Kinematika dan Biomekanika Sendi

Kinematika menjelaskan bagaimana segmen tubuh dan sendi bergerak — posisi, perpindahan, kecepatan, dan sumbu rotasinya — sementara biomekanika sendi menganalisis gaya dan momen yang menghasilkan dan menahan gerakan tersebut. Bersama-sama, keduanya mengukur bagaimana sistem muskuloskeletal mengubah upaya otot menjadi gerakan yang terkontrol dan menahan beban.

Definition

Kinematika adalah deskripsi gerakan — perpindahan, kecepatan, dan percepatan segmen dan sendi — tanpa mengacu pada gaya yang terlibat; biomekanika sendi memperluas ini ke kinetika, analisis gaya, momen, dan aksi otot yang menghasilkan dan menahan gerakan sendi.

Scope

Topik ini mencakup deskripsi gerakan sendi (derajat kebebasan, bidang dan sumbu, rentang gerak), analisis gaya dan momen sendi (kinetika), dan bagaimana otot, tendon, serta geometri sendi bergabung untuk menghasilkan gerakan, termasuk pemodelan komputasi yang digunakan untuk memperkirakan kuantitas yang tidak dapat diukur secara langsung. Ini adalah referensi metodologis dan analitis, bukan panduan klinis.

Core questions

• Bagaimana gerakan sendi dan segmen dijelaskan dalam hal derajat kebebasan, bidang, dan sumbu?
• Bagaimana gaya dan momen sendi disimpulkan dari gerakan dan beban eksternal?
• Bagaimana gaya otot, lengan momen, dan geometri sendi bergabung untuk menghasilkan gerakan?
• Bagaimana model muskuloskeletal komputasi digunakan untuk memperkirakan mekanika internal?

Key concepts

• Derajat kebebasan dan sumbu sendi
• Bidang gerak dan rentang gerak
• Lengan momen dan torsi sendi
• Kinematika versus kinetika
• Dinamika invers dan maju
• Pemodelan dan simulasi muskuloskeletal

Key theories

Pemodelan muskulotendon tipe Hill

Produksi gaya otot dalam analisis biomekanik umumnya direpresentasikan oleh model tipe Hill, di mana elemen kontraktil dengan sifat gaya-panjang dan gaya-kecepatan bekerja secara seri dengan tendon elastis, memungkinkan simulasi bagaimana otot mendorong gerakan sendi.

Dinamika invers dan maju

Kinetika sendi dianalisis baik dengan dinamika invers, menghitung momen sendi bersih yang diperlukan untuk menghasilkan gerakan yang diamati, atau dengan dinamika maju, memprediksi gerakan dari gaya otot yang diasumsikan, menyediakan jalur pelengkap antara gerakan dan gaya yang menyebabkannya.

Mechanisms

Gerakan sendi dijelaskan oleh jumlah cara independen sendi dapat bergerak (derajat kebebasan) dan oleh bidang serta sumbu di mana ia berputar, dengan rentang gerak dibatasi oleh geometri artikular dan batasan jaringan lunak. Gaya yang mendorong gerakan berasal dari otot, yang efeknya pada sendi bergantung pada gaya yang dihasilkannya dan lengan momennya — jarak tegak lurus dari garis aksi ke sumbu sendi — sehingga torsi sendi adalah hasil kali gaya otot dan lengan momen yang dijumlahkan di seluruh otot. Karena gaya kontak otot internal dan sendi tidak dapat diukur secara langsung pada subjek hidup, biomekanis menggunakan dinamika invers untuk menghitung momen sendi bersih dari gerakan terukur dan gaya eksternal, serta model muskuloskeletal dengan aktuator tipe Hill untuk memperkirakan kontribusi otot individu melalui simulasi.

Clinical relevance

Analisis kinematik dan kinetik mendasari pemahaman ortopedi tentang fungsi sendi normal dan yang berubah, dasar pemikiran untuk prosedur rekonstruktif, dan evaluasi gerakan setelah cedera atau operasi. Topik ini menjelaskan bagaimana gerakan dan pembebanan sendi diukur dan dimodelkan dan bukan merupakan dasar untuk meresepkan pengobatan atau rehabilitasi untuk individu mana pun.

Evidence & guidelines

Kinematika sendi dan analisis biomekanik didasarkan pada mekanika dan divalidasi melalui studi eksperimental dan komputasi; metode standar dikonsolidasikan dalam teks biomekanika dan dalam kerangka kerja pemodelan sumber terbuka yang banyak digunakan daripada dalam pedoman klinis.

History

Studi kuantitatif gerakan manusia berkembang dari fotografi gerak awal dan penerapan mekanika benda tegar pada kerangka. Sepanjang akhir abad kedua puluh, analisis gaya berjalan yang diinstrumentasi dan metode dinamika invers menjadi matang, dan pada abad kedua puluh satu, platform pemodelan dan simulasi muskuloskeletal sumber terbuka membuat estimasi rinci mekanika sendi dan otot internal dapat diakses secara luas.

Key figures

• Scott Delp
• Marcus Pandy

Seminal works

• delp-2007
• pandy-2001

Frequently asked questions

Apa perbedaan antara kinematika dan kinetika?

Kinematika menjelaskan gerakan itu sendiri — posisi, sudut, kecepatan — tanpa mengacu pada penyebabnya, sementara kinetika menganalisis gaya dan momen yang menghasilkan dan menahan gerakan tersebut.

Mengapa model komputasi digunakan dalam biomekanika sendi?

Karena gaya kontak otot internal dan sendi tidak dapat diukur secara langsung pada manusia hidup, model dan simulasi muskuloskeletal memperkirakan kuantitas ini dari gerakan yang dapat diukur dan beban eksternal.