1
25_11_09 2
В 2003 г. в мире имплантировано более 1 миллиона эндопротезов. По многочисленным публикациям врачей клиник мира, выживаемость оригинального эндопротеза с ножкой Мюллера на протяжении 15 лет эксплуатации составляет 98 процентов Цементная ножка Мюллера фирмы Zimmer 3
Эндопротезы тазобедренного сустава Stryker 4
Эндопротез тазобедренного сустава De. Puy 5
25_11_09 6
Строение тазобедренного сустава Тазобедренный сустав - анатомия сустава Тазобедренный сустав включает вертлужную впадину тазовой кости и головку бедренной кости. По краю вертлужной впадины имеется хрящеобразная ткань, которая увеличивает площадь сустава. Сам сустав покрыт капсулой которая укреплена связками. Внутренняя поверхность сустава образована так называемой синовиальной оболочкой. Ее функция – выработка синовиальной жидкости, которая служит смазкой между суставными хрящами. Со всех сторон сустав прикрывают мышцы. Связки тазобедренного сустава. Вид спереди. 1 -верхняя передняя подвздошная ость; 2 -нижняя передняя подвздошная ость; 3 -подвздошно-бедренная связка; 4 -капсула тазобедренного сустава; 5 -лобковобедренная связка; 6 -лакунарная (Куперова) связка; 7 -малый вертел; 8 -межвертельная линия; большой вертел Тазобедренный сустав (articulartio coxae), правый. Фронтальный разрез. 1 -тазовая кость; 2 -суставной хрящ; 3 полость сустава; 4 -связка головки бедренной кость; 5 -вертлужная губа; 6 -поперечная связка вертлужной 7 впадины; 7 -круговая зона; 8 -большой вертел; 9 -головка бедренной кости.
Требования к современным протезам тазобедренного сустава: Защищает кость в вертлужной впадине Обеспечивает хороший объем движений Обладает высокой устойчивостью к износу Имеет диаметр головки близкий к натуральному Позволяет хирургу изменять длину конечности Требует небольшого операционного разреза при установке 8
Пациент № 22 На рентгенограмме и серии КТ костей таза определяются переломы крестца (линия перелома проходит через крестцовые отверстия) с двух сторон. Перелом верхней и нижней дуги лонной кости справа. Перелом верхней дуги лонной кости слева. Дистальный конец винта в полости тазобедренного сустава слева. Фиксация отломков верхней дуги лонной кости неудовлетворительная. 9
JPEG 10
Индекс асимметрии подсчитываем для каждого уровня Индекс асимметрии в зависимости от положение среза в трансверсальной плоскости на уровне 1 2 0, 05 0, 06 3 фронтальной плоскости на уровне 1 2 0, 06 3 0, 03 11
Р = 130 = 10 = 6 12
U Langlotz, P A Grutzner, K Bernsmann, J H Kowal, M Tannast, M Caversaccio, and L-P Nolte (Germany) Accuracy considerations in navigated cup placement for total hip arthroplasty. Proc. IMech. E. 2007. Vol. 221 Part H: J. Engineering in Medicine Соображения о точности определения места положения чашечки для тотального эндопротезирования 13
Объект протезирования человеческий организм Протез, имплантат Основная цель операции: восстановить утраченную функцию нижней конечности. Необходимо знать: состояние, строение и свойства тканей органа (мягких, твердых) организма до операции антропометрические признаки человека состояние, строение и свойства материалов деталей протеза. 14
Строение и свойства костной ткани 15
В костном скелете различают компактную и спонгиозную (губчатую) костные ткани. 16
Кости скелета из различной костной ткани Структура различных по форме костей (А, Е, В. Г. Д), силовые линии в губчатом веществе (а. б, в, г) и контрфорсы челюстей. А, а – большеберцовая кость; Б, б – проксимальный эпифиз бедренной кости; В, в – поясничный позвонок; Г, г – пяточная 17 кость; Д – череп.
