Biomechanika Inżynierska - zib.mchtr.pw.edu.plzib.mchtr.pw.edu.pl/downloads/Przedmioty/BMI/Biomechanika-wyklad-3... · Dla kończyny górnej: łokciowy (ulnaris) ... W. sprężysty

Biomechanika Inżynierska 1

Biomechanika Inżynierska

wykład 3

Instytut Metrologii i Inżynierii BiomedycznejPolitechnika Warszawska


Podstawowe pojęcia

Pozycja anatomiczna

● postawa stojąca, wyprostowana,● kończyny górne zwisające swobodnie

po obu stronach tułowia,● powierzchnie dłoniowe zwrócone są

do przodu,● głowa i oczy zwrócone do przodu,● pięty złączone,● śródstopie wraz z palcami

odwiedzione nieco na zewnątrz,


Podstawowe pojęcia

Płaszczyzny

● Czołowa / boczna (planum frontale frontal / lateral / coronal plane)

● Strzałkowa / pośrodkowa (planum sagittale / medianum sagittal / median plane)

● Poprzeczna / pozioma (planum transversale transverse / horizontal plane)


Podstawowe pojęcia

Osie

● Pionowa / podłużna / długa (vertical / longitudinal)

● Poprzeczna / pozioma (transverse / horizontal)

● Strzałkowa / przednio-tylna (sagital)1

2

3


Podstawowe pojęcia

Kierunki

● Wzgl. pł. czołowej

● k. przedni (brzuszny) - anterior● k. tylny (grzbietowy) - posterior

● Wzgl. pł. strzałkowej

● k. przyśrodkowy● k. boczny

● k. lewy - sinister● k. prawy - dexter

● Wzgl. pł. poprzecznej

● k. górny - superior● k. dolny - inferior


Podstawowe pojęcia

Opisując wzajemne położenie struktur używa się następujących terminów:

pośredni (intermedius)● leżący pomiędzy dwoma (podobnymi) strukturami

środkowy (medius)● leżący w środku odległości pomiędzy dwoma (podobnymi) strukturami

poprzeczny (transversus; transversalis)● leżący prostopadle do osi długiej

podłużny (longitudinalis)● leżący równolegle do osi długiej ciała lub struktury

osiowy (axialis)● leżący w osi (długiej)

...


Podstawowe pojęcia

...wewnętrzny (internus)

● zawarty w pewnej przestrzeni lub strukturze, prowadzący lub skierowany do niej

zewnętrzny (externus)● leżący poza pewną przestrzenią lub strukturą, prowadzący poza jej obręb, położony

bardziej powierzchownie w porównaniu z wewnętrznym

głęboki (profundus)● leżący wewnątrz pewnej przestrzeni, względnie daleko od jej granic

powierzchowny (superficialis)● leżący względnie blisko granic pewnej przestrzeni

środkowy; ośrodkowy (centralis)● czynnościowo nadrzędny; rzadziej geometrycznie leżący w środku

obwodowy (periphericus; peripheralis)● czynnościowo podrzędny, oddalony od czynnościowego ośrodka; rzadziej leżący

geometrycznie na obwodzie


Podstawowe pojęcia

Dodatkowe nazewnictwo dotyczy struktur kończyn, w tym nerwów:

bliższy (proximalis) - proksymalny● znajdujący się bliżej połączenia kończyny z

tułowiem; górny w pozycji anatomicznej

dalszy (distalis) - dystalny● znajdujący się dalej od połączenia kończyny z

tułowiem; dolny w pozycji anatomicznej


Podstawowe pojęcia

Dla kończyny górnej:

łokciowy (ulnaris)● znajdujący się po stronie kości

łokciowej; przyśrodkowy w pozycji anatomicznej

promieniowy (radialis)● znajdujący się po stronie kości

promieniowej; boczny w pozycji anatomicznej

dłoniowy (palmaris; volaris)● przedni w pozycji anatomicznej


Podstawowe pojęcia

Dla kończyny dolnej:

strzałkowy (fibularis; peronealis)● znajdujący się po stronie kości

strzałkowej; boczny w pozycji anatomicznej

piszczelowy (tibialis)● znajdujący się po stronie piszczeli;

przyśrodkowy w pozycji anatomicznej

podeszwowy (plantaris)● dolny w pozycji anatomicznej


Szkielet


Szkielet

Szkielet, układ szkieletowy, kościec (łac. skeleton, skeletus) – twarda konstrukcja anatomiczna wchodząca w skład ciała zwierząt.

