Conspect of biomechanics lectures at university

Biomechanika - egzamin opracowanie
Biomechanika inżynierska (E) (Politechnika Poznanska)
Zeskanuj, aby otworzyć na stronie Studocu
Serwis Studocu nie jest sponsorowany, ani wspierany przez żaden uniwersytet lub szkołę wyższą
Biomechanika - egzamin opracowanie
Biomechanika inżynierska (E) (Politechnika Poznanska)
Zeskanuj, aby otworzyć na stronie Studocu
Serwis Studocu nie jest sponsorowany, ani wspierany przez żaden uniwersytet lub szkołę wyższą
Pobrane przez hub .. (hubertmudiuk@wp.pl)
lOMoARcPSD|18661335

BIOMECHANIKA INŻYNIERSKA – EGZAMIN 13.06.2016
1. Wymień zadania i kierunki badań biomechaniki.
Aktualnie najważniejsze kierunki badań w dziedzinie biomechaniki: -eksperymentalna analiza
ruchu człowieka
-matematyczne modelowanie narządow ruchu organizmow żywych z wykorzystaniem
programow obliczeniowych
- eksperymentalne wyznaczanie własności mechanicznych tkanek organizmow żywych
-analiza naprężeń i odkształceń w programach wspomagających obliczenia inżynierskie
-przetwarzanie i analiza obrazow
- komputerowe wspomagane projektowania implantow, stabilizatorow, endoprotez itd.
- projektowanie robotow i manipulatorow do zastosowań medycznych
-inżynierskie wspomaganie procesow medycznych
-badanie struktur oraz własności biomateriałow
- ergonomia i optymalizacja przestrzeni pracy
2. Omów krótko metody badawcze biomechaniki.
Metody badawcze biomechaniki:
-eksperymentalne (badanie własności tkanek)
-modelowe i komputerowe (ograniczone ze względu na złożoność zagadnień i niemożliwość
tworzenia modeli odwzorowujących budowę anatomiczną i warunki fizjologiczne)
-modelowe i eksperymentalne
W ramach badań dokonuje się:
-oceny stanu fizycznego tkanek biologicznych metodami popartymi prawami mechaniki
-planowania zabiegow ortopedycznych – oceny skuteczności implantacji stawow a podstawie
znajomości dystrybucji naprężeń
- badania wad narządow ruchu (nieprawidłowości chodu) za pomocą specjalistycznego sprzętu
i kontrola procesu rehabilitacji (system BTS)
-oceny motoryczności zawodnikow i skuteczności metod treningowych, udoskonalanie technik
Treningowych
3. Wymień i krótko scharakteryzuj działy biomechaniki.
a) ogólna – dostarcza metody teoretyczne oraz wyznaczania sił wewnętrznych oraz
zewnętrznych działających na układ biologiczny i opisu skutkow, jakie te siły wywołują
(rozkład naprężeń w układzie mięśniowo- szkieletowym). Typowe zadania to: wyznaczanie sił
rozwijanych przez poszczegolne mięśnie, badanie własności mięśni, ścięgien itd.
b) medyczna – stosując wyniki biomechaniki ogolnej w profilaktyce, leczeniu, diagnostyce i
rehabilitacji narządow. Przykładowymi zadaniami są: analiza chodu w normie i patologii w celu
leczenia osob niepełnosprawnych ruchowo, analiza obciążeń działających na układ
szkieletowo – kostny w celu zastosowania odpowiednich implantow.
c) sportu – obejmuje zagadnienia zwiększenia wydolności sprawności i zwinności organizmu,
doskonalenia techniki ruchu w sporcie, zwiększenia efektywności treningu, projektowania
bezpiecznych artykułow i obiektow sportowych.
d) inżynierska – ma na celu projektowanie i analizę działania urządzeń technicznych
wspomagających organizm żywy z wykorzystaniem zasad jego funkcjonowania.
e) pracy- analiza źrodeł i skutkow działania na układ szkieletowo – mięśniowy sił powstałych
w trakcie pracy. Ma na celu usprawnienie procesu projektowania przyjaznego środowiska
pracy. Uwzględnia skutki natychmiastowe oraz długotrwałe działania sił.
4. Rodzaje ruchliwości w stawach.
Ruchliwość (ruchomość) liczba stopni swobody: ruchow prostych, na ktore składają się
przemieszczenia i obroty, możliwych do wykonania przez staw. Ruchomość:
- bierna – uzyskiwana jest z wykorzystaniem momentu sil zewnętrznych. Bierne struktury
połączeń stawowych: to powierzchnie stawowe, więzadła, torebki
- czynna – uzyskuje się aktywując moment siły mięśni działających na dany staw
- szkieletowa – dotyczy ruchomości po usunięciu tkanek. Dotyczy możliwości ruchu na jaką
pozwala wzajemny kształt powierzchni stawowych łączących się kości.
Ruchy w stawach:
 Toczenie – wzajemne przesuwanie się główki i panewki
lOMoARcPSD|18661335