18
В костном скелете различают компактную и спонгиозную (губчатую) костные ткани. 19
Структурные уровни компактной костной ткани а) биополимерная макромолекула тропоколлагена и неорганические кристаллы, б) микрофибрилла коллагена, в) волокно (множество микрофибрилл и микрокристаллов), г) ламеллы тонкие пластинки - коллагеноминеральные композиции, д) остеоны - строятся из костных ламелл 20
21
22
23
Схема образования остеона 24
25
Строение компактной костной ткани Строение остеонов — структурных единиц кости и их композиция в компактном веществе кости. 1 - пластинки компактного вещества; 2 — остеон; 3 — шарпеевские волокна; 4 — надкостница; 5 — губчатое вещество; 6 — фолькмановский канал 26
Оценки характеристик Механические характеристики компактной ткани длинных костей 27
Спонгиозная костная ткань составляет приблизительно 20 % массы скелета. Она образует позвонки, эпифизарные отделы трубчатых костей, внутренний слой ребер и лопаток. Пространственная структура спонгиозной костной ткани сформирована из трабекул – костных балочек. Трабекулы образованы из костных ламелл цилиндрической или плоской формы толщиной 0, 2… 0, 6 мм и длиной 1, 8 мм. Пространство между трабекулами заполнено красным и желтым костным мозгом, различными клетками и межклеточной жидкостью. 28
29
Влияние возраста на физико-механические свойства спонгиозной костной ткани большеберцовой кости 30
31
Остеопороз костной ткани Влияние на состояние и свойства костной ткани оказывают: возраст, пол, раса, физиологическое состояние, патологии, образ жизни, нагрузки 60 лет 92 года 32
33
34
35
Анизотропные свойства кортикальных образцов человеческой бедренной кости 36
Изготовление образцов для определения механических характеристик трабекул спонгиозной костной ткани (а) Срез кости, из которой были получены образцы для испытания: (а) вид образца сбоку; (б) вид сверху. Т - трабекула, G - клей. (b) 37
Испытание образцов из костной ткани 38
Значения механических характеристик спонгиозной ткани, приводимые в литературе, имеют очень большой разброс: для модуля упругости при сжатии влажной спонгиозной костной ткани эпифизов длинных трубчатых костей человека диапазон изменения значений 26… 600 МПа, для разрушающей деформации при сжатии – 1, 25… 24 %, для разрушающего напряжения при сжатии – 3, 7… 11, 4 МПа. ПОЧЕМУ ТАКОЙ ШИРОКИЙ ДИАПАЗОН ИЗМЕНЕНИЯ? Вязкоупругая составляющая комплексного динамического модуля упругости незначительна. Ударные воздействия амортизируют в основном трабекулы за счет упругого деформирования и частичного разрушения. Выделяют три вида разрушения трабекул: образование трещин между ламеллами трабекул при медленном статическом нагружении; образование трещин, проходящих через ламеллы; распространение трещин. 39
RUIMERMAN R. and HUISKES R. Development of a unifying theory for mechanical adaptation and maintenance of trabecular bone. Theoretical Issues in Ergonomics Science Vol. 6, No. 3– 4, May–August 2005, 225– 238 Разработка объединенной теории механической адаптации и восстановления трабекулярной кости 40
E PERILLI, M. BALEANI, W. RAATJES, F. BARUFFALDI, A. CAPPELLO and A. TONI. COMPRESSIVE PROPERTIES OF TRABECULAR BONE RELATED TO MICROCT EVALUATED MORPHOMETRIC PARAMETERS : PRELIMINARY RESULTS Journal of Mechanics in Medicine and Biology Vol. 5, No. 2 (2005) 349– 355 СОПРОТИВЛЕНИЕ СЖАТИЮ ТРАБЕКУЛЯРНОЙ КОСТИ, УСТАНАВЛИВАЕМЫЕ МИКРООЦЕНИВАНИЕМ МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ. Трехмерное восстановление образца по срезам, полученных µCT-сканером. До (слева) и после (справа) испытания. Область, где произошел отказ при механическом нагружении обозначен стрелками. 41
Строение и свойства суставной хрящевой ткани 42
СТРОЕНИЕ ХРЯЩА – коллагеновые волокна +ходроциты+связующее вещество. В твердой фазе хряща, составляющей около 30 % его массы, содержится примерно 40 % хондроцитов (хрящевых клеток), 25 % протогликанов (связующего вещества), 35 % коллагенового волокна. В норме хрящ не содержит лимфатических и кровеносных сосудов, нервов. Суставный хрящ покрывает концевые поверхности трубчатых костей в синовиальных суставах. Хрящ находится в синовиальной жидкости, которая обеспечивает его питание и 43 служит смазкой.
