Что такое биомеханика перелома

Министерство образования и науки Украины

Открытый международный университет развития человека “Украина”

Горловский филиал

Кафедра физической реабилитации

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине: Биомеханика

ТЕМА: ”Патологическая биомеханика, вывихи и переломы”

Выполнил:

студент 2-го курса группы ФР-04

дневного отделения

факультета “Физическая реабилитация”

Малинецкий Артур Сергеевич

Руководитель: Калугина О.П.

2005

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………….3

1 Биомеханика травм и заболеваний опорно-двигательного аппарата (ОДА)3

2 Типичные последствия неправильной нагрузки ……………………………11

3 Влияние физических нагрузок на суставы …………………………………16

4 Биомеханика повреждения …………………………………………………..21

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………………… 23

ВВЕДЕНИЕ

В современном спорте, в спортивной травматологии для изучения биомеханических особенностей ОДА широко используются законы биомеханики.

Биомеханика изучает законы положения тела человека в норме и патологии. При стоянии, сидении, беге, ходьбе (осанку, расположение центра тяжести, определение площади опоры, способы замыкания суставов и характер приспособительных процессов для удержания центра тяжести в пределах площади опоры при различной патологии костей и суставов); принципы выбора лечебных (профилактических) мероприятий с учетом биомеханического единства ОДА.

Одним из факторов, приводящих к заболеваниям тканей опорно-двигательного аппарата (ОДА), являются интенсивные, длительные физические нагрузки, выполняемые человеком (спортсменом) в не­правильном исходном положении, т.е. с нарушениями биомеханики движений. Эти нарушения ведут к изменению метаболизма мышц, локальному утомлению, возникновению мышечного дисбаланса с по­следующим возникновением заболеваний и травм ОДА.

Особенно это важно знать тренеру, инструктору (методисту) лечебной физкультуры и реабилитационного центра, когда упражнения выполняются с нагрузками на позвоночник и суставы. Такие нагрузки в дальнейшем приводят к возникновению остеохондроза позвоночника, артрозу суставов и другим заболеваниям тканей ОДА.

1 Биомеханика травм и заболеваний опорно-двигательного аппарата (ОДА)

Важными факторами в возникновении травм и заболеваний ОДА являются изменение расположения центра тяжести (ЦТ) человеческого тела, его проекция на площадь опоры, а также пространственное соотношение между вектором ЦТ и различными суставами, степень подвижности ОДА.

Исследования показывают, например, что сила продольного удара, при которой разрушается бедренная кость, находится в пределах от 10,6 ± 2,7 кН (жесткий удар) до 18,3 ± 6,9 кН (удар через амортизирующую подкладку.

Рис. 1. Деформация бедренной кости при продольном изгибе:

А — область разрушения

Прогибу вперед (в сагиттальной плоскости), видимо, способствует первоначальный анатомический изгиб кости (рис. 1). Далее изгиб вперед нарастает до 0,6—0,65% — до момента разрушения. Так же быстро нарастают продольные деформации бедренной кости и в течение неполных 3 мс достигают предельного значения — около 1,2—1,25% с очень быстрым разрушением (0,2 мс). Обычно разрушение наблюдается в пределах диафиза (см. рис. 1).

Трещины разрушения возникают на передней поверхности кости; часть приложенной энергии передается еще до разрушения на шейку, головку бедренной кости и на тазобедренный сустав.

Повреждение сухожилий может быть открытым и закрытым. Закрытые повреждения, т.е. без повреждения кожи, называют подкожными. Эти разрывы характерны для сухожилий разгибателей.

Подкожный разрыв сухожилия может наступить в результате резкого мышечного сокращения и от удара тупым предметом. Разрыв сухожилия может наступить вследствие дегенеративных изменений после относительной или абсолютной перегрузки тканей; хронических воспалений и переохлаждения, а также, если механическая нагрузка превышает выносливость на разрыв; при максимальном напряжении мышцы (толчок, бросок и др.), неожиданная остановка активного движения (ручной мяч, футбол и др.); пассивное растяжение работающей мышцы при одновременном напряжении антагонистов (маневренные движения при падении или столкновении, движения при страховке); прямая тупая травма максимально напряженного при беге или в прыжке сухожилия (толчок, удар, столкновения и пр.).

