B ιολογική Μηχανική των οστών

1. Bιολογική Μηχανική των οστών Δρ Παναγιώτης Β. Τσακλής

2. Bιομηχανικά χαρακτηριστικά των οστών – Οστίτη ιστού Οργανικά στοιχεία (e.g. κολλαγόνο) Ανόργανα στοιχεία (e.g., ασβέστιο & φώσφορος) 25-30% (ξηρό βάρος) 65-70% (ξηρό βάρος) H2O (25-30%) εύπλαστο Ένα από τα σκληρότερα υλικά στο σώμα εύθραυστο γλοιοελαστικό

3. Μηχανικές Φορτίσεις Συμπίεση Διάταση ΔιάτμησηΣυστροφήΛύγισμα

4. Συμπιεστική φόρτιση Κατάγματα σπονδύλων Αυχενικά κατάγματα spine loaded through head e.g., football, diving, gymnastics once “spearing” was outlawed in football the number of cervical injuries declined dramatically Οσφυϊκά κατάγματα weight lifters, linemen, or gymnasts spine is loaded in hyperlordotic (aka swayback) position

5. Εκτατικές φορτίσεις Κύρια πηγή εκτατικής φόρτισης είναι ο μυς Η τάση μπορεί να διεγείρει την ανάπτυξη Το κάταγμα που σχετίζεται με εκτατική τάση είναι κυρίως αποσπαστικό Όταν το κνημιαίο όγκωμα δέχεται υψηλές φορτίσεις από τη μυϊκή ομάδα του τετρακεφάλου αναπτύσσει ένα σύνδρομο γνωστό ωςOsgood-Schlatter’s

6. Διατμητικές δυνάμεις Δημιουργούνται από την δράση συμπιεστικών, εκτατικών και συνδυασμού των δυο δυνάμεων

7. Η ΣΥΜΠΙΕΣΤΙΚΗ ΔΥΝΑΜΗ ΤΟΥ ΟΣΤΟΥ From: Biomechanics of the Musculo-skeletal System, Nigg and Herzog

8. Σχετική δύναμη στο οστό

9. Δυνάμεις λυγίσματος Συνήθως εφαρμογή 3- 4 σημείων

10. Δυνάμεις συστροφής Οφείλονται σε μία στροφική δύναμη η οποία παράγειδιατμητικά, εκτατικά και συμπιεστικά φορτία Τα εκτατικά και συμπιεστικά φορτία είναι υπό γωνία Συνήθως παρατηρούμε ένα σπειροειδές κάταγμα μετά από αυτή τη φόρτιση

11. Δύναμη και ανθεκτικότητα του οστίτη ιστού Υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τη σχέση μεταξύ του εφαρμοζόμενου φορτίου και του ποσοστού παραμόρφωσης ΚΑΜΠΥΛΗ ΦΟΡΤΙΣΗΣ - ΠΑΡΑΜΌΡΦΩΣΗΣ Χαρακτηριστικά του οστίτη ιστού ανισσοτροπικός ελαστικός εύπλαστος γλοιελαστικός

12. Πίεση= Αλλαγή στο μήκος/γωνία Τάση = Δύναμη/επιφάνεια Note: Stress-Strain curve is a normalized Load-Deformation Curve

13. Πλαστική περιοχή (2) (3) κάταγμα Ελαστική Περιοχή (1) Τάση (φορτίο) Dstress Dstrain πίεση (παραμόρφωση) Ελαστικές & Πλαστικέςαντιδράσεις • ελαστικήέως 3% παραμόρφωσης (1) • πλαστικήαντίδραση • οδηγεί σε κάταγμα (2) • Η δύναμηορίζεται από το σημείο • του κατάγματος (3) • Η σκληρότητα ορίζεται από την κλίση • της ελαστικής περιοχής

14. Ελαστικά βιοϋλικά (Οστό) Καμπύλες φόρτισης/παραμόρφωσης • Ελαστικά/Πλαστικάχαρακτηριστικά • Τα εύθραυσταυλικά καταρρέουν πριν την ολική παραμόρφωση • Τα εύπλασταυλικά παραμορφώνονται περισσότερο πριν καταρρεύσουν • Τα οστά παρουσιάζουν και τα δύο Ελαστικό όριο φορτίο Εύπλαστα υλικά Εύθραυστα υλικά οστό παραμόρφωση (μήκος)

15. Ανισσοτροπικήαπάντηση στη συμπεριφορά του οστού εξαρτάται από τη φορά της φόρτισης Το οστό είναι δυνατότερο κατά τον επιμήκη άξονα - Γιατί?

