Wprowadzenie

Orteza przykłada siły do ​​ludzkiego ciała i może zmienić sposób, w jaki siły działają na ludzkie ciało. To sprawia, że ​​orteza jest z natury urządzeniem biomechanicznym. Biomechanika ma szczególne znaczenie dla zrozumienia, w jaki sposób występują odchylenia chodu i problemy z ciśnieniem oraz jak można je rozwiązać. Biomechanika jest również ważna, aby pomóc nam zrozumieć, w jaki sposób orteza osiąga lepszą pozycję ciała w bezpieczny i wygodny sposób.

Siła

Siła to każda interakcja, która ma tendencję do zmiany ruchu obiektu   . W urządzeniach ortotycznych ważne są siły. Urządzenie ortotyczne przykłada siły do ​​ciała ludzkiego i może zmieniać sposób, w jaki siły oddziałują z ciałem. Kiedy na ciało ludzkie przyłożona jest siła, odbywa się to na powierzchni skóry. To powoduje powstanie ciśnienia o następującym równaniu.

Ciśnienie równa się sile ponad obszarem (P = F / A)

Gdy obszar, na który rozkłada się siłę, jest większy, ciśnienie jest zmniejszane. Jeśli ktoś nadepnie na stopę w szpilce (buty damskie na wysokim obcasie z wysokim obcasem), występuje duży nacisk (i ból).

Ta sama osoba stojąca na twojej stopie w pięcie, która jest większa, spowodowałoby mniejszy nacisk (i ból), ponieważ obszar jest większy. Fakt, że jest to ta sama osoba, oznacza, że ​​Moc jest stała w tym scenariuszu.

Biomechanika 1.png

Pięta buta na szpilce spowodowałaby duży nacisk na jednostkę powierzchni. Kiedy obszar zostanie zwiększony (na zdjęciu po prawej), ciśnienie zostanie zmniejszone. .

W poniższym przykładzie widzimy również zmniejszenie nacisku poprzez wykazanie efektu zwiększenia obszaru kontaktu pod stopą.

Biomechanika 2.png

 

W tym podejściu do klasycznego scenariusza „łoża gwoździ” widzimy, że ciśnienie zmniejsza się wraz ze wzrostem powierzchni. Siła ponownie pozostaje stała.

Ortopeda musi zapewnić, że konstrukcja ortezy osiąga najlepszy możliwy rozkład ciśnienia. Tradycyjne ortezy wykonane z metalu i skóry mają ogólnie mniejsze powierzchnie, co oznacza, że ​​nacisk na styku tkanka / urządzenie będzie wyższy

Biomechanika 3.png

Zdjęcie konwencjonalnego AFO, zmniejszone pole powierzchni prowadzi do zwiększonego ciśnienia.

Bardziej nowoczesne tworzywa termoplastyczne pokrywają większe obszary ciała i dlatego rozkładają siłę na większy obszar. Prowadzi to do obniżenia nacisku na skórę.

Plastikowy AFO z całkowitym kontaktem, zmniejsza nacisk, gdy siła rozkłada się na większy obszar.

Wydaje się zatem, że powinniśmy zawsze stosować ortotyczny projekt, który pokrywa maksymalną powierzchnię, aby zapewnić wygodne dopasowanie. Jednak musimy również wziąć pod uwagę zdolność tkanek leżących poniżej do tolerowania nacisku wywieranego przez ortezę, ponieważ wypukłości kostne, blizny i inne wrażliwe miejsca mogą nie tolerować nacisku wywieranego bezpośrednio. Podczas procesu rektyfikacji odlewu można zastosować reliefy lub narosty na wypukłościach kości, aby załadować obszary tkanki, które są tolerancyjne, i rozładować wypukłość kości.

Biomechanika 5.png

 

Strzałki wskazują miejsce nagromadzenia się gipsu. Spowoduje to zmianę kształtu końcowego AFO w celu zmniejszenia ciśnienia w tym punkcie.

