سینماتیک و بیومکانیک مفصل

سینماتیک نحوه حرکت بخش‌ها و مفاصل بدن – موقعیت، جابجایی، سرعت و محورهای چرخش آن‌ها – را توصیف می‌کند، در حالی که بیومکانیک مفصل، نیروها و گشتاورهایی را که این حرکت را تولید و در برابر آن مقاومت می‌کنند، تحلیل می‌نماید. این دو در کنار هم، چگونگی تبدیل تلاش عضلانی به حرکت کنترل‌شده و تحمل‌کننده بار توسط سیستم اسکلتی-عضلانی را کمی‌سازی می‌کنند.

Definition

سینماتیک توصیف حرکت – جابجایی، سرعت و شتاب بخش‌ها و مفاصل – بدون اشاره به نیروهای درگیر است؛ بیومکانیک مفصل این مفهوم را به کینتیک، یعنی تحلیل نیروها، گشتاورها و عملکردهای عضلانی که حرکت مفصل را تولید و در برابر آن مقاومت می‌کنند، گسترش می‌دهد.

Scope

این موضوع شامل توصیف حرکت مفصل (درجات آزادی، صفحات و محورها، دامنه حرکت)، تحلیل نیروها و گشتاورهای مفصلی (کینتیک)، و چگونگی ترکیب عضلات، تاندون‌ها و هندسه مفصل برای تولید حرکت، از جمله مدل‌سازی محاسباتی مورد استفاده برای تخمین مقادیری که نمی‌توان مستقیماً اندازه‌گیری کرد، می‌شود. این یک مرجع روش‌شناختی و تحلیلی است، نه راهنمای بالینی.

Core questions

• حرکت مفصل و بخش‌ها چگونه بر حسب درجات آزادی، صفحات و محورها توصیف می‌شود؟
• نیروها و گشتاورهای مفصلی چگونه از حرکت و بارهای خارجی استنباط می‌شوند؟
• نیروی عضله، بازوی گشتاور و هندسه مفصل چگونه با هم ترکیب می‌شوند تا حرکت را تولید کنند؟
• مدل‌های محاسباتی اسکلتی-عضلانی چگونه برای تخمین مکانیک داخلی استفاده می‌شوند؟

Key concepts

• درجات آزادی و محورهای مفصل
• صفحات حرکت و دامنه حرکت
• بازوی گشتاور و گشتاور مفصل
• سینماتیک در مقابل کینتیک
• دینامیک معکوس و مستقیم
• مدل‌سازی و شبیه‌سازی اسکلتی-عضلانی

Key theories

مدل‌سازی عضله-تاندون نوع هیل

تولید نیروی عضله در تحلیل بیومکانیکی معمولاً با مدل‌های نوع هیل نمایش داده می‌شود، که در آن‌ها یک عنصر انقباضی با ویژگی‌های نیرو-طول و نیرو-سرعت به صورت سری با یک تاندون الاستیک عمل می‌کند و امکان شبیه‌سازی چگونگی هدایت حرکت مفصل توسط عضلات را فراهم می‌آورد.

دینامیک معکوس و مستقیم

کینتیک مفصل یا با دینامیک معکوس، که گشتاورهای خالص مفصلی مورد نیاز برای تولید حرکت مشاهده‌شده را محاسبه می‌کند، یا با دینامیک مستقیم، که حرکت را از نیروهای عضلانی مفروض پیش‌بینی می‌کند، تحلیل می‌شود و مسیرهای مکملی بین حرکت و نیروهای عامل آن فراهم می‌آورد.

Mechanisms

حرکت مفصل با تعداد روش‌های مستقلی که یک مفصل می‌تواند حرکت کند (درجات آزادی) و با صفحات و محورهایی که حول آن‌ها می‌چرخد، توصیف می‌شود، با دامنه حرکتی که توسط هندسه مفصلی و محدودیت‌های بافت نرم محدود می‌شود. نیروهای محرک حرکت از عضلات نشأت می‌گیرند که تأثیر آن‌ها بر مفصل به نیروی تولیدی و بازوی گشتاور آن‌ها – فاصله عمودی از خط عمل تا محور مفصل – بستگی دارد، به طوری که گشتاور مفصل حاصل ضرب نیروی عضله و بازوی گشتاور است که در تمام عضلات جمع می‌شود. از آنجا که نیروهای داخلی عضله و نیروهای تماس مفصلی را نمی‌توان مستقیماً در افراد زنده اندازه‌گیری کرد، بیومکانیست‌ها از دینامیک معکوس برای محاسبه گشتاورهای خالص مفصلی از حرکت اندازه‌گیری شده و نیروهای خارجی، و از مدل‌های اسکلتی-عضلانی با محرک‌های نوع هیل برای تخمین سهم عضلات منفرد از طریق شبیه‌سازی استفاده می‌کنند.

Clinical relevance

تحلیل سینماتیک و کینتیک زیربنای درک ارتوپدی از عملکرد طبیعی و تغییریافته مفصل، منطق روش‌های بازسازی، و ارزیابی حرکت پس از آسیب یا جراحی است. این موضوع نحوه اندازه‌گیری و مدل‌سازی حرکت و بارگذاری مفصل را توصیف می‌کند و مبنایی برای تجویز درمان یا توانبخشی برای هیچ فردی نیست.

Evidence & guidelines

سینماتیک مفصل و تحلیل بیومکانیکی بر پایه مکانیک استوار بوده و از طریق مطالعات تجربی و محاسباتی تأیید می‌شوند؛ روش‌های استاندارد در متون بیومکانیک و در چارچوب‌های مدل‌سازی متن‌باز پرکاربرد، به جای دستورالعمل‌های بالینی، تثبیت شده‌اند.

History

مطالعه کمی حرکت انسان از عکاسی اولیه حرکت و کاربرد مکانیک اجسام صلب در اسکلت نشأت گرفت. در اواخر قرن بیستم، تحلیل گام‌برداری ابزار دقیق و روش‌های دینامیک معکوس به بلوغ رسیدند، و در قرن بیست و یکم، پلتفرم‌های مدل‌سازی و شبیه‌سازی اسکلتی-عضلانی متن‌باز، تخمین دقیق مکانیک داخلی مفصل و عضله را به طور گسترده‌ای در دسترس قرار دادند.

Key figures

• Scott Delp
• Marcus Pandy

Seminal works

• delp-2007
• pandy-2001

Frequently asked questions

تفاوت بین سینماتیک و کینتیک چیست؟

سینماتیک خود حرکت – موقعیت‌ها، زوایا، سرعت‌ها – را بدون اشاره به علل آن توصیف می‌کند، در حالی که کینتیک نیروها و گشتاورهایی را که این حرکت را تولید و در برابر آن مقاومت می‌کنند، تحلیل می‌نماید.

چرا مدل‌های محاسباتی در بیومکانیک مفصل استفاده می‌شوند؟

از آنجا که نیروهای داخلی عضله و نیروهای تماس مفصلی را نمی‌توان مستقیماً در افراد زنده اندازه‌گیری کرد، مدل‌ها و شبیه‌سازی‌های اسکلتی-عضلانی این مقادیر را از حرکت قابل اندازه‌گیری و بارهای خارجی تخمین می‌زنند.