważań są stawy ruchome.
Stawy ruchome pozwalają na zmiany położenia kątowego sąsiadujących stawów. Stawy te tworzą dopasowane do siebie powierzchnie kości zamknięte torebką stawową. Powierzchnie stawowe kości są pokryte cienką warstwą chrząstki szklistej - bardzo twardej i idealnie gładkiej.
Wnętrze torebki stawowej nosi nazwę jamy stawowej i wypełnione jest płynem nazywanym mazią stawową.
Maź stawowa zwilża powierzchnie stawowe zmniejszając ich tarcie , oraz w ograniczonym zakresie rozkład nacisku na kość . Zapewnia również odżywianie tkanek stawowych.
Z punktu widzenia mechaniki maź zapewnia smarowanie minimalizując tarcie. Współczynnik lepkości mazi nie jest wartością stałą. Lepkość mazi rośnie wraz ze wzrostem szybkości kompresji stawu.
Tkanka chrzęstna pokrywająca powierzchnie stawowe charakteryzuje się bardzo niskim współczynnikiem tarcia ( μ).
Współczynnik ten ma wartość bezwymiarową zdefiniowany jest jako stosunek oporów poślizgowych do składowej normalnej siły nacisku wywieranej na staw czy inne połączenie mechaniczne.
W większości stawów współczynnik tarcia wynosi 0,0026 przy typowym obciążeniu 500kPa i wzrasta do wartości 0,0038 przy maksymalnym obciążeniu (2MPa)
Dla porównania wartości współczynnika tarcia na styku dwóch naoliwionych powierzchni metalowych wynosi 0,3 - 0,5. Pokrycie tych powierzchni teflonem powoduje zmniejszenie współczynnika tarcia do wartości 0,05 -0,1.
Tak więc parametry poślizgowe powierzchni stawów o rząd wielkości przewyższają produkty techniczne.
Torebka stawowa jest bardzo elastyczna, dlatego w zasadzie nie ogranicza ruchu w stawie.
Struktura połączenia stawowego preferuje pewne płaszczyzny, w których może się odbywać ruch.
Niektóre części torebki stawowej mogą być wzmocnione przez zgrubienia tkanki i dzięki temu mają zmniejszoną podatność na odkształcenia.
Powierzchnie torebki stawowej ,które w czasie ruchu ulegają odkształceniu , noszą nazwę obszarów słabego oporu. Obszary te są najbardziej podatne na uszkodzenia mechaniczne.
Pozostałe obszary , które nie odkształcają się w czasie ruchu noszą nazwę powierzchni mechanicznie martwych. Są one najczęściej wzmocnione więzadłami, czyli pogrubionymi pasmami tkanki łącznej ,których zadaniem jest stabilizacja mechaniczna stawów.
Np. Wytrzymałość więzadła obłego w stawie biodrowym wytrzymuje obciążenie 1000 N na każdy centymetr2 powierzchni przekroju.
Struktury wspomagające biomechanikę stawu
Stawy są wspomagane przez wiezadła. Są to płaskie struktury łącznotkankowe, grubości kilku milimetrów, stabilizujące stawy. Ich stabilizująca funkcja zależy od kształtu, umiejscowienia mocowań do kości oraz charakterystyki mechanicznej tkanki. Wszelkie urazy i procesy naprawcze zmieniają tę charakterystykę.
W narządzie ruchu najczęściej występują więzadła ograniczające nadmierny wyprost stawu. Inna ich funkcja to przeciwstawianie się bocznym przesunięciom główki kości. Boki torebki stawowej są zwykle dodatkowo wzmocnione pasmami mięśniowymi aktywnie wspomagającymi więzadła w ograniczeniu ruchomości stawu w danym kierunku.
Zasadniczą rolę kontroli pracy połączenia stawowego odgrywają mięśnie długie. Ich przebieg nad torebką stawową, a tym samym kierunek wytwarzanych sił regulują kaletki maziowe.
Przyleganie powierzchni stawowych zapewniają:
Więzadła stawowe, szczególnie w stawach zawiasowych , takie jak poboczne więzadła stawu łokciowego i kolanowego lub w stawach śródręczno-paliczkowych. Więzadła te wiotczeją w pozycji pośredniej stawów, gdy wzajemny ucisk powierzchni stawowych jest najmniejszy.
Napięcie mięśni, których składowe stabilizujące sił wyzwalanych przez nie przyczyniają się do integralności stawów.
Struktury powięziowe, które pokrywają otaczające staw mięśnie, np. powięź szeroka
Ciśnienie atmosferyczne, które wynosi 760 mmHg.
Trzaski słyszane w stawach kolanowych, skroniowo-żuchwowych, nadgarstkowych, czy stawach palców zależne są prawdopodobnie od ślizgów ścięgien, lub więzadeł nad wypukłościami kostnymi; trzaski te mogą być też wywołane przez ruchy ślizgowe szczelnych i ciasnych torebek stawowych.