16. δοκιδωτό διάταση συμπίεση φλοιώδη διάτμηση διάταση συμπίεση 0 50 100 150 200 Μέγιστη τάση (MPa) Η Ανισσοτροπία του οστού From: Biomechanics of the Musculo-skeletal System, Nigg and Herzog

17. κάταγμα φορτίο γρήγορα κάταγμα αργά παραμόρφωση Γλοιοελαστικήσυμπεριφορά του οστού εξαρτάται από το ρυθμό με τον οποίο εφαρμόζεται το φορτίο Το οστό θα σπάσει γρηγορότερα εάν το φορτίο εφαρμοστεί με αργό ρυθμό

18. ΣΚΕΛΕΤΟΣ • Άξονας του σκελετού • κρανίο, θώρακας, λεκάνη, & σπονδυλική στήλη • Τμήματα του σκελετού • Άνω και κάτω άκρα • Πρέπει να γνωρίζετε τα κύρια οστά του σώματος

19. Σκοποί του σκελετού • προστασία των ζωτικών οργάνων • παραγωγή ερυθρών αιμοσφαιρίων • αποθήκευση μετάλλων • σημεία πρόσφυσης των μυών • συστήματα παραγωγής κίνησης

20. Ανατομικά σημεία των οστών • κόνδυλοι • Αποστρογγυλεμένη άκρη που αρθρούται με άλλο οστό • e.g. Μηριαίος κόνδυλος • επικόνδυλος • Ένας μικρός κόνδυλος • e.g. Βραχιόνιοι επικόνδυλοι

21. Ανατομικά σημεία των οστών • facet • μία μικρή, σχεδόν επίπεδη, λεία επιφάνεια, συνήθως αρθρική επιφάνεια • e.g. σπονδυλικά facets (εγκάρσιες αποφύσεις) • Τρήμα • Μία τρύπα στο οστό την οποία διαπερνούν αγγεία και νεύρα • e.g. Σπονδυλικό τρήμα

22. Ανατομικά σημεία των οστών • Κοιλότητα • Μία ρηχή σαν πιάτο περιοχή του οστού που παρέχει χώροάρθρωσης με άλλο οστόη λειτουργεί σαν σημείο μυϊκής πρόσφυσης • Γλοινοειδής κοιλότητα • Κύρτωμα • Μία οστική προεξοχή • Ωλεκρανικό κύρτωμα

23. Ανατομικά σημεία των οστών • Ογκωμα • Μία ανυψωμένη περιοχή του στην οποία προσφύεται ένας μυς – τένοντας ή σύνδεσμος; Δημιουργείται κατά την ανάπτυξη καθώς ο μυς ασκεί τάση στο οστό • Κερκιδικό όγκωμα

24. Μακρά οστά • e.g. μηρός, κνήμη • 1 μακρά διάσταση • Χρησιμοποιείται για μοχλός • Μεγαλύτερα και δυνατότερα στα κάτω άκρα • Διότι έχουν περισσότερο βάρος να υποστηρίξουν

25. Βραχέα οστά • e.g. Καρπιαία και ταρσιαία • Σχεδιάστηκαν για δύναμη όχι κινητικότητα • Όχι σημαντικά για το μάθημα αυτό…

26. Πλατιά οστά • e.g. κρανίου, πλευρά, ωμοπλάτη • Συνήθως παρέχουν προστασία

27. Ανώμαλα οστά • e.g. σπόνδυλοι • Προσφέρουν προστασία, στήριξη και μοχλούς

28. Σησαμμοειδή οστά • e.g. επιγονατίδα • Ένα μικρό οστό που παρεμβάλλεται μεταξύ τένοντα και θυλάκου • Επηρεάζει τη γωνία πρόσφυσης του μυ

