Biomechanika więzadeł krzyżowych.pdf

Biomechanika wiæzadeÆ krzyºowych

Biomechanics of cruciate ligaments

Artur Pasierbiñski, Aneta Jarzåbek

Carolina Medical Center, Warszawa

Streszczenie

WiæzadÆa krzyºowe så gÆównymi biernymi stabiliza-

torami stawu kolanowego w pÆaszczyªnie strzaÆko-

wej i wraz z uksztaÆtowaniem powierzchni stawo-

wych oraz pracå miæ¥ni zapewniajå mu funkcjonal-

nå stabilno¥ì i prawidÆowå kinematykæ. Podczas ru-

chu biernego wspomagajå zamianæ toczenia na ruch

¥lizgowy, a przy ruchu czynnym hamujå ¥lizg

w stawie wywoÆany dziaÆaniem miæ¥ni, redukujåc

siÆy ¥cinajåce.

WiæzadÆa krzyºowe kontrolujå rotacjæ goleni i wraz

z wiæzadÆami pobocznymi zapewniajå stabilno¥ì

kolana w wypro¥cie. Podczas ruchu prostowania

w otwartym Æañcuchu kinetycznym odksztaÆcenie

ACL zwiæksza siæ wraz ze zmniejszaniem kåta

zgiæcia (od okoÆo 40 º ) i jest tym wiæksze im wiækszy

jest dziaÆajåcy moment zewnætrzny. Przy zginaniu

w otwartym Æañcuchu kinetycznym obciåºenie PCL

zwiæksza siæ gwaÆtownie powyºej 30 º i osiåga maxi-

mum w okoÆo 90 º zgiæcia.

Podczas ruchu w zamkniætym Æañcuchu kinetycz-

nym, siÆy kompresji w stawie piszczelowo-udowym,

oraz automatyczne napiæcie miæ¥ni stabilizujåcych

staw kolanowy redukujå siÆy ¥cinajåce i zmniejszajå

obciåºenie wiæzadeÆ.

W trakcie rehabilitacji po uszkodzeniu lub rekon-

strukcji wiæzadeÆ, moºemy zmniejszyì przenoszone

przez nie obciåºenia dobierajåc odpowiedni zakres

ruchu, prædko¥ì i pozycjæ przy ìwiczeniach oraz

stosujåc równoczesne napiæcie miæ¥ni antagonis-

tycznych (kokontrakcjæ). Wielko¥ì obciåºeñ przeno-

szonych przez wiæzadÆa zaleºy od aktualnej pozycji

stawu, momentu dziaÆajåcego na staw kolanowy i siÆ

kompresji w stawie piszczelowo-udowym.

[Acta Clinica 2001 1:284-293]

Summary

Cruciate ligaments are main stabilizers of the knee

joint in the sagittal plane; they also contribute in

stabilisation in coronal and transverse planes. Toge-

ther with the shape of articular surface, muscles and

contact forces ensure proper arthrokinematics.

During passive motion of the knee cruciates help to

change rolling into sliding movements and during

active motion resist translations and reduce shear

forces. Cruciates control rotational movements in

the flexed knee and together with collateral liga-

ments ensure rotational stability of the extended

knee.

The amount of forces loading the ligaments de-

pends of actual knee position, knee moment and ti-

bio-femoral joint compression forces.

During open kinetic chain extension ACL strain in-

creases while flexion angle decreases (from 40° of

flexion). The bigger knee extension moment, the

higher is ACL strain. During open kinetic chain fle-

xion PCL strain increases rapidly above 30° and re-

aches the maximum above 90° of flexion. In closed

kinetic chain motion (like sqatting), tibio-femoral

joint compression forces and contraction of muscles

stabilising the joint, reduce shear forces and decrea-

se ligament strain.

During rehabilitation exercises after ligaments inju-

ry or repair, it is possible to reduce forces loading

the ligaments by choosing proper range of motion,

position of the joint, speed of motion and by perfor-

ming voluntary co contraction of antagonistic mus-

cles.

[Acta Clinica 2001 1:284-293]

SÆowa kluczowe: wiæzadÆa krzyºowe, biomechani-

ka, obciåºenia, ìwiczenia.

Key words: cruciate ligaments, biomechanics, strain,

exercises.

