Solutii Biomecanice Petru Articulatia Genunchiului Uman Amp [PDF]

Zitiervorschau

Solutii biomecanice petru articulatia genunchiului uman amp

Suprafete articulare Genunchiul este segmentul mobil al aparatului locomotor care leaga coapsa de gamba, articulatia genunchiului fiind cea mai mare articulatie a corpului. Suprafetele articulare sunt reprezentate de: epifiza inferioara a femurului, epifiza superioara a tibiei, si fata dorsala a patelei. Epifiza inferioara a femurului prelungeste corpul la partea lui distala. Ea prezinta doua proeminente, condilii femurali lateral si medial. In partea anterioara a epifizei se afla o suprafata articulara pentru rotula, fata patelara. Condilii sunt despartiti posterior de o depresiune, fosa intercondiliana, in care se insera ligamentele incrucisate ale articulatiei genunchiului. Pe fata mediala a condilului medial si laterala a condilului lateral se afla doua proeminente, epicondilii, medial si lateral, pe care se insera ligamentele colaterale, tibial si fibular, ale articulatiei genunchiului .Condilii femurali difera ca aspect si dimensiuni astfel: ● condilul medial, este mai voluminos si mai coborat decat cel lateral; datorita acestei dispozitii femurul creeaza cu tibia un unghi deschis lateral de 170 - 175°; ● curbura suprafetelor articulare a condililor variaza astfel: curbura descrisa anterior corespunde unui cerc cu raza de 43 mm, iar posterior, unui cerc cu raza de 17 mm, descriind astfel o curburaspirala cu raza descrescand dinainte spre inapoi.

Fig.1 Genunchiul

Rotula (patela) este un os scurt triunghiular, situat pe fata anterioara a genunchiului. Fata anterioara vine in contact cu tegumentul si se poate palpa. Fata posterioara corespunde in articulatia genunchiului fetei patelare a femurului. La nivelul rotulei se insera tendonul cvadricipital si tendonul rotulian. Epifiza superioara a tibiei este voluminoasa si usor curbata posterior. Este formata din doi condili (medial si lateral). Fiecare condil prezinta cate o fata articulara superioara pentru condilii femurali. Intre cele doua suprafete articulare se gaseste o proeminenta osoasa, eminenta intercondiliana(spina tibiei). Anterior si posterior de eminenta, se afla cate o depresiune, aria intercondiliana anterioara (se insera ligamentul incrucisat anterior) si aria intercondiliana posterioara (se insera ligamentul incrucisat posterior). Pe fata anterioara a extremitatii superioare a tibiei se afla o proeminenta, tuberozitatea tibiei. Lateral de ea se afla tuberculul Gerdy. Din studiul formei suprafetelor articulare ale femurului si tibiei, se constata ca acestea sunt incongruente. Incongruenta dintre ele este corectata partial de catre meniscurile intraarticulare.

Fig.2 Meniscurile intraarticulare sunt doua formatiuni fibrocartilaginoase, dezvoltate la periferia suprafetelor articulare ale condililor tibiali. Astfel se gaseste un menisc lateral si unul medial. In sectiune verticala meniscurile au forma triunghiulara si prezinta: - o fata superioara concava, in raport cu condilul femural respectiv; - o fata inferioara plana, in raport cu condilul tibial; - o baza prin care adera la capsula articulara; Fiecare se insera prin cate doua extremitati (anterioara si posterioara) in aria intercondiliana corespunzatoare. Extremitatile anterioare ale celor doua meniscuri sunt unite prin ligamentul transvers al genunchiului. Meniscul medial se aseamana cu litera 'C', iar meniscul lateral are forma unui inel, distanta dintre cele doua extremitati fiind mai mica.

Meniscul lateral, spre deosebire de cel ingust este mai ingust, dar mai gros la periferie. Datorita acestei conformatii ele pot fi mobile in deplasandu-se odata cu condilii femurali pe suprafetele articulare ale condililor tibial. Aderenta lor la capsula imparte cavitatea articulara intr-un etaj suprameniscal si altul inframeniscal.

Mijloace de unire Capsula articulara se insera superior pe femur si inferior pe tibie, prezentand anterior un orificiu pentru patela. Traiectul insertiei pe femur este sinuos, plecand superior de pe fata trohleara, coborand pe condilii femurali si apoi inferior de epicondili, pe care ii lasa extracapsular si ajungand posterior in fosa intercondiliana. La nivelul acestei fose, capsula se intrerupe si fibrele ei fuzioneaza cu ligamentele incrucisate. Capsula prezinta mici orificii pentru prelungirile sinovialei. Ea adera la meniscuri fiind mai subtire in partea suprameniscala. Este formata din fibre longitudinale situate la exterior si din fibre transversale si oblice situate profund. Anterior este mai subtire, la acest nivel gasindu-se ligamentul rotulian, iar posterior este mai densa, in special in dreptul condililor. Ligamentul patelei (rotulian) se intinde de la patela la tuberozitatea anterioara a tibiei si reprezinta filogenetic tendonul terminal al muschiului cvadriceps, separat de tibie prin bursa pretibiala. De la marginile sale laterale pleaca formatiunile aponevrotice de intarire ale capsulei, expansiunile muschiului cvadriceps si retinaculele patelei, medial si lateral. Ligamentul Winslow (posterior) se gaseste pe fata posterioara a articulatiei si este alcatuit dintr-o portiune mijlocie si doua portiuni laterale. El trece ca o punte peste scobitura intercondiliana.. Portiunea mijlocie se condenseaza in doua fascicule fibroase: ligamentul popliteu oblic , ligamentul popliteu arcuat. Ligamentul popliteu oblic este de fapt tendonul recurent al muschiului semimembranos pe scara filogenetica, caci se desprinde din partea distala a muschiului omonim ca sa se insere pe calota fibroasa a condilului lateral, avand o directie oblica de jos in sus si dinauntru in afara. Ligamentul popliteu arcuat are de cele mai multe ori forma unei arcade fibroase cu cavitatea proximala pornind de pe condilul lateral spre fosa intercondiliana. De pe marginea convexa, distala a arcadei porneste retinaculul ligamentului arcuat care se insera pe capul peroneului. Portiunea mijlocie a ligamentului Winslow este perforata de un numar apreciabil de vase si nervi. Ligamentul colateral fibular se insera proximal pe epicondilul lateral femural, iar distal pe portiunea laterala a peroneului. Marginea sa posterioara este in raport cu tendonul bicepsului femural cand marginea sa centrala da nastere unei expansiuni fibroase. Fata superficiala vine in contact cu fascia lata, iar cea profunda cu tendonul muschiului popliteu, meniscul lateral si artera articulara supero-interna.

Fig.3 Ligamentele genunchiului Ligamentul colateral tibial are forma unui triunghi cu baza spre rotula si varful spre meniscul articular medial. Se insera proximal pe epicondilul medial femural, iar distal pe partea superioara a fetei mediale a tibiei. Acest ligament este de fapt format din trei unitati functionale: - prima sub forma de fibre verticale este superficiala si reprezinta portiunea cea mai rezistenta - a doua formata din fibre oblice descendente femuro-meniscale este mai profunda, numita si ligamentul capsular mijlociu al lui Slocum si Larsen (ligamentul meniscofemural); - a treia unitate functionala are fibrele orientate oblic ascendent, urca de la tibie spre meniscul medial si spre partea posterioara a capsulei. Portiunile profunda si superficiala ale acestui ligament se opun atat forteior de rotatie cat si celor care tind sa puna genunchiul in valgus. Ligamentele incrucisate se gasesc dispuse profund in scobitura intercondiliana si in traiectul lor se incruciseaza. In functie de dispozitia si insertia lor tibiala distingem un ligament incrucisat anterior si unul posterior. Desi situate profund aceste ligamente sunt extraarticulare, deoarece se afla in afara membranei sinoviale. Ligamentul incrucisat anterior se insera proximal pe portiunea posterioara a condi-lului lateral, iar distal pe suprafata prespinala a tibiei si partea antero-interna a spinei tibiale, adica pe aria intercondiliana anterioara si partea antero-mediala a eminentei intercondiliene. Directia sa este orientata oblic interior, anterior si medial.

