WYKŁAD 1

Definicje Biomechaniki

• Biomechanika jest nauką o ruchu i mechanizmach wywołujących ruch, szczególnie człowieka oraz zwierząt

• Biomechanika jest interdyscyplinarną dziedziną nauki, na pograniczu nauk ścisłych (mechanika) i biologicznych (biologia, medycyna)

• Biomechanika jest nauką o wewnętrznych i zewnętrznych siłach działających na ciało ludzkie i ich skutkach.

• Biomechanika ułatwia zrozumienie normalnego funkcjonowania organizmu oraz pozwala przewidzieć zmiany w przypadku sztucznej interwencji.

• Siły wewnętrzne- siły generowane przez mięśnie

• Siły wewnętrzne pokonują siły zewnętrzne a także siły bezwładności i ciążenia ciała

• Ważne jest by znać masę ciała, masy poszczególnych ruchomych fragmentów ciała, położenie środka ciężkości,właściwości materiałów poddawanych działaniu sił

• Biomechanika- dotyczy układu ruchu żywego organizmu.

Dzielimy ją na działy :

• -statyka

• -kinematyka

• -dynamika

Statyka - przedmiotem badań jest oddziaływanie sił na ciało znajdujące się w spoczynku.

- Siły działające w analizowanym układzie są w równowadze.

- Nie ma ruchu nie trzeba brać pod uwagę siły bezwładności ciała a jedynie siłę ciężkości (pochodzącą od grawitacji)

Kinematyka - przedmiotem badań jest opisywanie ruchu, nie szukając przyczyn ruchu.

-opisuje ruch nie analizując przyczyn nie zajmuje się masami poruszających się elementów a także siłami działającymi w układzie

Przyspieszenie

przyspieszenie = a

zmiana prędkości = Δv

zmiana czasu = Δt

a = (v₂ - v₁)/Δt

Gdy przyspieszenie jest równe zero - prędkość stała

:

Przebyta droga w ruchu przyspieszonym

v_k = v_p + at

S = v_pt + ½at²

S = droga; v = prędkość;

a = przyspieszenie; t = czas

v_p - prędkość początkowa

v_k - prędkość końcowa

Dynamika - przedmiotem badań jest ruch i przyczyny ruchu.

-pełny opis ruchu

ruch opisywany jest w sposób pełny z uwzględnieniem masy. Ważne jak zachowują się poszczególne fragmenty masy podczas ruchu.

- Opis ruchu zachodzi z wykorzystaniem praw Newtona

Punkt materialny

• Idealizacja rzeczywistych obiektów stosowana gdy rozmiary obiektów są nieistotne w porównaniu z przebywaną przez te obiekty drogą.

• Sprowadza się cały obiekt materialny do punktu i opisuje położenie obiektu za pomocą trzech współrzędnych przestrzennych i czasu.

• Taką idealizację stosuje się by uprościć obliczenia (często jest to jedyny sposób wykonania obliczeń)

• Nie można obiektu traktować jako punkt materialny gdy wykonuje ruchy obrotowe

Środek masy ciała lub układu ciał jest punktem, w którym skupiona jest cała masa w opisie układu jako masy punktowej.

Środek ciężkości

Środek ciężkości ciała, to taki punkt (czasami może on nawet nie zawierać się w obrębie ciała), że po podparciu w tym punkcie za pomocą siły przeciwnej do siły grawitacji (równoważącej tę grawitację), grawitacja nie spowoduje obrotu tego ciała. I to bez względu na początkowe ustawienie - nachylenie.

Punkt stabilnego podparcia spełniający warunek stabilności nie przewracania się, nie przekręcania pod wpływem działającej siły ciężkości utrzymywanego przedmiotu musi znajdować się dokładnie nad, lub pod środkiem ciężkości.

Jeśli ciało podeprzemy obok środka ciężkości, to w większości położeń będzie się ono przekręcało albo przewracało

Środek masy układu dwóch punktów

• M₁R₁ = M₂R₂

.

Model matematyczny ciała sztywnego

Zbiór punktów materialnych takich, że

- Ciało sztywne nie ulega odkształceniom w wyniku działania sił.

- Swobodne ciało sztywne ma 6 stopni swobody:

- 3 translacyjne, opisujące ruch wybranego punktu P np. jego środka masy,

- 3 rotacyjne

Ciało doskonale sztywne to takie ciało, w którym odległości między dwoma dowolnymi jego punktami materialnymi nie zmieniają się w trakcie ruchu

Ruchy ciała sztywnego
translacja

• Swobodne ciało sztywne ulega przesunięciu w kierunku działania siły zewnętrznej F gdy ten kierunek przechodzi przez środek masy ciała PS.

• W tej konfiguracji nie ma momentu siły.

obrót

• Gdy dowolny punkt ciała P jest unieruchomiony ciało dokonuje obrotu dookoła niego.

• Obrót następuje wskutek działania momentu siły

• względem P:

Ruch - rodzaje ruchu

• Prostolinijny ruch postępowy

• Występuje wtedy gdy tory ruchu wszystkich punktów obiektu są do siebie równoległe i pokonały te sama drogę w jednostce czasu.

• Opisuje go II zasada dynamiki, jest to taki ruch w którym wszystkie punkty ciała poruszają się po torach wzajemnie równoległych w tych samych przedziałach czasu doznając jednakowych przemieszczeń.