Funkcje i wÆa¥ciwo¥ci biomechaniczne

wiæzadeÆ

w pÆaszczyªnie strzaÆkowej, czoÆowej, jak

i poprzecznej (7, 12, 24, 28). Wraz z u-

ksztaÆtowaniem powierzchni stawowych,

dziaÆaniem innych wiæzadeÆ i pracå miæ¥ni,

biorå one udziaÆ w zapewnieniu prawidÆo-

GÆównå funkcjå wiæzadeÆ krzyºowych

jest bierna stabilizacja stawu zarówno

284 Grudzieñ 2001

Biomechanika wiæzadeÆ krzyºowych

wej kinematyki stawu (16, 22, 24, 28). Kon-

trolujåc ¥lizg i rotacje przy ruchach bier-

nych i czynnych, a takºe hamujåc transla-

cje przy dziaÆaniu siÆ zewnætrznych, wiæ-

zadÆa zapewniajå pÆynno¥ì ruchu i chroniå

chrzåstkæ stawowå. Wielko¥ì obciåºeñ

przenoszonych przez wiæzadÆa zaleºy od

aktualnej pozycji stawu kolanowego i dzia-

Æajåcego momentu zewnætrznego.

WiæzadÆa, dziæki znajdujåcym siæ

w nich proprioceptorom peÆniå takºe

waºnå rolæ neurosensorycznå, bioråc udziaÆ

w regulacji napiæcia miæ¥ni agonistycznych

i antagonistycznych podczas ruchu stawu

(16, 28). Funkcje kontroli kinematyki i sta-

bilizacji stawu determinowane så general-

nie przez wÆa¥ciwo¥ci biomechaniczne wiæ-

zadeÆ, czyli wÆa¥ciwo¥ci strukturalne, cha-

rakteryzujåce kompleks ko¥ì-wiæzadÆo-ko¥ì

i wÆa¥ciwo¥ci mechaniczne, charakteryzujå-

ce samo tworzywo wiæzadeÆ (24, 25, 28).

Wielko¥ciami charakteryzujåcymi wÆa¥ci-

wo¥ci strukturalne så: obciåºenie maksy-

malne (ultimate load) (N), sztywno¥ì (stiff-

nes) (N/mm) i wydÆuºenie maksymalne (e-

longation at failure) (mm). Wielko¥ciami

charakteryzujåcymi wÆa¥ciwo¥ci mecha-

niczne så: wytrzymaÆo¥ì na rozciåganie

(tensile strength) (Mpa), napræºenie, czyli

stosunek dziaÆajåcej siÆy do przekroju po-

przecznego (stress) (Mpa) i odksztaÆcenie

czyli stopieñ deformacji tworzywa wiæzadÆa

po zadziaÆaniu obciåºenia (strain) (%).

WÆa¥ciwo¥ci strukturalne wiæzadeÆ mo-

gå byì badane w pÆaszczyznach funkcjo-

nalnych (w warunkach zbliºonych do na-

turalnych), kiedy przy badaniu ruch w sta-

wie nie jest ograniczany do jednego wybra-

nego kierunku, lub w pÆaszczyznach anato-

micznych kiedy siÆa przykÆadana podczas

pomiaru powoduje ruch w stawie tylko

w wybranym kierunku (24, 25). Badania

próbek kompleksu ko¥ì-wiæzadÆo-ko¥ì,

wiæzadÆa krzyºowego przedniego (ACL),

pobranych ze zwÆok, wykazujå ich wiækszå

wytrzymaÆo¥ì (o 35%), sztywno¥ì (o 11%

do 45%) i maksymalne wydÆuºenie

w pÆaszczyznach funkcjonalnych, niº pod-

czas pomiarów dokonywanych w pÆasz-

czyznach anatomicznych (25). Napræºenie

jest wielko¥ciå trudnå do oszacowania, ze

wzglædu na niejednorodny ksztaÆt i prze-

krój poprzeczny wiæzadeÆ (1, 5, 7, 8, 24, 26,

28); do pomiarów wykorzystywane så spe-

cjalne kalibratory, lub róºnego rodzaju sys-

temy optyczne i laserowe mikrometry (me-

tody niekontaktowe).

OdksztaÆcenie wiæzadeÆ pod wpÆywem

obciåºenia moºe byì mierzone przy uºyciu

systemów video, po oznaczeniu odpowied-

nimi markerami badanego odcinka oraz

dziæki specjalnym czujnikom mocowanym

w wybranå czæ¥ì wiæzadÆa, podczas artro-

skopii. Dziæki temu moºna zbadaì od-

ksztaÆcenie wiæzadÆa podczas ruchu stawu

kolanowego w róºnych warunkach i prawie

w caÆym zakresie ruchu (2, 3, 4, 6, 24, 28).

