Биомеханика на опорно-двигателния апарат

Основната характеристика на биомеханиката е приложението на принципите на механиката към структурите, функциите и качествата на живите организми. Това налага да бъдат обяснени основните биомеханични свойства на структурите, формиращи опорно–двигателния апарат на човека – кости, стави и мускули.

Биомеханични свойства на костите

Както е известно, костната тъкан, изграждаща костите се състои от твърдо междуклетъчно вещество, което определя ролята им на вътрешна опора на човешкото тяло и им дава възможността да изпълняват функцията на анатомични лостове. Така те са основен посредник на силата, породена от мускулното съкращение и насочена срещу въздействащите върху човешкото тяло външни и вътрешни сили. По този начин те са подложени на сили на огъване, опън, ротация и  натиск. Биомеханичните качества на костта определят способността й да издържи тяхното въздействие.

Костната тъкан от гледна точка на механиката се разглежда като двуфазна система – съставена от органична компонента – колаген и неорганична компонента – калциевофосфорни соли. Колагенът не притежава почти никаква здравина на натиск, но издръжливостта му на опън е значителна. Обратното е с минералната съставка, при която по-изразена е здравината на натиск. Костната тъкан като събирателна структура притежава здравина на опън около 140 N/mm², а здравина на натиск 200  N/mm². Това показва, че тя е значително по-издръжлива на натиск, отколкото на опън. Причина за това е  гравитацията, която подлага човешкото тяло по-често на сили на натиск.

 Костта като орган реагира на постоянно въздействащите върху нея сили чрез преустройство на своята структура. С това  тя променя и биомеханичните си качества. Структурата на костите е различна и в различните възрастови периоди на човека, което определя и различните й възможности да понесе въздействащите върху нея сили.

Биомеханика на свързването между костите

Връзката между костите в човешкото тяло се осъществява по два начина – подвижно и неподвижно. Неподвижното свързване  не позволява движение между костите и се намира на места, където разстояните мужду свързващите се кости не трябва да се променя или тази промяна трябва да бъде минимална. Основна биомеханична задача на този тип свързване е пасивно противодействие на външните или вътрешни сили, въздействащи върху опорно-двигателния апарат.

Подвижното свързване се осъществява чрез стави. Структурите на ставите създават условия за движение  между костите при приложение на сили върху тях.  Тези сили могат да бъдат вътрешни (породени от собственото мускулното съкращение) или външни.

Основните структури на ставата са ставните повърхности, ставният хрущял, ставната капсула и ставните връзки. Всяка от тях има свои биомеханични качества.

 Определящо за движението в ставата е формата на ставните повърхности. Те могат да се оприличат на части от геометрични тела – сфера, елипса, цилиндър. Едната ставна повърхност е изпъкнала, а другата вдлъбната. Съответствието между ставните повърхности се нарича конгруентост.

Ставният хрущял покрива ставните повърхности и от биомеханична гледна точка представлява вискоеластична структура, която поема голяма част от силите на натиск, възникващи между ставните повърхности. Това се дължи от една страна на структурните особености на междуклетъчното вещество на хиалинният хрущял, какъвто в повечето случаи е ставният хрущял, а от друга на способността му да приема част от ставната течност във вътрешността си. Ставният хрущял не само поема силите на натиск, но и благодарение на структурните особености на междуклетъчното вещество спомага за равномерното им разпределение. 

                                                  

Друга важна особеност на ставния хрущял е изключително гладката му повърхност, която намалява силите на триене при движението в ставите. Хлъзгането между два ставни хрущяла е съпоставимо с хлъзгането на ледено блокче върху ледена повърхност. Ставната капсула се залавя по ръбовете на ставните повърхности и  също има биомеханични свойства, които могат да бъдат разгледани в две насоки. Първата се дължи на външния слой на ставната капсула, изграден от снопове груби колагенни влакна. Известна е изключителната здравина на колагена при противопоставянето му на сили на опън. При движението в ставите възникват сили, които се стремят да отдалечат ставните повърхности една от друг. Именно външният слой на ставаната капсула (наречен влакнест, заради колагенните влакна, които го изграждат)  е една от структурите, която се противопоставя на тези сили и запазва интегритета на ставата. Втората насока е свързана с функцията на вътрешния слой на ставната капсула – синовиалният. Той отделя в ставата синовиална течност. В състава й има вещества, на които се дължи способността  да намалява слите на триене между ставните хрущяли, покриващи ставните повърхности. Освен това ставната течност образува между ставните повърхонсти фин слой, който също поема част от силите на натиск, възникващи при движение. Ставните връзки (лигаменти) са структури, които също са изградени от колагенни влакна и се прехвърлят между костите, формиращи ставата. Те осигуряват стабилността на ставата, като се противопоставят на силите предизвикващи нефизиологични движения в ставата. Тъй като това противодействие се осъществява чрез пасивната механична здравина на връзките, то се обозначава с термина „пасивна стабилизация на ставата”.  От особена важност за биомеханиката на ставите е да бъдат класифицирани движенията, които се извършват в тях. За целта е необходимо да бъдат припомнени, понятия от курса по анатомия.