 Ślizganie – punkt znajdujący się na główce ma kontakt z punktem na panewce
 Śrubowy
 Obrotowy – oś obrotu znajduje się na główce
Fizjologiczne czynniki ograniczające zakres ruchu w stawach:
 Przerost mięśni
 Spadek elastyczności mięśni
 Spadek elastyczności więzadeł
 Ograniczony zakres skracania się bądź rozciągania mięśni
5. Omów podział stawów ze względu na budowę.
Ze względu na budowę stawy dzieli się na:
- proste – zbudowane z dwoch kości (staw biodrowy)
- złożone (staw kolanowy)
6. Budowa mięśnia szkieletowego.
Budowa mięśnia – układ setek lub tysięcy włokien połączonych tkanką łączną (kolagenową).
Liczba włokien w organizmie wynosi około 250 mln. Włokna mogą mieć do 30 cm długości,
średnica wynosi 0.05-0.15mm.
Włokno składa się z
- błony
- kilku jąder komorkowych (zawierają geny)
- licznych mitochondriow
- pływające w płynie komórki produkujące ATP (adezynotrifosforan), ktora powoduje kurczenie
mięśnia
- miofybryli – włokien białkowych biegnących wzdłuż włokna o średnicy około 1-2 mikrometry.
Zbudowane są one z miofilamentow grubszych i cienkich zachodzących na siebie
teleskopowo. Miofilamenty grube wciągają za pomocą wypustkow miofilamenty cienkie
podczas skurczu mięśnia.
Włokna mięśniowe podzielone są poprzecznymi błonami (prążkami Z) na około 10 tyś
krotszych odcinkow tzw. sarkometrow zbudowanych z około 1 mln miofilamentow. Mięsnie
szkieletowe dzielą się na obłe, pierzaste, płaskie, okrężne i inne. Niektóre mięśnie mają kilka
części głow i dzieli się je na aktony.
7. Co to jest akton?
Jest to część całość lub zespoł mięśni o jednakowym lub bardzo zbliżonym przebiegu włokien
co w efekcie daje mu możliwość wykonywania samodzielnej jednakowej funkcji względem osi
stawu, nad ktorym przebiega. Jeżeli wiele mięśni wykonuje ten sam ruch, mowi się o zespole
aktonow wspołpracujących (synergistycznych). Możliwa jest także sytuacja odwrotna, kiedy
jeden mięsień posiada wiele głow wykonujących wiele funkcji (jak np. m naramienny), co daje
wiele aktonow w jednym mięśniu.
Każdy akton może aktywnie działać tylko w jednym kierunku (w tym ktorym się kurczy).
Wobec tego, każda para biokinematyczna (staw) o jednym stopniu swobody (kierunku ruchu)
potrzebuje dwoch aktonow: jednego, ktory będzie zginał (przywodził, odwracał), oraz
drugiego, rozwijającego przeciwny moment siły, ktory będzie prostował (odpowiednio),
odwodził nawracał.
Akton oznacza tę część mięśnia, w ktorej włokna są tak usytuowane, że rozwijają siłę w
określonym kierunku, co jest rownoznaczne rozwijaniu momentu względem jednej osi w
danym stawie, np. mięśnie dwugłowy (bicepes) , trojgłowy (triceps).
W organizmie człowieka jeden stopień swobody jest obsługiwany wieloma aktonami, a jeden
akton obsługuje wiele stopi swobody, przebiegając nad więcej niż jednym stopniem swobody.
Mniej więcej jeden akton obsługuje trzy stawy, a jeden staw jest obsługiwany trzema
aktonami. Na podstawie liczby stopni swobody w stawach można okazać, że jeden akton
obsługuje 3,8 stopnia swobody, a jeden stopień swobody jest obsługiwany przez średnio 8,4
aktonow.
8. Od czego zależy siła rozwijana przez mięsień?
Regulacja siły rozwijanej przez mięsień:
 - liczba pobudzonych jednostek
lOMoARcPSD|18661335

 - częstotliwość pobudzania (od 0 do 50Hz, przy ktorych wystąpi pełen skurcz)
 -synchroniczność pobudzania
Siła mięśnia zależy od:
 - budowy mięśnia
 -przekroju poprzecznego fizjologicznego (rożnica między mięśniem obłym a pierzastym)
 - masy ciała
 -długości mięśnia
9. Omów podział stawów ze względu na
wykonywane ruchy.
Ze względu na wykonywane ruchy rozrożnia się:
- stawy zawiasowe: zginanie, prostowanie
(łokciowy, kolanowy)
- stawy obrotowe: obrot wokoł własnej osi (kręgi
szyjne)
- stawy kuliste: ruchy złożone (biodrowy,
ramienny)
- siodełkowe: ruchy złożone (podstawa kciuka)
Rysunek. Podział stawow człowieka ze względu na
podobieństwo do par kinematycznych spotykanych
w technice.
10. Jakie zagadnienia obejmuje biotribiologia?
Biotribologia zajmuje się badaniem i opisem:
 - oporow ruchu w naturalnych i sztucznych stawach człowieka oraz innych organizmow
żywych
 - procesow smarowania oraz zużycia stawow
 - własności materiałow stosowanych na endoprotezy
Opracowuje metodykę badań rożnych elementow układu kostnego.
Węzłami tarcia ślizgowego w organizmie człowieka są na przykład stawy biodrowe, łokciowe,
kolanowe. Zachodzi sprzężenie wartości oddziaływań sił w mięśniach i w układzie
kostnoszkieletowym na parametry eksploatacyjne pracy stawow człowieka w aspekcie
biomechaniki, a w szczegolności kinetyki ruchu. Tymi zależnościami zajmuje się właśnie
biotribologia.
11. Budowa i własności mechaniczne kości .
Tkanka kostna jest rodzajem biologicznego materiału kompozytowego zbudowanego z :
-43% hydroksyapatyt (fosforan wapnia)
-36% kolagen( głowne białko tkanki łącznej o bardzo wysokiej odpornści na rozciąganie.
Stanowi głowny składnik ścięgien. Jest odpowiedzialny za elastyczność skory.)
-14% woda
-substancje uzupełniające: mukopolisacharydy (śluzowielocukrowce)
Podstawową cechą kości decydującą o jej własnościach jest porowatość. 90% materiału
kostnego zawiera kość korowa (zbita). Kość gąbczasta (beleczkowa)zawiera 80-90 % porow
wypełnionych szpikiem.
Tkanka jest wypełniona naczyniami krwionośnymi. W tkance znajdują się osteoblasty (komorki
kościotworcze) oraz osteoklasty (kościogubne) Związek między gęstością kości korowej a
wytrzymałością oraz modułem E:
σ= 60ρ2 [MPa], ρ [g/cm3], E=2,195 ρ3 [GPa]
Gęstość kości korowej 1,85c/cm3, gąbczastej 0,9g/cm3
Tkanka kostna jest ciałem lepkosprężystym, ktore można modelować jako materiał między
materiałem rozciągliwym a kruchym. W modelach strukturalnych zakłada się, że kość jest
dwufazowym kompozytem, w ktorym wartość modułu sprężystości zależy liniowo lub
nieliniowo od udziału objętościowego faz.
lOMoARcPSD|18661335

