Az ízületek biomechanikája Oktató: dr. Tihanyi József egyetemi tanár

AZ ÍZÜLET FELÉPÍTÉSE MOZGÁSOK AZ ÍZÜLETBEN MOZGÁSTERJEDELEM AZ ÍZÜLET MECHANIKÁJA Témakörök

Az emberi test kinematikai lánc, amelyben a tagokat testrésznek (csontnak), a csuklókat ízületeknek nevezzük

Mit nevezünk ízületnek? Minimálisan két csont összekapcsolódása inak, szalagok, rostos szövet, porcszövet és izmok által Az ízesülő csontok ízfelszínét hyalin (üvegporc) borítja annak érdekében, hogy a nagy igénybevételt elviseljék és a súrlódási erőt csökkentsék a mozgások során.

148 Mozgatható csont 148 Mozgatható csont 147 ízület

Alsó végtagi ízületek: Csípő Térd Boka Láb Felső végtagi ízületek: Váll, vállízületi komplex Könyök Csukló Kéz A törzs ízületei: Gerincoszlop, csigolyák Medence Fej

Az ízületek típusai Lapos Henger Gömb Nyereg Forgó Elipszoid, tojás

Hengerízület Könyök ízület Térd ízület

Gömbízület Csípőízület Vállízület

kéztőcsontok és a nagyujj kézközépcsontja között Nyereg ízület

Tojásízület csukló ízület

Forgóízület

Lapos ízület

Az ízületek típusai egy tengelyű (henger) Két tengelyű (elliptikus, tojás) Három tengelyű ( gömb)

TípusLeírásFunkcióTerjedelemPéldák Rostos Porcos Szinoviális rostos szövetekkel kapcsolt Stabil kicsi vagy semmi Fibula- tibia Porcos összeköttetés Hajláskicsi Sternocost alis Szalagokkal kapcsolt Forgó és transzlációs mozgás nagy rotáció, kis transzlációTérd, csípő

Az emberi test síkjai Transzverzális v. vízszintes Szagittális v. oldal Szagittális v. oldal Koronális v. frontális

Tengelyek Longitudinális – Szagittális és frontális Anteroposterior – Szagitális és transzverzális Lateromediális – Frontális és transzverzális

Kardinális síkok Helyi referencia rendszer

Szélességi tengely (térdfeszítés – hajlítás )

Mélységi tengely (oldalra hajlítás, közelítés- távolítás )

Hosszúsági tengely (törzsforgatás, everzió- inverzió )

Kiegészítő (belső) 180° Ízületi szög Anatómiai (külső) 0° Kiegészítő (belső) 100° Anatómiai (külső) 80°

ÍZÜLETI SZÖGELFORDULÁS

MOZGÁSTERJEDELEM (ROM) A mozgásterjedelem azt a legnagyobb ízületi szögelfordulást jelenti egy ízületi tengely körül, amely anatómiailag még lehetséges A mozgásterjedelem azt a legnagyobb ízületi szögelfordulást jelenti egy ízületi tengely körül, amely anatómiailag még lehetséges

Aktív mozgásterjedelem Passzív mozgásterjedelem Passzív mozgásterjedelem > aktív mozgásterjedelem

A mozgásterjedelmet befolyásoló tényezők 1. Az ízületek típusa 2. Az ízületi szalagok mechanikai tulajdonságai nyúlékonyság merevség 3. Az izmok és inak anatómiai és biomechanikai jellemzői Izom és ínhosszúság illetve a kettő aránya Izom architektúra Izomkeresztmetszet

SZABADSÁGFOK ( DOF) DOF = a koordináták száma minusz a megkötöttségek száma DOF a változóknak az a száma, amely a test mozgásának leírásához szükségesen elegendő rotáció transzláció

Két dimenzió (2D): DOF = 3N - C Három dimenzió (3D): DOF = 6N - C N = a testszegmentek száma, C = a megkötöttség száma

ízület rotaciós DOF transzlációs DOF Érintkezési felület tojás nyereg nem csúszó henger csúszó henger állandó nem állandó gömb

Megkötöttség Anatómiai adjunctus (független) Conjunctus vagy összekötött ( az izületek mozgása egymástól függ)

Nincs megkötöttség síkban Az alsó tag cilinderben történő megkötött mozgása behatárolja a többi csuklóban a mozgási szabadságfokot. A levegőben (légüres tér) a súlypont pályája nem változtatható meg. Ezért, ha test valamelyik részén elmozdulás jön létre, akkor a test másik oldalán azonos nagyságú mozgásnak kell bekövetkeznie. Következésképpen az ízületi szögváltozások és szögterjedelmek behatároltak.

