Wprowadzenie do biomechaniki stawu kolanowego

Człowiek- najlepsza inwestycja

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Biomechanika człowieka

i kinematyka stawu

kolanowego

Terminologia

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)

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.

Wstęp do biomechaniki człowieka

Biomechanika złamań

Wstęp do biomechaniki człowieka

Mechanizm kontroli ruchu

Maszyna:

ład

szkieletow y

obci

ążenie

Nap

ęd:

muscles

Centrum

Sterow ania:

mózg

Sensory:

ład

receptorów

czucia

zamiar

ruchu

impuls

aktyw acji

ła

ruch

Wstęp do biomechaniki człowieka

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

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

Dźwignie 1 klasy:

- mogą być oszczędnościowe i szybkościowe

siła (F)

opór (R)

ramię siły

ramię
oporu

oś obrotu

siła (F)

opór (R)

ramię
siły

ramię oporu

oś obrotu

Wstęp do biomechaniki człowieka

Dźwignie 1 klasy:

- przykład stawu

szczytowo-
-potylicznego

siła

opór

oś obrotu

Wstęp do biomechaniki człowieka

Dźwignie 2 klasy:

porównanie do taczki

siła (F)

opór (R)

oś obrotu

ramię siły

siła

opór

oś obrotu

przykład wykorzystania tej dźwigni w stawie

łokciowym dla mięśnia ramienno-promieniowego

ramię oporu

Wstęp do biomechaniki człowieka

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 obrotu

przykład wykorzystania tej dźwigni w stawie

łokciowym dla mięśnia dwugłowego ramienia

Wstęp do biomechaniki człowieka

Typy stawów (Fick 1904,1911):

zawiasowy

obrotowy

kulowy

elipsoidalny

(kłykciowy)

siodełkowaty

Wstęp do biomechaniki człowieka

Przykłady i rodzaje stawów:

ramienny – staw kulisty

wolny

biodrowy – staw
kulisty panewkowy

Wstęp do biomechaniki człowieka

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

Rodzaje ruchów w stawach:

obracanie

toczenie

ślizganie

+ połączone wzajemnie kombinacje

Budowa anatomiczna stawu

kolanowego

staw kolanowy

kość udowa

kość piszczelowa

kości kończyny dolnej

kość strzałkowa

rzepka

Budowa anatomiczna

kość udowa – koniec dalszy

kłykieć boczny

powierzchnia rzepkowa

kłykieć przyśrodkowy

dół międzykłykciowy

nadkłykieć boczny

nadkłykieć przyśrodkowy

Budowa anatomiczna

kość piszczelowa – koniec bliższy

kłykieć przyśrodkowy

(powierzchnia stawowa)

kłykieć boczny

(powierzchnia stawowa)

wyniosłość międzykłykciowa

guzowatość piszczeli

głowa strzałki

Budowa anatomiczna

rzepka

powierzchnia stawowa rzepki

widok z przodu

widok od tyłu

powierzchnia przednia rzepki

Budowa anatomiczna

więzadła

więzadło
krzyżowe
tylne (PCL)

więzadło
krzyżowe
przednie (ACL)

więzadło
poprzeczne
kolana

więzadło
poboczne
piszczelowe
(przyśrodkowe)

więzadło
poboczne

strzałkowe
(boczne)

Budowa anatomiczna

łąkotki

łąkotka

przyśrodkowa

łąkotka
boczna

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

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

widok od tyłu

widok od strony przyśrodkowej

"gęsia stopka"

Budowa anatomiczna

Mięśnie otaczające staw kolanowy od tyłu (dolne)

mięsień brzuchaty
łydki - głowa
przyśrodkowa

mięsień brzuchaty
łydki - głowa
boczna

mięsień

podkolanowy

mięsień

podeszwowy

strona tylnia

widok po odsłonięciu mięśnia

trójgłowego łydki

Kinematyka stawu kolanowego

Stopnie swobody i osie ruchu

zgięcie

translacja
przednia
i tylnia

wyprost

rozciąganie

rotacja zew.
i wewnętrzna

odwodzenie

przywodzenie

nacisk

6 stopni swobody (DOF):
-3 rotacje
-3 translacje

translacja
boczna

i przyśrodkowa

Kinematyka stawu kolanowego

Zakresy praktycznego ruchu

w stawie:

zgięcie/wyprost – do 70

podczas chodzenia, do

160 w klękaniu

rotacja wewnętrzna
i zewnętrzna - do 30 tylko

przy zgiętym kolanie

przywodzenie/odwodzenie

– tylko kilka stopni

120

160

-5

pełen wyprost
(z uwzgl.
przeprostu)

mechanizm zaryglowania (screw home)

aktywny ruch
pod kontrolą mięśni

ruch pasywny
(wymagający

zewnętrznej siły)

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

Ruch w stawie jest kombinacją toczenia

(początkowa faza), obrotu i ślizgania

Metoda symulacyjno

doświadczalna -

kinematyka stawu kolanowego

alfa

x’

y’

o’

Kość
piszczelowa

Kość udowa

Przykładowa trajektoria
zakreślana 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