Kość jest materiałem anizotropowym. Moduł Younga w kierunku podłużnym jest 2 razy większy
niż poprzecznym a wytrzymałość na rozciąganie jest 2,5 raza większa.
Tkanka kostna jako kompozyt warstwy zbitej i gąbczastej osiąga wytrzymałości:
rozciąganie 20-30 MPa, zginanie 50,5 - 118 MPa.
Moduł Younga wynosi 138 - 194 * 103 MPa.
Wartość modułu Younga zmienia się z wiekiem. Wartość modułu zmienia się rownież wzdłuż
kości. Z wiekiem zmienia się lokalizacja ekstremalnych wartości modułu E. Maksymalne
wartości znajdują się w narożach ale w kolejnych latach innych. Wytrzymałość zmniejsza się z
wiekiem. Zmniejsza się wskaźnik korowo-trzonowy WTK definiowany jako iloraz grubości kory
do grubości trzonu mierzony w połowie długości kości.
WKT = 77,8 - 0,54 (T - wiek w latach)
Wraz z tym wskaźnikiem maleje wytrzymałość kości.
Przy doborze materiałow na implantow należy uwzglęnić dynamiczne właściwości kości:
E' - dynamiczny moduł sprężystości, związany ze zdolnością do odwracalnej akumulacji
energii.
E'' - dynamiczny moduł dyssypacji związany ze zdolnością ciała do nieodwracalnego
rozpraszaia energii w jednym cyklu obciążenia.
Iloraz tych wielkości to wspołczynnik tarcia wewnętrznego. Moduł te zależą od częstotliwości
odkształcenia.
Kości wykazują podobieństwa do tworzyw sztucznych: Moduł akumulacji wzrasta ze wzrostem
częstotliwości. Wspołczynnik tarcia wewnętrznego powinien osiągać wartości:
0,04 dla niskich częstotliwości 2 1/s
0,015 dla średnich częstotliwości 10 1/s
0,059 dla wysokich częstotliwości 600 1/s
12. Rodzaje modeli opisujących własności mechaniczne kości.
kelvina-voigta ciało nie wydłuża się od razu po przyłożeniu naprężenia tylko po jakimś czasie
maxwella odkształcenie pojawia się od razu, po chwili znika
Tkanka kostna to materiał lepkosprężysty, ktory można modelować jako materiał między
rozciągliwym a kruchym. W modelach strukturalnych zakłada się, że kość jest 2-fazowym
kompozytem, w ktorym wartość modułu sprężystości zależy liniowo lub nieliniowo od udziału
objętościowego faz.
Modele:
- kość jako mat. izotropowy: E = 1000 MPa, v=0,3
- kość jako mat. transwersalnie (poprzecznie) izotropowy
- kość jako mat. ortotropowy
- kość jako mat. poprzecznie ortotropowy
Ortotropowość – własności mat. zmieniają się w kier. prostopadłych, nie pokrywających się z
osiami głownymi przyjętego ukł. wsp.
Izotropowość – własności nie zależne od kierunku
13. Własności i funkcje chrząstki stawowej.
Chrząstka występuje w dwoch formach:
-żebrowa -stawowa stanowi powierzchnię nośną stawow i zawiera (wagowo):
75% wody

25% tkanka stała

- 60-65% kolagenu
- 10 -15% molekuł polisacharydowych, ktore z kolagenem tworzą masę wchłaniającą wodą
dzięki czemu spełnia rolę łożyska ślizgowego do przenoszenia dużych obciążeń Podczas
obciążania i odciążania stawu przetłaczana jest przez niego maź stawowa, co zapewnia
smarowanie oraz odżywianie chrząstki.
Moduł Younga chrząstki wynosi około 30MPa.
Chrząstka stawowa pokrywa powierzchnie stawowe kości (panewki i głowki stawowe) i
charakteryzuje się niezwykłą gładkością i wytrzymałością. Tkanka chrzęstna ma strukturę
warstwową, jest porowata i przepuszcza płyny oraz substancje odżywcze. Prawidłowy stan
chrząstki stawowej odgrywa podstawową rolę dla sprawnego funkcjonowania
stawu. Umożliwia swobodny ruch stawu, absorbuje przeciążenia,
lOMoARcPSD|18661335