Хрящ обеспечивает низкий коэффициент трения в суставе (от 0, 005 до 0, 012) и уменьшает концентрацию напряжения в костях, так как его коэффициент жесткости в 10 раз меньше, чем у субхондриальной (находящейся под хрящом) поверхности кости. С увеличением нагрузки на суставы вязкость синовиальной жидкости увеличивается. Во время нагружения хрящ выделяет, а при растяжении – поглощает синовиальную жидкость. Суставный хрящ – пористый нелинейно вязкоупругий анизотропный материал, для которого характерно неоднородное распределение механических свойств по суставной поверхности. Толщина суставного хряща составляет около 2 мм. 44
45
Модуль упругости суставного хряща меняется от 2, 3 до 50 МПа, а модуль сдвига – от 0, 4 до 4, 1 МПа. Коэффициент Пуассона близок к 0, 5. Разрушающие растягивающие напряжения для наружного слоя хряща бедренной кости вдоль и поперек направления коллагеновых волокон оставляют соответственно 25, 5 и 9, 8 МПа. 46
Установка для ударных испытаний хряща 47
Хрящ мениска на испытательном столике 48
Строение и функционирование скелетных мышц 49
Активной частью аппарата движения являются мышцы и их вспомогательный аппарат. Скелетная мышца – единый орган, обладающий сложной структурной организацией, сократительной способностью, адаптивностью. Общее число скелетных мышц в теле человека – более 600. Масса их составляет у женщин до 28… 35 % от массы тела, а у мужчин – до 40… 45 %, у спортсменов – 45… 55 %. Приблизительно 50 % общей массы скелетных мышц приходится на нижние конечности, 30 % – на верхние конечности 20 % – на мышцы головы и туловища. 50
Всю мышцу окружает тонкий чехол соединительной ткани – эпимизиум, группу волокон – перимизиум, а каждое мышечное волокно соединительная оболочка – эндомизиум. Соединительные ткани участвуют в креплении концов мышечных волокон к сухожилиям. Мышцы имеют развитую сеть кровеносных сосудов, проходящих вдоль прослоек перимизиума. Соединительные оболочки мышцы и сеть кровеносных сосудов играют роль упругих элементов при сокращении мышцы. Эпи – сверх, пери – возле (около), эндо – внутри. 51
Мышечное волокно (10 -100 мкм в диаметре) состоит из миофибрилл (1 -2 мкм в диаметре). Общее число миофибрилл в волокне может достигать 2000. Миофибрилла образована миофиламентами, состоящими из плотно упакованных продольно вытянутых актиновых и миозиновых филаментов. Поперечные мембраны разделяют миофибриллу на более мелкие волокна – саркомеры, которые обладают способностью сокращаться. 25_11_09 Чередуются светлые и темные полосы – диски. Темные полосы обладают свойством двойного лучепреломления в поляризован-ном свете. Это анизотропные А-диски, светлые полосы – изотропные I-диски. Через середины I-дисков проходит темная Z-линия (Zмембрана, или Z-диск). 52
Тонкие актиновые нити крепятся к Z-дискам, а толстые миозиновые нити сосредоточены в А-диске. Миозиновая нить имеет выступы – поперечные мостики, расположенные под углом 120° друг относительно друга на определенном расстоянии между каждой тройкой мостиков. Тонкие и толстые нити находятся строго в узлах гексагональной решетки. Типичное мышечное волокно человека, имеющее длину 5 см, содержит 2000 саркомеров. 53
Тонкие актиновые нити как бы втягиваются в промежутки между толстыми миозиновыми. При этом происходит скольжение нитей без заметного изменения их длины. Поперечные мостики взаимодействуют с активными центрами тонкой нити, замыкаясь и размыкаясь. Цикл размыкания-замыкания сопровождается расщеплением молеку- лы АТФ (аденозинтрифосфата). Этот молекулярный Характер исчерченности и расположение толстых и тонких нитей в растянутой (расслабленной), частично напряженной и сократившейся мышце. механизм сокращения мышцы описывается теорией скользящих нитей. 54
55
Зависимость действующего усилия, возникающего в мышце, от ее длины. Иллюстрация сверху: влияние длины мышцы на числе активных замкнутых мостиков. 56
Реакция единичного волокна мышцы или всей мышцы при искусственном однократном электрическом раздражении всех входящих в нее волокон называется одиночным сокращением. Изометрическое и изотоническое сокращение мышцы. Механическая реакция мышцы на однократное электрическое раздражение продолжительностью приблизительно 1 msec как растяжение (A) или укорочение (B). Сокращение мышцы является изотоническим, если ее укорочение происходит против постоянно действующей внешней силы. При изотоническом одиночном сокращении мышца укорачивается до тех пор, пока сократительные элементы развивают силу, превышающую вес груза. Как только сила становится меньше этого уровня, укорочение прекращается и мышца снова удлиняется до прежнего состояния. 57
При исследовании сократительных свойств мышц волокна закрепляют, не давая им укорачиваться. Одиночное сокращение мышцы в случае закрепления ее концов называют изометрическим – происходящим при неизменной длине. Напряжения, возникающие в мышце, фиксируют с помощью датчика, находящегося на одном из концов мышцы. Одиночное сокращение скелетной мышцы: медиальной прямой глаза, трехглавой мышцы плеча и камбаловидной мышцы. Короткий период от стимуляции до момента фактического сокращения латентный период, время укорачивания - период сокращения время удлинения - возврат к начальной длине - релаксационный период. Продолжительности этих периодов изменяются значительно от мышцы к мышце. 58