• II zasada dynamiki mówi: aby zmienić właściwości ruchu postępowego musimy użyć siły.

Ruch wokół osi

Poszczególne punkty zakreślają okręgi, współśrodkowe , których środek nie bierze udziału w ruchu tworząc oś obrotu.

• Ruch odbywa się wokół osi obrotu, zatem punkty lezące na niej są nieruchome, pozostałe poruszają się z jednakowymi prędkościami kątowymi.

• Miara drogi przebytej jest kąt zakreślony przez promień.

• Przyczyną wywołującą ruchy obrotowe są momenty siły (odpowiednik siły w ruchu postępowym)

• Ruch opisuje II zasada dynamiki dla ruchu obrotowego odpowiednik II zasady dla ruchu postępowego.

Ruch złożony

Tworzą go wypadkowe ruchu postępowego i obrotowego

Każdy ruch można przedstawić jako kombinacje ruchu postępowego i obrotowego

ZASADY DYNAMIKI- dla ruchu prostoliniowego

• 1 Zasada dynamiki Newtona: Jeżeli na ciało działają siły , których wypadkowa jest równa zero to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym

• 2.Zasada dynamiki: Jeżeli na ciało działa nie zrównoważona siła wypadkowa to ciało będzie poruszać się ruchem zmiennym

• 3.Zasada dynamiki: AKCJI I REAKCJI: Jeżeli ciało A działa na ciało B siłą (Fab) , to ciało B działa na ciało A siła ( Fba). Siły te maja te same kierunki i wartości , a przeciwne zwroty.

WYKŁAD 2

Maszyny proste

• Dźwignia dwustronna

• Dźwignia jednostronna

• Kołowrót

• Klin (równia)

Wzór - dźwignia jednostronna i dwustronna :

Zysk na sile = długość ramienia siły działania / długość ramienia siły użytecznej

P = Ld/ Lu

Moment siły

Moment siły przyłożonej w punkcie A, określony względem punktu O jest iloczynem wektorowym promienia wodzącego r mającego początek w punkcie O i siły F. Kolorem kremowym zaznaczona jest płaszczyzna wyznaczona przez wektory r i F , wektor momentu siły jest prostopadły do tej płaszczyzny.  Zwrot tego wektora określony jest przez regułę śruby prawoskrętnej

• Gdy siła nie jest prostopadła do promienia, można wydzielić składową siły prostopadłą do promienia wodzącego. Wówczas wartość momentu siły możemy zapisać w postaci

Pęd- Zasada zachowania pędu

Jeżeli na ciało lub układ ciał nie działa żadna siła zewnętrzna (pochodząca od innego ciała), to całkowity pęd układy jest stały.

- Na zasadę zachowania pędu nie ma wpływu tarcie i straty energii

Moment bezwładności

-Odpowiednikiem masy w ruchu postępowym jest w ruchu obrotowym moment bezwładności

- moment bezwładności jest miarą bezwładności ciała w trakcie wprawiania go w ruch obrotowy

- Zasady dynamiki dla ruchu obrotowego są analogiczne do zasad dynamiki obowiązujących dla ruchu postępowego

Moment bezwładności J jest miarą bezwładności bryły sztywnej (odpowiednik masy dla punktu materialnego).

• Obliczamy według wzoru

Moment bezwładności
Aby znaleźć moment bezwładności ciała należy podzielić w myśli to ciało na fragmenty tak małe, aby każdy można było traktować jak punkt materialny o pewnej masie m_i, pomnożyć jego masę przez kwadrat jej odlęgłości od osi obrotu r_i² i wszystkie otrzymane iloczyny do siebie dodać

Momenty bezwładności popularnych brył

Wszystkie powyższe wzory określają moment bezwładności brył względem osi przechodzących przez środek masy danej bryły.

Twierdzenie Steinera

Twierdzenie to mówi, że jeśli znamy moment bezwładności I_o danego ciała względem pewnej osi przechodzącej przez środek masy tego ciała,
to aby obliczyć moment bezwładności I względem dowolnej innej osi równoległej do niej,
należy do momentu I_o dodać iloczyn masy ciała i kwadratu odległości d między tymi osiami czyli md²:

Prędkość kątowa

Każdy punkt obracającej się bryły ma inną prędkość liniową, natomiast prędkość kątowa wszystkich punktów bryły jest taka sama. Punkt odległy od osi obrotu o r ma prędkość liniową v taką, że

Przyspieszenie kątowe

Każdy punkt obracającej się bryły ma inne przyspieszenie liniowe, natomiast przyspieszenie kątowe wszystkich punktów bryły jest takie samo. Punkt odległy od osi obrotu o r ma przyspieszenie liniowe a takie, że

Energia kinetyczna

• bryły sztywnej jest sumą energii kinetycznej jej ruchu postępowego E_kp i energii kinetycznej jej ruchu obrotowego E_ko.