14. Własności i funkcje więzadeł.
Więzadła mają większy niż ścięgna skład elastyny – białka o znacznej odporności na
rozciąganie. Dzięki temu mogą one doznawać większych niż ścięgna wydłużeń, jednak mają
mniejszą wytrzymałość na rozciąganie. Więzadła pełnią rolę stabilizatorow kości i stawow, np.
połączeń między kręgowych kręgosłupa.
15. Własności i funkcje ścięgien;
Ścięgna łączące mięśnie do kości składają się z :
-wody
-kolagenu
Włokna kolagenu są ułożone rownomiernie, dzięki czemu redukowane jest rozpraszanie siły na
pełzanie i rozluźnianie. Podczas ruchu organizm traci dużo energii na cykliczne przyspieszanie
i hamowanie ruchu obrotowego w stawach. Niektore z dużych ścięgien skumulują energię
sprężystą w pierwszej części chodu (skoku) i oddają w drugiej.
16. Jakie cechy powinny mieć biomateriały? Wymień przykładowe biomateriały.
Biomateriały
 grupa materiałów o różnym składzie, budowie i właściwościach
 są akceptowane przez organizm ludzki
 niektóre z nich łączą się trwale z żywą tkanką lub biorą udział w jej generacji
Wyróżniamy biomateriały
 metalowe (Stale chromowo-niklowe, Stopy kobaltu, Tytan i jego stopy)
 ceramiczne (Al2O3, ZrO2, Bioszkło, Materiały węglowe, Fosforany wapnia)
 polimerowe
Ciała obce wszczepiane do żywego organizmu muszą być biozgodne i biofunkcyjne
 biozgodność to zdolność materiału do wywoływania odpowiedzi gospodarza, zgodnej z
przeznaczeniem implantu
 charakter odpowiedzi środowiska biologicznego decyduje o biozgodności materiału
 bifunkcyjność to zdolność materiału do przejmowania funkcji tkanek i narządów, do
leczenia których został zastosowany
Biomateriał:
– Musi być biokompatybilny (nie może wywoływać reakcji obronnej tkanek);
– Może być przy tym neutralny dla organizmu (nie oddziałuje);
– Może być bioaktywny (oddziałuje z tkankami: następuje integracja materiału z tkanką).
– Może być biodegradowalny (rozkładać się w organiźmie);
– Musi mieć odpowiednie właściwości. Np. implant kości nie może być ani słabszy, ani
silniejszy niż kość.
17. Budowa i funkcje kręgosłupa.
Kręgosłup stanowi ruchomy słup kostny, rozciągający się od podstawy czaszki do dolnego
końca tułowia i położony jest w linii pośrodkowej po grzbietowej stronie ciała. Spełnia on
zasadnicze funkcje:
 ochrony rdzenia kręgowego
 umożliwia ruch głowy i tułowia
 narząd podpory ciała
 główny ustrój nośny układu szkieletowego człowieka
Jest to bierna struktura nośna sterowana układem nerwowym za pośrednictwem czynnych
mięśni szkieletowych. Wyprostowana sylwetka wyróżnia człowieka spośród innych zwierząt.
Schorzenia i urazy mechaniczne są głównie przyczyną zainteresowania biomechaników.
Kręgosłup podtrzymuje górna część ciała i jest głownie ściskany. Z tego powodu kręgi są
niskie i szerokie:
Kręgosłup składa się z 33-34 kręgów:
 7 kręgow szyjnych (C1- C7)
 12 piersiowych (Th1-Th12)
 5 lędźwiowych (L1-L5)
 5 krzyżowych (S1-S5)
 kości guzicznej (4-5kręgow)
lOMoARcPSD|18661335

Poszczególne wygięcia kręgosłupa tworzą:
 lordozę szyjną
 kifozę piersiową
 lordozę lędźwiową - Pojawia się po przyjęciu postawy
o pionowej przez dziecko
o zmienia się najwyraźniej
o zależy od postawy wykonywanych czynności
 Kifozę krzyżowo-guziczną
Zarówno wygięcie lordozy lędźwiowej jak i kąt nachylenia kości krzyżowej decydują w
największym stopniu o ukształtowaniu kręgosłupa. Są to cechy budowy ciała na ktore można
wpływać przez odpowiednie:
- przystosowanie stanowisk pracy, siedzeń w środkach komunikacji, w szkole ,w domu
- właściwe odżywianie
- ćwiczenia czynne mięśni brzucha i grzbietu
- ćwiczenia kończyn dolnych.
18. Budowa i funkcje kręgów.
Wyrożniamy kręgi:
 prawdziwe (wraz z dyskiem międzykręgowym więzadłami stanowią segment
ruchowy)
 rzekome.
Budowa kręgu prawdziwego:
Kręg ma budowę symetryczną. Wyrożniamy w nim trzon, łuk i osadzone na nim wyrostki.
Trzony wszystkich kręgow tworzą kolumnę kręgosłupa.
Łuk wraz z trzonem ograniczają otwor kręgowy.
Na długości całego kręgosłupa otwory te tworzą kanał kręgowy, w ktorym mieści się rdzeń
kręgowy. Między sąsiadującymi kręgami, z prawej i lewej strony, w miejscach gdzie łuki
odchodzą od trzonow, powstają otwory międzykręgowe dzięki widocznym tu wcięciom
kręgowym po stronie gornej i dolnej każdego kręgu. Przez otwory te przechodzą nerwy
rdzeniowe i naczynia krwionośne.
Od łuku kręgowego odchodzi 7 wyrostkow:
 w linii środkowej - skierowany ku tyłowi nieparzysty wyrostek kolczysty,
 w kierunku bocznym - parzyste wyrostki poprzeczne
 cztery wyrostki stawowe - dwa gorne i dwa dolne służące do połączenia ze sobą
sąsiednich kręgow. Powierzchnie stawowe wyrostkow stawowych gornych zwrocone są
mniej więcej ku tyłowi, dolnych - ku przodowi.
Kręgi szyjne są najmniejsze i najbardziej narażone na urazy Pierwszy, drugi i siodmy mają
cechy charakterystyczne
1 Kręg szczytowy ( atlas, dźwigacz) – brak trzonu, brak wyrostkow stawowych, zawiera dołek
zębowy
2 kręg obrotowy (axis) – zawiera wyrostek zwany zębem, razem z pierwszym kręgiem
odpowiadają za ruchy głowy
7 kręg – zawiera nierozdwojony, długi wyrostek kolczysty, ktory sprawia że jest to pierwszy
wyczuwalny kręg
Kręgi piersiowe – posiadają powierzchnie stawowe dla głow żebrowych, ich wyrostki kolczyste
są coraz dłuższe ku tyłowi i zachodzą na siebie dachowkowato.
Kręgi lędźwiowe – charakteryzują się większą proporcją wielkości trzonu do otworu kręgowego
i wyrostkow. Nie mają dołkow żebrowych.
Kość krzyżowa – stanowi podporę kręgosłupa. Tworzy tylną ścianę miednicy. Połączona jest z
kością guziczną. Kości te to kręgi zrośnięte trzonami i łukami kręgowymi.
Kręgi od C2 do S1 połączone są tzw. Triadą stawową. Wyrożnia się trzy głowne kolumny nośne:
trzony oraz prawe i lewe stawy międzykręgowe. Segment ruchowy to dwa sąsiednie więzy. Są
one stabilizowane systemem więzadeł stawowych
19. Budowa i funkcje krążków międzykręgowych.
Krążek międzykręgowy. Składa się z trzech elementow:
lOMoARcPSD|18661335