Если одиночные импульсы приходят к волокну раньше, чем окончилось расслабление после предыдущего одиночного сокращения, то происходит наложение ответных реакций волокна. При ритмичной стимуляции мышцы развиваемая ею сила будет переменной, если возможно межимпульсное расслабление. Эту форму сокращения называют зубчатым тетанусом. Если частота велика, то мышца находится в состоянии максимальной активации и поддерживается постоянное максимальное для мышцы усилие. Эта форма сокращения называется гладким тетанусом (ему соответствует частота от 5 до 500 Гц). Для обычных мышц с диаметром миофибрилл около 1 мкм время расслабления составляет около 10 мс. Поэтому предельная частота внешнего воздействия, при которой скелетная мышца может отвечать неслитными сокращениями, равна примерно 100 Гц. Максимальную силу, развиваемую мышцей, определяют при изометрическом тетанусе продолжительностью 1, 5… 5 с. Наибольшие значения силы мышцы могут отличаться от значений силы, найденной для отдельного ее волокна 59
Зависимость силы от длины мышцы при прогрессивно уменьшающихся количествах соединительной ткани 60
Зависимость усилия мышцы от ее длины при различных уровнях стимуляции мышцы. Ноль обозначает начальную длину 61
Зависимость силы от скорости при сокращении мышцы 62
На механические характеристики мышц, такие как развиваемая сила, скорость укорочения при различных нагрузках, оказывает влияние расположение отдельных волокон в мышце 63
Продолжение лекции СВОЙСТВА ТКАНЕЙ 64
Диаграмма скоординированного перемещения. Первичный мышца (агонист) сокращается, в то время как антагонист расслабляется. В действительности, другие мышцы также включаются в эти перемещения 65
Ускоряющие и стабилизирующие мышцы, также называются как spurt and shunt мышцы 66
Gielo-Рerczak K. Musculoskeletal modeling in biomedical education. Theoretical Issues in Ergonomics Science. Vol. 6, №. 3– 4, May–August 2005, 299– 304 Мускулоскелетное моделирование в биомедицинском образовании 67
GIELO-PERCZAK K. State-of-the-art musculoskeletal modeling and prognosis of its influence on the future directions of ergonomics theory. Theoretical Issues in Ergonomics Science Vol. 6, No. 3– 4, May–August 2005, 213– 216 Современное скелетное моделирование и прогноз его влияния на будущие направления теории эргономики H. S. GILL The role of Roentgen Stereophotogrammetric Analysis in musculoskeletal modelling of orthopaedic implants. Theoretical Issues in Ergonomics Science Vol. 6, No. 3– 4, May–August 2005, 265– 270 Роль рентгеновского стериофотограмметрического анализа в скелетном моделировании ортопедических имплантатов J. P. PAUL. The history of musculoskeletal modelling in human gait. Theoretical Issues in Ergonomics Science. Vol. 6, No. 3– 4, May–August 2005, 217– 224. История мускулоскелетного моделирования человеческой походки. 68
Строение и механические свойства сухожилий Мышцы никогда непосредственно не крепятся к костям скелета. Соединительные части мышц – сухожилия – обеспечивают крепление мышц к костям, а также передачу мышечных усилий. Сухожилия бывают короткими и длинными; кроме того, имеются сухожилия растяжения – апоневрозы (например, сухожилия косых мышц живота). Сухожилия соединяются с мышечными волокнами посредством коллагеновых волокон. На концах мышечных волокон сарколемма образует глубокие пальцеобразные выросты, между которыми располагаются коллагеновые волокна сухожилия. Строение и толщина сухожильных пучков волокон определяются силами продольного нагружения сухожилия. Сухожилия соединяются с костями посредством врастания их коллагеновых волокон в надкостницу или надхрящницу, либо непосредственно в кость или хрящ. Сухожилия состоят из плотной соединительной ткани, богатой коллагеновыми волокнами. 69
Прочность сухожилия при растяжении достигает от 44 до 67 МПа, для дельтовидного сухожилия было получено значение разрушающего напряжения порядка 0, 6 МПа, но и это значительно больше, чем для мышц. Механические свойства сухожилий зависят от пола и возраста человека. Максимальную прочность сухожилия приобретают к 21… 25 годам. Для сухожилия длинного разгибателя пальца получены значения разрушающего напряжения 49, 1 ± 13, 8 МПа, разрушающей деформации 7, 5 ± 0, 8 % касательного модуля упругости Е = 929 ± 270 МПа 70
JOSEPH E. LANGENDERFER, RICHARD E. HUGHES and JAMES E. CARPENTER A stochastic model of elbow flexion strength for subjects with and without long head biceps tear. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, Vol. 8, No. 5, October 2005, 315– 322 Стохастическая модель локтя, изгибаемого силой, с и без разрыва длинной головки бицепса 71
Свойства связок позвоночника 72
Позвонки соединяются между собой связками: передней ALL (6) и задней PLL (5) продольными, надостистой SSL (2), межостистой ISL (3) , желтой LF (1), межпоперечной (4) и поперечно-остистой. межпозвонковый диск (7) фиброзное кольцо JS (8) 73
СВЯЗКИ ПОЗВОНОЧНИКА СТРОЕНИЕ. – плотные волокнистые соединительнотканные структуры. состоят из плотно упакованных коллагеновых волокон, расположенных продольно и обеспечивающих прочность связки в этом направлении. ФУНКЦИЯ. -- удерживать костные структуры вместе, обеспечивать нормальную кинематику суставов и позвоночника в целом. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА. - обладают нелинейными механическими характеристиками. При приложении нагрузки растут деформации волокон. Складки и завитки волокон распрямляется и натягивается. Тем самым увеличивается жесткость связки в целом и появляется нелинейность в зависимости «натяжения – деформация» . 74
Кривые зависимости деформаций от напряжения волокна коллагена (слева) и эластина (справа) связки при растяжении. 75
Геометрические характеристики связок позвоночника Связка Количество образцов Площадь сечения, мм 2 Диапазон изменения S ± s 1 Длина, мм Диапазон изменения l ± l 1 ALL Перед прод 25 10, 6… 52, 5 32, 4 ± 10, 9 30, 0… 48, 5 37, 1 ± 5, 0 PLL Задн прод 21 1, 6… 8, 0 5, 2 ± 2, 4 27, 8… 36, 7 33, 3 ± 2, 3 JC Фибр к 24 19, 0… 93, 6 43, 8 ± 28, 3 12, 8… 21, 5 16, 4 ± 2, 9 LF Желтая 22 57, 2… 114, 0 84, 2 ± 17, 9 13, 0… 18, 0 15, 2 ± 1, 3 ISL межостист 18 13, 8… 60, 0 35, 1 ± 15, 0 6, 7… 20, 0 16, 0 ± 3, 2 SSL надостиста 22 6, 0… 59, 8 25, 1 ± 14, 0 17, 0… 33, 5 25, 2 ± 5, 6 76 Большой диапазон изменения размеров сечения. Почему? Как думаете?