Szkielet może:● stanowić miejsce przyczepu mięśni;● nadawać ciału kształt;● być osłoną dla narządów.

Zbudowany może być z substancji nie organicznych lub organicznych.


Szkielet


Szkielet

Rodzaje szkieletów

Ze względu na funkcję:

● szkielet właściwy – służący do poruszania się organizmu jako miejsce przyczepu i podpory mięśni (np. układ kostny)

● szkielet ochronny – służący do mechanicznej ochrony organizmu lub narządu (muszla, karapaks)

● szkielet ruchowo-obronny – pełniący obie ww. funkcje (pancerz stawonogów)


Szkielet

Karapaks - twarda grzbietowa powłoka zewnętrzna ciała, występuje u skorupiaków, pajęczaków i żółwi


Szkielet

Rodzaje szkieletów:

Ze względu na położenie:● szkielet zewnętrzny (egzoszkielet) – na zewnątrz ciała, typowy dla

bezkręgowców (stawonogi, mięczaki), u kręgowców zwany szkieletem skórnym, na który składają się płytki kostne, zęby, łuski oraz rogowe wytwory naskórka, jak włosy, dzioby, pazury, rogi

● szkielet wewnętrzny (endoszkielet) – wewnątrz ciała, typowy dla strunowców, w pewnych postaciach również u bezkręgowców● szkielet somatyczny

• szkielet osiowy (mózgoczaszka, kręgosłup, żebra, mostek, struna grzbietowa)

• szkielet kończyn i obręczy kończyn● szkielet wisceralny (trzewny)

• trzewioczaszka• szkielet serca


Szkielet

Rozwój ewolucyjny:

● Osłonice – struna tylko w wieku larwalnym

● Bezczaszkowce – struna chrzęstna (najstarszy znany ok. 530 mln lat)

● Kręgowce

● Bezżuchwowce

● Żuchwowce● Ryby

● ….● Chrzęstnoszkieletowe (400 mln lat)● Kostnoszkieletowe [promieniopłetwe i

mięśniopłetwe]● …

Minóg rzeczny i „paszcza” minoga


Szkielet

Rozwój ewolucyjny:

Struna grzbietowa, chorda (chorda dorsalis, notochord) − pierwotna forma wewnętrznego szkieletu osiowego strunowców (Chordata).

● Ma postać walcowatego, sprężystego pręta zbudowanego z komórek tkanki łącznej.

● Nad struną grzbietową ciągnie się cewkowaty układ nerwowy, a pod nią przewód pokarmowy.

● U form wyższych ewolucyjnie funkcjonuje w okresie zarodkowym, później zastępowana jest przez kręgosłup, a jej pozostałością są jądra miażdżyste w krążkach (dyskach) międzykręgowych.


Szkielet

Rozwój ewolucyjny i osobniczy (teoria rekapitulacji):


Układ kostny człowieka

Rozwój osobniczy u ludzi:

● Rozwój szkieletu zaczyna się w trzecim tygodniu życia płodowego od wytworzenia struny.

● Struna jest zaczątkiem kręgosłupa, rdzenia kręgowego i mózgu.

● W 4-tym tygodniu pojawiają się zaczątki kończyn.

● Kończyny rozwijają się między 5 a 8 tygodniem.

● Pod koniec piątego tygodnia pojawia się ogon.

● Koło 7-go tygodnia (2 cm) wykształconych jest 260 kości – chodź nie jest to tkanka kostna.

● Osteogeneza trwa jeszcze długo po narodzinach...



Osteogeneza – kostnienie:

Proces przetwarzania szkieletu chrzęstnego czy też błoniastego w szkielet kostny.

● Kostnienie śródchrzęstne odbywa się na modelu chrzęstnym kości, w którym tkanka chrzęstna zostaje zamieniona na tkankę kostną.

● Kostnienie błoniaste odbywa się wprost na podłożu tkanki łącznej, której komórki zamieniają się w osteoblasty i przetwarzają tkankę łączną w kostną.



