Kinetická analýza umožňuje určit velikost sil a momentů působících na kloub, které jsou vyvozeny vahou těla působením svalů kladením odporu měkkých tkání vně aplikovaným zatížením jak staticky tak dynamicky a určit situaci, která způsobuje krajní momenty a síly. 1
Statika tibiofemorálního kloubu studuje síly a momenty působící na těleso v rovnovážném stavu, tj. když je těleso v klidu a při konstantní rychlosti. Dvě podmínky rovnováhy musí být splněny: Σ F = 0 Σ M = 0 Dynamika tibiofemorálního kloubu studuje síly a momenty působící na těleso v pohybu tj. při zrychlení nebo zpomalení tělesa. 2
Kinetická analýza Kolenní kloub je složený kloub tibiofemorální kloub patelofemorální kloub 1. statika a dynamika tibiofemorálního kloubu 2. funkce kloubních plotének (menisků) 3. funkce patelly 4. statika a dynamika patellofemorálního kloubu 3
Statika tibiofemorálního kloubu Statická analýza určuje síly a momenty působící na kloub: v klidovém stavu bez pohybu okamžitý stav při dynamické činnosti chůze, běh, zdvihání předmětů Řešení této úlohy prostorově je velmi složité. Proto se problém často zjednodušuje a rovnovážný stav se zkoumá pouze v jedné rovině, tzn. uvažují se tři síly + moment. 4
Statika tibiofemorálního kloubu Jako příklad lze uvést silové působení na tibiofemorální kloub při chůzi do schodů v okamžiku, kdy jedna noha je zdvižená. Dolní část nohy je uvažována jako samostatné těleso oddělené od ostatního těla a tak můžeme graficky znázornit rovnovážný stav této části. 5
Reakce podloží W - známe: velikost rovnající se váze těla (po odečtení váhy dolní části nohy, tj. 1/10 W) směr působení bod působení, tj. bod kontaktu nohy a podkladu Síla patellární šlachy P - známe: směr působení, tj. ven z kolenního kloubu ve směru patelární šlachy bod působení, tj. místo úchytu šlachy neznáme: velikost působící síly Kloubní reakce J - známe: bod působení, tj. kontaktní bod tibiálního plata a femorálních kondyl z rtg neznáme: velikost a směr reakce 6
Dolní část nohy je v rovnovážném stavu všechny tři síly se protínají v jednom bodě, odtud určíme směr působení reakce J. Velikost reakce J a síly P určíme graficky: Tahová síla patellofemorální šlachy P = 3.2 W, reakce J = 4.1 W. Je zřejmé, že svalové působení má mnohem větší vliv na velikost kloubní reakce, než reakce podloží odvozená od tělesné váhy. V tomto případě je určena pouze minimální hodnota reakce v kloubu. Uvažujeme-li další síly vyvozené při stabilizaci kolena, kloubní reakce se zvýší. 7
Dalším krokem statické analýzy je určení momentu, který působí ve středu otáčení tibiofemorálního kloubu. Velikost síly P lze určit z momentové výminky rovnováhy. Opět se určuje minimální hodnota momentu vyvozeného přes patellární šlachu, který působí proti momentu vyvozenému vahou těla při výstupu do schodů. ΣM = 0 W x a P x b = 0 P = (W x a) / b 8
Dynamika tibiofemorálního kloubu Opět jsou jako hlavní síly uvažovány: váha těla působení svalů a dalších měkkých tkání vnější zatížení Síly tření jsou v normálních kloubech zanedbatelné. Na rozdíl od statiky při dynamické analýze musíme brát v úvahu dva další faktory: zrychlení uvažované části těla hmotný moment setrvačnosti uvažované části těla 9