Pierwsza zasada dynamiki ruchu obrotowego

Jeśli na pewne ciało, które posiada pewien swój moment bezwładności I zadziałają zewnętrzne siły, które wywrą na to ciało pewien wypadkowy moment siły M równy zeru, to ciało nie zmieni swojej prędkości kątowej

Druga zasada dynamiki ruchu obrotowego

Jeśli na pewne ciało, które posiada pewien swój moment bezwładności I zadziałają zewnętrzne siły, które wywrą na to ciało pewien wypadkowy moment siły M, to w wyniku tego działania ciało będzie obracać się z przyspieszeniem kątowym * takim, że

Moment pędu

Moment pędu - wielkość analogiczna do pędu dla ruchu obrotowego

Zasada zachowania momentu pędu
Jeżeli na ciało lub układ ciał wypadkowy układ działających sił jest równy 0, to :

Moment pędu bryły sztywnej:


Oznaczenia:
V - prędkość całkowita chwilowa;
p - pęd;
m - masa ciała;
b - moment pędu;
r -  ramie siły;
w - prędkość kątowa;
I - moment bezwładności;

WYKŁAD 3

Praca moc energia- zależności

Praca = Siła x Przesunięcie

W = F x S

jednostki: dżule (J) w układzie SI

Energia: zdolność do wykonania pracy

Jednostki energii te same co jednostki pracy dżule (J)

Energia kinetyczna, Ek = 1/2 mv²

Energia potencjalna grawitacji, Ep = w • h = m • a • h

Energia potencjalna sprężystości jest energią określaną dla ciała odkształcanego sprężyście. Energia ta jest proporcjonalna do kwadratu odkształcenia od położenia równowagi. W przypadku odkształconej sprężyny, opisuje ją wzór

Es = 1/2 kx²

Tylko część energii zużywanej przez mięśnie zamieniana jest na pracę,

reszta na ciepło

Właściwości materiałów
Analizowane własności mechaniczne materiałów tkankowych to

- wytrzymałość

- twardość

- sprężystość

- plastyczność

- wiązkość

- kruchość

Badania wytrzymałości materiałów określają zdolność ciał stałych do odkształcania  i zajmują się ustalaniem zależności odkształceń od sił zewnętrznych, działających na rozpatrywane

Moduł Younga (E) - inaczej moduł odkształcalności liniowej albo moduł sprężystości podłużnej (w układzie jednostek SI) - wielkość uzależniająca odkształcenie liniowe ε materiału od naprężenia σ, jakie w nim występuje w zakresie odkształceń sprężystych.

Jednostką modułu Younga jest paskal. Jest to wielkość określająca sprężystość materiału.

Moduł Younga jest hipotetycznym naprężeniem, które wystąpiłoby przy dwukrotnym wydłużeniu próbki materiału, przy założeniu, że jej przekrój nie ulegnie zmianie

Odkształcenia sprężyste i plastyczne

• Większość analizowanych zagadnień dotyczących wytrzymałości materiałów rozpatruje się przy założeniu idealnej sprężystości materiału, gdzie wywołane obciążeniem odkształcenia znikają całkowicie.

• Przeciwieństwem ciała idealnie sprężystego jest ciało idealnie plastyczne, tzn. takie, którego odkształcenia wywołane obciążeniem mają charakter trwały. Należy zaznaczyć, że rzeczywiste ciała nie są ani idealnie sprężyste, ani idealnie plastyczne.

Rozciąganie. Składają się na nie dwie przeciwnie działające siły, powodujące wydłużenie ciała w kierunku linii działania tych sił.

Ściskanie. Składają się na nie dwie siły o przeciwnych zwrotach, powodujące ściśnięcie (skrócenie) ciała w kierunku linii działania tych sił.

Ścinanie. Wywołane jest działaniem dwóch sił tworzących parę sił, powodują w ostateczności ścięcie elementu.

Skręcanie. Wywołane jest siłami dającymi moment skręcający, pod którego działaniem poszczególne przekroje poprzeczne przedmiotu zostają obrócone względem siebie wokół pewnej osi.

Zginanie. Wywołane jest działaniem sił prostopadłych do osi belki i leżącymi w płaszczyźnie zawierającej tę oś lub równoległej do niej.

Wiązkość (odporność na obciążenia dynamiczne)
Wiązkość opisuje odporność materiału na rozprzestrzenianie się pęknięć. Materiały charakteryzujące się wysoką wiązkością posiadają zdolność plastycznego odkształcenia i przyjęcia energii. Terminem „wiązkość“ opisuje się zatem zdolność do plastycznego odkształcenia materiału do momentu jego pęknięcia (podatność na pękanie).
Przeciwieństwem wiązkości jest kruchość. Materiały kruche mają możliwość odkształcenia plastycznego w ograniczonym zakresie i mogą przyjąć znacznie mniej energii niż materiały o dużej wiązkości.

Twardość - cecha ciał stałych świadcząca o podatności lub odporności na odkształcenia powierzchni, zgniecenie jej lub zarysowanie, pod wpływem zewnętrznego nacisku

Naprężenia rzeczywiste i umowne w materiałach

Różnice między naprężeniami rzeczywistymi a umownymi biorą się ze zmian przekroju materiału, w trakcie rozciągania materiał staje się cieńszy (maleje pole przekroju poprzecznego)

Przewężenia

Materiał najbardziej narażony jest na zniszczenie w miejscach przewężeń. Należy o tym pamiętać mając do czynienia z pacjentami po operacjach. Na skutek otworów kości po operacjach mogą być dużo słabsze

Często nowotwory osłabiają miejscowo kości i są bezpośrednią przyczyną złamań.

WYKŁAD 4

Biomechaniczne właściwości tkanek

• Mechaniczne właściwości tkanek (kości, ścięgna mięśnie) decydują o sprawności organizmu.