Rozwój osobniczy:

Okres Zjawisko

Trzeci miesiąc życia płodowego Rozpoczyna się kostnienie w kościach długich

Czwarty miesiąc Pojawia się większość punktów kostnienia w trzonach kości długich

Od narodzin do 5 lat Pojawiają się punkty wtórne kostnienia w nasadach kości długich

5 do 12 lat (kobiety), 5 do 14 lat (mężczyźni) Kostnienie szybko rozprzestrzenia się od punktów kostnienia, wiele kości ulega skostnieniu

17 do 20 Kości kończyn górnych i czaszki ulegają całkowitemu skostnieniu

18 do 23 Kości kończyn dolnych i kości miedniczne ulegają całkowitemu skostnieniu

23 do 25 Skostnienie mostka, obojczyków i kręgów

do 25 lat Niemal wszystkie kości są skostniałe



U dorosłego szkielet składa się z 206 kości.

Liczba ta jest większa u dzieci ze względu na wiele punktów kostnienia (według Reichera: około 270 u noworodka i 356 u 14-latka)

spada dopiero po połączeniu się np. trzonów z nasadami. U starszych ludzi kości może być mniej niż 206 ze względu na zrastanie kości czaszki.

Średnia waga szkieletu to 10 kilogramów u kobiet i 12 kilogramów u mężczyzn.



Tkanka kostna (textus osseus) – klasyfikacja

Tkanka łączna (textus connectivus)

● Tkanka tłuszczowa

● Krew

● Limfa

● ….

● Tkanka łączna podporowa● Tkanka chrzęstna● Tkanka kostna (kość - łac. os, lm ossa; gr ostéon)



Rodzaje kości:

● kości długie (ossa longa), np. kość udowa, ramienna

● kości płaskie (ossa plana), np. kości czaszki, łopatka

● kości krótkie (ossa brevia), np. kości nadgarstka, stępu

● kości różnokształtne (ossa multiformia), np. kręgi



Kostnienie c.d.

● Kości długie, krótkie i nieregularne powstają w wyniku kostnienia śródchrzęstnego.

Od ochrzęstnej do wnętrza trzonu wnikają naczynia krwionośne, niszcząc tkankę chrzęstną, a z ochrzęstnej powstaje płaszcz kostny (pierwotne ognisko kostnienia), po czym pojawiają się w nasadach takie same ogniska (zwane wtórnymi ogniskami kostnienia). Na miejscu niszczonej tkanki chrzęstnej tworzy się tkanka kostna. Proces ten trwa do czasu, dopóki kość nie uzyska swojej właściwej długości i szerokości.

● Kości płaskie w wyniku kostnienia błoniastego.

Kostnienie błoniaste odbywa się wprost na podłożu tkanki łącznej, której komórki zamieniają się w osteoblasty i przetwarzają tkankę łączną w kostną.



Kostnienie

http://www.youtube.com/watch?v=6f90506PvS8

http://www.youtube.com/watch?v=6f90506PvS8



Budowa kości



Budowa kości

Substancja kostna zbita – utworzona z gęsto ułożonych osteonów. Jest najgrubsza w trzonach kości długich. Pokrywa też nasady tych kości, ale jej warstwa jest znacznie cieńsza.

Substancja kostna gąbczasta (trabekularna) – występuje m.in. w nasadach kości długich.

[http://www.youtube.com/watch?v=8d-RBe8JBVs]

http://www.youtube.com/watch?v=8d-RBe8JBVs



W przypadku kostnienia błoniastego:● Na błonie tkanki łącznej tworzą się

osteoblasty, które ulegają grupowaniu i rozpoczynają tworzenie kości.

Kostnienie

Kość budowana jest przez komórki kościotwórcze osteoblasty.

W przypadku kostnienia śródchrzęstnego:● Najpierw pod błoną otaczającą chrząstkę (ochrzęstną).● Potem tworzą się punkty kostnienia wewnątrz chrząstki – agregaty

osteoblastów, które zaczynają tworzyć tkankę kostną.



Kostnienie

Osteoblasty wytwarzają część organiczną kości – osteoid, substancję zawierającą włókna kolagenu, białka niekolagenowe, proteoglikany i fosfolipidy.

Osteoid stanowi objętościowo 50% kości, wagowo 40%.