Pod wpÆywem intensywnej aktywno¥ci

(np. ìwiczeñ) wiæzadÆa stopniowo wydÆu-

ºajå siæ co moºe spowodowaì zwiækszenie

Tab. 1. WÆa¥ciwo¥ci biomechaniczne wiæzadeÆ

ACL

PCL

OBCIÅíENIE MAKSYMALNE

2160 ± 157 N

(mierzone w pÆaszczyznach

funkcjonalnych)

1742 ± 390 N

SZTYWNOÿò

242 ± 28 N/mm

380 ± 80 N/mm

WYD£UíENIE MAKSYMALNE

11,5 mm

10 mm

ODKSZTA£CENIE MAKSYMALNE

(10 12%)

(8 10%)

Tom 1, Numer 4 285

Acta Clinica

wiotko¥ci stawu. Jednakºe po pewnym cza-

sie wracajå one do swojej pierwotnej dÆugo-

¥ci, a kolano odzyskuje poprzedniå sztyw-

no¥ì. Jest to zaleºne od lepkoelastycznych

wÆa¥ciwo¥ci wiæzadeÆ, czyli: zwiækszania

dÆugo¥ci wiæzadÆa w skutek dziaÆania staÆe-

go obciåºenia przez okre¥lony czas (creep) ,

zmniejszania siæ obciåºenia wiæzadÆa

wskutek utrzymywania staÆego rozciågniæ-

cia przez okre¥lony czas (stress relaxation)

oraz od stopnia rozproszenia energii przy

cyklicznym obciåºaniu i odciåºaniu wiæ-

zadÆa (24, 25).

WÆa¥ciwo¥ci biomechaniczne wiæzadeÆ

zmieniajå siæ z wiekiem. WiæzadÆo dwu-

dziestolatka wytrzymuje dwa razy wiæksze

obciåºenie, niº wiæzadÆo czterdziestolatka.

Badane próbki kompleksu ko¥ì-wiæzad-

Æo-ko¥ì pobrane od mÆodszych dawców

(22 35 lat) miaÆy wiækszå sztywno¥ì linio-

wå i znosiÆy do trzech razy wiæksze obciå-

ºenia niº próbki pobrane od osób starszych

(60 97 lat), za¥ przerwanie nastæpowaÆo

najczæ¥ciej w miejscu przyczepu (24, 25);

w tych drugich do uszkodzenia dochodziÆo

na przebiegu wiæzadÆa. Równieº unieru-

chomienie wpÆywa negatywnie na wytrzy-

maÆo¥ì i wÆa¥ciwo¥ci lepkoelastyczne wiæ-

zadeÆ (11, 24). Badania przeprowadzane na

psach wykazaÆy, ºe po dwunastotygodnio-

wym unieruchomieniu wytrzymaÆo¥ì ACL

na rozciåganie maleje do 66% (11) przy

czym po okresie remobilizacji nie powraca

do poprzedniej warto¥ci.

Ryc. 1. Zamiana toczenia na ruch ¥lizgowy. Wg Ka-

pandji I. A.: The physiology of the joints. Churchill

Livingstone, Edinburgh London Melbourne and

New York 1987:2:114 129

styku powierzchni stawowych uda i pi-

szczeli (13) (ryc. 2).

Wstæpne napiæcie ACL przy ruchu

zgiæcia inicjuje napiæcie PCL i odwrotnie;

