Curs 14 Biomecanica AnII BFKT

29
BIOMECANICA TENDOANELOR ŞI LIGAMENTELOR BIOMECANICA TENDOANELOR ŞI LIGAMENTELOR Aceste structuri sunt pasive (nu produc mişcare, precum muşchii), fiecare joacă un rol esenţial în mişcarea articulară. Rolul ligamentelor şi a capsulei articulare, structuri care fac conexiunea os-os, este de a creşte stabilitatea mecanică a articulaţiei, de a ghida mişcarea articulară şi de a preveni o mişcare exagerată. Funcţia tendoanelor este aceea de a ataşa muşchii de os, deci, de a contribui la producerea mişcării articulare. De asemenea, tendonul face posibil ca mijlocul muşchiului să fie la distanţă optimă de articulaţia asupra căreia acţionează, fără a fi necesară o lungime mare între originea muşchiului şi inserţia acestuia. Patologia tendoanelor şi ligamentelor este comună.

description

bbbbb

Transcript of Curs 14 Biomecanica AnII BFKT

  • BIOMECANICA TENDOANELOR I LIGAMENTELOR Aceste structuri sunt pasive (nu produc micare, precum muchii), fiecare joac un rol esenial n micarea articular.

    Rolul ligamentelor i a capsulei articulare, structuri care fac conexiunea os-os, este de a crete stabilitatea mecanic a articulaiei, de a ghida micarea articular i de a preveni o micare exagerat.

    Funcia tendoanelor este aceea de a ataa muchii de os, deci, de a contribui la producerea micrii articulare. De asemenea, tendonul face posibil ca mijlocul muchiului s fie la distan optim de articulaia asupra creia acioneaz, fr a fi necesar o lungime mare ntre originea muchiului i inseria acestuia.

    Patologia tendoanelor i ligamentelor este comun. Pentru a nelege n ce fel apar disfunciile i mecanismul de regenerare, trebuie cunoscute funciile i proprietile mecanice ale tendoanelor i ligamentelor.

  • Compoziia i structura tendoanelor i ligamentelor

  • Colagenul MECANOTRANSDUCIE

  • Elastina Proprietile mecanice ale tendoanelor i ligamentelor sunt dependente i de proporia de elastin pe care aceste structuri o conin. Proteina denumit elastin este prezent n cantitate redus n tendoane i n extremitatea ligamentelor, dar n ligamentele elastice, precum ligamentul galben, proporia fibrelor de elastin este substanial. Substana fundamental Substana fundamental din ligamente i tendoane este constituit din proteoglicani (peste 20% din matricea solid), glicoprotine, proteine plasmatice i o varietate de molecule mici. Acioneaz ca un liant ntre micriofibrilele de colagen.Proteoglicanii pot ajuta la stabilizarea scheletului de colagen, din tendoane i ligamente.Contribuie la rezistena global a acestei structuri compozite.

  • Structura exterioar a tendoanelor i ligamentelor i inseria acestora pe os Sunt acoperite de un esut conjunctiv moale. La nivelul ligamentelor acest strat exterior nu are o denumire specific, n timp ce la nivelul tendoanelor poart denumirea de PARATENON Micrografie electronic a inserei unui tendon patelar de cine (25.000). 1 fibre de colagen paralele; 2 fibrocartilaj nemineralizat; 3 fibrocartilaj mineralizat; 4 os cortical Inseria pe os a unui ligament colateral medial de oarece. A fibre de colagen; B fibrocartilaj nemineralizat; C fibrocartilaj mineralizat; D os cortical

  • Rolul ligamentelor n stabilitatea micrilor articulare Stabilitatea articulaiei genunchiului Ligamentele colaterale au rol n: - stabilizarea micrii de flexie extensie; - stabilizarea i restricionarea micrilor transversale (n jurul unui ax perpendiculare pe planul frontal);- stabilizarea micrii rotatorii (n jurul axului mecanic al membrului inferior). Ligamentele ncruciate sunt cele care asigur micarea complex a articulaiei genunchiului de rostogolire, alunecare (n vecintatea poziiilor extreme de flexie i extensie) i combinaia celor dou (la o flexie intermediar). Stabilitate cinematic sagital

  • Stabilitatea sagital asigurat de ligamentele ncruciate. 1-2 ligamentul ncruciat anterior; 3-4 ligamentul ncruciat posterior

  • Stabilitatea cinematic frontal Reprezentarea genunchiului stng asupra cruia acioneaz un moment ncovoietor aprut n timpul unor exerciii fizice: a momentul ncovoietor tinde s creeze genu valgum; b momentul ncovoietor tinde s creeze genu varumn micrile extreme, care se desfoar n timpul activitilor sportive (fotbal, schi, etc.) apar momente de ncovoiere care tind s schimbe dispunerea axului mecanic al membrului inferior i, implicit, s poziioneze genunchiul n genu varum sau genu valgum.