Наиболее часто в спорте высших достижений повреждается ахиллово (пяточное) сухожилие.

Повреждения мышц могут быть как открытыми, так и закрытыми (рис. 2). На верхней конечности чаще всего повреждаются двуглавая, надостная, дельтовидная, большая грудная, трехглавая мышца плеча и мышцы предплечья.

Непрямой механизм травмы характеризуется внезапным резким сокращением напряженной мышцы. Под воздействием растягивающей нагрузки сократившаяся мышца, потеряв эластичность, разрывается.

Рис. 2. Прямая травма напряженных мышц или сухожилий у футболиста

На рис. 3 и рис. 4 показаны относительно частые (типичные) спортивные травмы (и заболевания) плечевого пояса и верхней конечности и их причинная зависимость от видов спорта. При оценке возникшей травмы или заболевания ОДА у спортсменов, необходимо принимать во внимание функциональные моменты. Все мышцы верхней конечности проходят по меньшей мере через один сустав, который они приводят в движение, и нарушения трофики, иннервации, а вследствие этого и функции в дальнейшем по своим проявлениям выходят далеко за пределы, обусловленные собственно травмой.

Рис. 3. Относительно частые (типичные) последствия хронических спортивных микротравм плечевого пояса и верхних конечностей:

1 — относительно частые (типичные) спортивные травмы в области плечевого пояса и верхней конечности, 2 — плечелопаточный периатрит, 3 — спортивная борьба, спортивные игры, метание, каноэ, гимнастика, 4 — артроз в акромиально-ключичном сочленении, 5 — борьба, тяжелая атлетика, метание, 6 — тендинозы в месте прикрепления, 7 — воспаление клювовидного отростка, 8 — ручной мяч, волейбол, водное поло, метание копья, теннис, 9 — эпикондилит, 10—ручной мяч, метание копья, фехтование, теннис, настольный теннис, 11 — неврит локтевого нерва, 12—метание копья, фехтование, борьба, 13—хондропатия в области локтевого сустава, 14 — вратарь, борьба, 15 — паратендинит (разгибатели кисти), 16 — теннис, настольный теннис, волейбол, 17 — стилоидит локтевой кости, 18 — прыжки в воду, фехтование

Рис. 4. Относительно частые (типичные) спортивные травмы верхней конечности:

1 — отрыв длинного сухожилия двуглавой мышцы, 2—торсионный перелом диафиза плечевой кости,

3 — надмыщелковый перелом плечевой кости,

4 — вывих в локтевом суставе/часто с отрывом внутреннего надмыщелка,

5 — полный перелом диафиза предплечья,

6 — дисторсия в лучезапястном суставе

Вывихи в плечевом суставе являются типичной травмой в таких видах спорта как борьба дзюдо, самбо, вольная, греко-римская, прыжки в воду, прыжки на лыжах с трамплина и др.

Вывих плеча составляет 50—60% всех вывихов. Такая частота их объясняется анатомо-физиологическими особенностями плечевого сустава: суставная впадина лопатки в 3—4 раза меньше головки, имеющей шаровидную форму, суставная сумка обширна и тонка.

Травматические вывихи в плечевом суставе возникают чаще при прямой травме, например при падении (рис. 5 а и б) или ударе. Чаще встречаются передние вывихи и очень редко — задние.

Рис. 5. Механизм вывихов плеча:

a — падение назад на выставленную руку;

б — падение вперед на вытянутую вперед руку

Вывихи в локтевом суставе составляют 18—27% всех вывихов. Чаще всего вывихи предплечья возникают во время падения на вытянутую руку при переразгибании в локтевом суставе (рис. 6).

Рис. 6. Механизм травмы при вывихе предплечья

Наиболее часто встречаются задние вывихи обеих костей предплечья и вывих одной лучевой кости кпереди. Остальные виды вывихов предплечья наблюдаются редко.

Самым частым из вывихов в пястно-фаланговых суставах является вывих первого пальца. Вывих происходит в результате переразгибания первого пальца при падении на руку, во время игры в волейбол, гандбол и др.