Wokół włókien kolagenu w wyniku mineralizacji tworzone są długie kryształy hydroksyapatytu.

Hydroksyapatyt jest głównym mineralnym składnikiem kości i zębówodpowiedzialnym za ich wytrzymałośćmechaniczną.



Kostnienie

Po „obudowaniu” się kością osteoblasty przekształcają się w osteocyty – dojrzałe komórki kostne. Osteocyty znajdują się w tzw. jamkach kostnych, a ich wypustki cytoplazmatyczne, dzięki którymi kontaktują się z innymi osteocytami i zachowują funkcje życiowe, są położone w kanalikach kostnych.



Kostnienie

Nadbudowywana cylindrycznie wokół naczynia kość tworzy „słoje” - blaszki kostne wokół powstałego w ten sposób kanału.

Kanał Haversa – kanał osteonu, którym przechodzą naczynia krwionośne (tętnica i żyła) oraz nerwy.

Osteon (system Haversa) - podstawowa jednostka strukturalna i funkcjonalna tkanki kostnej zbitej, zbudowana z koncentrycznie ułożonych wokół kanału Haversa blaszek kostnych z komórkami kostnymi – osteocytami.



Tkanka kostna http://www.youtube.com/watch?v=d9owEvYdouk



Tkanka kostna

Zakończenie procesu kostnienia to nie koniec tworzenia kości! Przez całe życie kość jest przebudowywana.

Kluczową rolę w tym procesie pełnią osteoklasty – komórki kościogubne.

http://www.youtube.com/watch?v=0dV1Bwe2v6c

http://www.youtube.com/watch?v=d9owEvYdouk



Prawo Wolffa:

● Kość ma zdolność przystosowania się do obciążeń.● Budowa podąża za funkcją.● Beleczki kości gąbczastej układają się wzdłuż kierunku naprężeń.● Kształt kości zapewnia optymalny rozkład naprężeń.● Ułożenie osteonów w kości zbitej pokrywa się z kierunkiem działania naprężeń

głównych.

Julius Wolff (1836 – 1902) niemiecki chirurg.

http://www.youtube.com/watch?v=0dV1Bwe2v6c


Układ kostny człowiekaR

. B

ęd

ziń

ski,

„Bio

me

cha

nik

a I

nży

nie

rska

”, 1

99

7



Prawo Wolffa - przykłady:

● Tenis

● Sporty walki

● Kosmonauci

● Otyli?

● Brak ruchu?



Prawo Wolffa c.d.:

Na wzmacnianie tkanki kostnej wpływ ma tylko cykliczne obciążanie.

Wzrost naprężeń powoduje odkształcenie w wyniku którego wywoływany jest przepływ płynu w kanalikach kostnych „rejestrowany” przez osteocyty.

Żywa tkanka kości „decyduje”, czy konieczna jest wzmożona aktywność osteoblastów, czy osteoklastów. Proces przekazywania informacji to mechanotransdukcja



Złamania

Proces leczenia złamań dzieli się na trzy fazy

● Faza zapalna – kilka dni● Faza złamania i zapalna● Tworzenie ziarniny

● Faza reperacji – kilka tygodni● Tworzenie kostniniy miękkiej (Cartilage Callus)● Tworzenie kostniniy twardej (Lamellar bone)

● Przebudowa (remodeling) – do kilku lat od złamania



Połączenia kości

Połączenia kości

Połączenia ścisłePołączenia wolne / ruchome

- stawyPołączenia półścisłe

Więzozrosty Chrząstkozrosty Kościozrosty

W. włókniste

W. sprężyste

Szwy



Połączenia kości

Więzozrosty – połączenie przy pomocy tkanki łącznej włóknistej:

● W. włóknisty – np. błony międzykostne przedramienia lub goleni syndesmosis

● W. sprężysty – np. więzadła żółte między łukami kręgów – rys. 2

● Szew● Gładki (prosty) – np. wyrostki podniebne

szczęki● Łuskowaty – np. łuska kości skroniowej z

kością ciemieniową● Piłowaty, najmocniejszy ze szwów – np.

większość kości sklepienia czaszki● Wklinowanie – np. ząb w zębodole



Połączenia kości

Chrząstkozrosty – połączenie ścisłe dwóch kości za pomocą tkanki chrzęstnej. Połączenie częste w wieku dziecięcym (trzony kości długich z nasadami). U dorosłych – połączenie żeber z mostkiem, połączenie kości łonowych.