  • Stabilitatea rotatorie n extensie Stabilitatea rotatorie, n extensie, a genunchiului: a vedere n seciune transversal a genunchiului, n poziie relaxat, cu figurarea ligamentelor ncruciate (stnga) i a celor colaterale (dreapta); b poziia ligamentelor ncruciate n rotaie extern; c poziia ligamentelor colaterale n rotaia extern; d poziia ligamentelor ncruciate n rotaie intern; e poziia ligamentelor colaterale n rotaie intern

  • Stabilitatea articulaiilor coloanei vertebrale Restricionarea micrii de flexie i deviaia standard (n parantez) ca urmare a rezistenei opuse de ligamentele vertebrale. La nivelul coloanei vertebrale, conform studiilor efectuate, s-a observat c ligamentele vertebrale au o mare influen n restricionarea micrilor. Astfel, dup tierea ligamentelor longitudinale se observa o marcant descretere a rezistenei la flexie, dar n cazul rezeciei articulaiei zigoapofizare modificrile sunt foarte mici. Aceasta denot faptul c rezistena la flexie a articulaiei zigoapofizare este dat de ligamentul capsular i nu de contactul dintre feele articulare. n restricionarea micrii, ligamentele supraspinoase i interspinoase joac un rol foarte important, dar numai n ultima jumtate a flexiei. Aceasta este datorat rigiditii variabile a ligamentelor. Ligamentul galben (ligamentum flavum), care are o elasticitate ridicat, are rol n restricionarea flexiei reduse, la flexie maxim rolul su fiind mai puin important

    Ligamentele vertebrale Restricionarea micrii de flexie [%] Flexie redus Flexie maxim Ligamentul supraspinos/interspinos 8%( 5%) 19%( 7%) Ligamentul galben 28%( 10%) 13%( 6%) Ligamentul capsular 25%( 8%) 39%( 8%)

  • Creterea micrii de flexie ca urmare a secionrii ligamentelor vertebraleLI ligamentul intraspinosLS ligamentul supraspinosLF ligamentul galbenLC ligamentul capsular

  • Fore fiziologice care acioneaz n tendoane i ligamente Variaia forelor, pe un ciclu de mers, care acioneaz asupra ligamentelor: ncruciat anterior (LIA), ncruciat posterior (LIP), colateral medial (LCM) i colateral lateral (LCL). n partea de sus a diagramei sunt reprezentate, schematic, fazele mersului: Fc faza de clci; Fr faza de rulare a plantei pe sol; Fv faza de vrf; Fp faza de pendulare

  • Mrimea forei ce acioneaz asupra ligamentelor vertebrale i deviaia standard (SD) la un moment de flexie de 6,9Nm.n ce privete forele ligamentare de la nivelul coloanei vertebrale, Stemper a efectuat determinri experimentale in vitro, asupra unui lot de 10 cadavre, cu vrstele (n momentul decesului) cuprinse ntre 25 i 45 de ani. Experimentele au fost fcute asupra regiunii lombare, mai precis, asupra segmentului vertebral carte cuprinde vertebrele L3 i L4. n urma aplicrii unui moment de flexie de 6,9Nm (valoare fiziologic), asupra segmentului vertebral, autorul a ajuns la concluzia c ligamentele supraspinoase i interspinoase suport cea mai mare for, urmate fiind de ligamentul capsular i de cel intertransvers.

    LigamenteFora ligamentar ( 1SD) [N]Ligamentul supraspinos/intraspinos 66.2 (13.6) Ligamentul capsular drept14.5 (6.7) Ligamentul capsular stng22.8 (10.9)Ligamentul intertransvers drept15.0 (8.4)Ligamentul intertransvers stng3.4 (1.1)

  • Proprietile biomecanice ale tendoanelor i ligamentelor Elasticitatea neliniar F1 = k0 1F2 = k02+k1(2 1)F2 = k22F3= k03+k1(31) +k2(32)F3 = k33.Fp= k0p+k1(p1) ++kp-1(pp-1)Fp = kpp

  • Proprietile biomecanice ale tendoanelor i ligamentelor Elasticitatea neliniar Ligamentul anterior longitudinal de la nivelul coloanei vertebrale

  • Relaia dintre tensiune ideformaie specific i dependena extinderii pliurilor n funcie de deformaia specific Imagini obinute cu sistemul de coeren optic ale tendonului de la coada de oarece, pentru diferite deformaii specifice: a) = 0; b) = 0,005; c) = 0,01; d) = 0,015; e) = 0,02 f) = 0,025. Pliurile apar, n aceste imagini, sub forma unei succesiuni de benzi deschise i nchise la culoare. Benzile deschise sunt corespunztoare vrfurilor pliurilor, n timp ce cele nchise reprezint adnciturile pliurilor.

  • Comportarea biomecanic a tendoanelor i ligamentelor Diagrama for n funcie de deformaie, n cazul unei solicitri de ntindere, pentru un tendon de iepure n prima regiune, forele necesare obinerii elongaiei sunt mici i odat cu continuarea deformaiei rigiditatea esutului crete i, progresiv, forele necesare producerii aceleai elongaii sunt mai mari, sfritul acestei prime zone fiind caracterizat de o cretere a rigiditii de la 1,5% la 4%. A doua regiune reprezint rspunsul esutului la continuarea deformaiei. Chiar dac aceast regiune este mai mult sau mai puin liniar, este denumit regiune liniar. Fibrele de colagen devin paralele iar ondularea iniial scade. n a treia regiune apar mici reduceri de for, care pot fi observate att la tendoane ct i la ligamente, cauzate de ruperea secvenial, precoce, a ctorva mnunchiuri de fibre de colagen. La sfritul regiunii liniare, valoarea total a ncrcrii se noteaz cu Flin. Punctul n care este atins aceast valoare reprezint punctul n care esutul ncepe s cedeze substanial.Cnd se atinge valoarea maxim Fmax corespunztoare forei de rupere, ruptura se produce imediat, iar potenialul tendoanelor i ligamentelor de a suporta fore mai scade dramatic.

  • Diagrama for n funcie de deformaie pentru ligamentul galben (conine ntre 60% i 70% de fibre de elastin) Se constat faptul c, naintea deteriorrii totale, nu mai exist zone care s ilustreze ruperea mnunchiurilor de fibre de colagen aa cum se ntmpl n cazul tendoanelor (zonele 3 i 4, figura antaerioara), fracturarea fiind asemntoare cu cea a unui material rigid. Regiunea de rupere este caracterizat de o deformaie foarte mic, zona respectiv fiind corespunztoare solicitrii simultane a tuturor fibrelor, fie c sunt de elastin sau de colagen. Rigiditatea mic a ligamentului galben n prima zon de deformaie (corespunztoare condiiilor fiziologice), face ca forele care acioneaz asupra acestei structuri i, implicit, tensiunile care se dezvolt s aib valori mici, protejnd, n acest fel, mduva spinrii.

  • Mecanismul de deteriorare al tendoanelor i ligamentelor Ruptura progresiv a unui ligament ncruciat anterior de la un cadavru uman, n condiiile unei viteze de deformare n limite fiziologice n urma unor determinri experimentale pe un cadavru, Noyes a demonstrat c, prin aplicarea unei fore graduale pn la limita de rupere, ruptura progresiv a ligamentului ncruciat anterior are ca efect deplasarea componentelor articulaiei tibio-femurale. La ncrcare maxim mrirea spaiului intraarticular este de civa milimetri. Ligamentul are un aspect de continuitate, chiar dac se observ c au intervenit micro i macrorupturi i c are o deformaie mare.

  • Corelaia dintre rezultatele acestui test in vitro i observaiile clinice, pun n lumin evenimentele care au loc la nivelul ligamentului ncruciat anterior din timpul activitii zilnice i n timpul deteriorrii, cu diferite grade de severitate, ale acestuia. Diagrama rezultat n urma studiului experimental a fost convertit ntr-o diagram for deplasare articular i a fost divizat n trei zone corespunztoare la: 1 ncrcarea care simuleaz testele clinice; 2 ncrcarea pe care o suport ligamentul n limite fiziologice; 3 ncrcarea pe care o suport ligamentul ncepnd de la apariia microrupturilor pn la ruperea total. Microrupturile pot interveni chiar nainte ca ncrcarea fiziologic s depeasc valoarea sa maxim i, ntr-adevr, microrupturile pot s apar n condiii fiziologice, n orice ligament.

  • Factori care afecteaz proprietile biomecanice ale tendoanelor i ligamentelor Vrsta Variaia rigiditii ligamentului colateral medial i a inseriei acestuia pe tibie n funcie de vrsta animalelor Pentru loturile cu vrst mic (epifiz deschis) are loc o avulsie tibial, n timp ce pentru loturile cu vrst mai mare (epifiz nchis) ruptura ligamentului are loc n zona de mijloc (numai n 15% din cazuri are loc avulsia tibial), iar rigiditatea este mai mare. Acest lucru este explicabil prin faptul c odat cu maturizarea, are loc ngroarea fibrelor de colagen, iar inseria ligamentului pe tibie este mai rezistent i cu o rigiditate mai mare dect a zonei mediane a ligamentului.

  • Activitatea fizic i imobilizarea Ca i osul, ligamentele i tendoanele se remodeleaz ca rspuns la solicitrile mecanice exercitate asupra lor. Astfel, acestea devin mai rigide i mai rezistente la solicitri mecanice intense, iar atunci cnd tensiunile exercitate asupra lor sunt mai mici, rezistena i rigiditatea scad.Antrenamentul fizic, are ca efect o cretere a rigiditii tendoanelor i a rezistenei interfeei os-ligament. Tipton i colab. au comparat: rezistena i rigiditatea a ligamentului medial colateral de la un grup de 10 cini care au fost, zilnic, solicitat intens timp de 12 luni (alergare timp de o or cu o vitez de 56km/h, completat de o alergare cu viteza de 78km/h, timp de 30min.) cu un grup martor de 7 cini, la care solicitrile au fost n limite normale. Ligamentele cnilor cu activitate fizic intens au devenit mai rezistente i mai rigide dect ligamentele din grupul martor, ca o consecin a mririi diametrului fibrelor de colagen. De asemenea, din punct de vedere al proprietilor structurale, inseria ligamentului pe os nu a suferit diferene semnificative, n schimb, rezistena la rupere a jonciunii a crescut simitor.

  • Woo a studiat efectul exerciiilor de scurt sau lung durat asupra proprietilor biomecanice ale tendoanelor digitale de porc (corespunztoare muchilor flexori i extensori ai degetului). n acest studiu, autorul a mprit animalele n dou grupe, prima grup a fost supus unui regim de micare intens timp de 3 luni (scurt durat),a doua grup durata exerciiilor a fost de 12 luni (lung durat). Regimul intens de micare a constat n faptul c animalele au alergat cu o vitez de 6 pn la 8km/h pe o distan de 40km parcurs timp de o sptmn. Pentru comparaie, s-a utilizat un grup martor care a avut o activitate fizic normal. Dup terminarea perioadei de efectuare a exerciiilor, porcii au fost sacrificai, analizndu-se att structura tendoanelor ct i inseria acestora pe os: scurt durat nu exist diferene semnificative, n ceea ce privete structura tendonului extensor al degetului, comparativ cu grupul martor. lung durat, s-a observat c s-a produs o cretere a seciunii tendonului extensor, completat de o cretere, cu aproximativ 22%, a tensiunii de rupere la o solicitare de ntindere. inseria celor dou tendoane studiate pe os: a avut loc o cretere cu aproximativ 19%, a rezistenei mecanice numai a jonciunii os-tendon flexor (n cazul grupului cu exerciii de lung durat).

  • Noyes a demonstrat o reducere a proprietilor mecanice a complexului os-ligament-os de la nivelul genunchilor de primate imobilizate timp de 8 sptmni. Cnd aceste ligamente au fost testate la ntindere pn la rupere, s-a constatat o descretere cu 39% a forei de rupere i cu 32% a energiei stocate pn la rupere, n comparaie cu un grup martor, care a avut o activitate fizic normal. De asemenea, s-a observat o descretere a rigiditii i, n consecin, deformaii crescute ale ligamentelor imobilizate, comparativ cu lotul martor. La primatele imobilizate a cror ligamente nu au fost testate, s-a stabilit un program de recuperare iniiat imediat dup perioada de imobilizare. S-a demonstrat faptul c recondiionarea ligamentelor necesit o perioad ndelungat. Astfel, dup 5 luni de recuperare, ligamentele au prezentat o rigiditate cu 20% mai mic dect a grupului martor. Acest parametru a devenit comparabil cu cel al grupului martor de abia dup 12 luni de recuperare.

  • Woo i Gomez au sintetizat diferitele rezultate experimentale obinute de-a lungul timpului, ntr-o diagram care ilustreaz rspunsul att a proprietilor structurale, ct i a proprietilor mecanice pentru substana ligamentar i a jonciunii ligamentului pe os, n condiiile exerciiilor fizice, a recuperrii i a imobilizrii.Se observ c activitatea fizic intens (exerciii fizice), duce la o mbuntire a proprietilor structurale i biomecanice ale ligamentelor, n timp ce, imobilizarea duce la o degradare a structurii i la scderea rezistenei mecanice. Activitatea de recuperare, de lung durat, este deosebit de important, cu att mai mult cu ct matricea ligamentar se regenereaz mult mai rapid (sptmni) dect inseria ligamentului, sau a tendonului pe os (luni).