Biomechanika człowieka
i kinematyka stawu
kolanowego
Człowiek- najlepsza inwestycja
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
1. Terminologia
2. Wstęp do biomechaniki człowieka
3. Kinematyka stawu kolanowego
4. Metody analizy biokinematyki
5. Analiza chodu
2
Terminologia
PÅ‚aszczyzny ruchu:
poprzeczna czołowa strzałkowa
3
Terminologia
Pojęcia topografii
anatomicznej:
anterior/posterior 
przedni/tylni
superior/inferior 
górny/dolny
proximalis/distalis 
bliższy/dalszy
medialis/lateralis 
przyśrodkowy/boczny
4
Wstęp do biomechaniki człowieka
qðBiomechanika - zajmuje siÄ™ opisem ruchu czÅ‚owieka i
zwierzÄ…t (biokinematyka) oraz zjawiskami ten ruch
wywołującymi (biodynamika)
qðDziaÅ‚y biomechaniki:
" biomechanika ogólna (General Biomechanics)
" biomechanika inżynierska (Biomechanics of
Engineering)
" biomechanika medyczna i inżynieria rehabilitacyjna
(Medical Biomechanics and Rehabilitation
Engineering)
" biomechanika sportu (Biomechanics of Sport)
5
Biomechanika złamań
Wstęp do biomechaniki człowieka
Kość cechuje duża elastyczność zatem działające na nią siły nie prowadzą do
złamania lecz do jej odkształcenia. Stosunek naprężenia do związanego z nim
odkształcenia jest wartością stałą dla danego materiału (Skorko 1979). Im
materiał bardziej sztywny tym moduł sprężystości wyższy.
Jednak kość zachowuje elastyczność tylko w pewnym zakresie określonym jako
strefa odkształcenia sprężystego po przekroczeniu którego następuje
odkształcenie plastyczne i jeśli naprężenia przekroczą dozwoloną granicę
plastyczności nastąpi złamanie kości.
W przypadku kości strefa odkształcenia plastycznego jest bardzo niewielka.
Podczas działania na kość obciążeniem gromadzi ona pewną ilość energii. Np. w
przypadku szybkiego biegu kość pochłania więcej energii niż w przypadku biegu
wolnego. Im więcej energii się zgromadzi tym większe będzie zniszczenie kości
(Markel 1996). Rodzaj złamania zależy ponadto od kierunku działania siły.
6
Wstęp do biomechaniki człowieka
Mechanizm kontroli ruchu
Maszyna:
Centrum
zamiar impuls siła układ ruch
Napęd:
Sterow ania:
szkieletow y
muscles
ruchu aktyw acji
mózg
+
obciążenie
Sensory:
układ
receptorów
czucia
7
Wstęp do biomechaniki człowieka
Dz
wignie  proste mechanizmy służące do
zmiany wywieranej siły poprzez użycie
odpowiedniego ramienia momentu
siła (F) opór (R)
ramiÄ™ oporu
ramię siły
oÅ› obrotu
8
Wstęp do biomechaniki człowieka
Klasy dz
wigni działających w człowieku:
qð 1 klasy  dz
wignie obustronne
qð 2 klasy  dz
wignie rzadko występujące
u człowieka
qð 3 klasy  dz
wignie najczęściej
występujące i używane przez
człowieka
9
Wstęp do biomechaniki człowieka
Dz
wignie 1 klasy:
- mogą być oszczędnościowe i szybkościowe
opór (R) siła (F)
siła (F) opór (R)
ramiÄ™
ramiÄ™
ramiÄ™ oporu
ramię siły
oporu
siły
oÅ› obrotu oÅ› obrotu
10
Wstęp do biomechaniki człowieka
Dz
wignie 1 klasy:
- przykład stawu
szczytowo-
-potylicznego
opór
siła
oÅ› obrotu
11
Wstęp do biomechaniki człowieka
Dz
wignie 2 klasy:
- porównanie do taczki
opór
siła
siła (F) ramię siły
ramiÄ™ oporu
oÅ› obrotu
opór (R) oś obrotu
przykład wykorzystania tej dz
wigni w stawie
łokciowym dla mięśnia ramienno-promieniowego
12
Wstęp do biomechaniki człowieka
Dz
wignie 3 klasy:
- najczęstsze dz
wignie u człowieka
- mało wydajne z powodu małego ramienia siły 
nieefektywne mechanicznie
siła (F)
ramię siły
opór
ramiÄ™ oporu
oÅ› obrotu
opór (R)
siła
oÅ› obrotu
przykład wykorzystania tej dz
wigni w stawie
łokciowym dla mięśnia dwugłowego ramienia
13
Wstęp do biomechaniki człowieka
Typy stawów (Fick 1904,1911):
zawiasowy obrotowy
elipsoidalny
kulowy siodełkowaty
(kłykciowy)
14
Wstęp do biomechaniki człowieka