Биомеханические параметры связок позвоночника человека Параметр Связка Сегмент позвоночника Т 12 -–L 1 Жесткость, Н/мм ALL PLL JC LF ISL SSL Разрушающее напряжение, МПа ALL PLL JC LF ISL SSL 32, 9 ± 20, 9 10, 0 ± 5, 5 31, 7 ± 7, 9 24, 2 ± 3, 6 12, 1 ± 2, 6 15, 1 ± 6, 9 9, 1 ± 0, 6 7, 2 ± 4, 1 13, 2 ± 1, 1 4, 0 ± 1, 2 4, 2 ± 0, 2 8, 9 ± 3, 2 L 1–L 2 L 2–L 3 L 3–L 4 L 4–L 5 L 5–S 1 32, 4 ± 13, 0 17, 1 ± 9, 6 42, 5 ± 0, 8 23, 0 ± 7, 8 10, 0 ± 5, 0 23, 0 ± 17, 3 20, 8 ± 14, 0 36, 6 ± 15, 2 33, 9 ± 19, 2 25, 1 ± 10, 9 9, 6 ± 4, 8 24, 8 ± 14, 5 39, 5 ± 20, 3 10, 6 ± 8, 5 32, 3 ± 3, 3 34, 5 ± 6, 2 18, 1 ± 15, 9 34, 8 ± 11, 7 40, 5 ± 14, 3 25, 8 ± 15, 8 30, 6 ± 1, 5 27, 2 ± 12, 2 8, 7 ± 6, 5 18, 0 ± 6, 9 13, 2 ± 10, 2 21, 8 ± 16, 0 29, 9 ± 22, 0 20, 2 ± 8, 4 16, 3 ± 15, 0 17, 8 ± 3, 8 13, 4 ± 3, 9 11, 5 ± 10, 0 10, 3 ± 2, 9 2, 5 ± 0, 8 5, 9 ± 1, 8 15, 5 ± 5, 1 16, 1 ± 6, 2 28, 4 ± 11, 3 14, 4 ± 1, 4 1, 3 ± 0, 4 1, 8 ± 0, 1 9, 9 ± 5, 8 12, 8 ± 7, 0 12, 2 ± 1, 9 7, 7 ± 1, 6 2, 9 ± 1, 7 1, 8 ± 0, 3 12, 6 ± 2, 7 15, 8 ± 1, 9 20, 6 ± 7, 3 3, 5 ± 1, 2 2, 9 ± 1, 4 2, 9 ± 1, 9 12, 7 ± 7, 1 8, 2 ± 2, 5 19, 7 ± 7, 1 5, 6 ± 2, 5 4, 1 ± 0, 5 5, 5 ± 0, 1 14, 0 ± 1, 7 28, 1 ± 18, 3 15, 0 ± 8, 4 53, 8 ± 28, 8 83, 1 ± 19, 3 52, 9 ± 23, 2 115, 1 ± 49, 1 Разр ушающая дефо рмация, % ALL PLL JC LF ISL SSL 31, 9 ± 24, 5 16, 2 ± 9, 3 78, 2 ± 24, 3 61, 5 ± 11, 9 59, 4 ± 36, 1 75, 0 ± 7, 1 44, 0 ± 23, 7 15, 7 ± 7, 4 90, 4 ± 17, 7 78, 6 ± 6, 7 119, 7 ± 14, 7 83, 4 ± 21, 4 49, 0 ± 31, 7 11, 3 ± 0, 2 70, 0 ± 27, 5 28, 8 ± 8, 2 51, 1 ± 2, 9 70, 6 ± 45, 0 32, 8 ± 23, 5 15, 8 ± 3, 7 52, 7 ± 7, 2 70, 6 ± 13, 6 96, 5 ± 35, 8 109, 5 ± 2, 5 44, 7 ± 27, 4 12, 7 ± 6, 3 47, 9 ± 5, 4 102, 0 ± 12, 9 87, 4 ± 6, 7 106, 3 ± 9, 7 Энергия разрушен ия, Дж ALL PLL JC LF ISL SSL 3, 30 ± 2, 01 0, 22 ± 0, 15 1, 55 ± 0, 55 2, 18 ± 1, 89 0, 72 ± 0, 47 3, 75 ± 2, 78 3, 88 ± 2, 34 0, 22 ± 0, 21 4, 18 ± 2, 15 1, 58 ± 0, 93 2, 65 ± 0, 25 4, 09 ± 2, 00 5, 31 ± 1, 98 0, 33 ± 0, 11 3, 50 ± 1, 61 0, 56 ± 0, 46 1, 06 ± 0, 73 4, 72 ± 5, 77 5, 35 ± 4, 54 0, 11 ± 0, 04 2, 35 ± 1, 88 2, 63 ± 2, 09 0, 59 ± 0, 29 11, 64 ± 5, 39 8, 68 ± 7, 99 0, 07 ± 0, 05 2, 05 ± 0, 99 3, 31 ± 1, 20 1, 13 ± 0, 91 3, 40 ± 2, 59 8, 82 ± 0, 54 0, 29 ± 0, 27 2, 54 ± 1, 31 2, 47 ± 0, 60 0, 78 ± 0, 56 3, 18 ± 1, 94 Энергия разрушения указывает на способность связки сопротивляться 77 динамическим воздействиям (больше диаграмма растяжения).
Значения энергии разрушения самые высокие для связок ALL и SSL. Эти связки выдерживают функционально большие значения силы и деформации. На каком участке позвоночника жесткость больше: Связки ALL? Связки PLL? Жесткость связок вычисляется на начальном линейном участке кривой диаграммы растяжения. Эта относительная линейность соответствует «физиологическому диапазону» и представляет собой физиологическую реакцию связки на повседневное внешнее воздействие. 78
Геометрические характеристики связок шейного отдела позвоночника Сегмент позвоночника Длина, мм ALL 11, 1 ± 1, 9 18, 8 ± 1, 0 11, 3 ± 2, 0 19, 0 ± 1, 0 LF 46, 0 ± 5, 8 8, 5 ± 0, 9 ISL 13, 0 ± 3, 3 10, 4 ± 0, 8 ALL 12, 1 ± 2, 7 18, 3 ± 0, 5 PLL 14, 7 ± 6, 8 17, 9 ± 0, 5 LF 48, 9 ± 7, 9 10, 6 ± 0, 6 ISL C 5–T 1 Площадь сечения, мм 2 PLL С 3–С 5 Связка 13, 4 ± 1, 0 9, 9 ± 0, 7 Площадь поперечного сечения задней продольной связки шейного отдела позвоночника больше, а площадь поперечного сечения остальных связок значительно меньше, чем в поясничном отделе. Как думаете, почему? 79
