الحركية وميكانيكا المفاصل الحيوية

تصف الحركية (Kinematics) كيفية تحرك أجزاء الجسم والمفاصل - موقعها، إزاحتها، سرعتها، ومحاور دورانها - بينما تحلل ميكانيكا المفاصل الحيوية (Joint Biomechanics) القوى والعزوم التي تنتج هذه الحركة وتقاومها. وهما معًا يحددان كميًا كيف يحول الجهاز العضلي الهيكلي الجهد العضلي إلى حركة مضبوطة وحاملة للأحمال.

Definition

الحركية (Kinematics) هي وصف للحركة - الإزاحة والسرعة والتسارع للأجزاء والمفاصل - دون الإشارة إلى القوى المعنية؛ وتوسع ميكانيكا المفاصل الحيوية (Joint Biomechanics) هذا ليشمل الحركيات (Kinetics)، وهي تحليل القوى والعزوم وتأثيرات العضلات التي تنتج حركة المفاصل وتقاومها.

Scope

يغطي هذا الموضوع وصف حركة المفاصل (درجات الحرية، المستويات والمحاور، مدى الحركة)، وتحليل قوى وعزوم المفاصل (الحركيات)، وكيف تتضافر العضلات والأوتار وهندسة المفاصل لتوليد الحركة، بما في ذلك النمذجة الحاسوبية المستخدمة لتقدير الكميات التي لا يمكن قياسها مباشرة. وهو مرجع منهجي وتحليلي، وليس إرشادات سريرية.

Core questions

• كيف توصف حركة المفصل والقطعة من حيث درجات الحرية والمستويات والمحاور؟
• كيف تُستنتج قوى وعزوم المفاصل من الحركة والأحمال الخارجية؟
• كيف تتضافر قوة العضلات وذراع العزم وهندسة المفصل لإنتاج الحركة؟
• كيف تُستخدم النماذج العضلية الهيكلية الحاسوبية لتقدير الميكانيكا الداخلية؟

Key concepts

• درجات الحرية ومحاور المفاصل
• مستويات الحركة ومدى الحركة
• ذراع العزم وعزم المفصل
• الحركية مقابل الحركيات
• الديناميكا العكسية والأمامية
• النمذجة والمحاكاة العضلية الهيكلية

Key theories

نمذجة العضلات والأوتار من نوع هيل (Hill-type musculotendon modeling)

يُعبّر عن إنتاج قوة العضلات في التحليل الميكانيكي الحيوي عادةً بنماذج من نوع هيل، حيث يعمل عنصر انقباضي ذو خصائص قوة-طول وقوة-سرعة بالتسلسل مع وتر مرن، مما يتيح محاكاة كيفية دفع العضلات لحركة المفصل.

الديناميكا العكسية والأمامية

تُحلل حركيات المفاصل إما عن طريق الديناميكا العكسية، بحساب عزوم المفاصل الصافية المطلوبة لإنتاج الحركة المرصودة، أو عن طريق الديناميكا الأمامية، بالتنبؤ بالحركة من قوى العضلات المفترضة، مما يوفر مسارات تكميلية بين الحركة والقوى التي تسببها.

Mechanisms

توصف حركة المفصل بعدد الطرق المستقلة التي يمكن للمفصل أن يتحرك بها (درجات الحرية) وبالمستويات والمحاور التي يدور حولها، مع تحديد مدى الحركة بواسطة الهندسة المفصلية وقيود الأنسجة الرخوة. تنشأ القوى الدافعة للحركة من العضلات، ويعتمد تأثيرها على المفصل على القوة التي تنتجها وذراع العزم الخاص بها - المسافة العمودية من خط العمل إلى محور المفصل - بحيث يكون عزم المفصل هو ناتج قوة العضلات وذراع العزم مجمعة عبر العضلات. نظرًا لأنه لا يمكن قياس قوى العضلات الداخلية وقوى التلامس المفصلية مباشرة في الكائنات الحية، يستخدم أخصائيو الميكانيكا الحيوية الديناميكا العكسية لحساب عزوم المفاصل الصافية من الحركة المقاسة والقوى الخارجية، والنماذج العضلية الهيكلية مع المحركات من نوع هيل (Hill-type actuators) لتقدير مساهمات العضلات الفردية من خلال المحاكاة.

Clinical relevance

تكمن التحليلات الحركية والحركياتية في أساس الفهم الأرثوبيدي لوظيفة المفصل الطبيعية والمتغيرة، والأساس المنطقي لإجراءات إعادة البناء، وتقييم الحركة بعد الإصابة أو الجراحة. يصف هذا الموضوع كيفية قياس ونمذجة الحركة وتحميل المفاصل، ولا يشكل أساسًا لوصف العلاج أو إعادة التأهيل لأي فرد.

Evidence & guidelines

تستند حركية المفاصل والتحليل الميكانيكي الحيوي إلى الميكانيكا ويتم التحقق منها من خلال الدراسات التجريبية والحاسوبية؛ ويتم توحيد الأساليب القياسية في نصوص الميكانيكا الحيوية وفي أطر النمذجة مفتوحة المصدر المستخدمة على نطاق واسع بدلاً من الإرشادات السريرية.

History

نما البحث الكمي في حركة الإنسان من التصوير الفوتوغرافي المبكر للحركة وتطبيق ميكانيكا الأجسام الصلبة على الهيكل العظمي. خلال أواخر القرن العشرين، نضج تحليل المشي بالأجهزة وطرق الديناميكا العكسية، وفي القرن الحادي والعشرين، أتاحت منصات النمذجة والمحاكاة العضلية الهيكلية مفتوحة المصدر تقديرًا مفصلاً للميكانيكا الداخلية للمفاصل والعضلات على نطاق واسع.

Key figures

• Scott Delp
• Marcus Pandy

Seminal works

• delp-2007
• pandy-2001

Frequently asked questions

ما الفرق بين الحركية والحركيات؟

تصف الحركية الحركة نفسها - المواقع، الزوايا، السرعات - دون الإشارة إلى أسبابها، بينما تحلل الحركيات القوى والعزوم التي تنتج هذه الحركة وتقاومها.

لماذا تُستخدم النماذج الحاسوبية في ميكانيكا المفاصل الحيوية؟

نظرًا لأنه لا يمكن قياس قوى العضلات الداخلية وقوى التلامس المفصلية مباشرة في الأشخاص الأحياء، فإن النماذج والمحاكاة العضلية الهيكلية تقدر هذه الكميات من الحركة القابلة للقياس والأحمال الخارجية.