Przykłady i rodzaje stawów:
- ramienny  staw kulisty
wolny
- biodrowy  staw
kulisty panewkowy
15
Wstęp do biomechaniki człowieka
Przykłady i rodzaje stawów:
- kolanowy  staw dwukłykciowy lub
dawniej staw zawiasowy zmodyfikowany
powierzchnie
udo
kłykcie
stawowe (boczne
i przyśrodkowe)
model stawu
goleń
16
Wstęp do biomechaniki człowieka
Rodzaje ruchów w stawach:
obracanie toczenie ślizganie
+ połączone wzajemnie kombinacje
17
Budowa anatomiczna stawu
kolanowego
kość udowa
rzepka
kość piszczelowa
kość strzałkowa
staw kolanowy
kości kończyny dolnej
18
Budowa anatomiczna
kość udowa  koniec dalszy
powierzchnia rzepkowa
kłykieć boczny
kłykieć przyśrodkowy
nadkłykieć boczny
nadkłykieć przyśrodkowy
dół międzykłykciowy
19
Budowa anatomiczna
kość piszczelowa  koniec bliższy
guzowatość piszczeli
wyniosłość międzykłykciowa
kłykieć przyśrodkowy
kłykieć boczny
(powierzchnia stawowa)
(powierzchnia stawowa)
głowa strzałki
20
Budowa anatomiczna
rzepka
powierzchnia przednia rzepki powierzchnia stawowa rzepki
widok z przodu
widok od tyłu
21
Budowa anatomiczna
więzadła
więzadło
więzadło
poboczne
poboczne
strzałkowe
piszczelowe
(boczne)
więzadło
(przyśrodkowe)
krzyżowe
tylne (PCL)
więzadło
poprzeczne
kolana
więzadło
krzyżowe
przednie (ACL)
22
Budowa anatomiczna
Å‚Ä…kotki
Å‚Ä…kotka
Å‚Ä…kotka
przyśrodkowa
boczna
23
Budowa anatomiczna
Mięśnie otaczające staw kolanowy od przodu
mięsień napinacz
powięzi szerokiej
mięsień krawiecki
mięsień prosty
uda
mięsień obszerny
przyśrodkowy
mięsień obszerny
pośredni
mięsień obszerny
boczny
warstwa powierzchowna warstwa głęboka
24
Budowa anatomiczna
Mięśnie otaczające staw kolanowy od tyłu (górne)
mięsień półścięgnisty
mięsień smukły
mięsień dwugłowy uda
głowa długa
mięsień dwugłowy uda
głowa krótka
mięsień półbłoniasty
"gęsia stopka"
widok od tyłu
widok od strony przyśrodkowej
25
Budowa anatomiczna
Mięśnie otaczające staw kolanowy od tyłu (dolne)
mięsień
podeszwowy
mięsień
podkolanowy
mięsień brzuchaty
łydki - głowa
boczna
mięsień brzuchaty
łydki - głowa
przyśrodkowa
widok po odsłonięciu mięśnia
strona tylnia
trójgłowego łydki
26
Kinematyka stawu kolanowego
Stopnie swobody i osie ruchu
translacja rozciÄ…ganie
6 stopni swobody (DOF):
przednia
-3 rotacje
nacisk
i tylnia
-3 translacje
wyprost
translacja
boczna
zgięcie
i przyśrodkowa
odwodzenie
przywodzenie
rotacja zew.
i wewnętrzna
27
Kinematyka stawu kolanowego
Zakresy praktycznego ruchu
0 mechanizm zaryglowania (screw home)
w stawie:
-5 10
20
- zgięcie/wyprost  do 70
aktywny ruch
podczas chodzenia, do
pełen wyprost
pod kontrolą mięśni
(z uwzgl.
160 w klękaniu przeprostu)
- rotacja wewnętrzna
i zewnętrzna - do 30 tylko 120
przy zgiętym kolanie
ruch pasywny
(wymagajÄ…cy
160
zewnętrznej siły)
- przywodzenie/odwodzenie
 tylko kilka stopni
28
Kinematyka stawu kolanowego
Ruch w stawie jest kombinacjÄ… toczenia
(początkowa faza), obrotu i ślizgania
Przykłady możliwej współpracy stawu udowo-piszczelowego w różnych przypadkach:
(A) tylko toczenie  kość udowa wytacza się poza kolano przed zakończeniem zgięcia
(B) tylko ślizganie  kość udowa uderza w kość piszczelową
(C) złożenie tych dwóch ruchów  toczenia i ślizgania - daje rzeczywisty układ występujący w
kolanie
29
Metoda symulacyjno doświadczalna -
kinematyka stawu kolanowego
x
alfa
Y
Kinematyka stawu kolanowego
Kość udowa
B
.
..
A
o
y
Przykładowa trajektoria
zakreślana przez punkt B
Kość
piszczelowa
X
O
30
Kinematyka stawu kolanowego
Przykładowe zakresy dla czynności:
żð chodzenie 0-67 stopni
żð wchodzenie po schodach 0-83
żð schodzenie ze schodów 0-90
żð siadanie 0-93
żð wiÄ…zanie butów 0-106
żð podnoszenie przedmiotu 0-117
[Nordin & Frankel, 1989]