Postup při výpočtu minimálních velikostí sil, které působí na kloub v jednotlivých okamžicích při dynamické aktivitě: 1. rozpoznat anatomické struktury, které vyvozují síly; 2. určit úhlové zrychlení pohybující se části těla; 3. určit hmotný moment setrvačnosti pohybující se části těla; 4. vypočítat otáčivý moment působící na kloub; 5. vypočítat velikost síly hlavního svalu, která způsobí zrychlení uvažované části těla; 6. vypočítat velikost kloubní reakce pro jednotlivé okamžiky pohybu pomocí statické analýzy. 10
1. Rozpoznat struktury lidského těla, které jsou zapojeny při vyvozování síly. Jsou to: pohybující se část těla hlavní svaly, které jsou aktivní při vyvozování pohybu 2. U kloubů končetin zrychlení uvažované části těla zahrnuje změnu úhlu v kloubu. Abychom určili úhlové zrychlení pohybující se části těla je celkový pohyb této části těla zaznamenán fotograficky. Záznam se provádí videofotogrammetricky a dalšími metodami. Pak se vypočítá maximální úhlové zrychlení pro jednotlivé fáze pohybu. 11
3. Určí se hmotný moment setrvačnosti pro pohybující se část těla. Pro jeho určení se mohou použít antropometrické údaje uvažované části těla. Protože výpočet je velmi složitý, jsou běžně používány tabulky. 4. Otáčivý moment působící na kloub vypočítáme pomocí druhého Newtonova zákona, který tvrdí, že když pohyb je úhlový, otáčivý moment je součinem hmotného momentu setrvačnosti části tělesa a úhlového zrychlení této části tělesa: kde T = I. α T [Nm] je otáčivý moment I [Nm sec 2 ] je hmotný moment setrvačnosti α [r/sec 2 ] je úhlové zrychlení 12
5. Otáčivý moment je však také součinem hlavní svalové síly, která způsobuje zrychlení uvažované části těla a kolmé vzdálenosti paprsku této síly od středu otáčení kloubu: T = F. d kde F [N] je síla d [m] je kolmá vzdálenost paprsku působící síly od středu otáčení kloubu T známe, d lze změřit rovnici vyřešíme pro neznámou F. 13
6. Když vypočítáme sílu F, zbývající část problému můžeme řešit jako statický problém při použití rovnovážného stavu tělesa. Určíme tak minimální hodnotu kloubní reakce, která působí na kloub v určitém časovém okamžiku. 14
Příklad: Dynamická analýza kloubní reakce tibiofemorálního kloubu v určitém časovém okamžiku při kopnutí do míče. Byl nafilmován pohyb dolní části nohy a kolenního kloub a bylo zjištěno, že maximální úhlové zrychlení je v okamžiku doteku nohy s míčem. V tomto okamžiku byla noha od kotníku dolů téměř ve vertikální poloze. Pomocí filmových záběrů bylo možno vypočítat maximální úhlové zrychlení - 453 r / sec 2. Z tabulky sestavené z antropometrických údajů je hmotný moment setrvačnosti dolní části nohy 0,35 Nm sec 2. Otáčivý moment lze vypočítat jako součin hmotného momentu setrvačnosti a úhlového zrychlení: T = 0,35 Nm sec2 x 453 r / sec2 = 158,5 Nm 15
Kolmá vzdálenost směru působení patelární šlachy od okamžitého středu otáčení tibiofemorálního kloubu byla určena jako 0,05 m. Pak lze vypočítat sílu svalu, který působí na kloub přes patelární šlachu: 158,5 Nm = F x 0,05 m F = 158,5 Nm /0,05 m F = 3.170 N. Síla 3.170 N je maximální síla vyvinutá čtyřhlavým svalem při kopnutí do míče. 16
Pro určení minimální velikosti kloubní reakce v tibiofemorálním kloubu můžeme nyní použít statickou analýzu. Hlavní síly působící na kloub jsou: síla přenášená přes patelární šlachu gravitační síla dolní části nohy kloubní reakce Síla patelární šlachy a gravitační síla jsou známé vektory. Neznáme velikost ani paprsek působení kloubní reakce. Vektor kloubní reakce vypočítáme z rovnovážného stavu tělesa. Zjištěná hodnota kloubní reakce byla v tomto případě mírně menší než síla patelární šlachy. 17