Ligamentul incrucisat posterior se insera proximal pe portiunea posterioara a condilului medial si pe partea anterioara a fetei intercondiliene a condilului medial. De aici are o directie oblica spre interior, posterior si lateral ca sa se insere distal pe suprafata retrospinala a tibiei, adica pe aria intercondiliana posterioara. Insertiile tibiale ale acestor ligamente se situeaza anterior de insertia anterioara si posterior de insertia posterioara a cornurilor meniscale. In extensie la nivelul ligamentului incrucisat anterior, anumite fascicule se relaxeaza, pe cand altele sunt contractate. Ligamentele menisco-femurale anterioare si posterioare sunt intinse intre cornul posterior al meniscului lateral si scobitura intercondiliana a femurului, fiind atasate ligamentelor incrucisate.

Figura 4.

Corpul adipos: Corpurile adipoase ale genunchiului au rolul de a umple golurile dintre elementele articulare si au urmatoarea dispozitie: -corpul adipos infrapatelar se afla in partea anterioara a articulatiei asezat intre ligamentul patelar si condilii femurali. Are o prelungire adipoasa (Lig. Adipos) care traverseaza articulatia si se insera in scobitura intercondiliana a femurului. -corpul adipos posterior este asezat dorsal de ligamentele incrucisate si umple golurile fosei intercondiliene. In partea sa anterioara, capsula articulara este intarita de trei formatiuni aponevrotice: fascia genunchiului expansiunea cvadricipitala cu retinaculele si aripioarele patelei.

Fascia genunchiului acopera articulatia ca un manson si se continua in sus cu fascia lata, iar in jos cu cea femurala. Partea laterala a fasciei este intarita de tractul iliotibial. Expansiunea cvadricipitala este o lama fibroasa ce se desprinde din tendoanele terminale ale muschiului cvadriceps, acopera articulatia si se fixeaza pe circumferinta epifizei proximale a tibiei. Ea este intarita pe partile laterale de doua formatiuni: retinaculele patelei, medial si lateral.

Aripioarele patelei sunt doua formatiuni fibroase intinse in plan orizontal si acoperite de expansiunea cvadricipitala. Ele se insera pe marginile patelei si pe condilul femural respectiv (fata cutanata). Retinaculele verticale pot fi comparate cu niste sine ce conduc miscarile patelei, iar aripioarele patelei cu niste frauri.

Sinoviala: Captuseste fata interna a capsulei fibroase, se insera pe marginea cartilajelor articulare de pe femur, patela si tibie, unde capsula fibroasa se indeparteaza pe marginea cartilajului articular. Are o structura complexa cu urmatoarele particularitati. Sinoviala este intrerupta la nivelul bordurii externe a meniscurilor articulare, impartind cavitatea in doua etaje: -Etajul suprameniscal, corespunde articulatiei femuro-meniscale. -Etajul inframeniscal ce corespunde articulatiei menisco-tibiale. Anterior, sinoviala acopera fata posterioara a corpului adiopos infrapatelar si il delimiteaza astfel de cavitatea sinoviala, iar cordonul adipos ridica sinoviala formand plica sinoviala infrapatelara. Posterior, sinoviala trece inaintea ligamentelor incrucisate si a corpului adipos posterior. Pe laturile ligamentelor incrucisate, sinoviala se reflecta anterior spre cavitatea articulara, formand doua plici verticale. Astfel cele doua ligamente au o pozitie extra-sinoviala, impreuna cu eminenta intercondiliana a tibiei, ele asa dar, intre sinoviala si capsula articulara.

Figura 5

Prelungirile sinovialei sunt: -Fundul de sac sau recesul suprapatelar; este o prelungire antero-superioara a sinovialei, situata deasupra bazei patelei, intre muschiul cvadriceps femural si femur. Comunica cu bursa seroasa suprapatelara. Pe acest fund de sac se fixeaza fascicole musculare dependente ale cvadricepsului femural numit tensorul sinovialei. -Fundul de sac sau recesul posterior; este reprezentat de prelungirea posterioara a sinovialei, care comunica cu bursele periarticulare. -Fundul de sac de sub muschiul popliteu. -Sub muschiul geaman medial. -Sub muschiul semimembranos. -In general fiecare comunica cu cavitatea sinoviala. -Plicile alare sunt doua cute simetrice curbe, ce pleaca de pe laturile patelei, converg in jos si se termina antero-inferior, in plica sinoviala infra-patelara.

Sinoviala articulatiei genunchiului este vasta si considerata a fi cea mai complicata sinoviala articulara. Anterior, pleaca de la limita cartilajului articular al trohleei si condililor femurali, urca sub tendonul muschiului cvadriceps alcatuind bursa suprapatelara, apoi se reflecta in jos terminandu-se la limita cartilajului articular de pe patela. In continuare trece peste corpul adipos infrapatelar si se insera anterior de ligamentul incrucisat anterior. Lateral se insera pe marginile cartilajului articular de la nivelul condililor femurali si tibiali, inferior de ligamentele colaterale tibial si fibular, formand fundurile de sac sinoviale. In continuare se reflecta pe capsula, pe care o captuseste, intrerupandu-se la marginea superioara a menis-curilor si reluandu-si traiectul sub cea inferioara. Posterior sinoviala captuseste capsula si se insera la limita dintre cartilajul articular si condili, pana la insertia ligamentului incrucisat posterior. Fundurile de sac sinoviale sunt mai numeroase la articulatia genunchiului, decat in alte articulatii (fundul de sac subpopliteu, subcvadricipital, subgastrocnemian medial).

Raporturile articulatiei genunchiului. Articulatia genunchiului vine in raport: - anterior cu :

- portiunea distala a muschiului cvadriceps; - fascia genunchiului; - expansiunea cvadricipitala si aripioarele patelei; - piele.

- posterior cu :

- continutul fosei poplitee; - originea muschilor gastrocnemieni; - tendoanele de insertie ale muschilor biceps femural, semitendinos, semimembranos, popliteu, plantar.

lateral si medial cu :

- retinaculele patelei; - tractul iliotibial - muschii biceps femural, croitor, drept femural.

Muschii articulatiei genunchiului. Inainte de a trece la analiza biomecanicii articulatiei genunchiului vom prezenta elementul activ, musculatura, care pe langa cele doua elemente pasive, extremitatile osoase si capsula cu ligamentele, meniscurile si sinoviala, alcatuiesc acel tot unitar care este articulatia genunchiului. Muschii motori ai articulatiei genunchiului se impart in functie de miscarile determinante in: flexori, extensori, rotatori laterali (externi) si rotatori mediali (interni).

Muschii flexori ai articulatiei genunchiului sunt: -

muschiul biceps femural;

-

muschiul semitendinos;

-

muschiul semimembranos;

-

muschiul croitor;

-

muschiul popliteu. Muschii extensori ai acestei articulatii sunt:

-

muschiul cvadriceps femural;

-

muschiul tensor al fasciei lata. Muschii rotatori laterali sunt reprezentati de:

-

muschiul semitendinos;

-

muschiul semimembranos;

-

muschiul drept intern;

-

muschiul croitor;

-

muschiul popliteu;

-

muschiul gastrocnemian.

Iata o scurta prezentare a acestor muschi, insistand insa, asupra actiunii sau a detaliilor privind biomecanica articulatiei genunchiului. Muschiul biceps femural se gaseste in portiunea postero-laterala a coapsei si se intinde intre ischion si peroneu, avand doua capete de insertie proximala (unul lung, de origine pelviana si altul scurt, de origine femurala) si o insertie distala unica, care se insera pe epifiza proximala a peroneului. Inervat de nervul ischiadic, muschiul biceps femural are actiunea de flexie a gambei pe coapsa, dar si de extensie a coapsei pe bazin. Se apreciaza faptul ca, daca coapsa este flectata pe gamba muschiul biceps femural imprima gambei o usoara miscare de rotatie laterala. Muschiul semitendinos are o dispozitie superficiala in portiunea postero-mediala a coapsei si se intinde de la tuberozitatea ischiatica la tibie, fiind tendinos in portiunea sa distala. Tendonul de insertie distala se insera pe fata mediala a epifizei proximale a tibiei, contribuind cu tendoanele muschilor croitor si gracilis la formatiunea aponevrotica a complexului fibros laba gastei (pes anserinus). Inervat de nervul ischiadic, muschiul semitendinos este un flexor al gambei pe coapsa si un extensor al coapsei pe bazin. Cand genunchiul este flectat, actioneaza si ca rotator medial (intern), fiind in aceasta functie antagonist al muschiului biceps femural. Muschiul semimembranos se gaseste profund, in portiunea postero-mediala a coapsei si isi are originea pe tuberozitatea ischiatica. Se insera prin trei fascicule distale: fasciculul descendent care se fixeaza pe partea posterioara a condilului femural medial, fasciculul orizontal care inconjoara condilul medial al tibiei si se termina pe partea antero-laterala a acestuia, fasciculul recurent care formeaza ligamentul popliteu oblic al articulatiei genunchiului.