Биомеханические параметры связок позвоночника человека Сегмент позвоночника Связка Параметры Жесткость, Н/мм Энергия разрушения, Дж ALL 8, 36 ± 1, 76 30, 8 ± 5, 0 16, 0 ± 2, 7 0, 61 ± 0, 25 6, 29 ± 2, 28 18, 2 ± 3, 2 25, 4 ± 7, 2 0, 21 ± 0, 10 LF 2, 64 ± 0, 79 77, 0 ± 12, 9 25, 0 ± 7, 0 0, 49 ± 0, 17 ISL 2, 97 ± 0, 76 60, 9 ± 11, 2 7, 74 ± 1, 6 0, 13 ± 0, 03 ALL 12, 0 ± 1, 41 35, 4 ± 5, 9 17, 9 ± 3, 4 0, 54 ± 0, 13 PLL 12, 8 ± 3, 38 34, 1 ± 5, 9 23, 0 ± 2, 4 0, 40 ± 0, 13 LF 2, 64 ± 0, 34 88, 4 ± 13, 1 21, 6 ± 3, 7 0, 91 ± 0, 22 ISL C 5–T 1 Разрушающая деформация, % PLL С 3–С 5 Разрушающее напряжение, МПа 2, 88 ± 0, 74 68, 1 ± 13, 8 6, 4 ± 0, 7 0, 18 ± 0, 06 Почему, при практически одинаковой площади сечения связок передней и задней продольной, их свойства существенно отличаются? 80
На каком участке позвоночника жесткость больше: Связки ALL? Связки PLL? 81
Передняя продольная связка шейного отдела позвоночника разрушается при меньших значениях силы и меньших деформациях. Это необходимо учитывать при реабилитации и проектировании рабочего места человека, испытывающего значительные динамические воздействия. 82
Упругие постоянные связок шейного отдела позвоночника Параметр Связка ALL Модуль 11, 9… 54, 5 нормальной упругости E, МПа Коэффициент Пуассона ν PLL LF ISL 12, 5… 30 1, 5… 2, 4 1, 5… 3, 4 0, 39 Большой диапазон изменения значений модуля нормальной упругости каждой из связок. Какова причина? Как думаете? 83
Свойства межпозвонкового диска Расположение Межпозвонковый диск распложен между двумя соседними позвонками (8). Геометрические размеры: Толщина в среднем грудном отделе позвоночного столба составляет около 0, 2 см. Наибольшая толщина диска у нижних поясничных позвонков (до 1 см). Общая высота всех межпозвонковых дисков равняется примерно 1/4 длины позвоночного столба (без учета длины крестца и копчика) 84
Строение межпозвонкового диска: Каждый диск состоит из следующих частей - гиалиновых пластинок – волокнистого (фиброзного) кольца и студенистого (пульпозного) ядра. В дисках между поясничными позвонками могут быть полости (7), которые превращают хрящевое соединение позвонков в полусустав. Функциональное назначение межпозвонкового диска : выдерживать вес вышерасположенных отделов тела, демпфировать (в силу своего строения) ударные нагрузки, возникающие при ходьбе и беге, при постановке ноги на землю, приземлении 25_11_09 85
Строение звеньев межпозвонкового диска: Фиброзное кольцо состоит из плотных N – пульпозное ядро соединительнотканных пучков, переплетающихся в разных направлениях. Центральные пучки фиброзного кольца постепенно переходят в капсулу ядра, периферические же пучки тесно примыкают друг к другу и внедряются в костный кант. Задняя полуокружность кольца слабее передней, особенно в поясничном отделе позвоночника Пульпозное ядро содержит вещество – хондрин, небольшое число хрящевых клеток и A – слои переплетающихся коллагеновых волокон, фиброзного кольца образующих своеобразную капсулу и придающих ядру эластичность. В центре его имеется полость, объем которой в 86 норме составляет 1… 1, 5 см 3. .
Содержание воды в пульпозном ядре межпозвонкового диска достигает 90 % при рождении и снижается до 70 % в последующие годы. Передача сил в ядре диска происходит по законам гидростатики. Фиброзная оболочка диска под действием гидростатического внутридискового давления деформируется. 87
При сжатии диска, заключенного между двумя позвонками, в пульпозном ядре давление будет в 1, 5 раза выше значения среднего давления на поверхности диска. Вертикальное давление на фиброзное кольцо диска при этом составляет 0, 5 р, но тангенциальное растягивающее напряжение в слоях боковой поверхности диска достигает значений 5 р. При такой же нагрузке в ядре дегенерированного диска давление р будет на 30 % выше, чем в нормальном диске. Фиброзное кольцо воспринимает большую часть нагрузки, чем в норме, и возникающие напряжения превышают напряжения в нормальном диске. При наклонах и поворотах туловища происходит смещение студенистого ядра диска в сторону, противоположную наклону, и фиброзное кольцо выпячивается. Часть диска будет сжата, а часть – растянута. При поворотах позвоночного столба на угол, 88 больший 20°, диск может разрушиться.
Внутридисковое давление зависит от позы. В положении лежа на боку оно составляет (33 ± 2) МПа; Сидя прямо и свободно – (86 ± 4) МПа, В положении стоя давление снижается по сравнению с предыдущим значением на 20… 40 %. При нагружении диска разрушается его гиалиновая пластинка, и лишь с ростом нагрузки может произойти разрыв фиброзного кольца. Напряжение, при котором разрушается гиалиновая пластинка, характеризует прочность, несущую способность конструкции диска. Напряжение, вызывающее разрыв кольца, – прочность тканей диска. фиброзного 89
Механические свойства изолированных межпозвонковых дисков определяют путем испытания их на сжатие. Диски были взяты у умерших людей и испытаны в течение первых суток. Максимальной прочности межпозвонковые диски достигают к 18 годам у мужчин и к 14 – у женщин. Максимальные значения предельной нагрузки Р на поясничные диски мужчин – 11, 1 к. Н и женщин 9, 5 к. Н (соответственно сплошная и пунктирные линии 2). Наибольшее значение предельного усилия для шейных межпозвонковых дисков составляет 5, 4 к. Н у мужчин и 3, 4 к. Н у женщин (соответственно сплошная и пунктирные линии 1). 90
Свойства позвонков и сегментов позвоночника Позвонок С 1 С 2 С 3 С 4 С 5 С 6 С 7 T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 T 7 T 8 T 9 T 10 T 11 T 12 L 1 L 2 L 3 L 4 L 5 Р*, к. Н 8, 00 5, 10 4, 04 4, 08 4, 53 5, 63 4, 64 4, 75 4, 36 4, 67 5, 22 5, 51 6, 14 6, 81 8, 24 8, 40 8, 60 9, 17 10, 54 10, 59 11, 75 12, 69 12, 96 12, 86 Позвонок С 3 С 4 С 5 С 6 С 7 T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 T 7 T 8 T 9 T 10 T 11 T 12 L 1 L 2 L 3 L 4 L 5 ε, % 8, 8 8, 7 9, 6 9, 7 9, 0 7, 8 6, 4 5, 9 5, 8 6, 1 6, 3 6, 7 7, 6 7, 0 6, 7 6, 8 5, 9 6, 7 6, 3 Изолированные позвонки, взятые у умерших, заливались с торцов сплавом Вуда и испытывались на сжатие не позднее чем через 30 ч после смерти. 91
