Kinematik ve Eklem Biyomekaniği
Kinematik, vücut segmentlerinin ve eklemlerin konumlarını, yer değiştirmelerini, hızlarını ve dönme eksenlerini tanımlayarak nasıl hareket ettiklerini açıklarken, eklem biyomekaniği bu hareketi üreten ve ona direnen kuvvetleri ve momentleri analiz etmektedir. Birlikte, kas-iskelet sisteminin kas çabasını kontrollü, yük taşıyan harekete nasıl dönüştürdüğünü nicel olarak belirlemektedirler.
Tanım
Kinematik, ilgili kuvvetlere atıfta bulunmaksızın segmentlerin ve eklemlerin yer değiştirmesi, hızı ve ivmesi gibi hareketin tanımlanmasıdır; eklem biyomekaniği ise bunu, eklem hareketini üreten ve ona direnen kuvvetlerin, momentlerin ve kas eylemlerinin analizi olan kinetiğe genişletmektedir.
Kapsam
Bu konu, eklem hareketinin tanımlanmasını (serbestlik dereceleri, düzlemler ve eksenler, hareket açıklığı), eklem kuvvetlerinin ve momentlerinin analizini (kinetik), ve kasların, tendonların ve eklem geometrisinin hareketi oluşturmak için nasıl birleştiğini, doğrudan ölçülemeyen nicelikleri tahmin etmek için kullanılan hesaplamalı modellemeyi de içerecek şekilde kapsamaktadır. Bu, metodolojik ve analitik bir referans olup, klinik bir rehberlik değildir.
Temel sorular
- Eklem ve segment hareketi serbestlik dereceleri, düzlemler ve eksenler açısından nasıl tanımlanmaktadır?
- Eklem kuvvetleri ve momentleri hareket ve dış yüklerden nasıl çıkarılmaktadır?
- Kas kuvveti, moment kolu ve eklem geometrisi hareketi üretmek için nasıl birleşmektedir?
- Hesaplamalı kas-iskelet modelleri iç mekaniği tahmin etmek için nasıl kullanılmaktadır?
Anahtar kavramlar
- Serbestlik dereceleri ve eklem eksenleri
- Hareket düzlemleri ve hareket açıklığı
- Moment kolu ve eklem torku
- Kinematik ve kinetik
- Ters ve ileri dinamikler
- Kas-iskelet modellemesi ve simülasyonu
Temel kuramlar
- Hill tipi kas-tendon modellemesi
- Biyomekanik analizde kas kuvveti üretimi genellikle Hill tipi modellerle temsil edilmektedir; bu modellerde, kuvvet-uzunluk ve kuvvet-hız özelliklerine sahip bir kasılma elemanı, elastik bir tendonla seri olarak hareket etmekte ve kasların eklem hareketini nasıl yönlendirdiğinin simülasyonunu sağlamaktadır.
- Ters ve ileri dinamikler
- Eklem kinetiği, ya gözlemlenen hareketi üretmek için gereken net eklem momentlerini hesaplayan ters dinamikler yoluyla ya da varsayılan kas kuvvetlerinden hareketi tahmin eden ileri dinamikler yoluyla analiz edilmekte olup, hareket ile ona neden olan kuvvetler arasında tamamlayıcı yollar sunmaktadır.
Mekanizmalar
Eklem hareketi, bir eklemin hareket edebileceği bağımsız yolların sayısı (serbestlik dereceleri) ve döndüğü düzlemler ve eksenler ile tanımlanmakta olup, hareket açıklığı eklem geometrisi ve yumuşak doku kısıtlamalarıyla sınırlanmaktadır. Hareketi sağlayan kuvvetler kaslardan kaynaklanmakta olup, kasların bir eklem üzerindeki etkisi ürettikleri kuvvete ve moment kollarına (etki çizgisinden eklem eksenine olan dik mesafe) bağlıdır; böylece eklem torku, kas kuvveti ile moment kolunun kaslar arasında toplanan çarpımıdır. Canlı deneklerde iç kas ve eklem temas kuvvetleri doğrudan ölçülemediğinden, biyomekanistler ölçülen hareket ve dış kuvvetlerden net eklem momentlerini hesaplamak için ters dinamikleri kullanmakta ve simülasyon yoluyla bireysel kas katkılarını tahmin etmek için Hill tipi aktüatörlere sahip kas-iskelet modellerini kullanmaktadırlar.
Klinik önem
Kinematik ve kinetik analiz, normal ve değişmiş eklem fonksiyonunun ortopedik anlayışının, rekonstrüktif prosedürlerin gerekçesinin ve yaralanma veya cerrahi sonrası hareketin değerlendirilmesinin temelini oluşturmaktadır. Konu, hareketin ve eklem yüklenmesinin nasıl ölçüldüğünü ve modellendiğini açıklamakta olup, herhangi bir birey için tedavi veya rehabilitasyon reçete etme temeli değildir.
Kanıt ve kılavuzlar
Eklem kinematiği ve biyomekanik analiz, mekaniğe dayanmakta ve deneysel ve hesaplamalı çalışmalarla doğrulanmaktadır; standart yöntemler, klinik kılavuzlardan ziyade biyomekanik metinlerde ve yaygın olarak kullanılan açık kaynaklı modelleme çerçevelerinde pekiştirilmiştir.
Tarihçe
İnsan hareketinin nicel çalışması, erken dönem hareket fotoğrafçılığından ve rijit cisim mekaniğinin iskelete uygulanmasından gelişmiştir. Yirminci yüzyılın sonlarına doğru, enstrümantal yürüyüş analizi ve ters dinamik yöntemleri olgunlaşmış, yirmi birinci yüzyılda ise açık kaynaklı kas-iskelet modelleme ve simülasyon platformları, iç eklem ve kas mekaniğinin detaylı tahminini geniş çapta erişilebilir hale getirmiştir.
Öne çıkan isimler
- Scott Delp
- Marcus Pandy
İlgili konular
Temel eserler
- delp-2007
- pandy-2001
Sıkça sorulan sorular
- Kinematik ve kinetik arasındaki fark nedir?
- Kinematik, hareketin kendisini (konumlar, açılar, hızlar) nedenlerine atıfta bulunmaksızın tanımlarken, kinetik bu hareketi üreten ve ona direnen kuvvetleri ve momentleri analiz etmektedir.
- Eklem biyomekaniğinde neden hesaplamalı modeller kullanılmaktadır?
- Canlı insanlarda iç kas ve eklem temas kuvvetleri doğrudan ölçülemediği için, kas-iskelet modelleri ve simülasyonları bu nicelikleri ölçülebilir hareket ve dış yüklerden tahmin etmektedir.