29. Δομή των μακρών οστών Φλοιϊκό ή συμπαγές οστό (πώρωση ~ 15%) περιόστεο εξωτερική φλοιϊκή μεμβράνη ενδόστεο εσωτερική φλοιϊκή μεμβράνη Δοκιδωτό , πορώδες, ή σπογγώδες οστό (πώρωση ~70%)

30. Δομή των μακρών οστών Επιφυσιακός δίσκος Χόνδρος που χωρίζει τη διάφυση από την επίφυση • μετάφυση • Το άκρο της διάφυσης που • περιέχει πορώδες οστό διάφυση ο άξονας του οστού • επίφυση • Τα άκρα του οστού

31. Biomechanical Characteristics of Bone Έλλειψη δραστηριότητας Φυσική δραστηριότητα Οστίτης ιστός Αποδόμηση/ανάπτυξη βαρύτητα ορμόνες Αποθέματα οστού (οστεοποιός μυϊτις) Ηλικία & οστεοπόρωση

32. Επιμήκης αύξηση του οστού • Συμβαίνει στον επιφυσιακό ή “αυξητικό “ δίσκο • Τα οστικά κύτταρα παράγονται στο διαφυσιακό άκρο του δίσκου • Ο δίσκος οστεοποιείται γύρω στα18-25 και η επιμήκης αύξηση σταματά

33. Σπόνδυλοι Πλευρές Βραχίονας, άνω Βραχίονας, κάτω Ωλένη, άνω Ωλένη, κάτω Κνήμη, άνω Κνήμη, κάτω 0 5 10 15 20 25 30 Επιφυσιακό κλείσιμο From: Biomechanics of Human Movement, Adrian and Cooper

34. Περιμετρική αύξηση του οστού • Αύξηση κατά περιόδους • Τα οστικά κύτταρα παράγονται στο εσωτερικό του περιόστεου από οστεοβλάστες • Παράλληλα το οστό αναρροφάται στην περιφέρεια της έσω κοιλότηταςαπό οστεοκλάστες

35. Biomechanical Characteristics of Bone Ο νόμος του Wolff • Το οστό εναποθέτεται όπου χρειάζεται και απορροφάται όπου δεν χρειάζεται • Το σχήμα αντανακλά το ρόλο του • tennis arm of pro tennis players have cortical thicknesses 35% greater than contralateral arm (Keller & Spengler, 1989) • Οι οστεοκλάστεςαπορροφούν οστό • Οι οστεοβλάστες εναποθέτουν οστό

36. Αποθέματα οστού • Απάντηση στη δραστηριοποίηση • Τακτική άσκησηδιεγείρει την οστεοποίηση στο σώμα • tennis players and baseball pitchers develop larger and more dense bones in dominant arm • male and female runners have higher than average bone density in both upper and lower extremities • non-weightbearing exercise (swimming, cycling) can have negative effects on BMD

37. Ελάττωση του οστού • Μείωση μηχανικών φορτίσεων • Μείωση επιπέδων ασβεστίου(Ca) • Απώλεια ασβεστίου από τα νεφρά • Αυξάνει την πιθανότητα σχηματισμού πέτρας • Επίδραση μη φόρτισης (υποβαρύτητα) • Οι αστροναύτες ασκούνται για διατήρηση της μυϊκής τάσης • Αυτές είναι διατατικές δυνάμεις – η βαρύτητα είναι συμπιεστική

39. Tip-Toe running pattern Heel-toe running pattern

40. TVIS Treadmill Vibration Isolation and Stabilization System

41. Αλλαγές στα οστά με το χρόνοπρώϊμη ηλικία • Osgood-Schlatter’s σύνδρομο • Δημιουργία φλεγμονής, ασβεστοποίησης, ή αποσπαστικού κατάγματος στο κνημιαίο όγκωμα • Ανισορροπία στη δύναμη μυ - οστού • “αυξητικός παράγων” μεταξύ του μήκους του οστού και της μυοτενόντιας μονάδας (e.g., απότομη αύξηση στο μηρό και στη κνήμη επιφέρει υψηλή πίεση του επιγονατιδικού τένοντα και του κνημιαίου ογκώματος) • Κατά την εφηβία η μυική αύξηση (testosterone) μπορεί να ξεπεράσει τον οστικό ρυθμό ανάπτυξης προκαλώντας αποκόλληση του μυ