Wyściółka wykonana z pelitów o niskiej gęstości, EVA lub PPT może być również wprowadzana na kościanych wypukłościach podczas wytwarzania urządzenia, aby jeszcze bardziej zmniejszyć nacisk na te obszary podczas kompaktowania po załadowaniu.

Jeśli część ortezy powoduje niewygodnie wysokie ciśnienie, użytkownik serwisu lub rodzic / opiekun może poprosić o usunięcie tej części. Czasami po wykonaniu tej czynności obszar, na który rozkłada się siła, zostaje zmniejszony. Zatem zgodnie z powyższym równaniem P = F / A, ciśnienie faktycznie wzrasta. Może to prowadzić do nasilenia bólu po pewnym czasie.

Orteza przykłada siły bezpośrednio do skóry dziecka i struktur anatomicznych, aby osiągnąć swoje cele funkcjonalne. Dlatego obszary kontaktu między powierzchnią styku tkanek miękkich a ortezą są niezwykle ważne, ponieważ jeśli orteza nie jest wygodna, dziecko jej nie nosi.

Tkanka na interfejsie urządzenie / tkanka ortotyczna nie zawsze ma jednolitą grubość. Na rysunku… widzimy, że obszar tkanki „F” jest względnie twardy, a obszary tkanki „S” są bardziej miękkie.

Biomechanika 6.png

Jeśli nasza orteza jest uformowana tak, aby dokładnie pasowała do zewnętrznego kształtu kończyny, nacisk nie byłby równomiernie rozłożony, a obszar „F” przyjąłby stosunkowo więcej siły niż obszary bardziej miękkie „S”. Ponownie zastosowanie reliefów lub narostów podczas rektyfikacji odlewu obszaru „F” pomoże zmniejszyć nacisk z tego obszaru. Wewnętrzne wybrzuszenia w celu zwiększenia nacisku na obszary „S” dodatkowo przyczynią się do równomiernego rozłożenia nacisku na te bardziej miękkie tkanki.

Biomechanika 7.png

Biomechanika konstrukcji ortotycznej 3-punktowy nacisk

Orthotiści używają 3-punktowego nacisku w większości konstrukcji ortotycznych do kontrolowania ruchu kątowego.

Trzypunktowy system siły pozwala na zmianę kąta lub kontrolę nad stawem, na przykład podczas kontrolowania zgięcia stawu skokowego w AFO lub szczęce stawu kolanowego w ortezie kolana. Występuje, gdy trzy segmenty zostaną przyłożone do segmentu z pojedynczą siłą pierwotną (F1) przyłożoną między dwoma dodatkowymi siłami przeciwstawnymi (F2 i F3) i sumą wszystkich trzech sił równą zero. Wielkość i lokalizacja siły pierwotnej (F1) jest w punkcie, w którym ruch jest albo hamowany, albo ułatwiany, w zależności od wymagań funkcjonalnych ortezy. Przykłady typowych trójpunktowych układów sił w kończynie dolnej można zobaczyć poniżej.

Biomechanika 8.png

Czteropunktowe układy sił są stosowane w konstrukcji ortotycznej, aby uzyskać kontrolę translacyjną, która zapobiega przesunięciu jednego segmentu względem drugiego. Są one powszechnie widoczne w zastosowaniu stawu kolanowego do kontroli przemieszczenia kości piszczelowej w stosunku do kości udowej w przypadku kolana z przednim więzadłem krzyżowym.

Biomechanika 9.png

 

Siła reakcji ziemi

Siła reakcji gruntu (GRF) występuje, gdy dochodzi do kontaktu z powierzchnią podparcia, jest równa i przeciwstawia się sile spowodowanej przechodzeniem masy ciała przez stopę do powierzchni ziemi.

Należy zauważyć, że „siła wynikająca z masy ciała” obejmuje pęd i przyspieszenia masy ciała, a także tylko wpływ grawitacji na nią. Dlatego jest inny, a jednak podobny do linii ciężaru.

Wyrównanie protezy zmienia chód poprzez manipulowanie położeniem kończyny dolnej i stawów protetycznych w odniesieniu do sił reakcji podłoża – czytaj więcej tutaj .