• Mechaniczne właściwości tkanek są wynikiem oddziaływania człowieka na środowisko zewnętrzne i środowiska zewnętrznego na człowieka

• Znajomość właściwości i procesów wpływających na mechaniczne właściwości tkanek jest konieczna by prowadzić skuteczną rehabilitację.

• Mięśnie pod wpływem aktywności rosną i zanikają w długotrwałym bezruchu

• To samo dzieje się z innymi składnikami aparatu ruchowego: kośćmi i ścięgnami

• Zaburzenie funkcji ruchu zmniejsza aktywność ruchową

• zmniejszona aktywność ruchowa powoduje osłabienie i zanik aparatu ruchowego

• Następuje sprzężenie zwrotne prowadzące do dalszego upośledzenia aparatu ruchowego

• Zadaniem terapeuty jest przerwanie tego błędnego koła

• Odpowiednia aktywność fizyczna wzmacnia układ ruchowy

- za słaba prowadzi do zaniku, osłabienia aparatu ruchowego

- zbyt intensywna aktywność może prowadzić do zmian zwyrodnieniowych

Właściwości tkanki kostnej

- anizotropia

- lepko - sprężystość

- elastyczność

- plastyczność

Materiały lepko-spężyste

- Normalne (nieorganiczne) materiały zachowują się w trakcie odkształceń w sposób niezależny od czasu i szybkości procesu.

- W materiałach lepkosprężystych odkształcenia i naprężenia zależą od dynamiki procesu.

- Występuje zjawisko

Pełzania - powolnej zmiany wymiarów mimo niezmienności siły odkształcającej

oraz

Relaksacji - długotrwałego powrotu do wymiarów początkowych po ustaniu działania odkształcającej siły

Kości długie - Struktura długich kości

W części środkowej mają postać wydłużonego walca zwanego trzonem kości, oba końce są rozszerzone.

Wewnątrz trzonu kości długich mieści się jama szpikowa. Rozszerzone końce kości tworzą dużą powierzchnię dla przyczepu ścięgien mięśni, torebki stawowej i wiązadeł. Na nich znajdują się powierzchnie stawowe, tworzące połączenia stawowe z sąsiednimi kośćmi.

Obojczyki i żebra - kości długie - nie mają jamy szpikowej. Trzony żeber, w związku z ich funkcją, są spłaszczone.

•   Rurowata budowa trzonu kości długich zapewnia im lekkość przy zachowaniu podobnej odporności na zgniatanie i rozciąganie, jaką wykazują walce o tej samej powierzchni przekroju.

Okostna

• OKOSTNA (periosteum)
  łącznotkankowa błona pokrywająca kość - obficie ukrwiona i unaczyniona. Ochrania kość, odżywia, odpowiada za jej wzrastanie na grubość i jej regeneracje.

Kość długa

W naszym organizmie istnieją dwa typy tkanki kostnej - zbita budująca głównie kości długie oraz gąbczasta, występująca w trzonach kości

Tkanka kostna

W strukturze kości istnieje warstwa zbita i gąbczasta.

Budowa kości

Kość gąbczasta, rdzeniowa

Schemat tkanki kostnej

Budowa kości ma strukturę beleczkową. Układ beleczek kostnych zapewnia optymalną wytrzymałość na obciążenia i działające siły.

• Kość jest zawsze najmocniejsza w miejscach działania linii sił uciskających lub rozciągających.

• Przypuszcza się, że ucisk (rozciąganie) pobudza osteoblasty do intensywniejszego tworzenia kości.

• Wykorzystuje się to przy leczeniu złamań, dążąc do wywierania ucisku na młodą kostninę przez napinanie, ucisk, obciążenie kończyny.

• Osteoblasty - komórki tworzące kości (kościotwórcze), występujące w miejscach, gdzie odbywa się wzrost lub przebudowa tkanki kostnej. Osteoblasty wytwarzają część organiczną macierzy kostnej (tzw. osteoid), w której następnie odkładają się kryształy fosforanów wapnia. Otoczone są substancją międzykomórkowa zwaną hydroksyapatytem. Powstają z komórek macierzystych wywodzących się ze szpiku kostnego

Skład chemiczny kości.
  Istota międzykomórkowa - stanowiąca główny budulec kości - złożona jest z ciał organicznych i nieorganicznych (soli mineralnych).
Składnikiem organicznym kości jest substancja białkowa zwana osseiną. Stanowi ona 35% masy kostnej. Przesycona jest solami mineralnymi (ok. 65% masy kostnej), występującymi w postaci kompleksowego związku węglanu wapnia i fosforanu wapnia. Poza tym w skład substancji nieorganicznych kości wchodzi niewielka ilość sodu, magnezu, potasu, chloru i fluoru.

• Kości są magazynem wapnia niezbędnego do regulacji procesów komórkowych

• Osseina - niejednorodna, organiczna, substancja międzykomórkowa pozostała po usunięciu soli mineralnych z tkanki kostnej.
  W jej skład wchodzą włókna kolagenowe zwane osseinowymi oraz bezpostaciowa substancja zlepiająca te włókna tzw. osseomukoid

Kolagen

Białko, które jest głównym składnikiem włóknistym skóry, kości, ścięgien, chrząstek i zębów.

Struktura I-rzędowa: ok. 1000 aminokwasów,

Powtarzająca się sekwencja Gly-Pro-Hyp (gdzie Hyp - hydroksyprolina)

Struktura IV-rzędowa: trzy nawinięte na siebie helisy alfa, cząsteczka ma kształt cylindryczny, długość 300 nm i średnica 1.5 nm.