Inervat tot de nervul ischiatic are aceeasi actiune ca si a muschiului semitendinos, flexor al gambei pe coapsa si al coapsei pe bazin, rotator medial al genunchiului flectat. Muschiul croitor reprezinta cel mai lung muschi al corpului omenesc, cu o pozitie superficiala si se dispune intre spina iliaca antero-superioara pana la laba gastei de pe fata mediala a epifizei proximale a tibiei, unde se insera tendonul sau terminal impreuna cu tendoanele muschilor gracilis si semitendinos. In acest lung traiect muschiul croitor incruciseaza in diagonala fata anterioara coapsei. Muschiul este inervat de nervul femural. Este flexor al gambei pe coapsa si flexor al coapsei pe bazin. Sinergist cu muschiul psoas iliac si cu muschiul drept femural, el actioneaza in mers la flexia coapsei pe bazin. Roteaza coapsa lateral si gamba medial. Avand punct fix pe tibie este rotator al bazinului pe partea opusa, flectandu-1 pe coapsa. Muschiul popliteu este un muschi de forma triunghiulara, lat si scurt ce se gaseste pe planseul fosei poplitee. Proximal se insera pe condilul lateral al femurului si dupa un traiect oblic, medial inferior, se insera pe fata posterioara a diafizei tibiale, superior de linia oblica. Inervat de nervul tibial muschiul este flexor si rotator medial al gambei, avand raporturi apropiate directe cu articulatia genunchiului. Toti muschii flexori ai genunchiului, cu exceptia capului scurt al muschiului biceps femural si al muschiului popliteu sunt muschi biarticulari, adica trec peste doua articulatii, deci extind coapsa si flecteaza genunchiul, actiunea lor depinzand de pozitia bazinului. Cu cat muschii posteriori ai coapsei sunt mai intinsi prin flexia bazinului, cu atat eficacitatea lor ca flexori ai genunchiului creste. Acest proces se vede clar in actiunea de catarat. Extensia genunchiului mareste actiunea acestor muschi in miscarea lor de flexie a bazinului. Daca coapsa este maximal extinsa, actiunea de flexie a genunchiului este mai redusa.

Fig. 6 Cvadriceps femural Muschiul cvadriceps femural este situat pe fata anterioara a coapsei si format proximal din patru fascicule izolate, reunite distal intr-un puternic tendon care se insera pe rotula. Cele patru componente musculare sunt: dreptul femural, vastul lateral, vastul medial si vastul intermediar. Muschiul drept femural este biarticular, inserandu-se proximal pe spina iliaca antero-inferioara si pe spranceana cotiloida pe punctul ei superior. Intregul muschi cvadriceps este inervat de ramurile nervului femural. Este cel mai puternic extensor al gambei, fiind prin muschiul drept femural si flexor al coapsei pe bazin sau invers, al bazinului pe coapsa, precum si activ tensor al sinovialei articulatiei genunchiului.

Osteoartrita genunchiului uman (Gonartroza) Osteoartrita articulară, una dintre bolile cronice majore întâlnite de obicei la persoanele de vârstă medie și în vârstă, afectează un număr foarte mare de persoane. Această boală este însoțită de durere și poate duce la constrângeri legate de mobilitate, de invaliditate pe termen lung și de o morbiditate crescută. Organizația Mondială a Sănătății estimează că câteva sute de milioane de persoane suferă deja de boli osoase și articulare, inclusiv osteoartrita, cu creșteri importante așteptate datorită dublării numărului de persoane cu vârsta peste 50 de ani până în 2020. Se estimează că, datorită creșterii drastice a cazurilor osteoartrite, până în 2030, în SUA, numărul total de artroplastii totale de șold va crește cu 572 000 (aproximativ 174%), în timp ce artroplastiile totale ale genunchiului vor crește cu 3,48 milioane de proceduri (aproximativ 673% Între 2005 și 2030 [KUR_2007]. Gonartroza (osteoartrita genunchiului) este cea mai intalnitǎ formǎ de artritǎ, în special la persoanele în vârstǎ. Denumitǎ de cele mai multe ori boala degenerativǎ a articulațiilor, afecteazǎ cartilagiile, adicǎ ţesuturile care acopera osul la capatul care se prinde în articulație. Rolul cartilajului este de a contribui la realizarea miscarii, dar și de a absorbi şocurile din timpul mişcǎrii. La gonartrozǎ, suprafaţa cartilajului se poate fisura, fapt care cauzeazǎ durerea, umflarea şi pierderea mobilitǎţii articulațiilor (Fig.2.7).

Fig.7. Vedere anterioarǎ a articulației genunchiului uman afectatǎ de gonartrozǎ în stadiul avansat Gonartroza articulației genunchiului este întâlnitǎ mai des la femei, artroza primarǎ constituind 70%, la bǎrbaţi mai des este prezentǎ artroza secundarǎ (53%), Osteoartrita este a patra dintre cele mai frecvente cauze ale problemelor de sănătate la femei și cea de-a 8-a cauză cea mai frecventă la bărbați . • Aproximativ 40% din totalul persoanelor peste 70 de ani sunt afectate de osteoartrita genunchiului. • Aproximativ 80% din persoanele cu osteoartrita suferă de mobilitate limitată. • Aproximativ 25% din aceste persoane nu mai pot efectua cele mai importante activități de bază ale vieții cotidiene.

Cauzele care pot conduce catre gonartroza sunt: a. b. c. d. e. f. g. h.

Deviația axelor mecanice ale femurului și tibiei în plan frontal Dezalinierea axelor genunchiului în plan sagittal Excesul de greutate Activități sportive excesive Traumatisme Cauze biologice Leziunile de menisc Instabilitate cauzata de leziunil ligamentelor genunchiului

Artroplastia prin endoprotezare este definită ca o interevenţie chirurgicală reconstructivă cu înlocuire protetică a componentelor articulare și sacrificiu osos. Este o operaţie care constă în restaurarea mobilităţii articulare precum și a funcţionării normale a ligamnetelor, muşchilor și a celorlalte structuri periarticulare care realizează mișcarea articulației . Scopurile artroplastiei prin endoprotezare sunt: 



alinarea suferinţei bolnavului prin dispariţia durerilor;





recuperarea mobilităţii şi stabilităţii articulare, cu corectarea diformităţilor

existente. Eficacitatea artroplastiei depinde de: 1) 2)

calitatea reconstrucţiei articulare și mecanice a articulației artificiale; integritatea şi echilibrul biomecanic al musculaturii periarticulare.

Endoproteza articulară trebuie să îndeplinească anumite caracteristici pentru a avea o bună eficienţă: a. biocompatibilitate; b. fixare eficientă, solidă şi durabilă; c. funcţionare mecanică cu frecare redusă între componentele protetice; d. design-ul componentelor protetice să reproducă cât mai exact articulația. Obiectivele design-ului implantului protetic sunt următoarele: 



simplitatea design-ului şi a inserţiei;





conservabilitatea, caracterizată prin pierdere minimă de ţesut osos;





durabilitatea;





costul;





siguranţa privind eşecul protezării;



service-ul, caracterizat prin mărirea opţiunilor tehnice in chirurgia de revizie a componentelor protetice degradate.

Artroplastia genunchiului este o intervenție care se adresează pacienților care suferă, în general, de gonartroză. Obiectivele artroplastiei totale de genunchi sunt: redistribuirea sarcinilor care trebuie să fie cat mai uniforma, realinierea axială, ameliorarea durerii şi optimizarea mobilităţii. Alinierea ambelor componente, atât femurală, cât și tibială, ţine cont de restabilirea axului transversal al genunchilui care trebuie să fie paralel cu solul. Alinierea componente femurale în plan frontal trebuie să realizeze înclinaţia în valg a femurului distal.

La nivel femural, marginile protezei trebuie să se suprapună marginilor tranşei de osteotomie. Protezele de genunchi trebuie să îndeplinească mai multe criterii: -

funcţionalitate cât mai aproape de normal; capacitate de transfer a forţei de reacţiune articulară la nivelul osului subiacent; fixare cât mai bună a componentelor protetice; rezistenţa cât mai mare la uzură.

Introducere în biomecanica Biomecanica este o stiinta a naturii care studiaza legile obiective ale miscarii corpurilor materiale vii si ale structurilor care contribuie la aceste miscari. Biomecanica este o stiinta interdisciplinara, care foloseste cunostinte, notiuni, principii, metode din domenii precum: medicina (anatomie, fiziologie, recuperare medicala, explorari functionale, etc.), inginerie (mecanica, electronica aplicata etc.), stiinte exacte (matematica, fizica, chimie) si stiinte umaniste (educatie fizica, biologie), pe baza carora si-a dezvoltat propriile investigatii stiintifice. Miscarea unui corp reprezinta actiunea de deplasare a respectivului corp datorata interactiunii tuturor fortelor care actioneaza asupra lui. Miscarea corpului poate fi cuantificata prin valorile, modificate în timp, ale unor coordonate fata de un sistem geometric de referinta, miscarea putând fi analizata fie fara a tine cont de cauze, respectiv forte, ci doar pe baza unor consideratii geometrice, analiza fiind denumita cinematica, fie tinând cont de interactiunea tuturor fortelor care actioneaza asupra corpului, analiza fiind denumita dinamica. În cazul corpului uman, se poate considera fie miscarea întregului corp, privit ca un tot unitar, fie miscarea diferentiata a diferitelor segmente sau ansambluri de segmente ale corpului. Fata de o directie data în spatiu exista doua miscari elementare, respectiv: · miscarea de translatie; · miscarea de rotatie. Miscarile corpului uman sunt, în majoritatea situatiilor, combinatii ale celor doua miscari elementare fata de diversele axe ale sistemului de referinta geometric considerat. Prin sistem de referinta se întelege un reper nedeformabil fata de care se raporteaza pozitiile unui sistem material dat. Astfel, pot exista sistemul de referinta plan, la care reperul nedeformabil este constituit din doua axe perpendiculare una pe cealalta si sistemul de referinta spatial, la care reperul nedeformabil îl constituie trei axe reciproc perpendiculare una pe celelalte.

Functie de pozitia sistemului de referinta ales, miscarea poate fi absoluta, când sistemul de referinta este fix si relativa, când sistemul de referinta este, la rândul sau, în miscare. Miscarea relativa apare, de exemplu, când se considera miscarea unui segment al corpului fata de un altul, relativitatea fiind fata de segmentul de referinta. Fata de fiecare axa a sistemului de referinta, exista doua coordonate geometrice, corespunzatoare miscarilor elementare, si anume: o coordonata liniara, aferenta miscarii de translatie si o coordonata unghiulara, aferenta miscarii de rotatie. Din acest punct de vedere, pentru un corp care realizeaza o miscare spatiala sunt necesare sase coordonate (trei liniare si trei unghiulare) pentru a defini complet pozitia sa fata de sistemul de referinta, iar pentru un corp care are miscare doar într-un plan sunt necesare trei coordonate (doua corespunzatoare translatiei de-a lungul celor doua axe din plan si una corespunzatoare rotatiei în jurul axei perpendiculare pe planul miscarii corpului).

Biomecanica sistemului osteo–articular Aparatul locomotor uman este alcatuit din 206 segmente osoase, peste 310 de articulatii si peste 430 de muschi striati , la care se adauga reteaua nervoasa si reteaua vasculara, care iriga toate aceste organe. Sistemul osteo–articular uman este compus din totalitatea articulatiilor, oaselor între care apar articulatiile, ligamentelor, ca elemente ce contribuie la mentinerea legaturii articulare, precum si a tuturor celorlalte componente (cartilaje, lichid sinovial etc.) care, într-un mod sau altul, îsi produc efectul util asupra functionalitatii articulatiei. Sistemul oste–articular are urmatoare functii principale:     

de sustinere, asigurând suportul rigid al tesuturilor moi; de protectie, asigurând protectia mecanica a unor organe vitale ale organismului; de locomotie, prin realizarea sistemelor de pârghii osoase cu ajutorul carora muschii pun în miscare corpul uman; de hematopoeza, adica de formare a elementelor figurate din sângele circulant (eritrocitele, leucocitele si trombocitele); de depozit de saruri minerale , adica de pastrare a unei rezerve de saruri minerale (Ca, P) pentru organism;

Aspectele anatomo–fiziologice si biomecanice, atât ale elementelor care compun sistemul osteo–articular, cât si ale întregului sistem, având în vedere si functiile îndeplinite de acest sistem, vor contura, în cele ce urmeaza, kineziologia sistemul osteo–articular.

Articulatia În biomecanica articulatiile îndeplinesc doua functii principale bine definite, si anume: asigura transferul miscarii de la un segment la altul al corpului, realizând miscarea scheletului si asigura transmiterea sarcinilor mecanice între segmentele corpului uman.

Articulatia poate fi definita în mai multe moduri, dupa cum urmeaza: 





din punct de vedere anatomic : “ansamblul elementelor moi prin care se unesc doua sau mai multe oase vecine”, “organele de legatura dintre oase” sau “totalitatea elementelor – reprezentate prin formatiuni conjunctive si muschi – prin 70 care oasele se unesc între ele”; conform acestui criteriu, sunt considerate articulatii inclusiv cele imobile, cum sunt articulatiile oaselor cutiei craniene; din punct de vedere mecanic : “legatura directa si mobila dintre doua elemente cinematice, având scopul de a transmite miscare si forta”, “sistemul care restrânge libertatea de miscare a unui punct sau sistem de corpuri materiale” sau “zona sau zonele de contact dintre doua elemente cinematice care determina posibilitatile de miscare ale celor doua elemente”; din punct de vedere biomecanic : “legatura sau punctul de rotatie dintre doua sau mai multe oase” sau “ansamblul anatomic care asigura între doua sau mai multe oase transmiterea miscarii si transferul si disiparea fortelor datorate gravitatii sau activitatii musculare a corpului uman”.

Se observa asadar ca defintiile “anatomice” analizeaza articulatia din perspectiva structurii acesteia, în timp ce definitiile “mecanice” si “biomecanice” abordeaza punctul de vedere cinematic si dinamic, deci o perspectiva legata de miscare. Functie de natura formatiunilor de legatura dintre oase, cu aprecierea formei capetelor osoase, acolo unde este de interes din punct de vedere biomecanic, se deosebesc urmatoarele categorii de articulatii: 











articulatii fibroase sau sinartroze, la care legatura se face prin tesut conjunctiv fibros, capetele osoase având o congruenta completa (articulatii prin continuitate), ceea ce conduce, în mod practic, la disparitia aproape completa a oricarei miscari; ca exemple, se pot mentiona articulatiile craniului (suturi), articulatia alveolodentara (cu ajutorul ligamentului periodontal), jonctiunile osoase prevazute cu ligamente scurte situate în vecinatatea articulatiei tibio-fibulara distala etc.; articulatii cartilaginoase sau amfiartroze, la care legatura dintre oase se face prin cartilaj hialin sau prin fibrocartilaj, ceea ce permite o oarecare miscare relativa între oase; ca exemple, se pot mentiona piesele osoase care compun osul coxal, unite prin cartilaj hialin, articulatiile dintre corpurile vertebrale, dintre oasele pubiene (unite prin tesut fibrocartilaginos) etc.; articulatii sinoviale sau diartroze, formate din suprafete articulare, capsula articulara si cavitate articulara, la care se pot adauga, functie de caracteristicile functionale ale fiecarei articulatii: ligamente, meniscuri, corpuri adipoase etc.; aceste articulatii asigura realizarea unor miscari multiple si variate între oasele de legatura; functie de forma capetelor osoase se diferentiaza urmatoarele diartroze: articulatii plane (artrodii), având miscari mai ales plane, la care suprafetele articulare sunt plane sau putin curbate; ca exemplu, se poate mentiona articulatia tarsului; articulatii sferoide (enartroze), la care un cap osos este de forma sferoidala iar cealalta suprafata, conjugata, de forma convexa; ca exemple, pot fi date articulatiile soldului, umarului etc.; articulatii cilindroide (trohleara si trohoida), la care suprafetele articulare au forme cilindroide conjugate; ca exemple, se pot mentiona articulatia cotului (trohleara), articulatia radiocubitala superioara (trohoida) etc.; 71





articulatii elipsoide, la care suprafetele articulare au forme ovale, elipsoide (condiliene); ca exemple se pot enumera articulatiile genunchiului, gâtului mâinii etc.; articulatii selare (în forma de sa), la care capul osos are o forma concava pe o directie si convexa pe alta directie; ca exemplu, poate fi mentionata articulatia calcaneocuboidiana.