siÆy te równowaºå siæ dopóki nie zadziaÆa

zgiæciowy czy wyprostny moment ze-

wnætrzny (obciåºenie), lub wewnætrzny

(praca miæ¥ni). WiæzadÆa krzyºowe zawsze

pozostajå czæ¥ciowo napiæte w wyniku nie-

Zachowanie siæ wiæzadeÆ

podczas ruchu biernego

Podczas biernego ruchu stawu kolano-

wego wiæzadÆa krzyºowe wspomagajå za-

mianæ ruchu toczenia na ruch ¥lizgowy

(ryc. 1). O¥ obrotu stawu, znajdujåca siæ

w miejscu przeciæcia najbardziej obciåºo-

nych wÆókien wiæzadeÆ przesuwa siæ do ty-

Æu podczas zginania i ku przodowi w czasie

prostowania, zawsze rzutujåc na miejsce

Ryc. 2. Komputerowy model kolana. Linie A-B

i C-D oznaczajå najbardziej obciåºone wÆókna

ACL i PCL, X2 miejsce styku powierzchni stawo-

wych uda i piszczeli na które rzutuje o¥ obrotu sta-

wu I. Wg OConnor J.J.: Can muscle co-contraction

protect knee ligaments after injury or repair? J Bone

Joint Surg; 1993:75-B (1): 41 47

286 Grudzieñ 2001

Biomechanika wiæzadeÆ krzyºowych

jednorodnego ksztaÆtu i nierównej dÆugo¥ci

ich wÆókien (6, 12, 13). W zgiæciu okoÆo

40 º , siÆy przenoszone przez wiæzadÆa (przy

rozluªnionych miæ¥niach) så najmniejsze (6,

12) i równowaºå siæ, poniewaº najbardziej

obciåºone wÆókna ACL i PCL uÆoºone så

pod takim samym kåtem do plateau pi-

szczeli. Wraz ze wzrostem zgiæcia bardziej

obciåºane så przednio-boczne wÆókna PCL

(6, 7), za¥ przy prostowaniu tylne wÆókna

ACL (12, 13, 9). W granicach 60 º zgiæcia

napiæcie wiæzadeÆ wzrasta nieznacznie,

a kiedy zgiæcie przekracza 90 º PCL jest pro-

porcjonalnie bardziej rozciågane niº ACL,

w którym napiæte så gÆównie wÆókna przed-

nie (9, 12). Bierny wyprost powoduje naj-

wiæksze obciåºenie ACL w ostatnich 10 º ru-

chu (6), w wypro¥cie napiæte så tylne wÆók-

na ACL i PCL (1, 7, 8, 9, 12). Przeprost

kontrolowany gÆównie przez ACL (jak rów-

nieº tylnå czæ¥ì torebki stawowej i wiæzadÆa

tylno bocznego przedziaÆu kolana) (6, 18)

powoduje znaczne obciåºenie przednich

wÆókien wiæzadÆa, które opierajå siæ o strop

doÆu miædzykÆykciowego (10) (czæsto w ta-

kim mechanizmie dochodzi do uszkodze-

nia).

WiæzadÆa krzyºowe kontrolujå rotacjæ

goleni podczas ruchu zgiæcia i wyprostu,

i wraz z wiæzadÆami pobocznymi zapewniajå

stabilno¥ì rotacyjnå w wypro¥cie kolana.

Podczas ruchu biernego rotacja ze-

wnætrzna goleni znosi napiæcie ACL

i w niewielkim stopniu obciåºa PCL (6, 12,

14); rotacja wewnætrzna obciåºa ACL

w caÆym zakresie ruchu. Obciåºenie PCL

podczas rotacji zmniejsza siæ wraz ze

wzrostem zgiæcia z powodu bardziej piono-

wej orientacji wÆókien (6, 12) (ryc. 3).

WiæzadÆa podczas ruchu czynnego

W zwiåzku z fizjologicznå ko¥lawo¥ciå

kolana, uksztaÆtowaniem powierzchni sta-

wowych i umiejscowieniem osi rotacji w o-

kolicach kÆykcia przy¥rodkowego ko¥ci

piszczelowej, praca miæ¥nia czworogÆowego

podczas aktywnego wyprostu powoduje ro-

tacjæ wewnætrznå goleni. W trakcie koñco-

wej fazy wyprostu ACL kontroluje (hamu-

je) tæ rotacjæ i uÆatwia zaryglowanie sta-

wu wytrzymujåc wtedy najwiæksze obciåºe-

nia (12, 16) (ryc. 4). Przy czynnym ruchu

zginania, praca tylnej grupy miæ¥ni uda po-

woduje ¥lizg ko¥ci piszczelowej w tyÆ po

kÆykciach ko¥ci udowej; przy prostowaniu

miæsieñ czworogÆowy wywoÆuje ¥lizg

w kierunku przednim (zgodnie z reguÆå

Ryc. 3. UÆoºenie wiæzadeÆ krzyºowych podczas rotacji goleni. Wg Kapandji I.A.: The physiology of the jo-

ints. Churchill Livingstone, Edinburgh London Melbourne and New York 1987:2:114 129