Defekty a złamania

• Defekty i przewężenia w dowolnym materiale powodują wzrost siły przypadającej na jednostkę powierzchni czyli wzrost obciążenie.

• Miejsca takie są szczególnie narażone na złamania

• Defekty naturalne (np. nowotwory) i sztuczne (otwory powstałe w wyniku operacji) znacznie zmniejszają odporność kości na złamania

• Osłabienie wytrzymałości zależy od wielkości defektu i od jego kształtu

• Duże defekty z ostrymi krawędziami bardziej niż małe o owalnych kształtach zwiększają osłabienie. Związane jest to z koncentracją naprężeń na ostrych krawędziach

• Zmniejszenie powierzchni o 10% może powodować osłabienie kości nawet o 30%

• Osłabienie pochodzące od kilku defektów jest znacznie większe niż wynikałoby to z prostego sumowania

WYKŁAD 5

Cechy biologiczne kości

Pomimo dużej zawartości soli mineralnych i powolnej przemiany materii, kości są plastyczne i ulegają przebudowie pod wpływem zmiany działających na nie czynników mechanicznych.

Unieruchomienie kości (opatrunek lub porażenia nerwu) prowadzi do jej zaniku (odwapnienia), natomiast mechaniczne obciążenie powoduje jej przerost

Właściwości mechaniczne kości człowieka

•   Wytrzymałość kości ludzkich na rozciąganie wynosi około 900-1200 kg/cm² przekroju poprzecznego, co odpowiada odporności mosiądzu lub żelaza lanego. Kość udowa człowieka rozrywa się przy obciążeniu jej siłą około 5600 kg.

• Większą odporność wykazują kości na zgniatanie - 1200-1600 kg/cm², wytrzymałość żelaza kutego. Kość udowa pęka wzdłuż dopiero pod działaniem siły około 7780 kg - skierowanej wzdłuż osi długiej.

• Kości są najmniej odporne na wyginanie.   Kość udowa łamie się przy obciążeniu poprzecznym równym około 380 kg.

• Kość jest zawsze najmocniejsza w miejscach działania linii sił uciskających lub rozciągających.

• Przypuszcza się, że ucisk (rozciąganie) pobudza osteoblasty do intensywniejszego tworzenia kości.

• Wykorzystuje się to przy leczeniu złamań, dążąc do wywierania ucisku na młodą kostninę przez napinanie, ucisk, obciążenie kończyny.

Zależność obciążenia od deformacji

• Aby można było porównywać ze sobą różne materiały wprowadzono normalizację

• Deformacja- stosunek zmiany długości do długości całkowitej

• Obciążenie - stosunek siły działającej do wielkości powierzchni. Siła działająca na jednostkę powierzchni

Rodzaje obciążeń mechanicznych kości

- ściskanie

- rozciąganie

- ścinanie

- skręcanie

- zginanie

Właściwości tkanki łącznej

• elastyczność

• Zdolność do powrotu do stanu normalnego po obciążeniu

• Granica elastyczności to rozmiar deformacji powyżej którego następuje trwałe uszkodzenie

• plastyczność

• Deformacja po której nie następuje powrót do stanu wyjściowego

Zerwanie ścięgien jest gorsze niż złamanie kości

Czynniki determinujące właściwości kości

- aktywność fizyczna

- brak aktywności fizycznej

- wapnienie

- grawitacja

- hormony

- wiek

- osteoporoza

Wzdłużny wzrost kości

• Zachodzi na płytkach wzrostu Komórki kostne wytwarzane są na płytkach wzrostu

• Płytki kostnieją między 18-25 i wzdłużny wzrost kości ustaje

Poprzeczny wzrost kości

• Zachodzi w ciągu całego życia

• Kości doznają ciągłych urazów, powstają defekty.

• Ciągłe tworzenie i resorbcja tkanki kostnej pozwala na naprawę urazów kości i ich remodelowanie

Dynamika zmian układu kostnego

Kościotworzenie

• Przyrost masy kostnej w drodze procesów fizjologicznych lub patologicznych z udziałem osteoblastów.

Resorpcja

• Utrata masy kostnej w drodze procesów fizjologicznych lub patologicznych z udziałem osteoklastów.

Osteoklasty, komórki mające zdolność rozpuszczania i resorpcji tkanki kostnej

Osteoblasty - komórki tworzące kości (kościotwórcze), występujące w miejscach, gdzie odbywa się wzrost lub przebudowa tkanki kostnej. Osteoblasty wytwarzają część organiczną macierzy kostnej (tzw. osteoid), w której następnie odkładają się kryształy fosforanów wapnia.

Przebudowa kości

Siły równe lub przewyższające próg inicjacji wzrostu, powodują remodelowanie (zmianę kształtu) kości w rejonie działania tych sił.

WYKŁAD 6

Prawo Wolff'a

• Kość odkłada się tam gdzie potrzeba i resorbuje się gdzie nie jest potrzebna

• Kształt kości odpowiada pełnionej funkcji

• U tenisistów kości ramienia ręki trzymającej rakietę tenisową są o 35 % grubsze od drugiej ręki (Keller & Spengler, 1989)

• Podobnie kości kończyn (dolnych i górnych) sprinterów są grubsze od kości osób nie uprawiających sportu

• Osoby pracujące fizycznie (intensywnie) mają grubsze kości od pozostałych ludzi

Efekt piezoelektryczny

Zjawisko piezoelektryczne lub efekt piezoelektryczny -zjawisko polegające na mechanicznej deformacji kryształu pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego (zjawisko piezoelektryczne proste), a także na powstawaniu na przeciwległych ścianach kryształów ładunków elektrycznych przeciwnego znaku w wyniku deformacji kryształu (zjawisko piezoelektryczne odwrotne).. Materiały takie nazywane są piezoelektrykami.

Pole elektryczne w kościach

Pod wpływem odkształceń mechanicznych w kościach generowany jest potencjał elektryczny. Zjawisko to zaobserwował Yasuda i określił mianem „piezoelektryczności kości”. W wyniku zginania kości długich powierzchnia rozciągana staje się elektrododatnia, a ściskana elektroujemna.

W żywej kości oprócz zmiennego potencjału elektromechanicznego występuje stały potencjał spoczynkowy. Dla trzonu kości piszczelowej jest dodatni w stosunku do nasady. W wyniku złamania potencjał spoczynkowy kości przesuwa się w stronę potencjałów ujemnych, a w miejscu urazu pojawia się ujemny potencjał zwany potencjałem złamania.

Zjawiska elektryczne obserwowane w kościach wyjaśniają i uzasadniają stosowanie stymulatorów elektrycznych przyspieszających proces gojenia się kości

Wzmacnianie kości

Aktywność fizyczna powoduje wzmacnianie kości

• Regularne Wykonywanie ćwiczeń fizycznych powoduje utrzymywanie kości w dobrej kondycji

• Tenisiści mają większe i o większej gęstości kości w dominujących rękach

• Mężczyżni i kobiety uprawiający bieganie mają większe i o większej gęstości dolne i górne kończyny

• BMD (ang. bone mineral density) - mineralna gęstość kości oceniana metodą densytometri. Wyniki podawane są jako stosunek masy do powierzchni - 2D.

Sposoby oceny masy kostnej

Z - score

• Sposób oceny masy kostnej, w którym punkt odniesienia stanowi równowiekowa grupa kontrolna danej płci. Wyrażany jako liczba odchyleń standardowych od średniej masy kostnej dla danego wieku i płci w zdrowej populacji.

T - score

• Sposób oceny masy kostnej, w którym punkt odniesienia stanowi szczytowa masa kostna dla danej płci. Wyrażany jako liczba odchyleń standardowych.

 

Termin „osteopenia” oznacza obniżenie masy kostnej stanowiącej zagrożenie osteoporozą.

Zmiany zachodzące w kościach u ludzi dorosłych

• Wpływ hormonów

• estrogen powstrzymuje demineralizację kości

• niska waga ciała intensywny trening powoduje obniżenie poziomu estrogenu

Zmniejszanie masy kości

• Brak obciążeń mechanicznych

• Ilość wapnia maleje

• Wapń usuwany poprzez krew i nerki. Wzrasta ryzyko powstawania kamieni w nerkach

• Efekt nieważkości

• Astronauci muszą ćwiczyć by osłabić efekt odciążenia kości przez brak grawitacji

Zmiany zachodzące w kościach z upływem czasu u ludzi dorosłych

• Małe zmiany w długości

• Zmienia się gęstość kości

• Brak aktywności zmniejsza gęstość kości, co je osłabia

• Aktywność zwiększa rozmiar kości, ich gęstość i zawartość wapnia, opóźnia proces starzenia

Wzrost kości

Czynnikami powodującymi wzrost układu szkieletowego są:

• Wielkość obciążenia

• Dynamika (szybkość) obciążeń

• Kierunek i zwrot sił powodujących obciążenia

• Ilość powtórzeń

Złamania kości

• Większość złamań występuje w obrębie trzonów kości długich

• Kości są mocno ukrwione i unerwione

• Goją się dobrze i szybko (do 6 tygodni) gdy złamane fragmenty są blisko siebie

Fazy gojenia złamań kości

Faza zapalna

• Bezpośrednio po urazie, trwa kilka godzin.

• Krwawienie z kości i uszkodzonych tkanek, powstawanie krwiaków, opuchlizny, obumieranie tkanek

Faza naprawcza

• Trwa kilka tygodni

• Osteoklasty i makrofagi usuwają obumarłe tkanki

• Proliferacja osteoblastów, komórek kościotwórczych

• Formują się mostki kostninowe (powstają z włókien kolagenowych)

• Następuje rozrost sieci naczyń krwionośnych w miejscu złamania. Gdy kości nie są unieruchomione powstaje bardzo słaby system naczyń krwionośnych co pogarsza gojenie (wolniej powstaje kość i okostna)

• Następuje powolna mineralizacja obszaru złamania (zaczyna się po 2-3 tygodniach i trwa kilka miesięcy)

Faza przemodelowania

• Najdłuższa trwa nawet kilka lat. Następuje tworzenie kości korowej i jej grubość zależy od występujących w danym miejscu obciążeń mechanicznych

Fazy gojenia złamań kości

WYKŁAD 7

Ścięgna

• mięsień przytwierdzony jest do miejsca przyczepu bezpośrednio lub częściej za pomocą ścięgna.

• ścięgno stanowi ważną część mięśnia przenosząc pracę mięśnia na kościec

• długość ścięgna jest zależna od długości części kurczliwej mięśnia i rozległości ruchu.