Dynamická analýza je používána pro zjišťování maximálních hodnot kloubní reakce, svalových sil a sil vazů působících na tibiofemorální kloub při chůzi. Morrison počítal hodnoty kloubní reakce přenášené do tibiálního plata při chůzi. Současně elektromyograficky nahrával svalovou aktivitu, aby určil, které svaly způsobují maximální velikosti sily působící na tibiální plato během chůze. 18
3 4/ HAMSTRINGS (m. adductor magnus) 15 19/ M. QUADRICEPS FEMORIS 15/ m. rectus femoris 16/ m. vastus lateralis 17/ m. vastus medialis 18/ úpon hlav m. quadriceps na patelu 19/ ligamentum patellae 19
MUSCULUS QUADRICEPS FEMORIS NA PŘÍČNÉM ŘEZU: sval pravé strany, pohled shora na řez l / m. rectus femoris 2/ m. vastus medialis 3/ m. vastus lateralis 4/ m. vastus intermedius 20
SVALY BÉRCE PRAVÉ STRANY - ZADNÍ SKUPINA (svaly lýtka) 1) m. gastrocnemius, caput mediale 2) m. gastrocnemius, caput laterale 21
V okamžiku, kdy se pata dotkne podložky, se kloubní reakce zvýší na dvojnásobek až trojnásobek lidské váhy a je spojena s kontrakcí svalu adductor magnus, který brzdí a stabilizuje koleno. Během flexe kolena na začátku "stance phase" je kloubní reakce dvakrát větší než je váha těla a je spojena s kontrakcí čtyřhlavého svalu, který zabraňuje vyboulení kolene. Funkce čtyřhlavého svalu (m. quadriceps femoris) je extense kolenního kloubu a je významným článkem při udržování vzpřímené postavy. Uplatňuje se především při chůzi, při vstávání ze sedu, atd. 22
Maximální kloubní reakce se objevuje na konci "stance phase", chvíli před tím, než špička nohy opustí podložku. Síla se pohybuje v rozmezí dvoj- až čtyřnásobku váhy těla (mění se u různých zkoumaných osob) a je spojena s kontrakcí lýtkového svalu (m. gastrocnemius). Na konci "swing phase" vyvolává kloubní reakci kontrakce svalu adductor magnus a rovná se velikosti odpovídající váze těla. Žádný významný rozdíl nebyl zjištěn mezi muži a ženami při vztažení všech uvedených hodnot k váze osoby. 23
Během chůze se mění působiště kloubní reakce z mediálního na laterální plato. Při fázi stoje, kdy síla dosahuje maximální hodnotu, je převážně přenášena přes mediální plato. Ve fázi zvednuté nohy, kdy je síla minimální, je převážně přenášena přes laterální plato. Kontaktní plocha mediálního tibiálního plata je přibližně o 50% větší než laterálního. Také chrupavka na tomto platu má třikrát silnější vrstvu než u laterálního plata. 24
Funkce kloubních plotének (menisků) U normálního kolene kloubní reakci přenáší jak menisky, tak kloubní chrupavka. Při pohybech kloubu se menisky po tibii posunují ze základní polohy dozadu a zpět, přičemž současně mění tvar. Větší rozsah pohybu vykonává meniskus laterální. 25
U normálního kolene se napětí rozkládá na široké ploše tibiálního plata. Pokud jsou menisky odstraněny, kontaktní plocha je omezena pouze na střední část plata. Odstraněním menisků se zvýší velikost napětí na chrupavce ve středu plata zmenší se velikost kontaktní plochy změní se její umístění. Výzkum prokázal, že po odstranění menisků se zvýší velikost napětí na styčné ploše až třikrát než je tomu v případě neporušené struktury. Vysoké hodnoty napětí na malé kontaktní ploše působící po dlouhou dobu mohou být pro takto exponovanou chrupavku škodlivé. 26
Funkce pately Patela má dvě důležité biomechanické funkce v koleně: 1. pomáhá při extenzi kolena tím, že během celého pohybu posunuje šlachu čtyřhlavého svalu směrem dopředu a tím prodlužuje rameno síly čtyřhlavého svalu; 2. umožňuje rozložení tlakového napětí na femuru na širší ploše tím, že zvětšuje kontaktní plochu mezi patelární šlachou a femurem. 27