Вывихи ключицы составляют от 3 до 15% всех вывихов. Пре­имущественно встречается у мужчин. Вывихи ключицы делятся на два вида: вывих наружного, или акромиального конца ключицы и внутреннего, или грудинного конца ее.

Вывихи в одном или обоих суставах ключицы возникает при сильных падениях (авто- и мотоспорт, велоспорт, горнолыжный спорт, прыжки на лыжах с трамплина и др.) или непрямых повреждениях при рычаговом движении рукой в борьбе самбо, дзюдо.

Переломы трубчатых костей возникают при прямом ударе по наружной поверхности плечевого сустава либо при падении на локоть или кисть. Переломы бугров плечевой кости чаще являются отрывными, т. е. возникают при чрезмерном мышечном сокращении. Переломы хирургической шейки обычно бывают результатом падения на локоть.

Переломы плечевой кости. Типичными спортивными травмами являются спиральные переломы плеча вследствие мышечной тяги при метании снарядов (копья, диска, гранаты и др.) и в играх (гандбол и др.) и надмыщелковые переломы плечевой кости у юниоров.

Правильное применение жесткой фиксации требует установки фиксирующих устройств таким образом, чтобы иммобилизация отломков сохранялась как в покое, так и при движениях. Воздействующие на нижнюю челюсть силы сложны и разнообразны, смещаясь в зависимости от места пережевывания пищевого комка и состояния зубных рядов. Для эффективной стабилизации фрагментов хирург должен обладать некоторым пониманием сил растяжения, которые будут создаваться мышечными сокращениями, так чтобы их можно было преодолеть. Невозможность адекватного преодоления деформирующих усилий может привести к движениям вокруг имплантата при работе челюсти. Это не только увеличивает вероятность недостаточности имплантата и несращения, но и увеличивает возможность раневой инфекции и, наконец, остеомиелита. (Хирург, полагая, что пластина создает стабильность, может не подозревать об отсутствии адекватной фиксации и винить в неудаче саму методику.) 

Правильное понимание биомеханики нижней челюсти при функционировании приведет к тому, что хирург будет использовать нужное количество пластин необходимого размера и прочности в нужном месте. Когда силы растяжения преодолеваются фиксирующим устройством, сращение происходит более надежно и часто, а вероятность неудач сводится к минимуму. Поэтому необходимо хорошо знать функциональные усилия, воздействующие на каждый анатомический отдел нижней челюсти, а также техники фиксации пластин, которые нужно применять в этих отделах для преодоления растягивающих усилий и использования в интересах заживления естественных сдавливающих усилий. 

Большинство костей несет нагрузку неравномерно, поэтому при работе обычно существуют одни отделы, находящиеся под давлением, и другие отделы, находящиеся под натяжением. На рис. 1 в чрезвычайно упрощенном виде представлены силы, воздействующие на нижнюю челюсть при жевании. На рис. 1 А плюсы обозначают сдавливающие силы, действующие на челюсть при жевании, а минусы показывают отделы, находящиеся под натяжением. Когда происходит перелом, эти силы стараются растянуть зону натяжения и сдавить зону, находящуюся под давлением (рис. 1 Б). Хотя это является очень упрощенным описанием сил, действующих на функционирующую нижнюю челюсть, концепция зон натяжения и сдавления фундаментальна для правильной установки мини-пластин и компрессирующих пластин при лечении мандибулярных переломов. 

Рис. 1. (А) Общепринятая схема сил растяжения и сдавления, возникающих в нижней челюсти при функционировании. Минусы обозначают области натяжения или растяжения; плюсы обозначают области сдавления. 

(Б) Воздействие сил растяжения и сдавления на линию перелома в теле нижней челюсти. (Это заметное упрощение, которое, тем не менее, служит подспорьем для правильной фиксации.)

Эта важная биомеханическая концепция была впервые оценена в исследовании заживления переломов длинных костей. Сначала считалось, что жесткая пластина, фиксированная к двум отломкам в двух точках с каждой стороны перелома, создаст стабильную фиксацию и предотвратит движения фрагментов по отношению к пластине и друг к другу. Клинические неудачи, сопровождавшие тогда лечение переломов как длинных трубчатых костей, так и нижней челюсти, можно было отнести на счет этой ложной концепции. 