Biomecanica articulatiei genunchiului Articula ţia femuro-tibial ă are un singur grad de libertate şi în consecinţă prezint ă dou ă mi ş c ări principale: flexia şi extensia gambei pe coaps ă, mi ş c ări la care se adaug ă şi altele secundare ca: rota ţie intern ă şi rota ţie extern ă. Articula ţia mai prezint ă şi mi ş c ări de înclinare lateral ă foarte reduse ca amplitudine. Amplitudinea medie a 86 mişcărilor active de flexie şi extensie este 1350 , iar a celor pasive de 1500 . Mişcările se execută în plan sagital, în jurul unei axe transversale care trece prin cei doi condili femurali. Articulaţia femuro-tibială acţionează după principiul unei pârghii de gradul III, prin deplasarea femurului pe tibia fixată (ca în sprijinul pe sol), prin deplasarea tibiei pe femurul fixat (ca în poziţia şezând) sau prin deplasarea simultană a celor două oase (ca în mers, când gamba este pendulată). Din punct de vedere biomecanic genunchiului i se pot distinge patru tipuri de structuri: portante, de fixare, de alunecare si care participa la miscari active ale genunchiului. a) Structuri portante: -

extremitatea inferioara a femurului;

-

extremitatea superioara a tibiei;

-

fata posterioara a rotulei.

b) Structuri de fixare: -

capsula articulara;

-

ligamentele de intarire:

-

ligamentul patelei (rotulian);

-

ligamentul Winslow (posterior) - ligamentul popliteu oblic, - ligamentul popliteu arcuat;

-

ligamentul colateral fibular (lateral);

-

ligamentul colateral tibial (medial);

-

ligamentele incrucisate - ligamentul incrucisat anterior, - ligamentul incrucisat posterior;

c) Structuri de alunecare: - meniscurile articulare - meniscul lateral; - meniscul medial; - sinoviala - fundul de sac subcvadricipital - corpul adipos Hoffa; d) Structuri care participa la miscari active ale genunchiului: - Flexori - principali

- bicepsul femural (biceps femoris); - semimembranosul (semimembranosus); - semitendinosul (semitendinosus); - gemenii (gastrocnemius);

- accesori

- gemenii (gastrocnemius); - popliteul (popliteus); - plantarul (plantarus); - croitorul (sartorius); - dreptul intern (gracilis), activ pe genunchiul aflat in usoara flexie;

- Extensori - principali - cvadricepsul (cvadriceps femoris); - accesori - tensorul fasciei lata (tensor fasciae latae), cand genunchiul are deja un grad de extensie; - Rotatori externi - bicepsul femural; - tensorul fasciei lata, cand genunchiul este extins; - cvadricepsul, prin vastul lateral; - Rotatori interni - semimembranosul; - popliteul; - muschii

'labei

de

gasca'

(semitendinosul,

croitorul

si

dreptul intern). Genunchiul este format din trei articulatii, dintre care articulatia femuro-tibiala si articulatia femuro-patelara participa la miscarile sale, in timp ce articulatia tibio-peroniera superioara (o artrodie stransa, care nu permite decat mici miscari de alunecare), participa la miscarile gleznei.

Biomecanica articulatiei femuro-patelara. Rotula este atasata de tibie prin ligamentul rotulian si aluneca pe suprafata trohleei femurale. Pornita din pozitia de hiperextensie, de deasupra suprafetei articulare (unde o duce contractia cvadricepsului), ea intra in contact cu femurul prin treimea ei inferioara, la inceputul flexiei prin treimea medie, intre 30-600 si pe fata articulara superioara, de la 60°. Cursa ei descrie o curba usoara in plan frontal cu concavitate externa. Dar rotula poate avea si un traiect ascendent, usor oblic la inceput, pentru ca sa ajunga deasupra trohleei si sa se indrepte in afara, pentru a se deplasa deasupra condilului femural extern. In plan sagital rotula se deplaseaza pe o distanta doua ori mai mare decat lungimea sa. Verticala si paralela cu femurul in extensie, rotula devine orizontala cu fata articulara, privind in sus, in flexie maxima. Aceasta translatie circumferentiala se face in jurul axului de flexie a articulatiei genunchiului. Deplasarea este posibila datorita conexiunilor destul de intinse pe care rotula le are cu femurul. In jurul rotulei, capsula articulara formeaza trei funduri de sac, unul cvadricipital si doua latero-rotuliene, care se modifica in cursul flexiei. Atasata de tibie prin puternicul ligament rotulian inextensibil, in cursul miscarii de flexie, rotula sufera o trans-latie circumferentiala in plan sagital si fata de tibie. Translatia se desfasoara in lungul unui arc de cerc cu centrul situat la nivelul tuberozitatii tibiale anterioare, a carei raza este egala cu lungimea ligamentului rotulian. Misca-rile de rotatie ale tibiei antreneaza si deplasarea rotulei. Rotatia interna, prin deplasarea condililor, antreneaza rotula in afara. Rotatia interna automata din cursul flexiei genunchiului reuseste astfel sa alinieze aparatul extensor,desfiintand unghiul deschis in afara ce exista in plan frontal intre tendonul cvadricipital si ligamentul rotulian. In cursul rotatiei externe a tibiei, rotatia interna a condililor femurali va antrena rotula intr-o deplasare pe aceeasi parte.

Biomecanica articulatiei femuro-tibiala. Articulatia femuro-tibiala are un singur grad de libertate, prezentand doua miscari principale in plan sagital, flexia si extensia, gambei pe coapsa. Secundar exista si o a doua directie de miscare, rotatia axiala, mult mai redusa ca amplitudine. Articulatia femurotibiala functioneaza ca o parghie de gradul III atunci cand intregul membru inferior actioneaza ca un lant cinematic deschis. In schimb cand membrul inferior actioneaza ca un lant cinematic inchis, articulatia femuro-tibiala. functioneaza ca o parghie de gradul I, cu punctul de sprijin intre forta si rezistenta.

Fig.8 Complexul anatomic al genunchiului. Genunchiul este o articulatie cu un singur grad de libertate, realizand o parghie de gradul III, cu forta intre punctul de sprijin si cel de rezistenta. Alcatuirea sa ii confera posibilitatea miscarilor de flexie-extensie cat si miscari limitate de rotatie si inclinatie laterala.