- płytek chrzęstnych
- pierścienia włoknistego
- jądra miażdżystego Człowiek ma 23 krążki. Łączą one powierzchnie trzonow sąsiednich
kręgow.
Pierścień włoknisty otacza niemalże nie ściśliwie jądro miażdżyste. Zewnętrzne warstwy są
podatne, wewnętrzne coraz sztywniejsze i bardziej wytrzymałe. Wysokość i szerokość w
odcinku lędźwiowym jest około dwukrotnie większa niż w odcinku szyjnym.
Krążki pełnią funkcje:
-zapewniają stabilność kręgosłupa
-tłumią drgania
-umożliwiają względny ruch przyległych kręgow
Krążek międzykręgowy pełni jednocześnie funkcję amortyzatora kręgosłupa i zapewnia mu
ruchomość (jak łożysko ślizgowe). Umożliwia zgięcie, prostowanie, ruchy boczne i obrotowe
kręgosłupa. Dzięki dyskom kręgi nie ocierają się o siebie. Wraz z wiekiem ulegają degeneracji
przyczyniając się do schorzeń zwyrodnieniowych kręgosłupa
20. Budowa i funkcje stawów międzykręgowych i więzadeł.
Funkcje:
 - stabilizują położenie kręgow prawdziwych
 - umożliwiają ruch w zakresie bezpiecznych dla rdzenia i nerwow obwodowych
Pracują podczas rozciągania.
Więzadła można podzielić na:
 -krotkie (działają na dwa kręgi, łączą kręgi z żebrami i kośćmi miedniczymi)
 -długie (przechodzą przez całą długość kręgosłupa)
Wyrostki stawowe dolne i gorne kręgow tworzą stawy międzykręgowe. Wraz z krażkiem i
więzadłami stanowią system podparcia kręgosłupa w kształcie trojkąta rownoramiennego.
Rożnego rodzaju ruchy powodują asymetrię rozkłądu obciążenia. Torebki stawowe cienkie i
wiotkie ale są silnie unerwione.
21. Cele opracowywania modeli obciążeniowych kręgosłupa.
 - analiza warunkow pracy kręgosłupa
 -ocena mechanizmow stanow przeciążeń
 -ocena stanu wspołpracy stabilizator – tkanka
 -prowadzenie badań i symulowanie warunkow niebezpiecznych dla pacjenta i trudnych
do analizy
Modele są w mniejszym lub większym stopniu uproszczone.
Oddanie wszystkich zależności, elementow budowy i własności materiałowych jest
niemożliwe.
Modele uproszczone dają jakościowy pogląd na temat wzajemnego wpływu badanych
obiektow.
22. Założenia i charakterystyka modelu Stotte'a.
Krytyczna ocena modelu:
- wiedza na temat oddziaływań mięśni w okolicy
kręgu L5 nie jest całkowicie poznana
- nie wszystkie mięśnie przyległe do łuku kręgowego
L5 wywołują skierowane w doł ciągnienie
-w celu określenia sił w mięśniach przyjęto, że siła w
każdym mięśniu jest proporcjonalna do ich
przekroju poprzecznego (zakładając, że każdy
mięsień ma jednakową gęstość i stały przekroj
poprzeczny na swojej długości, stosunek jego wagi do
jego długości jest proporcjonalny do przekroju
poprzecznego jak i do siły przez niego rozwijanej.
α - kąt pochylenia kości krzyżowej względem poziomu
Qt – ciężar ciała powyżej analizowanej płaszczyzny
lOMoARcPSD|18661335

Ql- ciężar ramion
Pp – siła ciśnienia śr odbrzusznego
Px – siła mięśni prostownikow grzbietu
Pm – siła mięśni brzucha
Ps,Pc – składowe ściskająca i ścinająca między kręgami
Ps – składowa siły ścinającej krążek międzykręgowy (siła między 2
kręgami)
Pc – składowa ściskająca krążek międzykręgowy
ds-> dp (błąd na rysunku)
d – odległości linii dizałania sił o tym indeksie od punktow charakterystycznych (punkow w
ktorym wyznaczamy siłę działającą na krążek
dt,dl,dp,dx,dm – odległości linii działania sił o tym indeksie względem środka rozważanego
krążka m.
Rownania rownowagi:
ΣPx = Ps – (Qt + Ql) sinα = 0
ΣPy = Px + Pm - Pc-Pp + –(Qt + Ql) cosα =0
ΣM0 = Pxdx + Ppdp - Pmdm - Qldl + / - Qtdt
23. Wyjaśnij pojęcia: przeciążenie, niestabilność mechaniczna, niestabilność
kliniczna.
Przeciążenie – zaburzenie struktur kostnych, więzadłowych i mięśni na wskutek długotrwałych
obciążeń mniejszych od wytrzymałości danej struktury oraz zaburzenie tych struktur w wyniku
doraźnego przekroczenia granicy wytrzymałości. Pierwsze zaburzenie jest często wynikiem
codziennych czynności życiowych. Drugie zaburzenie może być wynikiem wypadków
komunikacyjnych itp.
Niestabilność mechaniczna występuje, gdy małym siłom towarzyszą duże odkształcenia
Niestabilność kliniczna to stan, gdy podczas ruchu na wskutek samych obciążeń dochodzi do
przemieszczeń segmentow ruchowych kręgosłupa względem siebie
24. Omów rodzaje stabilności kręgosłupa.
 wewnętrzna: krążki międzykręgowe oraz i więzadła. Ciśnienie płynu wchłanianego
przez jądro odpycha trzony kręgow, więzadła stanowią opor i przyciągają trzony. Jest to
stabilny i sprężysty system odznaczający się dużą giętkością.
 zewnętrzna: mięśnie przykręgowe przyczepione do dwoch komor: jamy brzusznej
(wypełniona mieszanka stałych i płynnych substancji) i klatki piersiowej (wypełniona
powietrzem). Działanie mięśni powoduje, że stają się one sztywnymi komorami
odciążającymi kręgosłup. Im większy jest przenoszony ciężar tym większe jest działanie
mięśni tułowia, piersi i brzucha, powiększa się ciśnienie w jamach brzusznej i
piersiowej, co odciąża odcinek piersiowy o około 50% a lędźwiowy o około 30%.
25. Wymień przynajmniej trzy uszkodzenia tkanek kręgosłupa i działania je
powodujące.
 Zniszczenie więzadła w rejonie luku kręgowego – ruch zgięciowy do przodu
 Zmiany destrukcyjne wyrostka staw. – nadmierne ruchy skrętne oraz przeprost (skłon
do tyłu)
 Zmiany trzonow kręgow – długotrwałe obciążenie ściskające
 Przeciążenia krążkow międzykręgowych – zginanie i asymetryczne ściskanie
 Złamania trzonow - obciążenie przekraczające doraźną wytrzymałość tkanki
 Wypadnięcie krążka międzykręgowego powoduje nadmierne, długotrwałe i cykliczne
zginanie i skręcanie, kiedy to ciśnienie jądra miażdżystego asymetrycznie obciąża
pierścień włoknisty a konsekwencją jest koncentracja naprężeń w jednym punkcie i jego
przerwanie
26. Wymień zasady prawidłowego obciążenia kręgosłupa.
 Zasady ergonomicznego przenoszenia ciężkich ładunkow
 Rożnice w obciążeniu kręgosłupa w czasie ciągnięcia i pchania wozka
 W czasie ciągnięcia mięśnie prostownikow grzbietu muszą rownoważyć siłę ciągnięcia i
ciężar ciała. Podczas pchania mięśnie brzucha zmniejszają moment siły mięśnia
lOMoARcPSD|18661335