Prodloužení ramena síly čtyřhlavého svalu se mění dík přítomnosti pately od plné flexe do plné extenze: 1. při plné flexi je patela mezi kondylami femuru a z toho plyne jen malý posun šlachy ve směru anteriorním a tedy nejmenší zvětšení ramene - asi 10 % celkové délky; 2. při extenzi 45 % je zvětšení ramena největší - asi 30 %; 3. při zvětšující se extenzi nad 45 % se rameno síly mírně zmenšuje síla čtyřhlavého svalu se musí zvýšit. 28
Po odstranění pately leží patelární šlacha blíže ke středu otáčení tibiofemorálního kloubu než je tomu u neporušeného kloubu. Vzhledem ke zkrácenému rameni síly musí čtyřhlavý sval vyvinout větší sílu, aby otáčivý moment kolem kloubu zůstal stejný. Plná extenze kolena po odstranění pately vyžaduje až o 30 % vyšší sílu čtyřhlavého svalu. Takovéto zvýšení síly může u některých pacientů znamenat, že se síla dostane až za hranici kapacity tohoto svalu, zvlášť u pacientů, kteří trpí onemocněním kloubů nebo jsou již v pokročilém věku. 29
Statika a dynamika patellofemorálního kloubu Svalová síla působící během dynamické aktivity na kloub vyvolává reakci v tomto kloubu. Obecně čím větší je síla svalů, tím větší je kloubní reakce. V patellofemorálním kloubu se síla čtyřhlavého svalu zvětšuje s flexí kolena. Během relaxačního vzpřímeného stoje je požadována minimální síla čtyřhlavého svalu na vyvážení malého ohybového momentu kolem patellofemorálního kloubu, protože gravitační střed těla nad kolenem je téměř přímo nad centrem otáčení patellofemorálního kloubu. Při zvětšující se flexi se však gravitační střed posunuje od centra rotace, tím se zvětšuje ohybový moment, který je v rovnováze se silou čtyřhlavého svalu. Protože roste síla čtyřhlavého svalu, proto také roste patellofemorální kloubní reakce. 30
Pohyb kolena ovlivňuje patellofemorální kloubní reakci tím, že se mění úhel mezi silou patelární šlachy a šlachy čtyřhlavého svalu. Úhel těchto dvou silových složek se stává mnohem významnější při flexi kolena, kdy se zvyšuje reakce patellofemorálního kloubu, což je jejich výslednice. 31
Reilly a Martens určili hodnotu patellofemorální kloubní reakce během různé dynamické aktivity, kdy se mění velikost kloubní flexe. Během chůze dochází k relativně malé flexi a proto i kloubní reakce je malá. Maximální hodnota je dosažena ve "stance phase", v okamžiku, kdy je flexe největší a rovná se asi polovině váhy těla. 32
Kloubní reakce je mnohem větší při aktivitách, které vyžadují větší flexi. Při ohybu kolena na 90 % reakce dosáhne 2.5 až 3 násobku váhy těla. Při ohybu kolena je patellofemorální reakce větší než síla čtyřhlavého svalu. 33
Při extenzi kolena se zadní část pately opírá o femur. Při flexi kolena na 90 se kontaktní povrch mezi patelou a femurem přesune směrem vzhůru a jeho velikost se poněkud zvětší. Toto zvětšení kontaktního povrchu při flexi kolena poněkud kompenzuje větší patelofemorální kloubní reakci. Síla čtyřhlavého svalu a otáčivý moment kolem patelofemorálního kloubu mohou být za jistých okolností značně vysoké, zvlášť při flexi kolena. Extrémní situace byla např. pozorována při studiu zevního kroucení kolena při zvedání břemen. Pacienti s poruchou v patelofemorálním kloubu trpí zvyšující se bolestí při flexi kolene. Účinný mechanismus redukce vysokých zatížení je tedy omezit kolenní flexi. 34