42. Αλλαγές στα οστά με το χρόνονεαρή ηλικία • Τραυματισμοί από υπέρχρηση • Επαναλαμβανόμενες φορτίσεις επιδρούν στις σκελετικές δομές • Leaguer’s Elbow • Πρώϊμο κλείσιμο του επιφυσιακού δίσκου • γυμνάστριες • 4X μεγαλύτερη εμφάνιση παθολογίας στη μέση στις γυμνάστριες από το γενικό πληθυσμό (Jackson, 1976)

43. Αλλαγές στα οστά με το χρόνοενήλικες • Μικρή αλλαγή στο μήκος • Μεγαλύτερη αλλαγή στη σύσταση • Μείωση της χρήσης ελαττώνει τη σύσταση • ΜΕΙΩΝΕΙ ΤΗ ΔΥΝΑΜΗ ΤΟΥ ΟΣΤΟΥ • δραστηριότητα • Αυξημένη δραστηριότητα οδηγεί σε αύξηση τηςδιαμέτρου, σύστασης, εύρους του φλοιούκαι του ασβεστίου

44. Διαταραγμένη διατροφή Οστεοπόρωση αμμηνόροια Χαμηλό σωμ. Λίπος Υψηλή ένταση προπ. Χαμηλά επίπεδα οιστρογόνων Αλλαγές στα οστά με το χρόνοενήλικες • Ορμονική επίδραση • Οιστρογόνα για διατήρηση των μετάλλων • Πάντα μετά την εμμηνόπαυση • Η σχέση μεταξύ αμμηνόροιας και μείωσης των οιστρογόνων σε αθλήτριες:

45. Αλλαγές στα οστά με το χρόνοενήλικες • 30 χρόνων άνδρες και 40 γυναίκες • BMD κορύφωση (Frost, 1985; Oyster et al., 1984) • Ακολουθεί μείωση BMD, διαμέτρουκαι των μετάλλωνμετά από αυτό • Η δραστηριότητες επιβραδύνουν τη γήρανση

46. Οστική μάζα (g of Ca) 1000 500 0 25 50 75 100 ηλικία (yr) ηλικία, οστική μάζακαι φύλο From: Biomechanics of Musculoskeletal Injury, Whiting and Zernicke

47. Μειωμένη BMD Παράγων κατάγματος Οστεοπενία Πολύ μειωμένη BMD Υψηλός παράγων κατάγματος Οστεοπόρωση Διαιτητικοί παράγοντες Φυσική δραστηριότητα Ορμονικοί παράγοντες 28 million Americans affected – 80% of these are women 10 million suffer from osteoporosis 18 million have low bone mass

48. Οστεοπόρωση • Οι γυναίκες χάνουν 0.5-1% της οστικής μάζαςκάθε χρόνο έως τα 50 ή την εμμηνόπαυση • Μετά την εμμηνόπαυση ο ρυθμός απώλειας αυξάνει (έως και 6.5%)

49. Κονταίνουμε με τα χρόνια? • Η οστεοπόρωση επηρεάζει τη δομική ακεραιότητα των σπονδύλων • Αδυνατίζει το δοκιδωτό του οστού • Οι σπόνδυλοι “καταρρέουν” • Μειώνεται το ύψος του σπονδυλικού σώματος • Η πρόσθια επιφάνεια της ΣΣ φορτίζεται περισσότεροκαι η συμπίεση σχηματίζει σφηνοειδής σπονδύλους • Δημιουργείται κυφωτική καμπύλη γνωστή ως Dowager’s Hump • Για κάποιο λόγο οι σπόνδυλοι στους άνδρεςαυξάνουν σε διάμετροκαι έτσι περιορίζονται οι αρνητικές επιδράσεις

50. Πρόβλεψη της οστεοπόρωσης • $13.8 billion in 1995 (~$38 million/day) • Επιλογές ζωής • Κατάλληλη δίαιτα • Ca, vit. D, • Πρωτείνη και φωσφόρος (too much?) • καπνός, αλκοόλ, καφεϊνη • ΑΣΚΗΣΗ – ΑΣΚΗΣΗ - ΑΣΚΗΣΗ • 47% incidence of osteoporosis in sedentary population compared to 23% in hard physical labor occupations (Brewer et al., 1983)