prostownika grzbietu. Ponadto moment siły pchania ma zwrot zgodny z momentem siły
mięśnia prostownika
 U osob z nadwagą środek ciężkości jest przesunięty do przodu zwiększając ramię siły
ciężkości względem środka trzonu. Jest to kompensowane zwiększeniem obciążeń
struktur tylnych kręgosłupa i przyczynia się do pogłębienia lordozy.
 Obciążenie krążka międzykręgowego przy podnoszeniu ładunku z pozycji zgiętej jest
niejednorodne na jego powierzchni. Ma ono charakter ściskania mimośrodowego –
naprężenia we włoknach wewnętrznych ą większe niż w włoknach zewnętrznych. Przy
podnoszeniu w pozycji wyprostowanej rozkład naprężeń jest zbliżony do jednorodnego.
27. Stabilizacja, cel stabilizacji i rodzaje stabilizacji
Stabilizacja kręgosłupa (spondylodeza) – chirurgiczne zespolenie sąsiednich kręgow za
pomocą implantow w celu uzyskania zrostu kostnego
Cele:
o zapewnienie warunkow dla normalnego funkcjonowania rdzenia i korzeni nerwowych
o odtworzenie struktur anatomicznych kręgosłupa ze szczegolnym uwzględnieniem
kanału kręgowego
o przywrocenie stabilności w uszkodzony segmencie kręgosłupa
Stosowana jest w:
o leczeniu choroby zwyrodnieniowej dyskow i stawow międzykręgowych
o kręgozmyku
o urazach kręgosłupa i zmianach nowotworowych
Rodzaje stabilizacji:
o tylno-boczna: odsłonięcie kręgosłupa i obłożenie tylno-bocznej powierzchni wiorami
kostnymi, śruby wkręcone do trzonow przez nasady łukow i połączone prętami
o międzytrzonowa: wprowadzenie w miejsce usuniętego dysku materiału powodującego
zrost między trzonami:
 PLIF (tylna lędźwiowa stabilizacja międzytrzonowa) – dysk usuwany po odsunięciu
korzeni nerwowych na bok
 TLIF (przezotworowa lędźwiowa stabilizacja międzytrzonowa) – dysk usuwany z dojścia
bardziej bocznego
 ALIF (przednia lędźwiowa stabilizacja międzytrzonowa) – dojście do dysku przez jamę
brzuszną
 XLIF (ekstremalnie boczna lędźwiowa stabilizacja międzytrzonowa) – dojście z boku
kręgosłupa
28. Rodzaje stabilizatorów
o Płytkowe –płaskie płytki w kształcie prostokątna. Spotykane również w innych
kształtach: trapezoidalne, w kształcie S, w kształcie H. Stabilizatory płytkowe są
implantowane z dostępu przedniego, dlatego też często profilowane w płaszczyźnie
poprzecznej dla lepszego dopasowywania do kształtu anatomicznego przedniej części
trzonu do której są mocowane
o Prętowe – mocowane do kręgosłupa za pomocą haków lub śrub np. stabilizator
śrubowy kompensacyjno-dystrykcyjny. Implantowane są z dostępu tylnego w związku z
czym są wykorzystywane również do stabilizacji odcinka potyliczno-szyjnego czaszki
o Płytkowo-prętowe (mieszane)
o Ramowe – drutowe. Zespalanie tkanki tylnej kręgosłupa przy pomocy drutu
ortopedycznego lub innych rozwiązań typu „pętlowego”. Mała ingerencja elementów
metalowych w tkankę żywą.
29. Wymagania stawianie stabilizatorom
 - jak najmniejsze uszkodzenia i uciskanie tkanek miękkich elementami stabilizatora
 - wymiary geometryczne zapewniające brak drażnieni tkanki miękkiej szyi
 - nie powodowanie wzrostu sztywności stabilizowanego odcinka ruchowego
 - stabilizowanie jak najkrótszego odcinka
 - wysoka wytrzymałość mechaniczna
 - stwarzanie warunków pełnego zrostu
 - zabezpieczenie przed destabilizacją
lOMoARcPSD|18661335