Тщательный анализ выявил, что жесткая пластина с двумя точками фиксации в каждом отломке может обеспечить стабильность, только если усилия, передаваемые пластине и винтам при функциональной нагрузке, не превышают прочность пластины и силы, удерживающие винты, на месте. Если пластина и винты имеют нужную конструкцию, а прочность на разрыв правильно рассчитана и распределена в соответствии с биомеханическими принципами, то обычно достигается стабильность и сращение. Фактически, нужная конструкция пластин и винтов найдена была давно; правильное расположение пластины было понято позднее, когда разобрались в растягивающих и сдавливающих усилиях. 

Используя в качестве примера бедренную кость (рис. 2), должно быть интуитивно очевидно, что нагрузка на головку бедра создает растягивающее усилие в области латерального кортикального слоя и сдавливает медиальный кортикальный слой. Фиксатор, наложенный на одну из кортикальных пластинок кости (через перелом), удерживает отломки вместе в покое, а компрессирующая пластина сообщает области перелома дополнительное положительное (сдавливающее) усилие. 

Рис. 2. Бедро иллюстрирует воздействие сил сдавления и растяжения на интактную и сломанную кость. 

(А) Очевидно, что воздействующая на головку бедра сила нагрузки на ногу расположена медиально, так что сдавливающее усилие (знаки плюса) направлено вдоль медиальной стороны кости, а растягивающее усилие (знаки минуса) распределяется вдоль латеральной части кости. В отсутствие перелома вся кость поддерживает вес. 

(Б) При переломе сила нагрузки на ногу приводит к сдавлению медиальной стороны и растяжению латеральной стороны. 

(В) Установка компрессирующей пластины вдоль сдавливаемой стороны не позволит преодолеть более сильные растягивающие усилия, сообщаемые весом тела. Маленькие стрелки обозначают прикладываемую пластиной силу сдавления, и это сдавливающее усилие идет через перелом в покое. Большие стрелки обозначают суммарную общую нагрузку на место перелома при воздействии веса тела. Таким образом, компрессирующая пластина, наложенная через перелом со стороны сдавления, не предотвращает растяжения с противоположной стороны. 

(Г) В этом случае компрессирующая пластина наложена с растягиваемой стороны перелома. Снова маленькие стрелки показывают статическое усилие, прикладываемое пластиной в покое. Большие стрелки показывают общее сдавливающее воздействие на область перелома, возникающее под нагрузкой. Шинирование растягиваемой стороны компрессирующей пластиной предотвращает всякое воздействие растягивающего усилия на область перелома, и суммарно сила сдавления увеличивается. 

(Д) Схема применения мини-пластины. Винт захватывают один кортикальный слой. Нагрузка на перелом в покое равна 0. Однако эта пластина (если она достаточно прочна) удержит вместе кортикальные слои отломков на растягиваемой стороне перелома, позволяя нагрузке веса тела оказывать сдавливающее воздействие на всю зону перелома. (Это иллюстрация, а не изображение техники, используемой в клинической практике.)

Однако при работе конечности сила растягивающего воздействия на латеральный кортикальный слой обычно превышает таковую сдавливающего воздействия медиально расположенной пластины; поэтому динамические усилия колеблются от позитивных (в покое) до негативных (при нагрузке на ногу). Это часто приводит к ослаблению винтов, несращению и даже к остеомиелиту. С другой стороны, когда пластина удерживает вместе отломки на стороне натяжения, расхождение не может произойти, пока держат винты, а сдавливающее воздействие нагрузки на ногу суммируется с любыми статическими сдавливающими усилиями, сообщаемыми кости пластиной и распределяемыми через линию перелома. Хотя силы в области перелома варьируют, они никогда не становятся негативными (растягивающими) и происходит сращение. 