Miscarea de flexie-extensie se face, teoretic, in jurul unui ax transversal orizontal, care trece prin cele doua tuberozitati condiliene ale femurului si care, din cauza valgusului fiziologic, formeaza un unghi de 81° cu axul diafizei femurale si de 93° cu cel al diafizei tibiale. In realitate, datorita volutei condiliene, flexia-extensia se desfasoara in jurul unui ax care se deplaseaza in sus si inapoi in flexie si in sens invers, in extensie. Pornind de la o extensie de 180°, flexia activa atinge o amplitudine de 120° (cand soldul este extins) pana la 140° (cand soldul este flectat), iar cea pasiva de 160°. Miscarea de flexieextensie are o componenta de rulare ( cand noi puncte ale femurului si tibiei intra in contact unul cu celalalt la distante egale) si o alta de alunecare(cand noi puncte ale suprafetei femurale intra constant in contact cu aceleasi puncte de pe platoul tibial). Pornind de la o extensie completa, condilul incepe sa se ruleze fara sa alunece in primele 20° ( primele 10-15°) pentru condilul medial si 20° pentru cel lateral), dupa care alunecarea apare si devine progresiv predominanta, astfel incat la sfarsitul miscarii ei, aluneca fara sa ruleze. La miscarile de flexie-extensie se asociaza o rotatie automata ('miscarea in surub'). Inceputul flexiei este insotit de o relaxare a ligamentului colateral lateral si de o relaxare partiala a ligamentului incrucisat antero-extern. Condilul lateral ruleaza spre inapoi pe platoul tibial, distanta de 1 cm in cursul primelor 15° de flexie. Condilul medial, retinut de ligamentul colateral medial nerelaxat are o rulare limitata la cativa milimetri. Acesta face ca in primele 20° in flexie sa apara o miscare de rotatie interna a tibiei sub femur. De la flexie spre extensie, pana la 160° condilii aluneca pe platoul tibial; de la acest punct incepe rularea. Condilul lateral mai scurt isi termina mai repede cursa decat cel medial, sprijinindu-se pe calota condiliana, care intra in tensiune. Extensia completa nu devine posibila decat daca tibia se roteaza in jurul axului sau vertical cu 2 -5° extern, pentru a da posibilitatea si condilului medial sa puna in tensiune calota condiliana mediala, la capatul cursei sale. Aceasta este rotatia terminala de inchidere care blocheaza genunchiul in extensie. Pentru o noua flexie articulatia trebuie deschisa, actiune ce revine muschiului popliteu care initiaza miscarea, el fiind 'starter'-ul ei; prin contractia sa determina o noua rotatie interna a tibiei: ligamentul incrucisat anteroextem si cel colateral-lateral se relaxeaza si flexia poate incepe. Dispozitia anatomica a ligamentelor face ca axul miscarii de rotatie sa treaca prin glena tibiala mediala, in vecinatatea spinei tibiale. Spre deosebire de ligamentele colateral-lateral si incrucisat antero-extern care se relaxeaza partial, ligamentele colateral-medial si incrucisat postero-intern raman in tensiune in cursul flexiei. Condilul medial va fi mai strans atasat de platoul medial, pe cand condilul lateral este fixat mai slab. Din cauza acestor tensiuni ligamentare inegale, jumatatea externa a articulatiei este mai mobila decat cea interna. Rotatia automata se datoreaza: -

lungimii mai mari a condilului femural medial;

-

concavitatii glenei tibiale mediale fata de convexitatea glenei laterale, care permite o alunecare mai mare spre posterior a condilului femural lateral;

-

orientarii ligamentelor colaterale, oblicitatea celui lateral permitand o mai mare mobilitate a condilului femural lateral;

-

tensiunii ligamentului incrucisat antero-extem la sfarsitul extensiei; rotatia externa a tibiei il relaxeaza oferind posibilitatea unui grad de extensie in plus.

Flexia-extensia nu este o simpla miscare elicoidala, ci una mult mai complexa. Axele femurului si ale tibiei care in extensie formeaza un valgus fiziologic, se aliniaza la 90°de flexie in acelasi plan sagital. Aceasta corectie a valgusului fiziologic in cursul flexiei demonstreaza ca axul de flexie al genunchiului nu este strict orizontal, ci intr-un plan usor oblic inapoi si inauntru. Flexia este astfel o miscare complexa, care combina cele doua grade de libertate si variatia in plan frontal a unghiului format de axele anatomice ale femurului si tibiei. Miscarile de rotatie ale gambei pe coapsa se explica prin inaltimea diferita a condi-lilor femurali si se asociaza miscarilor de flexie-extensie. Intervin ligamentele incrucisate, care roteaza gamba in afara, in pozitia finala de flexie si inauntru, in pozitia finala de extensie. Amplitudinea miscarii de rotatie activa este de 15-20°, iar de rotatie pasiva de 35-40°. Axul in jurul caruia se executa miscarea este vertical si trece prin centrul spinelor tibiei. Rotatia externa este realizata de biceps, iar rotatia interna de semimembranos, popliteu, semitendinos, drept intern si croitor. Se constata ca rotatorii interni sunt mai puternici decat rotatorii externi deoarece rotatia interna reprezinta miscarea obisnuita a genunchiului, in timp ce rotatia externa este exceptionala. In rotatia externa ligamentele laterale se intind, iar ligamentele incrucisate se relaxeaza, in timp ce in rotatia interna se intind ligamentele incrucisate si se destind ligamentele laterale. Miscarile de inclinare laterala sunt limitate de ligamentele laterale. Cum inclinarea trebuie limitata special in mers, ligamentele laterale sunt puse sub tensiune maxima odata cu extensia genunchiului. In flexia completa ligamentul lateral extern se relaxeaza, dar cel intern se mentine intins. In semiflexie insa, se obtine o relaxare maxima a ligamentelor.

Fig.9. Biomecanica articulatiei genunchiului. Deplasarea inainte si inapoi a platoului tibial pe condilii femurali, cand genunchiul este extins este limitata de ligamentele incrucisate. Ligamentul incrucisat anterior limiteaza deplasarea inainte, iar cel posterior, deplasarea inapoi. Ligamentul incrucisat anterior se intinde in extensie, se relaxeaza in flexia usoara si se intinde din nou in hiperextensie, in timp ce ligamentul incrucisat posterior se intinde in flexie completa, se relaxeaza in semiflexie si se intinde din nou usor in extensie. In semiflexie, ambele ligamente incrucisate fiind mai destinse, se poate obtine o usoara miscare de alunecare in sus antero-posterior a platoului tibial pe condilii femurali. Arhitectonica osoasa si cartilaginoasa a extremitatilor osoase ale structurilor portante ale genunchiului: Structura extremitatilor osoase marcheaza, prin sistemul lor trabecular, traiectoria tensiunilor principale (denumita eronat 'linii de forta' la care sunt supuse). Epifiza distala femurala are doua sisteme trabeculare, unul supus tensiunilor de compresiune plecand din corticala interna si mergand spre condilul omonim si spre condilul lateral pe traiectoria tensiunilor de tractiune, iar al doilea are dispozitia simetrica pornind de la corticala laterala.

Unele travee orizontale leaga cei doi condili, iar cele dispuse pe traiectoria tensiunilor de tractiune se incruciseaza spre diafiza femurala. La nivelul epifizei proximale a tibiei, dispozitivul trabecular este simetric plecand din corticalele mediale sau laterale cu punct terminus la nivelul platoului tibial de aceeasi parte sau de cea opusa, traveele orizontale unind cele doua cavitati glenoide. Pe langa sistemul trabecular si fibrele colagene ale cartilajelor articulare se dispun pe traiectoria tensiunilor principale. Astfel, ele urmeaza directia trohleei pe care o acopera si se indreapta spre condilii femurali; pe platoul tibial ele sunt dispuse radiar, iar pe paleta au directia dinspre proximal spre distal. Razele de curbura ale condililor si a glenelor nu sunt egale, existand o discordanta a suprafetelor articulare. Restabilirea concordantei se datoreaza celor doua meniscuri care se aseaza ca o pana in unghiul diedru al sistemului condilo-glenoidian. Nefiind strict cartilaginoase meniscurile poseda o elasticitate si o deformabilitate mai mare decat a cartilajului.

Bilantul articular al genunchiului. Genunchiul este format din trei articulatii, dintre care femuro-tibiala si femuro-rotuliana participa la miscarile sale, in timp ce articulatia tibioperoniera superioara (o artrodie stransa, care nu permite decat mici miscari de alunecare), participa la miscarile gleznei. Genunchiul este o articulatie cu un singur grad de libertate, cu miscarile de flexie-extensie si miscarile secundare de rotatie externa si interna. Exista si miscari foarte mici de lateralitate si 'de sertar'. a)Flexia - activa - cu soldul intins - 0 - 120 ° - cu soldul flectat - 0 -140° - pasiva - 0- 160° b)Extensia propiu-zisa este nula. Se apreciaza deficitul de extensie sau de hiperextensie in cadrul diformitatii genu-recurvatum. Flexia si extensia se executa in plan sagital, in jurul axei transversale. c)Rotatia externa activa se produce odata cu extensia genunchiului, piciorul orientandu-se in afara. In aceasta miscare ligamentele incrucisate se relaxeaza, iar cele laterale se intind. d) Rotatia interna activa incepe sa apara in timpul flexiei, cand aceasta depaseste 70°. In rotatia interna ligamentele incrucisate se intind, iar cele laterale se relaxeaza.Rotatiile pasive se executa cu genunchiul flectat la 90°,din pozitia de decubit ventral. Se prinde piciorul de calcai si antepicior si se roteaza inauntru(rotatie interna de 30-35°) si in afara (rotatie externa de 40°). e) Lateralitatea se poate realiza in special cu genunchiul in semiflexie, cand se obtine o relaxare maxima a ligamentelor colaterale. Amplitudinea miscarii este foarte mica. f) Miscarile 'de sertar' sunt patologice, caci ligamentele incrucisate le opresc. Exista un „sertar' anterior si unul posterior. Testarea se face cu genunchiul flectat la 90°. Pozitia functionala este cea anatomica de zero. Pozitia de repaus articular este la o flexie de 30-40°.