 - łatwy dostęp operacyjny
 - odpowiednia powierzchnia styku
 - prosta implantacja
 - jak najmniej elementów stabilizatora i o jak największej funkcjonalności
30. Budowa i funkcje stawu biodrowego.
Staw biodrowy, jest jednym z największych stawow organizmu, chociaż nie najbardziej
obciążonym. Ten wieloosiowy staw jest stawem kulistym tworzonym przez głowę kości udowej
oraz panewkę stawu biodrowego kości miednicznej. Staw biodrowy pomaga zachować
rownowagę, przenosi ciężar ciała z tułowia na kończyny dolne oraz umożliwia ich ruchomość.
Staw biodrowy jest najbardziej ruchomym stawem kończyny dolnej. Ta zdolność
uwarunkowana jest występowaniem pewnej cechy, a mianowicie trzech punktow swobody.
Innymi słowy, oznacza to, że wykonuje on ruchy w każdej płaszczyźnie i wokoł każdej osi. W
ten sposob w stawie biodrowym zachodzą zarowno ruchy zgięcia i wyprostu, jak i
odwiedzenia, przywiedzenia oraz rotacji. Jego budowę można porownać do worka w ktorym
znajdują się dwa elementy poruszające się. Są to powierzchnie o kształcie, ktory determinuje
ich ruch. Pierwsza część jest wklęsła inaczej zwana panewką, zaś druga wypukła, nosi nazwę
głowy. Tworzą one zwarty system, na straży ktorego stoi chrząstka stawowa pokrywająca
głowę kości udowej oraz płyn znajdujący się wewnątrz torebki stawowej. Jest to maź stawowa,
czyli taka substancja, ktora ma za zadanie zmniejszyć tarcie w stawach przez nawilżanie
chrząstek stawowych. Dokładniej mowiąc pełni funkcję smaru wewnątrz jamy stawu.
31. Omów sposób parametryzacji wymiarowej kości udowej.
Parametry definiujące kość w sposob umożliwiający odtworzenie jej kształtu w stopniu
wystarczającym do określonych potrzeb. Umożliwiają one odpowiednio usytuować kończynę
względem tułowia, co zapewnia poprawne funkcjonowanie stawu.
Głowne parametry kości udowej oraz implantu to
kąty:
Antewersji (przodopochylenia) γ: kąt między
zrzutowanymi na płaszczyznę czołową osiami szyjki
oraz kanału
Antetorsji (skręcenia do przodu) β: kąt między
zrzutowanymi na płaszczyznę poprzeczną
prostopadłej czołowej i strzałkowej osiami szyjki
oraz kanału
Szyjkowo - trzonowy α
Pozostałe parametry implantu to:
- długość x i kształt trzpienia
-średnica podstawy szyjki
-długość szyjki d
- kąt zbieżności stożka szyjki
32. Wymień podstawowe grupy sił w stawie biodrowym.
Przy działaniu sił odwodzących udo działają przede wszystkim przywodziciele. Na przykład w
rozkroku mięśnie te nie dopuszczają do dalszego rozchodzenia się ud. Podczas jazdy konnej
lOMoARcPSD|18661335

mocno działają przywodziciele – ma to miejsce gdy jeździec dociska nogi do bokow konia.
Przywodziciele ponadto odgrywają ważną rolę w ustalaniu stawu biodrowego w pozycji
stojącej.
Cztery podstawowe grupy sił:
- siły działające na głowę kości udowej i kłykcie stawu kolanowego
- oddziaływanie mięśni (30 grup mięśniowych)
- więzi więzadeł (często nieistotne w warunkach ruchu)
- siły bezwładności (często pomijane ze względu na małą masę kości)
33. Omów uproszczony model dwumasowy Pauwelsa obciążeń stawu --biodrowego.

Do wyznaczenia sił w stawie biodrowym założono
uproszczony model dwumasowy złożony z członu
zawierającego kończynę dolną (człon 10 oraz resztę ciała
(człon 2). Oba te człony połączone są w stawie
biodrowym. Przyjęto pozycję, w ktorej człowiek stoi na
jednej nodze. Na człon 1 działają siła reakcji podstawy C
(ktora w przypadku stania na jednej nodze jest
przesunięta od osi symetrii w kierunku od nogi, na ktorej
osoba jest podparta, a ciężar C jest pomniejszony o
ciężar kończyny) oraz siła M rozwijana przez mięśnie
odwodziciele stawu biodrowego przyłożona w punkcie K
krętacza kości udowej i nachylona pod kątem 30 stopni
do pionu oraz siła reakcyjna R działająca na głowę kości
udowej i przechodząca przez środek geometryczny głowy
O. Kierunki działania sił C oraz M są znane zatem z
twierdzenia o trzech siłach wyznacza się kierunek siły R
raz wartości sił: =2,75C,M=2C.
34. Omów budowę i funkcje stawu kolanowego.
Budowa i funkcje: Staw kolanowy to najbardziej skomplikowany trojwymiarowy układ
mechaniczny człowieka. Głowne ruchy to zginanie i przeprost, poboczne ruchy to
przemieszczenia względne kości, ruchy rotacyjne podudzia. Powierzchnie stawu toczą się po
sobie. Głowne przenoszone obciążenie to ściskanie. Kłykcie kości udowej boczny i
przyśrodkowy przenosza obciążenia na panewki (kłykcie) stawowe

