Biomechanika Inżynierska 1
Biomechanika Inżynierska
wykład 3
Instytut Metrologii i Inżynierii BiomedycznejPolitechnika Warszawska
Biomechanika Inżynierska 2
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,
Biomechanika Inżynierska 3
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)
Biomechanika Inżynierska 4
Podstawowe pojęcia
Osie
● Pionowa / podłużna / długa (vertical / longitudinal)
● Poprzeczna / pozioma (transverse / horizontal)
● Strzałkowa / przednio-tylna (sagital)1
2
3
Biomechanika Inżynierska 5
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
Biomechanika Inżynierska 6
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)
...
Biomechanika Inżynierska 7
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
Biomechanika Inżynierska 8
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
Biomechanika Inżynierska 9
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
Biomechanika Inżynierska 10
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
Biomechanika Inżynierska 12
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.
Biomechanika Inżynierska 14
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)
Biomechanika Inżynierska 15
Szkielet
Karapaks - twarda grzbietowa powłoka zewnętrzna ciała, występuje u skorupiaków, pajęczaków i żółwi
Biomechanika Inżynierska 16
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
Biomechanika Inżynierska 17
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
Biomechanika Inżynierska 18
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.
Biomechanika Inżynierska 20
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...
Biomechanika Inżynierska 21
Układ kostny człowieka
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.
Biomechanika Inżynierska 22
Układ kostny człowieka
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
Biomechanika Inżynierska 23
Układ kostny człowieka
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.
Biomechanika Inżynierska 24
Układ kostny człowieka
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)
Biomechanika Inżynierska 25
Układ kostny człowieka
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
Biomechanika Inżynierska 26
Układ kostny człowieka
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.
Biomechanika Inżynierska 27
Układ kostny człowieka
Kostnienie
http://www.youtube.com/watch?v=6f90506PvS8
Biomechanika Inżynierska 29
Układ kostny człowieka
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]
Biomechanika Inżynierska 30
Układ kostny człowieka
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.
Biomechanika Inżynierska 31
Układ kostny człowieka
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.
Biomechanika Inżynierska 32
Układ kostny człowieka
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.
Biomechanika Inżynierska 33
Układ kostny człowieka
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.
Biomechanika Inżynierska 35
Układ kostny człowieka
Tkanka kostna http://www.youtube.com/watch?v=d9owEvYdouk
Biomechanika Inżynierska 36
Układ kostny człowieka
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
Biomechanika Inżynierska 37
Układ kostny człowieka
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.
Biomechanika Inżynierska 38
Układ kostny człowiekaR
. B
ęd
ziń
ski,
„Bio
me
cha
nik
a I
nży
nie
rska
”, 1
99
7
Biomechanika Inżynierska 39
Układ kostny człowieka
Prawo Wolffa - przykłady:
● Tenis
● Sporty walki
● Kosmonauci
● Otyli?
● Brak ruchu?
Biomechanika Inżynierska 40
Układ kostny człowieka
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
Biomechanika Inżynierska 41
Układ kostny człowieka
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
Biomechanika Inżynierska 42
Układ kostny człowieka
Połączenia kości
Połączenia kości
Połączenia ścisłePołączenia wolne / ruchome
- stawyPołączenia półścisłe
Więzozrosty Chrząstkozrosty Kościozrosty
W. włókniste
W. sprężyste
Szwy
Biomechanika Inżynierska 43
Układ kostny człowieka
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
Biomechanika Inżynierska 44
Układ kostny człowieka
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.
Biomechanika Inżynierska 45
Układ kostny człowieka
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
Biomechanika Inżynierska 46
Układ kostny człowieka
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
Biomechanika Inżynierska 47
Układ kostny człowieka
Rodzaje stawów
● Płaski
● Eliptyczny
● Kulisty panewkowy
● Siodełkowaty
● Zawiasowy
● Obrotowy
http://www.youtube.com/watch?v=sW3-9zM9ohEhttp://www.youtube.com/watch?v=8d-RBe8JBVs
Biomechanika Inżynierska 48
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
Biomechanika Inżynierska 49
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.
Biomechanika Inżynierska 50
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