•  grubość ścięgna jest zmienna

•  kształt ścięgien jest rożny:

walcowate

spłaszczone

rozcięgno (aponeurosis) - płaska błona

Ścięgna są materiałem lepko-sprężystym

Większość badań wykazuje większą odporność ścięgien na zerwanie w trakcie dynamicznych (szybkich) odkształceń.

Jednocześnie nie obserwuje się istotnych zmian wartości modułu Young'a

Badania wskazują na ok.. 15 % większą odporność dla ścięgien odkształcanych szybciej (odkształcenia wolne 3%/s i szybkie 30%/s).

Ścięgna

• Wykazano że ścięgna mają ogromne znaczenie jako podręczne (krótko trwałe magazyny energii mięśniowej w trakcie ruchu.

• Podczas biegu 50 % energii potrzebnej do biegania gromadzona i uwalniana jest przez ścięgna.

• Wydajność takiego krótkotrwałego magazynowania energii sięga 95%. (Alexander and Bennet-Clark 1977, Alexander 1988).

Wzmacnianie ścięgien

• W trakcie wzmacniania ścięgien występuje zwiększona synteza kolagenu

• Tworzy się więcej włókien kolagenowych

• Zwiększa się liczba kowalencyjnych wiązań w obrębie włókien kolagenowych, poprawia się jakość włókien kolagenowych

• Zwiększa się przekrój ścięgien

Podział czynnościowy i morfologiczny połączeń kostnych

Ścisłe - niezróżnicowane, ciągłe, bez szczeliny stawowej.

         więzozrost

       chrząstkozrost

         kościozrost

• Ruchomość połączeń ścisłych jest nieznaczna, w przypadku kościozrostu niemożliwa.

• Chrząstkozrosty wykazują pewną, ograniczoną ruchomość dzięki podatności chrząstki (im grubsza jest chrząstka tym ruch wydatniejszy).

• W więzozrostach włóknistych, tak jak i w szwach ruchomość jest minimalna, a z czasem ustaje zupełnie. Znacznie większa ruchomość połączenia ścisłego wykazują więzozrosty sprężyste

Klatka piersiowa

Zadaniem klatki piersiowej jest stworzenie przestrzeni zamkniętej o zmiennej objętości

Zmiany objętości pozwalają na zmiany ciśnienia.

Tą ruchomość zapewnia mostek - elastyczny element dający się odkształcić.

Gruba warstwa tkanki chrzęstnej zapewnia dużą ruchliwość

Krążki międzykręgowe

Krążki międzykręgowe, czyli dyski znajdują się między trzonami sąsiadujących kręgów. Zbudowane są z galaretowatej części centralnej zwanej jądrem miażdżystym i włóknisto-chrzęstnej otoczki określanej jako pierścień włóknisty. System więzadeł i mięśni przebiegających wzdłuż kręgosłupa zbliża do siebie kręgi, dysk spełnia rolę elastycznej poduszki stara się rozepchnąć trzony kręgowe

Działanie amortyzujące

• Im dłuższa droga hamowania ruchu tym mniejsze przyspieszenie

• Masa jest stała to dla zmniejszającego się przyspieszenia zmniejsza się siła

• Połączenia kości są zbudowane z tkanki chrzęstnej by zmniejszać siły działające na kości, które są kruche i bardzo mało się uginają.

• Zabezpiecza to układ szkieletowy przed urazami

• Tkanka chrzęstna działa jak gąbka. Wiąże silnie wodę w swojej porowatej strukturze. Pod wpływem ciśnienia (obciążenia stawu) uwalnia powoli wodę kurcząc się.

Połączenia wolne, stawy

Główne składniki połączeń wolnych to : 

• powierzchnie stawowe

•     torebka stawowa

•     jama stawowa

• połączenia maziowe - Są najbardziej ruchomym połączeniem kości. Budowa ich jest bardziej skomplikowana niż połączeń ścisłych, stąd są bardziej podatne na czynniki uszkadzające.

Powierzchnie stawowe

• Powierzchnie stawowe pokryte są chrząstka szklistą mogą być : płaskie, wklęsłe lub wypukłe.

• wklęsłe stanowią panewkę stawową

• wypukłe stanowią główkę stawową

• Powierzchnia chrząstki jest gładka i lśniąca (małe siły tarcia) oraz sprężysta, łatwo zmienia kształt pod wpływem ucisku i powraca do normy po zwolnieniu ucisku

• Zmiana kształtu, uginanie powoduje zwiększanie powierzchni kontaktu, ponieważ siła w danym oddziaływaniu jest stała to zmniejsza się ciśnienie działające na tkanki

• Wytrzymałość chrząstki na ściskanie i rozciąganie jest mniejsza niż kości, najpierw zmienia wymiary chrząstka pochłaniając energię. Zabezpiecza to kruche kości przed pękaniem

• Chrząstka stawowa jest wytrzymała na wielokrotne odkształcenia. Chrząstka stawowa osłabia i amortyzuje siłę urazów na które narażone są kończyny i kręgosłup.

• Chrząstka stawowa rozwija się tam gdzie jest poddawana większym obciążeniom,

Współczynnik tarcia

• jest wielkością charakteryzującą siłę tarcia. W zależności od rodzaju tarcia, wyróżnia się odpowiednie współczynniki tarcia.

• Tarcie suwne
  
  

• W tarciu suwnym, współczynnik tarcia jest równy stosunkowi siły tarcia T do sił nacisku Fn ciała na podłoże (drugie ciało/materiał).

