Locītavu biomehānika

1. Kaula plēve Blīvā kaulviela Locītavas somiņas ārējais slānis Hialīnais skrimslis Skrimšļa disks Locītavas dobums Locītavas somiņas iekšējais slānis Locītavas somiņa Porainā kaulviela Locītavu biomehānika Visa cilvēka kustību daudzveidība tiek sasniegta pateicoties īpašai kustību aparāta uzbūvei. Lielākā daļa kaulu savienoti ar locītavu palīdzību. Poļu zinātnieki Mareckis, Ekls un Fideļus konstatējuši, ka skeletā ir 148 kustīgi kauli, 29 trīsasu locītavas, 33 locītavas ar divām brīvības pakāpēm un 85 locītavas ar vienu brīvības pakāpi. Locītava ir viskomplicētākais un viskustīgākais kaulu savienojumu veids. Locītavas galvenie elementi ir kaulu locītavas virsmas, locītavas somiņa un locītavas dobums. 1.

2. Kustību raksturu locītavā nosaka locītavas virsmas forma, tādēļ tās uzskata par galveno locītavas elementu. Atkarībā no kustību iespējām, locītavas iedala: 1) vienasu, 2) divasu un 3) trīsasu locītavās. Kustību amplitūdu nosaka locītavu virsmu neatbilstība. To var ierobežot locītavas somiņa, locītavas saites, papildus kauli un muskuļi. Locītavā savienoto kaulu skaits var būt dažāds: divi kauli - lāpstiņa un augšdelma kauls, trīs - augšdelma un divi apakšdelma kauli, pieci - divi apakšdelma kauli un trīs plaukstas pamata kauli. Tomēr iespēja kustēties nav atkarīga no kaulu skaita locītavā. 2.

3. Atslēgas kauls Lāpstiņa Augšdelma kauls Saliek- šana Atliekšana Trīs brīvības pakāpes ir locītavām ar lodveida formu, piem., pleca un gūžas locītavas. Šeit iespējama saliekšana un iztaisnošana, atcelšana un pievilkšana, kā arī kaula rotācija ap tā garenasi. Atcel- šana Rotācija Pievilkšana 3.

4. Daudzasu locītava- lodveida Daudzasu locītava- riekstveida Divasu locītava- eliptiskā Divasu locītava- sedlveida Pārtrauktie kaulu savienojumi/ pēcЙоганес Роен, 1998 4.

5. Divas brīvības pakāpes ir eliptiskai un sedlveida locītavai, piemēram, plaukstas locītavai. Varam plaukstu saliekt un atliekt, atcelt un pievilkt. Pievilkšana Saliekšana Augšdelma kauls Elkoņa kauls Spieķa kauls Saliekšanas-atliekšanas ass Saliekšana Pievilkšanas-atcelšanas ass Atcelšana Spieķa kauls Atliekšana Delnas kauls Ass Elkoņa kauls Atliekšana Viena brīvības pakāpe ir cilindriskajai un blokveida locītavai, piemēram, elkoņa locītava, kurā iespējama saliekšana un atliekšana. 5.

6. Vienasu locītava- cilindriskā Vienasu locītava- blokveida Daudzasu locītava- plakanā 6.

7. LOCĪTAVU BERZE No mehānikas viedokļa locītavas ir savdabīgi gultņi, kuros sinoviālai šķidrums izpilda smērvielas lomu, locītavu skrimšļi ir nesošās virsmas, bet berzi novērtē ar slīdes berzes koeficientu. Normālos apstākļos enerģijas patēriņš šis berzes pārvarēšanai ir neliels, slīdes berzes koeficienta lielums svārstās robežās no 0,005 līdz 0,02. Mēģināsim šo jautājumu ilustrēt ar praktisku piemēru. Ejot cilvēks izpilda darbu, kas tiek patērēts ne tikai, lai pārvietotu ķermeni uz priekšu, bet arī lai pārvarētu berzi locītavās, tai skaitā gūžas locītavā. Pieņemsim, ka augšstilba kaula galvas rādiuss ir apmēram 2 cm un kāja, izpildot soli, pagriežas par apmēram 1 radiānu (570). Tas nozīmē, ka saskarsmes virsmas noiet apmēram 2 cm garu ceļu. Spiediens uz kaula galvu atkarībā no iešanas ātruma var vairākkārt pārsniegt paša cilvēka svaru. Berzes spēka lielums vienāds ar spiediena spēka un berzes koeficienta reizinājumu. Darbu, kas jāpatērē šī berzes spēka pārvarēšanai, iegūst sareizinot berzes spēku ar ceļu. Ja ņemtu tādu berzes koeficenta vērtību, kas raksturīga nesamitrinātām, neieeļļotām virsmām (~0,2), tad darbs berzes pārvarēšanai gūžas locītavā būtu vienāds ar darbu, kas tiek patērēts, lai cilvēks sevi paceltu 3 cm augstumā. Enerģija, kas tiktu patērēta, lai pārvarētu berzes spēku, locītavās atbrīvotos siltuma veidā. Iespējams, ka izpildot ilgstošas, enerģiskas kustības, locītavām draudētu pārkaršana. 7.

8. Eksperimentāli pierādīts, ka pasīvo pretestību locītavās ietekmē sinoviālā šķidruma daudzums un temperatūra uz locītavas virsmām. Berze samazinās, paaugstinoties locītavas temperatūrai un palielinoties sinoviālā šķidruma daudzumam. Neskatoties uz ļoti pilnīgu termoregulāciju dzīvos organismos, intensīva fizisko vingrinājumu izpilde paaugstina kā visa ķermeņa temperatūru, tā arī temperatūru muskuļos un uz locītavu virsmām. Piemēram, ar locītavās ieaudzētu termopāru palīdzību parādīts, ka suņiem pēc 30 minūšu skrējiena locītavu temperatūra izmainījās vidēdi par 2,70. Vienlaikus ar ķermeņa t0 paaugstināšanos, samazinās muskuļu iestiepšanas pasīvā elastīgā pretestība. Pierādīta sakarība starp intensīvu fizisku darbu un sinoviālā šķidruma daudzumu locītavās. Eksperimentāli ir konstatēts, ka pēc 12 mēnešus ilga intensīva fiziska darba sinoviālā šķidruma daudzums locītavās palielinājās divas reizes. Šīs zināšanas palīdz izprast iesildīšanas jēgu un treniņa ietemki uz locītavu mehāniku. 8..

9. LOCĪTAVU ŠĶIDRUMS Locītavu šķidrumu jeb sinoviju izdala locītavas somiņas iekšējā slāņa sinoviocīti. Tas ir asiņu ultrafiltrāts, tāpēc pēc sastāva ir līdzīgs asins plazmai, tikai ar mazāku olbaltumvielu daudzumu. Bez tam tajā ir hialuronskābe - polisaharīds, kura garās molekulas ir saistītas ar olbaltumvielām. To izdala B sinoviocīti. Sinovijam piemīt augsta viskozitāte, kas daudzkārt pārsniedz asiņu viskozitāti. Locītavas somiņa notur sinoviju locītavā slodzes laikā un zināmā mērā pretdarbojas locītavas iekšējam spiedienam. Slodzes laikā, kaula galviņai iespiežoties otra kaula locītavas bedrītē, rodas spiediens, kas izspiež locītavas šķidrumu uz sāniem. Locītavas skrimslī ir mikroskopiskas poras pa kurām iekļūst sinovijs. Poru diametrs ir tik neliels, ka strauja tā izspiešana ir apgrūtināta. NENOSLOGOTIE RAJONI, KURI UZSŪC SINOVIJU NOSLOGOTAIS RAJONS NO KURA TIEK IZSPIESTS SINOVIJS 9.

10. Blīvā kaulviela Porainā kaulviela 10.

11. Ir pierādīts, ka, no fizikālā viedokļa, sinovijam piemīt spilgti izteikts pseidoplastiskums (pseido - neīsts, šķietams; plastiskums - cietu ķermeņu īpašība padoties veidošanai, deformācijai un saglabāt pēc tās radušos formu) un tiksotropās īpašības. Dažādos pētījumos ir noskaidrots, ka sinovija viskozitāte (stigrība, gāzu un šķidrumu spēja pretoties tecēšanai) samazinās, palielinoties ātruma gradientam. To labi ilustrē dati, kas iegūti novērojumos ar spieķa un pēdas pamata kaulu locītavu liellopiem. Jā ātruma gradients ir 0,1 s-1, viskozitāte ir 50 Pz (Puazeli), kas 5000 reizes pārsniedz ūdens viskozitāti. Ja ātruma gradients ir 1000 s-1, viskozitāte ir ap 0,1 Pz, kas ir tikai 10 lielāka kā ūdenim. Tas nozīmē, ka, palielinoties ātruma gradientam, viskozitāte ir samazinājusies 500 reizes. Locītavās, kurās sinovijā ir mazāk hialuronskābes, arī tā viskozitāte ir mazāka. Ātruma gradients locītavās var būt līdz 105 s-1. Šis lielums gan ir tikai aptuvens, jo locītavas sprauga ir šaura, grūti izmērāma un tās platums ir atkarīgs no slodzes. Katrā gadījumā, sinoviju kā pseidoplastisku šķidrumu ir grūtāk izspiest no locītavas, kā Ņūtona tipa šķidrumu (ideāls šķidrums). Sinovija viskozitāti slodzes laikā var regulēt arī, uzņemot ūdeni no sinovija caur hialīnā skrimšļa porām. Kavitācija (dobumu - burbuļu veidošanās kustībā esošā šķidrumā) sinoviālajā šķidrumā izsauc locītavu knakšķēšanu. 11.

12. Reti, kad materiālu viskozitātes-elastības īpašības būs tik vienkāršas, kā mūsu augstāk minētajā piemērā. Kad uz polimēru iedarbojas pastāvīga slodze, kas izsauc materiāla deformāciju, šai deformācijai var izdalīt trīs komponentus: 1) momentānā elatīgā deformācija, kas rodas tūdaļ pēc slodzes pielikšanas un pazūd līdz ar slodzes noņemšanu, 2) lēnā elastīgā deformācija, kuras pieaugums palēninās visu slodzes iedarbības laiku. Tas ir deformācijas veids, ko atspoguļo pēdējā formula, bet parasti tas tikai daļēji atbilst šai formulai. Atšķirības starp teorētiskajiem aprēķiniem un praktiskajiem rezultātiem rodas, jo reālam materiālam ir vairāki palēninājuma laiki . Pēc slodzes noņemšanas, lēnā elastīgā deformācija izzūd ar palēninošos ātrumu. 3) viskozā tecēšana pieaug ar pastāvīgu ātrumu slodzes iedarbības laikā un saglabājas pēc slodzes izzušanas.Polimēru materiāliem ar šķērssaitēm, šis komponents izpaliek, ja vien šķērssaites deformācijas laikā netiek pārrautas. 12.

13. Spriegums Deformācija I II Laiks III IV Viskozi-elastīga materiāla deformācija pastāvīgas slodzes ietekmē un pēc tās. I - momentānā elastīgā deformācija, II - lēnā elastīgā deformācija, III - viskozā tecēšana, IV - summārā deformācija. 13.

14. Grafika ceturtā līkne atspoguļo visu trīs deformācijas veidu mijiedarbību. Šādu līkni iegūst, kad uz kādu polimēru materiālu iedarbojas deformējošs spēks. Precīza līknes forma ir atkarīga no konkrētā materiāla. Materiāla “uzvedība” būs atkarīga arī no slodzes iedarbības ilguma. Īslaicīgas slodzes laikā, materiāls var darboties kā kaučukam līdzīgs ciets priekšmets, bet ilgstošas slodzes laikā kā viskozs šķidrums. Šāds īpašību komplekts ir, piemēram, polidimetilsiloksānam. Ja bumbiņa no šī materiāla nokrīt uz grīdas, tā paleksies līdzīgi gumijas gabalam, bet , ja bumbiņu atstās guļot uz galda, tā ļoti lēnām izplūdīs, kamēr pārvērtīsies par bezveidīgu plāceni. 14.