Оси и равнини на човешкото тяло

За да бъдат определени движенията на човешкото тяло и отделните негови сегменти, те трябва да бъдат отнесени към  пространствените равнини и оси. Пространственото разделяне на човешкото тяло се осъществява спрямо три взаимноперпендикуларни равнини, които отговарят на трите измерения на пространството:

-         сагитална – тя разделя тялото на човек на лява и дясна половина;

-         фронтална – тя разделя човешкото тяло на предна и задна половина;

-         трансверзална – тя разделя тялото на горна  и долна половина;

 

Оси и равнини на тялото

1. Вертикална ос; 2. Фронтална равнина; 3. Трансверзална равнина; 4.   Фронтална (напречна) ос; 5. Сагитална (предно-задна) ос; 6. Сагитална равнина

Това разделение се отнася към т.нар. „ анатомично положение на човешкото тяло” – изправен стоеж с горни крайници в отпуснато положение покрай тялото и длани, обърнати напред. При тази позиция центърът на координатната система съвпада с общия център на тежестта (фиг. 65).

За определянето на пространственото разположение на една точка се използва триосна координатна система – осите X,Y и Z. От механиката е известно, че когато на движението на едно твърдо тяло не са наложени никакви ограничения, това тяло може да заема произволно положение в пространството. Тялото се нарича свободно и може да извършва максимално възможните 6 независими движения в пространството - три транслации по всяка една от осите X, Y, Z и три ротации около същите оси. Затова е прието да се казва, че свободното тяло притежава 6 степени на свобода на движение.

            Движенията на ставите се извършват в пространството и за тяхното определяне се използва същтата триизмерна координатна система. Трите взаимноперпендикулярни оси на пространството тук се определят като сагитална (предно – задна), фронтална              (напречна) и вертикална. За класифициране на движенията си представяме, че центърът на тази координатна система  се намира в центъра на ставата и формиращите я кости трябва да се движат около тези мислени оси. Всяка от осите на движение е перпендикулярна на пространствената равнина, в която се извършва движението.

Възможността за движение в ставата около една от трите взаимно перпендикуларни оси на пространството се нарича  „ степен свобода на движение”. Тя   се определя от формата на ставните повърхности. В този смисъл може да си представим, че тези мислен оси „ пробиват” костите, образуващи ставата и те се въртят около тях. По този начин се определят и основните движения на главните сегменти на човешкото тяло. Движенията, които се извършват около фронталната (напречна) ос, са флексия (сгъване) и екстензия (разгъване). Те се извършват в сагиталната равнина. При флексията ъгълът между костите, формиращи ставата намалява.Обратно при екстензията ъгълът между костите, формиращи ставата се увеличава. Движенията, които се извършват около сагиталната (предно-задна ос) са абдукция(отвеждане) и аддукция(привеждане). Те се извършват във фронталната равнина. Абдукцията е движение, отдалечаващо сегмента от срединната линия на тялото, а аддукцията е движение, при което телеснията сегмент се приближава до тази линия. Движенията, които се извършвата около надлъжната (вертикалната ос) на един телесен сегмент са ротационни движения. Те съществуват в два варианта – вътрешна и външна ротация. При външната ротация предната страна на съответния сегмент се зъвърта навън, при вътрешната ротация – навътре. За точна оценка на едно движение освен неговия вид е необходимо да се знае и неговият размер. Размерът на движение е количествената оценка на определено движение. Обикновено се измерва в ъглови градуси. От всичко казано до тук се вижда, че движенията в човешките стави са ротационни като имат шест възможности за движение около трите основни оси. Ротационните движения на няколоко телесни сегмента обаче могат да се комбинират и в резултат един определн сегмент да получи  линейно движение или  транслация. Когато две кости са свързани помежду си със става, те получават възможността да се движат една спрямо друга. Такова свързване от гледна точчка на биомеханиката се нарича кинематична двойка. Комбинацията от няколко последователно свързани кинематични двойки се нарича  кинематична верига. Кинематичните вериги съществуват в два варианта – отворени и затворени. При отворена кинематична верига дисталният сегмент - крайникът е свободен. В нея са възможни движения във всяка една става независимо от другите. При затворена кинематична верига дисталният сегмент е фиксиран или среща значително външно съпротивление. При затворените кинематични вериги не са възможни независими движения в ставите, които са включени в тях. Движението в една става винаги поражда движения и в съседните стави.