Połączenia kości

Kościozrosty – najmocniejsze połączenie kości powstające z wiekiem przez kostnienie pozostałych więzozrostów. Typowe jest kostnienie chrząstek nasadowych i szwów czaszki. Kostnieć mogą również stawy – w kości krzyżowej oraz patologicznie po złamaniu kości w stawie.

op

raco

wa

ł-Dr-

Tom

asz

-Ko

zło

wsk

i



Połączenia kości

● Połączenia półścisłe – stawy płaskie.

● Połączenia ruchome / wolne – stawy.

Połączenie, w którym stykają się dwie lub więcej kości niezrośnięte żadnym rodzajem tkanki nazywamy stawem. (Podstawy Biomechaniki Mrozowski, Awrajcewicz).

Ruchome połączenie między składnikami szkieletu. (wikipedia)

Staw = połączenie maziowe



Rodzaje stawów

● Płaski

● Eliptyczny

● Kulisty panewkowy

● Siodełkowaty

● Zawiasowy

● Obrotowy

http://www.youtube.com/watch?v=sW3-9zM9ohEhttp://www.youtube.com/watch?v=8d-RBe8JBVs


Stawy

Podział w zależności od klasy

● stawy jednoosiowe● staw zawiasowy – staw łokciowy● staw obrotowy – staw promieniowo-

łokciowy● staw śrubowy – staw szczytowo-

obrotowy● stawy dwuosiowe

● staw eliptyczny – staw promieniowo-nadgarstkowy

● staw siodełkowaty – staw śródręczno-nadgarstkowy kciuka

● stawy wieloosiowe● staw kulisty wolny – staw ramienny● staw kulisty panewkowy – staw

biodrowy● stawy nieregularne

● staw płaski – staw krzyżowo-biodrowy● staw mostkowo-obojczykowy chociaż

ma on raczej charakter stawu kulistego

http://www.youtube.com/watch?v=sW3-9zM9ohE

http://www.youtube.com/watch?v=8d-RBe8JBVs


Stawy

Staw

Typowymi elementami stawu są:● powierzchnia stawowa – czyli główka i

panewka stawowa, ew. są to pow. st. płaskie (kość krzyżowa z miednicą)

● torebka stawowa – zamyka jamę stawową i stabilizuje staw

● jama stawowa● płyn maziowy

Staw może również zawierać:● więzadła stawowe● obrąbek stawowy● łąkotki● kaletki maziowe● trzeszczki● kosmki maziowe● fałdy maziowe

Poszczególne stawy różnią się zadaniami biologicznymi, a więc mają odmienną budowę i ruchomość.


Stawy

StawElementy opcjonalne stawu:

● więzadła stawowe – pasma wytrzymałej tkanki łącznej wzmacniające połączenie kości w stawie (staw kolanowy)

● obrąbek stawowy - struktura chrząstki włóknistej będąca przedłużeniem panewki (staw biodrowy), zabezpiecza staw

● łąkotki - elastyczne twory, zbudowane z tkanki chrzęstnej włóknistej pogłębiające i dopasowujące powierzchnie stawowe, uniemożliwiające ruch obrotowy (staw kolanowy)

● kaletki maziowe - „woreczek” z tkanki łącznej, wytwór torebki stawowej, z reguły z nią połączony, zmniejsza tarcie podczas pracy mięśnia, ułatwia ślizgania się organów w czasie ruchu, uzupełnia torebkę stawową

● trzeszczki - kość powstająca w wyniku skostnienia ścięgien, inaczej kość heterotopowa, kość trzewna (rzepka - patella)

● kosmki maziowe – małe wypustki błony maziowej torebki stawowej zwiększające powierzchnię wydzielającą maź stawową

● fałdy maziowe – fałdy błony maziowej, pozostałość po życiu płodowym

Documents

Biomechanika Inżynierska - zib.mchtr.pw.edu.plzib.mchtr.pw.edu.pl/downloads/Przedmioty/BMI/Biomechanika-wyklad-3... · Dla kończyny górnej: łokciowy (ulnaris) ... W. sprężysty