• Tarcie toczne
  
  

• Dla tarcia tocznego współczynnik tarcia jest równy stosunkowi moment tarcia tocznego (Mt) do siły nacisku(N). Współczynnik ten ma wymiar wyrażany w jednostkach długości, np. mm).

Torebka stawowa

• łączy powierzchnie stawowe kości, tworząc osłonę stawu. Składa się z dwóch warstw:

• zewnętrznej - włóknistej (gruba i mocna, zwana błoną włóknistą) zbudowanej głównie z włókien kolagenowych

• wewnętrznej - maziowej (cienkiej i delikatnej, zwanej błoną maziową). Błona maziowa wytwarza maź (ciecz zawierającą kuleczki tłuszczu oraz mucynę), która wypełnia przestrzeń między stawami, zmniejsza tarcie powierzchni zachodzące w stawie podczas wykonywania ruchów.

Jama stawowa

• Jama stawowa to szczelinowata przestrzeń między kośćmi, wypełniona mazią stawową (zawierającą dużo tłuszczowców). Wielkość jamy stawowej waha się od paru mililitrów w najmniejszych stawach aż do przeszło 300 ml w stawie kolanowym (wraz z kaletkami maziowymi).

• Szczelina stawowa może być wyczuwalna i odpowiada ona przekrojowi jamy stawowej.

Ruchy w stawach

• Analiza właściwości ruchowych stawów człowieka pozwala stwierdzić że ruchy części ciała w stawach nie zawierają składowych postępowych, ich ruchomość wynikająca wyłącznie z ruchów obrotowych , nie może przekraczać 3 stopni swobody.

• Ruchy w stawach :

• -toczenie

• -ślizganie

• -obrotowe

• Os obrotu znajduje się na główce

Stopnie swobody

• Zespół niezależnych zmiennych koniecznych i wystarczających do opisu stanu układu fizycznego w każdej chwili.

Liczba stopni swobody

• Jest to liczba niezależnych ruchów, jakie ciało jest w stanie zrealizować w przestrzeni. Przez niezależnych rozumie się, że żaden z tych ruchów nie może być uzyskany poprzez superpozycję (złożenie) pozostałych.

• Ciało sztywne całkowicie swobodne (to jest takie, na które nie nałożono żadnych więzów) ma maksymalną liczbę sześciu stopni swobody:

• trzy ruchy translacyjne w stosunku do osi układu współrzędnych x,y,z. (ruch postępowy)

• trzy obroty względem osi równoległych do osi układu współrzędnych x,y,z. (ruch obrotowy)

Stawy - definicje

• Stawem nazywamy - ruchome połączenie dwóch członów stanowiących elementy układu ruchu

• Zakres ruchu w stawie - definiujemy jako przedział

( zakres zmian ) kąta stawowego miedzy krańcowymi położeniami członów w stawie w danej płaszczyźnie

• Para kinematyczna - to dwa ciała sztywne które maja możliwość poruszania się względem siebie

• Ruchliwość pary kinematycznej - nazywamy liczbę stopni swobody ruchu jednego z członów pary względem drugiego unieruchomionego.

• Ruchomość to termin który określa zakres ruchów w stawie

• Gibkość potocznie nazywamy zakres ruchu w stawie

• Bierne struktury połączeń stawowych :

pow.stawowe

więzadła

torebki

• Aktywne struktury połączeń stawowych :

mięśnie

Ruchomość - rodzaje

• Bierna - uzyskiwana jest z wykorzystaniem momentu sił zewnętrznych

- zakres jest większy w ruchomości czynnej

- mięsnie zachowują się biernie

• Czynna - uzyskujemy ja aktywując moment siły mięśni działających na dany staw

• Szkieletowa - dotyczy ruchomości po usunięciu tkanek

- dotyczy możliwości ruchu na jaka pozwala wzajemny kształt powierzchni stawowych łączących się kości

Staw zawiasowy

• Jedna powierzchnia stawowa ma kształt walca, druga jest wklęsłą panewką.

• Jest to stawem jednoosiowym

• oś biegnie poprzecznie do osi długiej łączących się kości. Staw jednoosiowy umożliwia wykonywać ruch zginania i prostowania czyli właśnie ruch zawiasowy. Stawy tego typu cechują silne więzadła poboczne

Siodełkowy

• staw siodełkowy - powierzchnie stawowe mają kształt siodełka - jedna powierzchnia wklęsła, druga wypukła.

• Jest to staw dwuosiowy

• Dwa stopnie swobody

Staw kulisty

• staw kulisty - Powierzchnie stawowe mają odpowiednio kształty główki i wklęsłej panewki.

• staw wieloosiowy, pozwala na dowolne ruchy: zginania i prostowania oraz odwodzenia i przywodzenia, obrót na zewnątrz i do wewnątrz

• Trzy stopnie swobody, może się poruszać w każdej osi,

• Staw biodrowy i barkowy

staw eliptyczny

• Czym różni się od kulistego?

• Powierzchnie stawowe mają kształt elipsy

• Jest stawem dwuosiowym, osie przecinają się pod kątem prostym

• Dwa stopnie swobody

staw obrotowy

• staw obrotowy - powierzchnie stawowe mają kształt panewki i główki.

• Jest stawem jednoosiowym. Ruch jest obrotowy względem powierzchni stawowych

• Jeden stopień swobody

---