Aktuális (pedálozás) Mechanikai (egyensúly, megcsúszás) Motoros feladat ( instrukció)

F = mobilitás, I = az izület osztálya, j i = az izületek száma az I osztályban i = 6 -f, f= a szabadságfok száma A kinematikai lánc mobilitása F = 6N -  i j i 5 I=3

Harmadosztályú izület: 29 (3 DOF) Negyedosztályú izület: 33 ( 2 DOF) Ötödosztályú izület: 85 ( 1 DOF) F = (6148) - [(3 29) + (4 33) + (5 85)] = 244

MOZGÁSOK AZ ÍZÜLETEKBEN

FORGÁS

Csúszás (lineáris és nem lineáris transzláció)

Gördülés = rotáció + transzláció

AZ ÍZÜLETEKRE HATÓ ERŐK

1. Nyomó (kompressziós) 2. Húzó (tenzilis) 3. Nyíró 4. Reakció

A nyomóerő mindig merőleges a transzverzális síkra A húzóerő mindig merőleges a transzverzális síkra A nyírőerő mindig párhuzamos a transzverzális síkkal Transverzális sík

Nyíróerő (Fs) Reakcióerő (Fr) Nyomóerő (Fc) Reakcióerő (Ft) (Fc) (Fs) Fr = Ft

(Fc 1 ) Fc 2 Fs 1 Fs 2  Fc  Fs  Fr Fc 1 Fs 1 Fs 2 Fc 2 Reakcióerő

AZ ERŐK MEGHATÁROZÁSÁNAK MÓDSZEREI 1. GRAFIKUS 2. SZÁMÍTÁS 3. MÉRÉS 4. MÉRÉS ÉS SZÁMÍTÁS statikus és dinamikus direkt és inverz

Nyomaték egyensúly Összes nyomaték = (Fm x dF) – (W1 x dW1) + (W2 x DW2) = 0 (Fm x dF) = (W1 x dW1) + (W2 x DW2) Mm = M1 + M2  izometriás Mm > M1 + M2  koncentrikus Mm < M1 + M2  excentrikus

Erőkar rendszer

Első osztályú emelő Másodosztályú emelő

Harmadosztályú emelő

1 st 2 nd 3 rd

Az ízületek által elviselhető legnagyobb nyíró, húzó és nyomóerő

G1G1 G2G2 NYOMÓERŐ Fk = G 1 G 1 + G 2 G 1 + G 2 Fh = G 2 HÚZÓERŐ G1G1 G2G2

G1G1 G2G2 Fk = G 1 +F1 +F2 G 1 + G 2 G 1 + G 2 Fk =(F1 +F2) -G 2 F1F1F2F2 NYOMÓERŐ HÚZÓERŐ Fk = 0 F1 +F2 =G 2 G1G1 G2G2

NYÍRÓERŐ G G G = Gny Gny GhGh

G Fny Fh A G súlyerő húzó-, és nyíróerő komponenseinek meghatározása

A G erő nyomó-, és nyíróerő komponenseinek meghatározása G Fny Fk

   =mért  =  A végtagok súlyerejének hatása az ízületekre G Gny Gh Transzverzális sík  A végtag súlypontja feljebb helyezkedik el,mint a forgás középpontja

    =megmért  =   =  ’ A G súlyerő húzó- és nyíróerő komponens értékeinek kiszámítása G Gny = G cos  Gh= FG sin  Gny Gh ’’  =  ’

Transzverzális sík G Gny Gk A végtag súlypontja feljebb helyezkedik el,mint a forgás középpontja G= az alsó végtag súlyereje; Gk = a súlyerő nyomóerő (kompressziós erő) komponense; Gny = a súlyerő nyíróerő komponense

Transzverzális sík G Gny GkGk  Fny = Finy + (-Gny)  Fk = Fik + Gk FiFi Finy Fik Az ízületre ható összes nyomó és húzóerő G= az alsó végtag súlyereje; Gk = a súlyerő nyomóerő (kompressziós erő); Gny = a súlyerő nyíróerő komponense; Fi = izoemrő; Fik = az izomerő nyomóerő komponense; Finy = az izomerő nyíróerő komponense. Mivel Gny és Finy ellentétes irányba mutat, a két nyíróerő kivonódik egymásból, azaz a két nyíróerő komponens csökkenti a nyíróerőt az ízületre. Mivel Gny és Finy ellentétes irányba mutat, a két nyíróerő kivonódik egymásból, azaz a két nyíróerő komponens csökkenti a nyíróerőt az ízületre.

