A CSONTOK BIOMECHANIKÁJA

Az előadások a következő témára: "A CSONTOK BIOMECHANIKÁJA"— Előadás másolata:

1 A CSONTOK BIOMECHANIKÁJA

2 A CSONTOK SZERKEZETE

3 A csontok felépítésének alapja:
lehető legkisebb tömeg mellett lehető legnagyobb teherbírás

4 Osztályozás alak szerint
csöves (végtagok) lapos (mellcsont, koponya) szabálytalan (csigolyák)

5 A csontmátrix szerves, szervetlen anyagokat és folyadékot tartalmaz
Szerves – 39%, 95 % kollagén, 5% proteoglykan Szervetlen – 49%, ásványi anyag (kálcium hydroxiapetite kristályok) Folyadék – 12%

6

7 A csont fejlődése

8

9 Epiphysis - the ‘head’ of the bone.
Tömör csontállomány Szivacsos csontállomány Velőüreg Ízületi felszín Hyaline cartilage - covers the ends of the bones, stops them rubbing together and absorbs shock. Epiphysis - the ‘head’ of the bone. Cancellous bone - spongy bone that stores the red bone marrow; where blood cells are made. Epiphyseal plate – the area where bones grow in length. Diaphysis - the shaft. Compact bone – hard, dense bone. It gives strength to the hollow part of the bone. Periosteum – a protective layer where there is no hyaline cartilage. Ligaments and tendons attach to the periosteum. Medullary cavity/marrow cavity - contains the yellow bone marrow; where white blood cells are made.

10

11

12 Central Harvesian canal

13 Ásványi anyag tartalom – keménység
Kollagén – erő A csont mechanikai tulajdonságai a kollagén és ásványi anyag tartalom közötti egyensúlyt fejezik ki. A csont ásványi anyag tartalom jelentősége: a testnek merev támaszt ad, a test ásványi anyag tartalmának homeosztázisát tartja fenn

14 A CSONTOK TÍPUSAI Tömör Szivacsos Porozitás: 5-30 % Porozitás: 30-90 %
Kemény Rugalmas Stress Deformáció 2% 75% Formái: lemezes sodronyszerű

15 A csontokra ható erők Húzó Nyomó Hajlító Nyíró Csavaró

16 A csontokra ható erők nyújtó (húzó)

17 torziós/csavaró

18 de ellentétes irányú erő,
Húzóerő A húzóerő két azonos nagyságú, egy vonalon ható, de ellentétes irányú erő, amely a test részecskéi, illetve a test végei közötti távolságot növeli A húzóerő párhuzamos a test hosszúsági tengelyével és merőleges a test transzverzális síkjára F ̴ A Kétszer akkora terület Kétszer akkora erő/ellenállás

19 Nyomóerő A nyomóerő két azonos nagyságú, egy vonalon ható,
egymás felé mutató erő, amely a test részecskéi, illetve a test végei közötti távolságot csökkenti A nyomóerő párhuzamos a test hosszúsági tengelyével és merőleges a test transzverzális síkjára

20 amely a test részecskéit, illetve végeit egymáson elcsúsztatja
Nyíróerő A nyíróerő két azonos nagyságú, nem egy vonalon ható, egymás felé mutató erő, amely a test részecskéit, illetve végeit egymáson elcsúsztatja A nyíróerő párhuzamos a test transzverzális síkjával és merőleges a test hosszúsági tengelyére

21 Csavaró erő A csavaróerő
két azonos nagyságú, a test tengelye körül ható, egymás felé mutató erő, amely a test részecskéit, illetve végeit ellentétes irányban forgatja A csavaróerő párhuzamos a test transzverzális síkjával és merőleges a test hosszúsági tengelyére, de nem megy át rajta F ̴ r4 Kétszer akkora sugár tizenhatszor akkora erő/ellenállás

22 Terhelés hatására deformáció
The rat ulna is strained more on the medial (top) surface when loaded. The bottom figure shows the strain profile across the loaded ulna. The strains are designated in units of microstrain. Positive values are tensile strain and negative values are compressive strain. Bone formation is shown in the right panel. The bright lines within the bone show labels at the beginning of loading.

23 Egy (kettő) a test hosszúsági tengelyére merőlegesen ható erő,
Hajlító erő A hajlító erő Egy (kettő) a test hosszúsági tengelyére merőlegesen ható erő, amely a test részecskéit az egyik oldalon közelíti, a másik oldalon tavolítja L s ̴ L3 A hajlító erő merőleges a test hosszúsági tengelyére Kétszer akkora hossz nyolcszor akkora lehajlás

24 Csont teherbírása Comparison of published human tibia compact bone material properties in axial compression

25 Stress (MPa) 250 200 150 200 100 130 50 70 NYOMÓ HÚZÓ NYÍRÓ

26 F=P•A Fnyomóerőmax=55,4kN Példa: csont felszín = Tibia
külső kör felszín-belső kör felszín Tibia Acsont=1,252∏-0,652∏ Acsont=3,579cm2=0, m2 Pátlag=155MPa F=P•A Fnyomóerőmax=55,4kN

27

28 FESZÜLÉS (STRESS) – MEGNYÚLÁS (STRAIN)

29

30 Erő FÉM ÜVEG CSONT Deformáció

31 stress - strain tulajdonságok
Kérgi vagy tömör csont feszülésnövekedése (stiffnesse) nagyobb, mint a szivacsos csontoké. A tömör csont nagyobb stress hatásnak áll ellent, mint a nyújtó hatásnak 2%-os nyújtásnál szakadás, törés Szivacsos csont 75 %-os nyújtás után törik Nagy elasztikus energia tároló kapacitás

32 Összetett erőhatás

33

34 A nyújtás irányának hatása a stress-strain görbékre

35

36 Terhelés sebességváltozásának hatása a csont deformációjára

37 Sérülés különböző terhelések hatására

38 Csont regenerációja

39 Fáradásos törés

40 három pontos hajlítás

41 NÉGY pontos hajlítás

42 10 N M= 10x 0.4 = 4 Nm M1=10x0.15= 1.5 M2=10x0.15= 1.5 M1 + M2= 3 Nm

43 Terület tehetetlenségi nyomaték
B x H3 12 4 x 1 2 x 2 1 x 4 4/12 16/12 64/12

44 A CSAVAR ÉS HELYÉNEK HATÁSA A CSONT MECHANIKAI VISELKEDÉSÉRE

45 IMMOBILIZÁCIÓ

46 bed rest： ~ 1% of loss of bone mass per week

47 Életkor hatása

48 Az életkor hatása a stress-strain jellemzőkre

49 Osteoporosis Fiatal Idős

50 Fiatal Idős

51

52 CSONTSŰRŰSÉG L2-L3-L4 femur nyak rádius g/cm2 1.35 1.22 1.18 1.02 0.77
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 g/cm2

53 CSONTSŰRŰSÉG 13 aktív súlyemelõk 34 29.6 volt ugróatléták (40 -55 év)
27 L2-L4 femur nyak edzett menopauza utáni nõk 3.8 edzettlen menopauza utáni nõk -1.9 -10 10 20 30 40 százalék