GRF nie jest stosowany klinicznie w wielu miejscach ze względu na trudności z uzyskaniem go w czasie rzeczywistym. Klinicyści mogą próbować zrozumieć ruchy, które widzą, rozumiejąc wpływ GRF na ludzkie ciało.

Chwile lub momenty

Jeśli siła nie działa bezpośrednio na COM obiektu, obróci obiekt. Jeśli siła nie działa przez środek połączenia z innym segmentem, zmieni on kąt połączenia. W poniższym przykładzie stopę i nogę należy traktować jako dwa segmenty połączone w stawie krzyżowo-krzyżowym. Gdy GRF „naciska” na stopę, będzie dążył do przesunięcia stopy do zgięcia grzbietowego. Siła wytwarza moment obrotowy, który jest wielkością siły razy długość ramienia dźwigni (odległość od linii działania siły do ​​środka stawu).

W normalnym ruchu człowieka moment wytworzony przez zewnętrznie przyłożoną siłę reakcji gruntu jest zrównoważony (w przeważającej części) przez wewnętrznie generowaną siłę mięśni, która zapewnia moment przeciwny.

Ta ogólna zasada nie zawsze jest w 100% prawdziwa, ale stanowi przydatne przybliżenie. W przypadku szybkiego lub silnego ruchu momenty te nie są zrównoważone. Również w przypadku kolana osiągającego pełne wyprostowanie w pozycji stojącej jest napięcie w tkankach tylnej części kolana, które zapewnia moment równoważący.

Biomechanika 10.png

W tym przykładzie moment zgięcia grzbietowego utworzony przez przednią GRF jest zrównoważony przez zginacze sadzarki poprzez napięcie w ścięgna Achillesa. Ten mięsień ma nieruchome ramię dźwigni.

GRF i staw kolanowy

Jeśli GRF jest skierowany przed kolano, wówczas GRF ma tendencję do rozciągania kolana, podczas gdy napięcie tylnej torebki stawu zwykle się utrzymuje, utrzymując kolano w neutralnej pozycji. Zobacz

Jeśli GRF znajduje się tuż za kolanem, GRF z ramieniem dźwigni d2 zgina kolano. W tej sytuacji mięsień czworogłowy musi być aktywny, aby zapobiec zgięciu kolana. Zobacz B poniżej.

Jeżeli GRF znajduje się w większej odległości za stawem kolanowym, wówczas dłuższe ramię dźwigni (d3) biegnie od linii działania GRF do środka stawu. Zwiększa to wartość momentu obrotowego / momentu (ramię siłowe razy dźwigni) z tendencją do zginania kolana. Zwiększa to zapotrzebowanie na mięsień czworogłowy, potrzebny jest silniejszy skurcz mięśnia czworogłowego.

Jednym z celów terapii ortotycznej u dzieci z CP jest normalizacja położenia i czasu ruchu GRF, ponieważ doprowadzi to do znormalizowanych wzorców aktywacji mięśni u dzieci. Kiedy kolano jest w znacznym zgięciu, zwiększa to zużycie energii poprzez zwiększenie wielkości wymaganych skurczów mięśni.

Orthotiści mogą zmienić punkt przyłożenia siły reakcji gruntu poprzez zaprojektowanie ortezy. Przesuwając stopę do względnego zgięcia podeszwy, GRF przesuwa się do przodu, zwiększając moment wyprostu kolana.

Dla bardziej dogłębnego spojrzenia na jak reakcja grunt AFO (lub reakcja piętro AFO) zmienia moment przedłużenie kolana wyglądają tutaj .

W praktyce biomechaniczne zasady projektowania AFO zmieniają pozycję ciała i ruch. Zastosowanie zasad biomechanicznych dla ortez powinno wyeliminować niebezpieczny ucisk, zwiększając w ten sposób komfort, a jednocześnie przykładając siły do ​​organizmu ludzkiego, co poprawia warunki kliniczne dla użytkownika. Zrozumienie biomechaniki jest ważne dla ortotystów i osób odnoszących się do ortotetyka, ponieważ zasady biomechaniczne są kluczowe dla funkcjonowania ortezy.