Typy połączeń stawowych
Podział stawów w zależności od ilości stopni swobody:
Wg Reuleaux ( 1875r.) każdy staw, czyli połączenie dwóch kolejnych segmentów łańcucha kinematycznego, można scharakteryzować na podstawie liczby niezależnych płaszczyzn w których może odbywać się ruch.
Stawy jednoosiowe umożliwiają ruch tylko w jednej płaszczyźnie ,dlatego mówi się, że mają jeden stopień swobody. Przykładem połączeń o jednym są stawy międzypaliczkowe i staw łokciowy. W stawach tych możliwy jest tylko zginania i prostowania.
Jeśli staw ma dwie osie ruchu istnieją dwie niezależne płaszczyzny, w których może zostać wykonany ruch.Taki staw ma więc dwa stopnie swobody (staw promieniowo-nadgarstkowy) Pozwalana ruchy zginania i prostowania wokół osi poprzecznej oraz ruch odwodzenia i przywodzenia wokół osi strzałkowej. Stawy kulisto-panewkowe ( staw biodrowy, staw ramienny) umożliwiają niezależne ruchy prostowania i zginania, odwodzenia i przywodzenia oraz rotacje.
Ruchy mogą być wykonywane w trzech niezależnych płaszczyznach , czyli ma trzy stopnie swobody.
Występujący nadmiar stopni swobody w układzie ruchowym człowieka ma też ważne implikacje funkcjonalne i kliniczne. Z jednej strony wymaga bardzo rozbudowanego układu sterowania, co z kolei bardzo spowalnia jego działanie.
Ten nadmiar pozwala jednak kompensować pewne niedobory powstałe na skutek niewydolności funkcjonalnej lub zmian patologicznych.
Sztywne kolano może być kompensowane w stawach skokowym i biodrowym oraz poprzez dodatkowe ruchy tułowia i czy drugiej strony dzieje się to jednak kosztem większego wydatku energetycznego oraz dodatkowe obciążenie pozostałych stawów.
Podział stawów ze względu na ilość budujących go elementów kostnych
Staw zbudowany z dwóch kości nazywamy stawem prostym
Jeżeli torebka stawowa otacza co najmniej trzy stawy, tworzą one staw złożony( staw łokciowy)
W niektórych stawach występują dodatkowe elementy chrzęstne - krążki stawowe, łękotki
Podział stawów ze względu na ukształtowanie powierzchni stawowych
W najprostszym przypadku, gdy powierzchnie stawowe są płaskie, staw nazywamy płaskim( stawy międzykręgowe odcinka szyjnego, i piersiowego kręgosłupa). Ruchomość tych stawów jest ograniczona za pomocą mięśni lub pomocniczych struktur p. więzadeł.
Drugą grupę stanowią stawy zawiasowe, występujące połączeniach kości paliczkowych czy kości ramiennej z łokciową.
Bardziej złożoną strukturę maja stawy siodełkowe , Stawy kuliste występują w połączeniach kończyn z tułowiem.
Staw może prawidłowo spełniać swe funkcje przez co najmniej100 lat.
Charakterystyka ruchów stawowych
Powierzchnie ruchomych stawów nie są dokładnie płaskie, cylindryczne bądź sferyczne. Najczęściej mają kształt owalny, czyli powierzchnię, której promień krzywizny zmienia się w trakcie ruchu.
Zazwyczaj powierzchnie takie maja powierzchnię wklęsło wypukłą. Powierzchni takich może być kilka w jednym stawie. Taką strukturę maja stawy siodełkowe. Ich kształt pozwala na zwiększenie zakresu ruchu i optymalizację powierzchni połączenia przy minimalnej wielkości stawu.
W czasie zmiany położenia stawu mogą się w nim odbywać ruchy ślizgania, toczenia i skręcania.
Najczęściej ruchy w stawach są kombinacją tych ruchów.
Osie stawów są bardzo złożone i zmienne w czasie trwania ruchu.
Ruch ślizgowy występuje w dwóch postaciach:
- Ruch ślizgowy powierzchniowy - może być wykonywany w czysto prostolinijnym kierunku: ślizg łopatki obręczą barkową po ścianie klatki piersiowej do góry, w dół, ku tyłowi albo do przodu
Ruch w stawach międzykręgowych
- Ruch ślizgowy liniowy - np. w obwodowej części śródręczno-paliczkowego, w którym podstawa
paliczka bliższego porusza się nad główką kości śródręcza.
Ruch toczenia się (kołyskowy) ( początkowy ruch zginania w stawie kolanowym)
Ruch toczenia kombinowany z ruchem ślizgowym np. w stawie kolanowym pierwsze 15-20o to ruch toczenia przechodzący w ruch ślizgania.
Ruch rotacji osiowej - ( ruch w promieniowo ramiennej części stawu łokciowego