  Отворена и затворена кинематична верига

Лостови системи

От една страна скелетът изпълнява опорна функция за всички органи, а от друга,  неговите кости осигуряват двигателната функция на тялото, като играят ролята на лостове, чрез които се предава въздействието на мускулите. От гледна точка на механиката лостът е неогъваем прът, който се завърта около една неподвижна точка (опора), когато към лоста се приложи сила. При това се преодолява някакво съпротивление или тежест. Мускулната сила се прилага върху определени звена на скелета, които от гледна точка на механиката представляват лостове. Всеки такъв анатомичен лост се движи около една опорна точка. Такава опорна точка може да бъде ставата, в която движещата се кост се съчленява с костта, спрямо която се движи. Опорна точка може да бъде и точката на допир с твърда опора от външната среда, около която се извършва движението. Освен опорна точка  механичната лостова система притежава точка на противодействието (товар)R и точка на приложение на силата - F. В точката на противодействието въздейства тежестта на движещата се част или съпротивлението на друга външна сила. За приложна точка на силата служи залавното място на съответния мускул, което се движи в момента.  Разстоянието от между точката на противодействие (товар) и опорната точка се нарича „рамо на противодействието”. Разстоянието от точката на приложение на силата до опорната точка се нарича „рамо на силата”. Произведението от големината на противодействието (R) и дължината на рамото (r2)на противодействие се нарича „ момент на противодействието”. Произведението от големината на мускулната сила    (F) и дължината на рамото на силата (r1) се нарича „ момент на силата”.  За да бъде един лост в равновесие моментът на силата трябва да бъде равен на момента на противодействието. Това може да бъде представено със следната формула: 

F .  r1 = R . r2

Ак искаме да определим от какво зависи силата, необходима за уравновесяване или преодоляване на някакакъв товар, трябва да преобразуваме горната формула и тя ще изглежда така:

F = (R. r2)/r1

Вижда се, че големината на приложената сила е правопропорционална на товара и дължината на неговото рамо и обратнопропорционална на своето рамо. Това означава, че колкото по-дълго е рамото на силата, толкова по-малка сила ще е необходима за преодоляването на съпротивлението.

В зависимост от взаимното разположение на отделните елементи лостовете са двураменни или еднораменни. При двураменния лост опората е между товара и задвижващата сила. Силата на товара и задвижващата сила действат в една посока и затова този лост се характеризира като лост на равновесието. Условието е моментите на силите да са равни по формулата:

F .  r1 = R . r2

 Такъв  лост се определя още като лост от първи род . При него опорната точка се намира между точката на товара и точката на приложение на силата. По правилата на такъв лост се извършва движението на главата спрямо първи шиен прешлен (фиг. 67). Опорната точка се намира в самата става (свързваща сандаловидните повърхности на атласа с кондилите на тилната кот), точката на товара (тежестта на предната част на главата) е пред ставата, точката на приложение на силата е тилната кост, където се залавят мускулите.

 

                          

   Фиг. 67 Лост от I род – приложните точки на действащата F и съпротивителната R сили са от двете страни на опората, за опорна точка служи съчленението между тилната кост и първия шиен прешлен

Rсъпротивителна сила

Fмускулна сила

 При еднораменния лост опорната точка е е в единия край на лоста. В зависимост от разположението на точката на приложение на силата и товара, те се разделят на лостове от II род и лостове от III род.

При лостовете от II род точката, в която действа тежестта, е между опорната точка и точката на приложение на силата. Силата на товара и задвижващата сила действат в противоположни посоки.

 Лост от II род – приложната точка на съпротивителната сила R е по-близо до опората, а  на действащата F по-далече от нея                                                                 

По правилата на този лост се извършва движението на ходилото в горна скочна става при движението „ повдигане на пръсти” (фиг. 68). В този случай опората се намира върху главите на предноходилните кости. Точката на товара (тежестта)  е в горната скочна става (върху макарата на скочната кост), приложната точка на мускулната (действащата) сила е в задната част на петната кост (петната върга), за която се залавя Ахилесовото сухожилие на триглавия подбедрен мускул. Поради това, че рамото на силата  при този лост е по-дълго от рамото на съпротивлението (тежестта), този лост е особено благоприятен за преодоляване на голяма тежест от сравнително малка сила. Тъй като при този лост се получава голяма използваемост на силата, той се нарича още лост на силата”. При лоста от трети род точката на приложение на силата (F) се намира между опорната точка и точката, в която действа тежестта (R). По правилата на този лост се извършват движенията на свободните от опора горни и долни крайници. Например залавното място на  мишнично-лъчевия мускул (дисталния край на лъчевата кост)  се намира по-близо до лакътната става, която е опорната точка, от приложната точка на съпротивлението -  тежестта, която държим в ръка. 

   

     Лост от III род действащата сила F е по-близо до опората, а съпротивителната  R - по-далече от нея.                                                

Така рамото на тежестта (r2) е по-голямо от рамото на силата (r1). Поради това, за преодоляване на тежестта е необходима по-голяма сила. За сметка на това обаче,  тежестта се придвижва на голямо разстояние и с голяма скорост. Този вид лост се нарича лост на скоростта.

Лост от III род

По същия начин действа и триглавия мускул на мишницата, чието залавно място е съвсем близо до опорната точка ( лакътната става). При разгъването на лакътната става товарът извършва голямо преместване и с голяма скорост. Ако тежестта е свободен предмет, при отделянето си от ръката той има скоростта, която му е предадена от анатомичниата лостова система.