Bilantul muscular al genunchiului. Bilantul muscular reprezinta un sistem de tehnici de examen manual pentru evaluarea fortei fiecarui muschi sau a unor grupuri musculare. Cel mai frecvent este utilizata scara cu 6 trepte (5-0) pentru testarea fortei musculare. Forta 5 (normala)

- amplitudine completa contra gravitatiei si rezistentei maximale;

Forta 4 (buna)

- amplitudine completa a miscarii contra gravitatiei plus o rezistenta partiala;

Forta 3 (acceptabila) - amplitudine completa a miscarii contra gravitatiei; Forta 2 (mediocra)

- amplitudine completa a miscarii fara gravitatie;

Forta 1 (schitata)

- se palpeaza o usoara tensiune musculara;

Forta 0

- fara contractie.

Evaluări biomecanice ale articulaţiei genunchiului uman normal, osteoarthritic și protezat Protocol experimental Primul obiectiv al acestui studiu este de a măsura variația unghiurilor de flexie-extensie ale articulațiilor umane de la genunchii celor doua membre inferioare în timp ce subiectul efectuează diferite teste, cum ar fi mersul pe sol pe un set de platforme de forță cu diferite viteze, urcarea-coborarea pe sacri. Seriile de date experimentale obținute vor fi introduse ca date de intrare în articulațiile unui manechin virtual și o simulare virtuală de mers pe jos se va realiză în software-ul de mediu ADAMS. Variația forțelor de reacțiune cu solul vor fi obținute prin date experimentale și prin simulare virtuală și vor fi comparate. Al doilea obiectiv presupune determinarea, prin simulare numerică, a forțelor de reacțiune dezvoltate în articulația genunchiului, în scopul de a efectua o analiză cu metoda elementului finit și de a obține hartile de tensiuni și deformații pentru articulațiile genunchiului normal (sanatos), pentru articulațiile osteoartritice și articulații protezate. Măsurătorile au fost efectuate pe un eșantion format din 7 subiecți sănătoși care nu prezentau dureri sau afecțiuni musculo-scheletale si, respectiv, pe un eșantion format din 7 pacienți cu un grad ridicat de osteoartrită la unul din genunchi. în cazul pacienților, măsurătorile au fost facute înainte de operația de protezare și după operatia de protezare. Echipament Sistemul de achiziții și prelucrari de date utilizat este sistemul Biometrics [WBI] care este utilizat frecvent pentru analiză dinamică a mișcării, în cercetare, ca sisteme de evaluare și în programele de reabilitare clinică. Echipamentul integrat pentru analiză complexa 3D a mișcării umane este orientat pentru cercetări intr-un număr mare de domenii variate cum ar fi: biomecanică, robotică, bioinginerie medicală, traumatologie, protezare, ergonomie, recuperare, medicina sportivă și performantă sportivă, biomecanica veterinara și farmacologie.

Un avantaj în utilizarea Biometrics îl reprezintă posibilitatea de utilizare simultană și de culegere a datelor de la un număr maxim de 24 de senzori diferiți, cum ar fi electrogoniometre și senzori EMG, simultan cu utilizarea platformelor de forță.

DataLOG MWX8 reprezintă echipamentul dezvoltat de Biometrics Ltd pentru monitorizarea și achiziția de date în afara laboratorului. Permite achiziția de date atât în format analog cât și digital, colectarea datelor facându-se prin conectarea unui conector al cablurilor de transfer la unul din cele 8 canale ale DataLOG și cel de-al doilea conector al cablului de transfer, la dispozițivul utilizat pentru preluarea datelor (Goniometre, platforme de forță, senzori EMG, accelerometre etc.).

Fig. 10. DataLOG Biometrics

Fig. 11. Electrogoniometre Biometrics

[WBI]

Electrogoniometrele sunt senzori care pot fi utilizați pentru a studia biomecanica articulațiilor umane, cum ar fi: glezne, genunchi, și alte articulații umane. Goniometrele din gama Biometrics sunt proiectate pentru măsurarea rapidă a mișcării articulațiilor corpului uman pe câte 2 direcții cu o precizie de ± 2º pentru un interval măsurat de minim 90º. Platforme de forță Platformele de forţă din sistemul Biometrics (Fig.3.4) se pot conecta direct prin Bluetooth la sistemele dataLINK și DATALog pentru achizitia datelor şi analiză forţei de reacțiunee dinr-o gamă largă de aplicații. O platformă de forţă constă dintr-un sandwich de 2 placi metalice uniforme, cu 4 celule de sarcină montate între ele.

Fig. 12. Platforme de forță FP4 [WBI]

Platforme de forță sunt folosite în analiză mersului pentru a măsura forțele de reacțiune cu solul, la contactul dintre talpa și sol, atunci cand subiectul merge pe ele. Întregul proces de colectare de date în timp real, vizualizarea digramelor și setării se realizează prin software-ul Biometrics DataLOG. Software-ul permite exportare/importarea de formate .txt ce pot fi utilizare ultierior.

Pentru culegerea datelor în timpul testelor experimentale efectuate pe eșantionul de subiecți și pe eșantionul de pacienți, s-au folosit: -2 electrogoniometre SG 150 pentru articulația genunchiului șoldului.

-2 electrogoniometre SG 110, pentru articulația gleznei. -6 platforme de forță FP 4 montate -3 dispozitive de achiziție de date prin wireless DataLOG, doua pentru cele 6 electrogoniometre (deci 12 achiziții de date simultan) și al 3-lea pentru cele 6 platforme de forță.

Fig. 13. Montaj echipament Biometrics

Fig. 14. Schema bloc sistem colectare-prelucrare date

Subiecți şi pacienţi Au fost supuse evaluarilor biomecanice doua eșantioane: eșantionul format din 7 subiecți sanatosi și eșantionul format din 5 pacienți suferinzi de osteoartrită avansată. Teste experimentale Testele experimentale s-au desfăşurat pentru eșantionul format din 7 subiecți sanatosi, și în cadrul Spitalului Clinic de Urgenţă din Craiova, pentru eșantionul de 5 pacienți, suferinzi de osteoartrită avansată. Testele executate sunt: - 1) Test 1 – mers pe sol pe platformele de forță aproximativ 10 m, timp de 25 sec. - 2) Test 2 – mers pe sol pe platformele de forță aproximativ 10 m, timp de 20 sec. - 3) Test 3 – mers pe sol pe platformele de forță aproximativ 10 m, timp de 15 sec. - 4) Test 4 – urcare trepte (12 trepte) - 5) Test 5 – coborâre trepte (12 trepte) - 6) Test 6 – ridicare- așezare pe scaun Etapele prelucrării datelor experimentale Pentru obținerea diagramelor ciclurilor medii corespunzător fiecărui test, atât la nivel de individ, cât și la nivel de eșantion, se parcurg următorii pasi: 1. Se colectează datele cu sistemul Biometrics, rezultând fișiere de date și grafice corespunzătoare fiecărui canal activ prin utilizarea softului Biometrics. 2. Se importă fișierele exportate în format .txt din programul Biometrics în programul SimiMotion. 3. Se editează modele de cicluri și faze necesare impartirii ulterioare a fișierelor importate. 4. Se imparte în cicluri și faze fișierul importat, pe bază modelelor editate la etapa anterioara. 5. Se selectează 7-8 cicluri consecutive ale diagramei respective, și se normalizează pentru obținerea ciclului mediu, fiind recomandata eliminarea prealabila a primelor 2-3 cicluri și a ultimelor 2-3 cicluri de mers, adică a acelor cicluri cu miscare tranzitorie, neuniforma, nereprezentativa pentru test. 6. Se normalizează ciclurile consecutive selectate. Pentru obținerea diagramelor se utilizează aplicaţia Cut Into Phase care extrage și normalizează fiecare ciclu de mers al fișierului importat.

