Człowiek- najlepsza inwestycja

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Biomechanika człowieka

i kinematyka stawu

kolanowego

1. Terminologia

2. Wstęp do biomechaniki człowieka

3. Kinematyka stawu kolanowego

4. Metody analizy biokinematyki

5. Analiza chodu

2

Terminologia

poprzeczna czołowa strzałkowa

3

Płaszczyzny ruchu:

Terminologia

4

Pojęcia topografii anatomicznej:

anterior/posterior –przedni/tylni

superior/inferior –

górny/dolny

proximalis/distalis –bliższy/dalszy

medialis/lateralis –

przyśrodkowy/boczny

Wstęp do biomechaniki człowieka

Biomechanika - zajmuje się opisem ruchu człowieka i

zwierząt (biokinematyka) oraz zjawiskami ten ruch

wywołującymi (biodynamika)

Działy 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

6

Kość cechuje duża elastyczność zatem działające na nią siły nie prowadzą do złamania lecz do jej odkształcenia. Stosunek naprężenia do związanego z nimodkształcenia jest wartością stałą dla danego materiału (Skorko 1979). Immateriał bardziej sztywny tym moduł sprężystości wyższy.

Jednak kość zachowuje elastyczność tylko w pewnym zakresie określonym jakostrefa odkształcenia sprężystego po przekroczeniu którego następujeodkształcenie plastyczne i jeśli naprężenia przekroczą dozwoloną granicęplastyczności 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 bieguwolnego. Im więcej energii się zgromadzi tym większe będzie zniszczenie kości(Markel 1996). Rodzaj złamania zależy ponadto od kierunku działania siły.

Wstęp do biomechaniki człowieka

Biomechanika złamań

Wstęp do biomechaniki człowieka

7

Mechanizm kontroli ruchu

Maszyna:

układ

szkieletow y

+

obciążenie

Napęd:

muscles

Centrum

Sterow ania:

mózg

Sensory:

układ

receptorów

czucia

zamiar

ruchu

impuls

aktyw acji

siła ruch

Wstęp do biomechaniki człowieka

8

Dźwignie – proste mechanizmy służące do zmiany wywieranej siły poprzez użycie

odpowiedniego ramienia momentu

siła (F) opór (R)

ramię siły ramię oporu

oś obrotu

Wstęp do biomechaniki człowieka

9

Klasy dźwigni działających w człowieku:

1 klasy – dźwignie obustronne

2 klasy – dźwignie rzadko występujące u człowieka

3 klasy – dźwignie najczęściej występujące i używane przez człowieka

Wstęp do biomechaniki człowieka

10

Dźwignie 1 klasy:

- mogą być oszczędnościowe i szybkościowe

siła (F)

opór (R)

ramię siły ramię

oporu

oś obrotu

siła (F)

opór (R)

ramię

siłyramię oporu

oś obrotu

Wstęp do biomechaniki człowieka

11

Dźwignie 1 klasy:

- przykład stawu

szczytowo-

-potylicznego

siła opór

oś obrotu

Wstęp do biomechaniki człowieka

12

Dźwignie 2 klasy:

- porównanie do taczki

siła (F)

opór (R) oś obrotu

ramię siłysiła

opór

oś obrotu

przykład wykorzystania tej dźwigni w stawie łokciowym dla mięśnia ramienno-promieniowego

ramię oporu

Wstęp do biomechaniki człowieka

13

Dźwignie 3 klasy:- najczęstsze dźwignie u człowieka

- mało wydajne z powodu małego ramienia siły –nieefektywne mechanicznie

siła (F)

opór (R)oś obrotu

ramię siły

ramię oporu

siła

opór

oś obrotuprzykład wykorzystania tej dźwigni w stawie łokciowym dla mięśnia dwugłowego ramienia

Wstęp do biomechaniki człowieka

14

Typy stawów (Fick 1904,1911):

zawiasowy obrotowy

kulowy elipsoidalny (kłykciowy)

siodełkowaty

Wstęp do biomechaniki człowieka

15

Przykłady i rodzaje stawów:

- ramienny – staw kulisty

wolny

- biodrowy – staw

kulisty panewkowy

Wstęp do biomechaniki człowieka

16

Przykłady i rodzaje stawów:

- kolanowy – staw dwukłykciowy lub dawniej staw zawiasowy zmodyfikowany

udo

goleń

powierzchnie stawowe (boczne i przyśrodkowe)

kłykcie

model stawu

Wstęp do biomechaniki człowieka

17

Rodzaje ruchów w stawach:

obracanie toczenie ślizganie

+ połączone wzajemnie kombinacje

Budowa anatomiczna stawu

kolanowego

staw kolanowy

18

kość udowa

kość piszczelowa

kości kończyny dolnej

kość strzałkowa

rzepka

Budowa anatomiczna

kość udowa – koniec dalszy

19

kłykieć boczny

powierzchnia rzepkowa

kłykieć przyśrodkowy

dół międzykłykciowy

nadkłykieć boczny

nadkłykieć przyśrodkowy

Budowa anatomiczna

kość piszczelowa – koniec bliższy

20

kłykieć przyśrodkowy(powierzchnia stawowa)

kłykieć boczny(powierzchnia stawowa)

wyniosłość międzykłykciowaguzowatość piszczeli

głowa strzałki

Budowa anatomiczna

rzepka

21

powierzchnia stawowa rzepki

widok z przodu widok od tyłu

powierzchnia przednia rzepki

Budowa anatomiczna

więzadła

22

więzadłokrzyżowe tylne (PCL)

więzadłokrzyżoweprzednie (ACL)

więzadłopoprzecznekolana

więzadłopobocznepiszczelowe(przyśrodkowe)

więzadłopobocznestrzałkowe(boczne)

Budowa anatomiczna

łąkotki

23

łąkotkaprzyśrodkowa łąkotka

boczna

Budowa anatomiczna Mięśnie otaczające staw kolanowy od przodu

24

mięsień napinaczpowięzi szerokiej

mięsień krawiecki

mięsień prostyuda

mięsień obszernyprzyśrodkowy

mięsień obszernypośredni

mięsień obszernyboczny

warstwa powierzchowna warstwa głęboka

Budowa anatomiczna Mięśnie otaczające staw kolanowy od tyłu (górne)

25

mięsień półścięgnisty

mięsień smukły

mięsień dwugłowy udagłowa długa

mięsień dwugłowy udagłowa krótka

mięsień półbłoniasty

widok od tyłu widok od strony przyśrodkowej

"gęsia stopka"

Budowa anatomiczna Mięśnie otaczające staw kolanowy od tyłu (dolne)

26

mięsień brzuchatyłydki - głowaprzyśrodkowa

mięsień brzuchatyłydki - głowaboczna

mięsień podkolanowy

mięsień podeszwowy

strona tylnia widok po odsłonięciu mięśnia trójgłowego łydki

Kinematyka stawu kolanowego

27

Stopnie swobody i osie ruchu

zgięcie

translacja

przednia

i tylnia

wyprost

rozciąganie

rotacja zew.

i wewnętrzna

odwodzenieprzywodzenie

nacisk

6 stopni swobody (DOF):

-3 rotacje

-3 translacje

translacja

boczna

i przyśrodkowa

Kinematyka stawu kolanowego

28

Zakresy praktycznego ruchu w stawie:

- zgięcie/wyprost – do 70podczas chodzenia, do 160 w klękaniu

- rotacja wewnętrzna

i zewnętrzna - do 30 tylko przy zgiętym kolanie

- przywodzenie/odwodzenie – tylko kilka stopni

20

120

160

-5 10

pełen wyprost(z uwzgl. przeprostu)

mechanizm zaryglowania (screw home)

aktywny ruch pod kontrolą mięśni

ruch pasywny(wymagający zewnętrznej siły)

0

Kinematyka stawu kolanowego

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

Ruch w stawie jest kombinacją toczenia (początkowa faza), obrotu i ślizgania

30

Metoda symulacyjno doświadczalna -

kinematyka stawu kolanowego

X

Yalfax’

y’

O

o’

...AB dl

Kośćpiszczelowa

Kość udowa

Przykładowa trajektoriazakreślana przez punkt B

Kinematyka stawu kolanowego

Przykładowe zakresy dla czynności:

chodzenie 0-67 stopni

wchodzenie po schodach 0-83

schodzenie ze schodów 0-90

siadanie 0-93

wiązanie butów 0-106

podnoszenie przedmiotu 0-117

[Nordin & Frankel, 1989]

Kinematyka stawu kolanowego