kości piszczelowej
lOMoARcPSD|18661335

 Kłykcie kości udowej boczny i przyśrodkowy przenoszą obciążenia na panewki (kłykcie)
stawowe kości piszczelowej.
 Rzepka jest elementem stabilizującym połączonym z mięśniem czworogłowym oraz za
pomocą więzadła z guzowatością piszczeli.
 Więzadła poboczne piszczelowe i strzałkowe stabilizują staw w płaszczyźnie czołowej
 Łąkotka między kłykciami kości udowej a panewką kości piszczelowej jest elementem
tłumiącym.
Podstawowe mięśnie to:
 Zginające podudzie: krawiecki, półścięgnisty, półbłoniasty, smukły dwugłowy,
podkolanowy
 Prostujące podudzie: czworogłowy
O charakterze ruchu toczenia się po sobie powierzchni stawowych decydują wiązadła
krzyżowe. Bez nich staw kolanowy przestanie funkcjonować.
Staw kolanowy jest największym stawem w organizmie ludzkim. Składa się on z kości udowej i
piszczelowej, pomiędzy ktorymi tworzy się staw udowo- piszczelowy, oraz kości strzałkowej,
która wraz z piszczelową tworzy staw piszczelowo- strzałkowy. Dodatkowo od gory stawu
umiejscawia się rzepka w postaci trzeszczki i tworzy z kością udową staw udowo- rzepkowy. W
wyniku takiego połączenia elementow kostnych ze sobą możliwe są ruchy zgięcia i wyprostu
oraz rotacji, ale przy zgięciu kolana do kąta prostego. Ze względu na pełnione funkcje staw
kolanowy zawiera bardzo rozbudowany i silny aparat więzadłowy.
Budowa stawu kolanowego
Powierzchnie stawowe są tworzone przez kłykcie kości udowej ślizgające się na wklęsłych
powierzchniach kłykci kości piszczelowej. Ruchy w znacznym stopniu ułatwia maż stawowa
wydzielana przez błonę wyściełającą wnętrze stawu, ktora zmniejsza opor w trakcie
wykonywania ruchow pomiędzy elementami kostnymi. Między kłykciami kości udowej i
piszczelowej znajdują się łąkotki. Są to włoknisto- chrzęstne, połksiężyc owate twory, ktorych
zadaniem jest pogłębianie powierzchni stawowej w obrębie stawu kolanowego. Z racji, iż
organizm jest ciągle narażony na przeciążenia, to właśnie większość z nich przechodzi na staw
kolanowy. Takie ogromne przeciążenie wynika z potężnej siły mięśnia czworogłowego. W
związku z tym łąkotki pełnią funkcję dodatkowego stabilizatora oraz amortyzatora drgań
wywołanych cyklicznym przenoszeniem ciężaru ciała raz z jednej nogi na drugą. Umożliwiają
one ruchy rotacji przy zgięciu kolana, jest to możliwe dzięki możliwości ich przesuwania się na
kości piszczelowej.
35. Co to jest oś mechaniczna?
Oś mechaniczna - linia która łączy środek głowy kości udowej z
środkiem stawu skokowego. Jest to podstawowa oś kończyny. W
prawidłowo zbudowanym stawie jest odchylona od osi pionowej u
mężczyzn o około 3o
, a u kobiet o około 5o
(różnica ta wynika z nieco
odmiennej budowy miednicy). Kość piszczelowa pokrywa się z osią
mechaniczną. Kość udowa jest odchylona od niej o około 6o
.
36. Omów model Maqueta obciążenia w płaszczyźnie
czołowej stawu kolanowego.
Podczas stania rownomiernego oba stawy obciążone są o około 85%
masy ciała powyżej kolan.
Podczas stania na jednej nodze staw nogi obciążonej przenosi 93%
ciężaru ciała. Wtedy obciążenie od kości udowej R jest wypadkowa
od ciężaru ciała P oraz mięśni pasma biodrowo – piszczelowego L
L = Pa/b
a,b - ramiona działania sił R, L względem środka kolana
R=√L3+P2+2LPcosψ
ψ – kąt między siłami L i P
lOMoARcPSD|18661335

37. Budowa stawu łokciowego.
Staw złożony - w jego skład wchodzą trzy stawy:
 Ramienno-łokciowy - staw zawiasowy o jednym stopniu swobody,
o główką w tym stawie jest bloczek kości ramiennej, panewką jest wcięcie
bloczkowe kości łokciowej.
o Wykonywane ruchy : zgięcia (flexio) i prostowania (extensio).
 Ramienno-promieniowy - staw kulisty wolny obrotowo-zawiasowy o dwóch stopniach
swobody,
o główką w tym stawie jest główka kości ramiennej, panewką jest dołek głowy
kości promieniowej.
o Ruchomość tego stawu jest ograniczona ze względu na połączenie z kością
łokciową.
o Wykonywane ruchy : zgięcia (flexio), prostowania (extensio) i ruchy obrotowe
(rotatio).
 Promieniowo-łokciowy bliższy - staw obrotowy o jednym stopniu swobody, główką tego
stawu jest obwód stawowy głowy kości promieniowej, panewką jest wcięcie
promieniowe kości łokciowej oraz powierzchnia stawowa więzadła pierścieniowatego
kości promieniowej.
o Wykonywane ruchy: odwracania (supinacja) i nawracania (pronacja).
o Staw ten współdziała ze stawem promieniowo-łokciowym dalszym.
38. Ruchy w stawie łokciowym.
 Staw ramienno- łokciowy i ramienno -promieniowy
o Ruchy: zgięcie, wyprost. U kobiet może być przeprost.
o Zgięcie stawu powoduje mięsień dwugłowy ramienia i mięsień ramienny.
o Wyprost mięsień trójgłowy ramienia i mięsień łokciowy.
 Staw promieniowo –łokciowy bliższy
o Ruchy rotacyjne: nawracania - pronacja (mięsień nawrotny obły i czworoboczny) i
odwracania - supinacja (mięsień odwracacz i mięsień dwugłowy ramienia)
lOMoARcPSD|18661335

39. Modele obciążeniowe stawu łokciowego
Obciążenia w stawie łokciowym: Model z siłą
mięśnia
dwugłowego ramienia.
d1 - ramie działania siły mięśnia mieści się
między 2 cm
(α = -90°, α = 90°)
d2 - ramie działania ciężaru G,
d1 = L cos α.
Rownania rownowagi:
ΣM 0=Gd1−Sd 2=0
Rx=S sinβ , Ry=S cosβ −G
α −kąt nachylenia osi przedramienia doosi
poziomej ,
β −kąt nachylenia linii działania siłymięśnia
dwugłowego do osi pionowej.
lOMoARcPSD|18661335

Conspect of biomechanics lectures at university

More Related Content

Featured

Conspect of biomechanics lectures at university