Động học và Cơ sinh học khớp

Động học mô tả cách các phân đoạn cơ thể và khớp di chuyển – vị trí, độ dịch chuyển, vận tốc và các trục quay của chúng – trong khi cơ sinh học khớp phân tích các lực và mô men tạo ra và chống lại chuyển động đó. Cùng với nhau, chúng định lượng cách hệ thống cơ xương chuyển đổi nỗ lực cơ bắp thành chuyển động có kiểm soát, chịu tải.

Definition

Động học là mô tả chuyển động – độ dịch chuyển, vận tốc và gia tốc của các phân đoạn và khớp – mà không đề cập đến các lực liên quan; cơ sinh học khớp mở rộng điều này sang động lực học, phân tích các lực, mô men và hoạt động cơ bắp tạo ra và chống lại chuyển động khớp.

Scope

Chủ đề này bao gồm mô tả chuyển động khớp (bậc tự do, mặt phẳng và trục, tầm vận động), phân tích lực và mô men khớp (động lực học), và cách các cơ, gân và hình học khớp kết hợp để tạo ra chuyển động, bao gồm mô hình hóa tính toán được sử dụng để ước tính các đại lượng không thể đo trực tiếp. Đây là một tài liệu tham khảo về phương pháp luận và phân tích, không phải hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Chuyển động khớp và phân đoạn được mô tả như thế nào về bậc tự do, mặt phẳng và trục?
• Lực và mô men khớp được suy ra như thế nào từ chuyển động và tải trọng bên ngoài?
• Lực cơ, cánh tay đòn và hình học khớp kết hợp như thế nào để tạo ra chuyển động?
• Các mô hình cơ xương tính toán được sử dụng như thế nào để ước tính cơ học bên trong?

Key concepts

• Bậc tự do và trục khớp
• Mặt phẳng chuyển động và tầm vận động
• Cánh tay đòn và mô men khớp
• Động học so với động lực học
• Động lực học ngược và động lực học thuận
• Mô hình hóa và mô phỏng cơ xương

Key theories

Mô hình hóa cơ-gân kiểu Hill

Sự tạo lực cơ trong phân tích cơ sinh học thường được biểu diễn bằng các mô hình kiểu Hill, trong đó một thành phần co rút với các đặc tính lực-chiều dài và lực-vận tốc hoạt động nối tiếp với một gân đàn hồi, cho phép mô phỏng cách các cơ thúc đẩy chuyển động khớp.

Động lực học ngược và động lực học thuận

Động lực học khớp được phân tích bằng động lực học ngược, tính toán các mô men khớp ròng cần thiết để tạo ra chuyển động quan sát được, hoặc bằng động lực học thuận, dự đoán chuyển động từ các lực cơ giả định, cung cấp các con đường bổ sung giữa chuyển động và các lực gây ra nó.

Mechanisms

Chuyển động khớp được mô tả bằng số cách độc lập mà một khớp có thể di chuyển (bậc tự do) và bằng các mặt phẳng và trục mà nó quay, với tầm vận động bị giới hạn bởi hình học khớp và các ràng buộc mô mềm. Các lực thúc đẩy chuyển động phát sinh từ cơ bắp, tác động của chúng lên khớp phụ thuộc vào lực chúng tạo ra và cánh tay đòn của chúng – khoảng cách vuông góc từ đường tác dụng đến trục khớp – sao cho mô men khớp là tích của lực cơ và cánh tay đòn được tổng hợp trên các cơ. Bởi vì lực cơ bên trong và lực tiếp xúc khớp không thể đo trực tiếp trên các đối tượng sống, các nhà cơ sinh học sử dụng động lực học ngược để tính toán mô men khớp ròng từ chuyển động đo được và các lực bên ngoài, và các mô hình cơ xương với bộ truyền động kiểu Hill để ước tính đóng góp của từng cơ thông qua mô phỏng.

Clinical relevance

Phân tích động học và động lực học là nền tảng cho sự hiểu biết chỉnh hình về chức năng khớp bình thường và bị thay đổi, cơ sở lý luận cho các thủ thuật tái tạo, và đánh giá chuyển động sau chấn thương hoặc phẫu thuật. Chủ đề này mô tả cách chuyển động và tải trọng khớp được đo lường và mô hình hóa và không phải là cơ sở để kê đơn điều trị hoặc phục hồi chức năng cho bất kỳ cá nhân nào.

Evidence & guidelines

Động học khớp và phân tích cơ sinh học dựa trên cơ học và được xác nhận thông qua các nghiên cứu thực nghiệm và tính toán; các phương pháp tiêu chuẩn được củng cố trong các văn bản cơ sinh học và trong các khung mô hình hóa mã nguồn mở được sử dụng rộng rãi hơn là trong các hướng dẫn lâm sàng.

History

Nghiên cứu định lượng về chuyển động của con người phát triển từ nhiếp ảnh chuyển động ban đầu và ứng dụng cơ học vật rắn vào bộ xương. Đến cuối thế kỷ XX, phân tích dáng đi bằng thiết bị và các phương pháp động lực học ngược đã trưởng thành, và trong thế kỷ XXI, các nền tảng mô hình hóa và mô phỏng cơ xương mã nguồn mở đã giúp việc ước tính chi tiết cơ học khớp và cơ bên trong trở nên dễ tiếp cận rộng rãi.

Key figures

• Scott Delp
• Marcus Pandy

Seminal works

• delp-2007
• pandy-2001

Frequently asked questions

Sự khác biệt giữa động học và động lực học là gì?

Động học mô tả bản thân chuyển động – vị trí, góc, vận tốc – mà không đề cập đến nguyên nhân của nó, trong khi động lực học phân tích các lực và mô men tạo ra và chống lại chuyển động đó.

Tại sao các mô hình tính toán được sử dụng trong cơ sinh học khớp?

Bởi vì lực cơ bên trong và lực tiếp xúc khớp không thể đo trực tiếp trên người sống, các mô hình và mô phỏng cơ xương ước tính các đại lượng này từ chuyển động có thể đo được và tải trọng bên ngoài.