BIOMECHANIKA BIOMECHANIKA KOSTERNÍHO SUBSYSTÉMU

Transkript

1 BIOMECHANIKA BIOMECHANIKA KOSTERNÍHO SUBSYSTÉMU

2 MECHANICKÉ VLASTNOSTI BIOLOGICKÝCH MATERIÁLŮ Viskoelasticita, nehomogenita, anizotropie, adaptabilita Základní parametry: hmotnost + elasticita (akumulace energie) plasticita + viskozita (tlumení pohybu) F = S síla příčnýprůřez Velikost zátěže (stress): σ = [ MPa]

3 MECHANICKÉ VLASTNOSTI BIOLOGICKÝCH MATERIÁLŮ Velikost deformace (strain): absolutní l l 0 [cm] relativní ε = l l l 0 0 Modul pružnosti: E = velikost zatížení σ změna deformace = ε [ MPa] Kompaktní kost: MPa Dubové dřevo: MPa Patelární vaz: MPa

4 PASIVNÍ PODSYSTÉMY Kosti, šlachy, vazy, chrupavky, kloubní spojení (nejsou primárním zdrojem energie) Funkce kostí: konstrukční prvky (páky), převodní mechanismy energie, absorbce energie, plocha pro připojení svalů Kortikální x spongiózní 1/10 tuhosti 5x protažitelnější S K K S K kortikální kost S spongiózní kost K S osteony periosteum Haversův kanálek endosteum Volkmannův kanálek

5 VLASTNOSTI KOSTNÍ TKÁNĚ Tvar kostí: dlouhé, krátké, ploché, nepravidelné Tvar kostí ovlivňuje jejich mechanické vlastnosti. mohou být různé v rámci jedné kosti Složení kosti: 20% voda, 35% bílkoviny, 45% minerály

6 VLASTNOSTI KOSTNÍ TKÁNĚ Základní stavební jednotka osteon (Haversovy systémy) Kolagenní mineralizovaná vlákna ve směru hlavních napětí Uložení rovnoběžně obloukovitě spirálovitě

7 VLASTNOSTI KOSTNÍ TKÁNĚ Architektonika kosti hlavní tlaková skupina trámečků spongiózní kost skupina trámečků u trochanter major druhotná tahová skupina trámečků kompaktní kost hlavní tahová skupina trámečků druhotná tlaková skupina rámečků kostní dřeň

8 DEFORMACE KOSTI zátěž C B A α B zóna elastických deformací C zóna plastických deformací deformace B přechod mezi elastickou a plastickou deformací C mezní bod, ve kterém dochází k poškození kosti B mez kluzu C mez pevnosti Elastické (vratné) Plastické (trvalé poškození kosti) Mez kluzu (B ): femur (20-29) 120 MPa, tibie 126 MPa Mez pevnosti (C ): MPa, MPa Spongiózní kost vedle trámců a lamel také cévy, nervy, hydraulický systém pro zvýšení odolnosti

9 ZPŮSOBY NAMÁHÁNÍ KOSTI bez zátěže tah tlak ohyb smyk krut Oslabené svaly (i při nízké aktivitě) nejsou schopny neutralizovat zatížení. Velikost zátěže x rychlost působení Pomalá odlomení drobné části kosti Rychlá ruptura vazů nebo šlach

10 OHYB KOSTI Kombinace tahu (na povrchu) a tlaku (kolem podélné osy) 3 síly (zlomenina přes okraj lyžařské boty) 4 síly (náraz dlouhé kosti na širokou překážku)

11 KRUT KOSTI Dochází k posunu jednotlivých částí kosti vůči sobě. První porušení kosti je způsobeno smykem, další v rovině diagonální vzhledem k ose kosti.

12 ÚNAVOVÁ ZLOMENINA zóna přetížení působící síla zóna únavy zóna zatížení okamžik, ve kterém dochází ke zlomení kosti zatížení poranění elastická deformace plastická deformace a) opakované zatěžování nižší intenzity b) jednorázové působení zatížení v zóně přetížení počet opakování Cyklické namáhání kosti (únava) opakující se nevratné mikrodeformace. Křivka není asymptotická jako u jiných materiálů (některé kovy), kdy opakované zatížení na určité hranici nezpůsobí poškození.

13 ÚNAVOVÁ ZLOMENINA Působení zátěže na tibii při různé rychlosti pohybu chůze 5 km.h -1 x klus 7,9 km.h -1

14 ZMĚNY KOSTNÍ TKÁNĚ VLIV VĚKU staří mladí mladý jedinec senior starý jedinec napětí deformace Úbytek kostní hmoty (hustoty) zeslabení podélných + ztráta příčných trámců Osteoporóza snížení odolnosti a pevnosti, větší křehkost a snížení kapacity pro uložení energie. Mezi 30. až 80. rokem snížení hmoty muži 20%, ženy až 40%. HMOTNOST KOSTÍ x HMOTNOST OSTATNÍCH TKÁNÍ

15 REMODELACE KOSTI HYPERTROFIE x ÚBYTEK KOSTNÍ HMOTY K hypertrofii kosti může dojít při opakovaném zatěžování v přirozeném fyziologickém rozpětí. Zesílení kompakty a příčných trámečků u dětí, u dospělých pouze trámečků.

16 REMODELACE KOSTI Wolffův zákon: Každá změna ve funkci kosti je doprovázena určitými (nevratnými, strukturálními) změnami ve vnitřní architektuře, s přihlédnutím k vnějším vlivům. Vedou k souladu mezi tvarem, strukturou a funkčním zatížením Pohybová aktivita, věk, nemoc, výživa,