A forgatónyomaték kiszámítása dinamikus erőkifejtés során M= forgatónyomaték; m = a végtag tömege; r = a végtag tömegközéppontjának távolsága a forgástengelytől; t= a szögelfordulás ideje;  = szögsebesség;  = ízületi szög

Forgatónyomaték (M) számítás m mg k Erő(teher) kar= a forgáspontból az erő hatásvonalára bocsátott merőleges egyenes hossza Statikus helyzetben m= 5 kg r= 0,2 m k = 0,14 m szög = 45  r

r m m= 5 kgr= 0,2 m t= 0,05 s  = 45  = 0,785 rad  = 900  /s = 15,7 rad/s Forgatónyomaték (M) számítás Dinamikus körülményben  =tehetetlenségi nyomaték (mr 2 ); β = szöggyorsulás;  = szögsebesség

Erőmérés könyökhajlítók példáján és a forgatónyomatékok kiszámítása M = Fmért k FiFi Fmért kiki ki Fmért k = Fi ki Fi = Fmért k / ki k Mi = Fi ki Biceps brachii Brachioradialis Brachialis Erőmérő Amennyiben az erőmérő huzalát merőleges az alkar hosszúsági tengelyére, akkor a mért erő erőkarja egyenlő a rögzítés helye és az ízületi forgástengely közötti távolsággal, mivel a két egyenes merőleges egymásra. Fmért = az erőmérő eszköz által mért erő; k= a mért erő erőkarja; Fi = a biceps brachii ereje; ki = a biceps brachii erőkarja; A mért erő forgatónyomatéka A z izom forgatónyomatéka A forgatónyomatékok egyensúlya Az izom által kifejtett erő

Az izomerő (Fi) kiszámítása térdfeszítő izom példáján G kGkG FiFi ki G · kG = Fi · ki Fi = G · kG / ki Patella ín Quadriceps femoris 45 fokos térdszögben az alsó végtag (+ lábfej) súlyerejének az erőkarja nagyobb, mint a térdfeszítő izomfejek erőkarja. Ebből következik, hogy az izomnak nagyobb erőt kell kifejteni, mint a súlyerő.

Az Fi erő nyomó- és nyíróerő komponens értékek kiszámítása G FiFi Fi = FG · kG / ki Fik  Finy Fik = Fi · cos  = Fi · sin  Fik – az izom által kifejtett erő nyomó vagy kompressziós (k) erő komponense; Finy - az izom által kifejtett erő nyíróerő (ny) komponense

A térdízületre ható összes nyomó- és nyíróerő kiszámítása G FiFi F ik F iny Fik = Fi · cos  = Fi · sin  Gny GhGh = G · cos  Gh= G · sin   Fny = Finy +(- Gny)  Fk = Fik + (- Gh)   Fi – a térdfeszítő ereje, Fik – a térdfeszítők nyomóerő komponense, Finy – a térdfeszítők nyíróerő komponense, G. az alsó tag súlyereje, Gk – súlyerő nyomóerő komponense, Gny – a súlyerő nyíróerő komponense,  - az izom húzásának iránya és alsó tag hosszúsági tengelye által bezárt szög, γ – a súlyerő vonala és a nyírerő iránya által bezárt szög.

A REAKCIÓERŐ KISZÁMÍTÁSA G FiFi Fik Finy Gny GhGh Fr  Fny = Finy +(- Gny)  Fk = Fik + (- Gh) Fny – nyíróerő, Fk – nyomóerő, Fi – az izom által kifejtett erő, amely egyenlő a patella ínra ható húzóerővel, G – a mozgatott végtag nehézségi ereje, Fr -reakcióerő Ízületi forgástengely Transzverzális sík

  ’’   =mért  =   =  ’  =  ’ A G erő húzó- és nyíróerő komponens értékeinek kiszámítása G G ny = G cos  G k = G sin  G ny GhGh

Az izomerő (F m ) kiszámítása G lGlG FmFm l Fm G · l G = F m · lFm F m = G · l G / l Fm

Az F m erő nyomó- és nyíróerő komponens értékek kiszámítása G FmFm F m = G l G / lFm F mk  F mny Fmk = F m cos  = F m sin 

Az F m erő nyomó- és nyíróerő komponensének kiszámítása G FmFm F mk F mny Fmk = F m cos  = F m sin  G ny GhGh = G cos  G h = G sin   Fny = Fmny +(- G ny )  Fk = Fmk + (- G h )

A REAKCIÓERŐ KISZÁMÍTÁSA G FmFm Fmk Fmny G ny GhGh  Fny = Fmny + (-G ny )  Fk = Fmk + (-G h ) Fr

Erőmérés Fmér t ki k F F= Fmért · sin ϴM= F · k FiFi Mi= Fi · ki Fi=F · k/ ki

Erőmérés Fmér t ki M= Fmért · k1 k1k1