Rezultate Rezultate Subiecți sanatosi – Teste 1-3 Principalii parametri cinematici obținuti în urma culegerii datelor corepunzatoare testelor 1-3, pentru toti subiecții sănătoşi, se regăsesc în tabelele 3.3.-3.5 din teză. Parcurgand etapele prelucrării datelor colectate în timpul testelor experimentale, au fost obținute ciclurile medii ale genunchiului stâng și ale celui drept pentru fiecare subiect sanatos și fiecare test. Sunt prezentate diagramele ciclurilor medii corespunzătoare fiecărui genunchi (drept și stâng), precum și un grafic comparativ al celor doua cicluri medii, corespunzătoare testelor 1-5 executate de Subiectul 2. Grafice similare au fost obținute pentru fiecare test executat de fiecare subiect.

Testele experimentale au demonstrat că valorile maxime ale unghiului de flexie-extensie sunt mai mici cu aproximativ 20-26 de grade pentru genunchiul osteoarthritic decât pentru genunchiul sănătos pentru ambele tipuri de teste: urcare și coborâre. Curbele de variație au alura similară pentru pacienți și pentru subiecții sănătoși. De asemenea, valorile unghiului de flexieextensie sunt mai mari la coborâre decât la urcare pentru toți participanții la testele experimentale: și subiecții sănătoși, și pacienții

Fig. 15. Ciclul mediu pentru genunchiul drept și genunchiul stâng și comparatia lor - Test 1, Subiect

Modelari și simulari numerice ale articulației genunchiului uman protezat cu proteza clasica Studii actuale privind modelarea virtuală a articulației genunchiului uman La ora actuală, pe piață există mai multe programe software avansate ce pot analiza datele tomografice și pot crea modele virtuale spațiale. Existǎ multiple lucrǎri care abordeazǎ construcţia componentelor articulației genunchiului pornind de la imagini obtinute prin metoda Rezonanței magnetice nuclear.

Modelarea virtuală a protezei de genunchi clasice Pentru realizarea modelului virtual al protezei de genunchi s-a folosit aplicatia DesignModeler, un preprocesor al programului Ansys Workbench 15.07. S-a pornit de la un model fizic existent al unei proteze clasice des utilizate în artroplatia totală de genunchi . Aceasta este constituitț din 3 componente: a) componenta femurala, ce se aplică pe capatul distal al femurului, b) componenta tibială, ce se aplică pe capătul proximal al tibiei, iar peste aceasta din urmă se poziționează c) insertul de polietilenă.

Fig.16. Proteza clasică pentru articulatia genunchiului uman.

Modelarea virtuală a protezei de genunchi s-a realizat pornind de la dimensiunile reale ale protezei. Se pornește, de asemenea de la modelul geometric virtual existent al articulației genunchiului uman sanatos.

Concluzii Cea mai importantă concluzie a studiului a fost aceea că a fost utilizat un model 3D al ansamblului protezei genunchiului pentru a investiga efectele pantei tibiale antero-posterioare asupra solicitărilor de contact din componentele protezei totale de genunchi

Bibliografie 1. Neumann, Donald, A., Kinesiology of the musculoskeletal system: foundations for rehabilitation, Mosby Inc., St. Louis, Missouri, 2002, USA, ISBN 0–8151–6349–5. 2. Sbenghe, Tudor, Kinesiologie: stiinta miscarii, Editura Medicala, Bucuresti, 2002, ISBN 973–39–0377–9. 3. Sbenghe, Tudor, Kinetologie profilactica, terapeutica si de recuperare, Editura Medicala, Bucuresti, 1987. 4. Hamilton, N., Luttgens, K., Kinesiology. Scientific basis of human motion, McGraw-Hill, New York, 2002. 5. Biotech’s Life Science Dictionary, http://biotech.icmb.utexas.edu/search/ dictsearch.html/. 6. Haulica, I., Fiziologie umana, Editura Medicala, Bucuresti, 1989. 7. Mogos, Gh., Ianculescu, Alex., Compendiu de anatomie si fiziologie a omului, Editura Stiintifica, Bucuresti, 1974. 8. Papilian, V., Anatomia omului, vol. 1, Aparatul locomotor, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1982. 9. Popescu, M., Trandafir, T., Artrologie si Biomecanica, Editura Scaiul, Bucuresti, 1998. 10. Hall, S.J., Basic Biomechanics, Mosby, St. Louis, 1995. 11. Miller, D.I., Nelson, R.C., Biomechanics of Sports: a research approach, Lea&Febiger, Philadelphia, 1973. 10. http://www.scrigroup.com/sanatate/ANATOMIA-SI-BIOMECANICAGENUNC73496.php. 11. Anouchi YS, McShane M, Kelly F Jr, Elting J, Stiehl J. Range of motion în total knee replacement. ClinOrthop. 1996; 331:87-92. 12. Antonescu, D., Patologia aparatului locomotor; vol II Ed.Med.2005-2008; 13. Arroyo, R.L., Sánchez, J., Biomechanical behavior of the knee joint using Ansys, Grupo SSC de México, San Miguel Allende, Gto, México, 2004. 14.] Bae, J.Y., Park, K.S., Seon, J.K., Kwak, D.S., Jeon, I., Song, E.K., Biomechanical analysis of the effects of medial meniscectomy on degenerative osteoarthritis, Med Biol Eng Comput , 50:53– 60, 2012. 15. Baciu, C., - Chirurgia si protezarea aparatului locomotor; Ed. Med.Bucuresti, 1986, 16. Baciu C.- Anatomia funcţională şi biomecanica aparatului locomotor, Bucureşti, Ed. Sport-Turism, 1977.

17. Bahraminasaba, M., Saharia B.B., Hassana, et al., Finite element analysis of the effect of shape memory alloy on the stress distribution and contact pressure în total knee replacement, Trends Biomater. Artif. Organs, 25(3), 95-100, 2011. 18. Bai, B., Baez, J., Testa, N., Kummer, F.J., Effect of posterior cut angle on tibial component loading, J, Arthroplasty, 15(7):916–920, 2000. 19. Bloebaum, R.D., Zou, L., Bachus, K.N., Shea, K.G., Hofmann, A.A., Dunn, H.K., Analysis of particles în acetabular components from patients with osteolysis. Clin Orthop Relat Res, 338, 109–118, 1997. 20. Callaghan, John. J., John, N. Insallsa., “Mobile- Bearing Knee Replacement”, The Journal of Bone and Joint Surgery 82-A ,1020-1041, 2000 21. Calb, M. – Anatomia funcţională şi Biomecanica- Sinteze, partea II, Ed. Fundaţiei România de Mâine, Bucuresti, 2000 22. Calafeteanu, D., Tarnita, D., Tarnita, D.N., Numerical simulations of 3D model of kneeprosthesis assembly with antero-posterior tibial slope, IftoMM Congress, Taiwan, 2015, DOI Number: 10.6567/IFToMM.14TH.WC.OS1.008 23.Calafeteanu, D., Tarnita, D., et al.: Influences of Varus Tilt on the Stresses in Human Prosthetic Knee Joint. Applied Mechanics and Materials, 823, 143-148, 2016. 24.] Calafeteanu, D., Tarnita, D., Catana, M., and D.N. Tarnita, Influences of Antero-Posterior Tibial Slope on the Prosthetic Knee Contact Stresses, Applied Mechanics and Materials, Vol. 823, 137-142, 2016, www.scientific.net/AMM.823.137. 25. Carabas I., Studiu privind caracteristicile functionale, constructive şi de material ale endoprotezelor de genunchi, Analele UVT-Seria EFS, No.10, Noiembrie 2008. 26. Catana, M., Contributii la studiul biomecanicii genunchiului uman, cu aplicatii în ortezare, Teza doctorat, Craiova, oct. 2013. 27. Catana, M., Tarnita, Daniela. Tarnita, D.N., Modeling, Simulation and Optimization of a Human Knee Orthotic Device, Applied Mechanics and Materials, 371, 549-553, 2013. 28.Chao, E .Y., Laughman, R. K., Schneider, E., Stauffer, R. N., Normative data of knee joint motion and ground reaction forces în adult level walking. J Biomech, vol.16, 219–33, 1983. 30. Chantarapanich, N., Nanakorn, P., Chernchujit, B.,et al., A finite element study of stress distributions în normal and osteoarthritic knee joints, J Med Assoc Thai, 92: S97-103, 2009.