Предельная нагрузку на сегмент позвоночника Возраст, лет Предельная нагрузка, к. Н Сегмент С 5–С 6 Мужчины 3… 13 14… 23 24… 35 38. . . 45 46… 60 Св. 81 1, 32 ± 0, 20 2, 79 ± 0, 30 3, 54 ± 0, 28 2, 37 ± 0, 36 3, 02 ± 0, 47 1, 76 ± 0, 38 Женщины 1, 50 ± 0, 06 2, 52 ± 0, 16 2, 75 ± 0, 39 2, 24 ± 0, 51 2, 16 ± 0, 23 1, 65 ± 0, 30 Сегмент L 1–L 2 Мужчины 2, 95 ± 0, 39 7, 44 ± 0, 68 7, 52 ± 0, 53 6, 42 ± 0, 70 6, 06 ± 0, 84 4, 60 ± 0, 36 Женщины 3, 98 ± 0, 44 5, 72 ± 0, 53 6, 96 ± 0, 41 4, 19 ± 0, 57 4, 51 ± 0, 33 3, 10 ± 0, 45 Прочность сегмента значительно ниже прочности отдельного позвонка и диска. Уменьшается прочность сегментов шейного отдела позвоночника у мужчин в возрасте 38… 45 лет, а у женщин начиная с 35 лет. Прочность поясничного сегмента и у женщин, и у мужчин снижается с 35 лет. Это необходимо учитывать при оценках эргономичности рабочего 92 места персонала
Связки коленного сустава. 1 – бедренная кость; 2 – большеберцовая кость; 3 – мениск; 4 – надколенник; связки: 5 – передняя крестообразная, 6 – задняя крестообразная, 7 – большеберцовая коллатеральная, 8 – малоберцовая коллатеральная. 93
У спортсменов, у людей, работающих в экстремальных ситуациях, на коленный сустав могут воздействовать огромные силы. При весе тела 90 кг и нормальной ходьбе они могут достигать 6500… 7000 Н, а при беге даже 10 000… 20 000 Н. У спортсменов внутрисуставные повреждения коленного сустава встречаются в 60… 75 % общего числа травм, из них в 30 % случаев имеются повреждения крестообразных связок. У военнослужащих травмы коленного сустава, сопровождающиеся разрывом связочного аппарата, составляют 17, 4 % всех травм ОДА. В США ежегодно получают травмы коленного сустава 1, 5 млн чел. Учет состояния связок при нагружении коленного сустава позволяет избежать травмоопасных движений во время выполнения тяжелой работы, 94
Свойства связок коленного сустава При испытании ПКС в КСК-комплексе, взятым от доноров в возрасте от 29 до 57 лет, максимальная нагрузка составляет 1750 Н, а коэффициент жесткости связки – 141 Н/мм. 95
Возраст донора существенно влияет на механические характеристики связок. Так, для образцов, взятых от молодых доноров (в возрасте 16… 26 лет), получены значения максимальной нагрузки 1725 ± 269 Н, коэффициента жесткости 182 ± 33 Н/мм и соответственно 734 Н и 129 Н/мм – для образцов, взятых от пожилых доноров. Для групп доноров в возрасте 17… 28 лет и в возрасте 34… 84 лет максимальное натяжение связки ПКС составило 1716 ± 538 Н и линейная жесткость – 203 ± 34 Н/мм, для второй группы – 814 ± 356 Н и 124 ± 39 Н/мм соответственно. Максимальное усилие на разрыв с возрастом уменьшается более чем в два раза, а линейная жесткость связки в – 1, 5 раза. 96
R Zdero, M Olsen, S Elfatori, T Skinks, E Schemitsch, C Whyne, and H von Schroeder (Canada). A biomechanical assessment of the coupling of torsion and tension in the human scapholunate ligament Proc. IMech. E Vol. 222 Part H: J. Engineering in Medicine Биомеханическая оценка совместного кручения и растяжения человеческой ладьелунной связки 97
ARNOLD A. S. * and DELP S. L. Computer modeling of gait abnormalities in cerebral palsy: application to treatment planning Theoretical Issues in Ergonomics Science. Vol. 6, No. 3– 4, May–August 2005, 305– 312 Departments of Mechanical Engineering and Bioengineering, Stanford University, Stanford, CA, USA Компьютерное моделирование аномалий походки при церебральном параличе, приложение к плану лечения 98