Также очевидно, что чем более биомеханически рассчитан остеосинтез, тем меньше он зависит от размера и прочности фиксатора. При скреплении перелома со стороны растяжения, если существует значительный контакт отломков со стороны сдавления и минимальный изгибающий момент в точке фиксации, обычно оказываются адекватными даже маленькие фиксирующие приспособления (поскольку они могут преодолеть растягивающие силы в месте установки). С другой стороны, когда в участках слабой кости или минимального контакта между отломками (как в случаях атрофичной нижнечелюстной кости) обнаруживаются большие растягивающие и изгибающие силы, требуются фиксаторы большего размера. Наиболее критическим примером является область утраты костной ткани, когда используемый имплантат (если во время остеосинтеза не производится возмещение костной ткани) должен быть больше и должен фиксироваться винтами большего размера в нескольких точках. 

Вооружившись пониманием описанных выше принципов, читатель должен понять, почему определенные методики остеосинтеза нижней челюсти успешны, а другие неудачны. 

Фиксация дугой в сочетании с мандибуломаксиллярной фиксацией 

Долго считалось, что мандибуломаксиллярная фиксация стабильно закрепляет нижнюю челюсть и разгружает ее. Это не совсем так, и даже проглатывание создает большую нагрузку в области нижней челюсти. Однако так как хорошо установленная мандибулярная дуга передает напряжение вдоль зубного ряда, то она компенсирует растягивающее усилие. Если площадь контакта отломков велика и скручивающее усилие минимально, мандибулярная дуга создает достаточную стабильность для образования костной мозоли и заживления. Безусловно, значительная частота неудач при использовании только мандибуломаксиллярной фиксации потребовала более надежных методик фиксации (вместе с желанием избежать длительных периодов мандибуломаксиллярной фиксации). 

Мандибуломаксиллярная фиксация с межкостной фиксацией проволокой 

Мандибуломаксиллярная фиксация была дополнена межкостной фиксацией проволокой в попытке преодолеть высокую частоту неудач после использования мандибуломаксиллярной фиксации при нестабильных переломах. Когда в областях повышенного биомеханического напряжения нижней челюсти добавляется фиксация проволокой, то результаты улучшаются. Однако если происходит несращение, присутствие проволоки часто приводит к возникновению инфекционной реакции на инородное тело, и нередко развивается остеомиелит. Также нужны периоды длительной мандибуломаксиллярной фиксации, и когда имеет место замедленная консолидация, то может потребоваться мандибуломаксиллярная фиксация в течение 6-12 месяцев. Далее, хотя многие хирурги считают, что сложное плетение проволоки в шашку обеспечивает хорошую фиксацию, в ранней работе Luhr была показана слабость фиксации проволокой — по сравнению с фиксацией пластинами и винтами (рис. 3).

Рис. 3. (А) Протестированные модели остеосинтеза. 

(1) Две параллельные проволочные лигатуры (толщина проволоки 0,5 мм). 

(2) Горизонтальная проволочная лигатура в сочетании с восьмиобразной лигатурой. 

(3) 0,5-мм планка с прорезью из нержавеющей стали длиной 38 мм, прикрепленная лигатурами из 0,5-мм проволоки (сходно с методом, пропагандировавшимся Haward, 1962). 

(4) Фиксация штифтами в модификации Becker (1958). Четыре введенных через кожу винта для остеосинтеза соединены планкой 10×10 мм из отвержденного на холоде акрила (Paladur). 

(5) Обычная накостная пластина с четырьмя отверстиями (костная пластина Venable, 38 мм виталлий). 

(6) Пластина с компрессирующими винтами (CSP), 38 мм. 

(Б) Стабильность различных типов остеосинтеза под изгибающей нагрузкой. Показана ширина промежутка между парами тестовых образцов в зависимости от нагрузки. Даже относительно небольшие нагрузки в 20 кПа приводят к ослаблению остеосинтезов с 1 по 4 (промежуток расширяется на несколько миллиметров). Обычная система пластины с винтами (5) гораздо более стабильна, но значительно уступает пластине с компрессирующими винтами (из Luhr HG. Compression plate osteosynthesis trough the Luhr system. In: Kruger E, Schilli W (eds). Oral and maxillofacial traumatology. Vol 1. Chicago: Quintessence Publishing, 1982. С разрешения).

Опубликовал Константин Моканов