Кинематика и биомеханика суставов

Кинематика описывает движение сегментов тела и суставов — их положение, смещение, скорость и оси вращения, — в то время как биомеханика суставов анализирует силы и моменты, которые вызывают и сопротивляются этому движению. Вместе они количественно определяют, как опорно-двигательная система преобразует мышечное усилие в контролируемое, несущее нагрузку движение.

Definition

Кинематика — это описание движения (смещения, скорости и ускорения сегментов и суставов) без привязки к задействованным силам; биомеханика суставов расширяет это до кинетики, анализа сил, моментов и мышечных действий, которые вызывают и сопротивляются движению суставов.

Scope

Тема охватывает описание движения суставов (степени свободы, плоскости и оси, диапазон движения), анализ суставных сил и моментов (кинетика), а также то, как мышцы, сухожилия и геометрия суставов объединяются для генерации движения, включая вычислительное моделирование, используемое для оценки величин, которые не могут быть измерены напрямую. Это методологический и аналитический справочник, а не клиническое руководство.

Core questions

• Как описывается движение суставов и сегментов с точки зрения степеней свободы, плоскостей и осей?
• Как суставные силы и моменты выводятся из движения и внешних нагрузок?
• Как сила мышц, плечо момента и геометрия сустава объединяются для создания движения?
• Как используются вычислительные скелетно-мышечные модели для оценки внутренней механики?

Key concepts

• Степени свободы и оси суставов
• Плоскости движения и диапазон движения
• Плечо момента и крутящий момент сустава
• Кинематика против кинетики
• Обратная и прямая динамика
• Скелетно-мышечное моделирование и симуляция

Key theories

Моделирование мышц и сухожилий типа Хилла

Производство мышечной силы в биомеханическом анализе обычно представляется моделями типа Хилла, в которых сократительный элемент с характеристиками зависимости силы от длины и силы от скорости действует последовательно с эластичным сухожилием, что позволяет моделировать, как мышцы приводят в движение суставы.

Обратная и прямая динамика

Кинетика суставов анализируется либо с помощью обратной динамики, вычисляющей чистые суставные моменты, необходимые для создания наблюдаемого движения, либо с помощью прямой динамики, предсказывающей движение на основе предполагаемых мышечных сил, предоставляя взаимодополняющие пути между движением и силами, которые его вызывают.

Mechanisms

Движение сустава описывается количеством независимых способов, которыми сустав может двигаться (степени свободы), а также плоскостями и осями, вокруг которых он вращается, при этом диапазон движения ограничен суставной геометрией и ограничениями мягких тканей. Силы, приводящие в движение, возникают от мышц, влияние которых на сустав зависит от силы, которую они производят, и их плеча момента — перпендикулярного расстояния от линии действия до оси сустава, — так что крутящий момент сустава является произведением мышечной силы и плеча момента, суммированным по всем мышцам. Поскольку внутренние мышечные и суставные контактные силы не могут быть измерены напрямую у живых субъектов, биомеханики используют обратную динамику для вычисления чистых суставных моментов из измеренного движения и внешних сил, а также скелетно-мышечные модели с актуаторами типа Хилла для оценки вклада отдельных мышц посредством симуляции.

Clinical relevance

Кинематический и кинетический анализ лежит в основе ортопедического понимания нормальной и измененной функции суставов, обоснования реконструктивных процедур и оценки движения после травмы или операции. Тема описывает, как измеряются и моделируются движение и нагрузка на суставы, и не является основанием для назначения лечения или реабилитации для какого-либо конкретного человека.

Evidence & guidelines

Кинематика суставов и биомеханический анализ основаны на механике и подтверждены экспериментальными и вычислительными исследованиями; стандартные методы консолидированы в учебниках по биомеханике и в широко используемых открытых платформах моделирования, а не в клинических рекомендациях.

History

Количественное изучение движений человека выросло из ранней киносъемки движения и применения механики твердого тела к скелету. В конце двадцатого века методы инструментального анализа походки и обратной динамики созрели, а в двадцать первом веке открытые платформы для скелетно-мышечного моделирования и симуляции сделали детальную оценку внутренней механики суставов и мышц широко доступной.

Key figures

• Scott Delp
• Marcus Pandy

Seminal works

• delp-2007
• pandy-2001

Frequently asked questions

В чем разница между кинематикой и кинетикой?

Кинематика описывает само движение — положения, углы, скорости — без привязки к его причинам, в то время как кинетика анализирует силы и моменты, которые вызывают и сопротивляются этому движению.

Почему в биомеханике суставов используются вычислительные модели?

Поскольку внутренние мышечные и суставные контактные силы не могут быть измерены напрямую у живых людей, скелетно-мышечные модели и симуляции оценивают эти величины на основе измеримого движения и внешних нагрузок.