Tom 1, Numer 4 287

Acta Clinica

Ryc. 4. Hamowanie rotacji wewnætrznej piszczeli

przez ACL, w koñcowej fazie wyprostu. Wg Ka-

pandji I. A.: The physiology of the joints. Churchill

Livingstone, Edinburgh London Melbourne and

New York 1987:2:114 129

piszczelowo-udowym). Przy duºych kåtach

zgiæcia, (powyºej 110 º ) napiæcie miæ¥nia

czworogÆowego nie jest w stanie zmniej-

szyì siÆy obciåºajåcej PCL wytwarzanej

przez tylnå grupæ miæ¥ni uda. WedÆug Bey-

nonna (3, 2) izometryczna kokontrakcja

tylnej grupy miæ¥ni uda i miæ¥nia czworo-

gÆowego (bez obciåºenia zewnætrznego),

powoduje stopniowe zmniejszanie obciåºe-

nia ACL od 20 º do 50 º i znosi je powyºej

50 º zgiæcia zarówno w otwartych, jak

i zamkniætych Æañcuchach kinetycznych

(ryc. 5).

wklæsÆo-wypukÆå ruchu artrokinematyczne-

go). Powoduje to powstanie siÆ ¥cinajåcych,

tylnej i przedniej kontrolowanych i hamo-

wanych gÆównie przez wiæzadÆa krzyºowe.

Wielko¥ì tych siÆ zaleºy od warto¥ci i kie-

runku dziaÆania momentu zewnætrznego,

aktualnej pozycji stawu i kokontrakcji

miæ¥ni antagonistycznych, jak równieº siÆ

kompresji w stawie udowo piszczelowym

(przy dziaÆaniu ciæºaru ciaÆa i bez) (2, 4, 7,

13, 14, 17, 19, 22, 23, 26, 27).

Jednoczesne napiæcie tylnej grupy

miæ¥ni uda i prostowników (kokontrakcja)

nie powoduje ruchu stawu kolanowego,

je¥li momenty zgiæciowy i wyprostny rów-

nowaºå siæ (2, 3, 13). Nie oznacza to jed-

nak, ºe skÆadowe siÆ zginajåcej i prostujåcej

kolano równolegÆe do plateau piszczeli så

takie same; róºnice tæ niweluje napræºenie

(obciåºenie) ACL, lub PCL w zaleºno¥ci

od kåta zgiæcia stawu. Na podstawie oceny

komputerowego modelu kolana, wedÆug

OConnora (13), kokontrakcja zginaczy

i prostowników poniºej 22 º zgiæcia obciåºa

ACL, za¥ powyºej 22 º stopniowo zwiæksza

obciåºenie PCL. W kåcie zgiæcia bliskim

pozycji wyprostu, napiæcie miæ¥ni Æydki

i miæ¥nia czworogÆowego wywoÆuje przed-

niå siÆæ ¥cinajåcå obciåºajåcå ACL (odciå-

ºajåcå PCL) (6, 13), której nie jest w stanie

zmniejszyì napiæcie tylnej grupy miæ¥ni

uda (zwiæksza ono jedynie nacisk w stawie

Ryc. 5. OdksztaÆcenie ACL podczas izometrycznej

kokontrakcji miæ¥nia czworogÆowego i tylnej grupy

miæ¥ni uda, w róºnych kåtach zgiæcia stawu kolano-

wego. Wg Beynnon D.B., Fleming B.C., Johnson

R.J., Nichols C.E., Renström P.A., Pope M.H.: An-

terior Cruciate Ligament strain behavior during re-

habilitation exercises in vivo. Am J Sports Med;

1995, 23 (1):24 34

Izometryczne napiæcie miæ¥nia czworo-

gÆowego w otwartym Æañcuchu kinetycz-

nym powoduje stopniowe zwiækszanie ob-

ciåºenia ACL, od okoÆo 40 º zgiæcia do wy-

prostu, powyºej 50 º 60 º zgiæcia ACL nie

jest obciåºane (ryc. 6). Zwiækszenie obciå-

ºenia zewnætrznego powoduje zwiækszenie

i wcze¥niejsze obciåºenie wiæzadÆa. Izo-

metryczne napiæcie tylnej grupy miæ¥ni uda

znosi obciåºenie ACL powyºej 20 º i zwiæk-

sza obciåºenie PCL (2, 3, 4, 7, 16).

Podczas aktywnego prostowania kolana

w otwartym Æañcuchu kinetycznym od-

ksztaÆcenie ACL zwiæksza siæ wraz ze

zmniejszaniem kåta zgiæcia (od okoÆo 50 º )

288 Grudzieñ 2001

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: