BÖLÜM 6 DİZ EKLEMİ. 6.1 Giriş

Transkript

1 BÖLÜM 6 DİZ EKLEMİ 6.1 Giriş Diz eklemi; yükleri iletir, vücudun konumlanmasını ve hareketini kolaylaştırır, momentumun korunmasını sağlar ve bacağın hareket etmesi için gereken momentleri oluşturur. İnsan dizi vücuttaki en büyük ve muhtemelen en karmaşık eklemdir ve tibyofemoral (kaval-uyluk) ve patellofemoral (diz kapağı-uyluk) eklemleri olmak üzere iki eklem yapısından oluşur (Şekil 6-1). Tibiyofibural (kaval-fibula) eklemi de önemli bir role sahip olmakla birlikte harekete katkısı yoktur. Diz; kuvvetlere ve momentlere dayanır, vücudun en uzun iki kuvvet kolu (kaval ve uyluk kemiği) arasında yerleşmiştir ve bu nedenle sakatlığa müsait bir eklemdir. ŞEKİL 6-1 Diz ekleminin (diz kapağı hariç) şematik olarak önden görünüşü. Diz özellikle eklemlerin biyomekanik analizi için çok uygundur çünkü bu analizler diz özelinde basitleştirilerek yararlı veriler elde edilebilir. Diz hareketi üç düzlemde eş zamanlı olarak gerçeklese de, hareketin önemli bir kısmı sagital düzlemde meydana gelir. Aynı şekilde diz üzerine birçok kas etki etmekle birlikte kuadriseps kas grubu, dize etki eden toplam kas kuvvetinin en büyük bölümünden sorumludur. Böylece temel biyomekanik analizlerin, tek bir düzlemdeki harekete ve tek bir kas grubunun ürettiği kuvvete indirgenerek yapılması durumunda dahi diz hareketinin anlaşılması ve dize etki eden kuvvet ve momentlerin belirlenmesi için yeterli veri elde edilebilmektedir. 6.2 Kinematik Kinematik, eklemin üç düzlemdeki hareketini tanımlar: sagital, transvers (yatay veya enine) ve frontal (koronal veya ön) (Şekil 6-2 A ve B). Eklemin hareket aralığının klinik ölçümleri yapılırken dizin serbest halde ayakta dururken ki konumu, sıfır konumu olarak tanımlanır. Dizi oluşturan iki eklemden özellikle tibyofemoral eklem, eklem hareketinin analizi için uygundur. Eklem yüzeyindeki bağıl yuvarlanma ve kayma hareketlerinin analizi, eklemin tüm hareketi ve 70

2 yüzey geometrisi üzerinden gerçekleştirilebilir. Hareket aralığındaki veya eklem yüzeyi hareketindeki herhangi bir engel, eklemin yük dağılımını bozar ve kötü sonuçlar doğurur. Örneğin menüsküs yırtığı hem tibyofemoral hem de patellafemoral eklem hareketinde anormalliğe sebep olur ve daha sonra eklem bozulmasına yol açabilir. ŞEKİL 6-2 A) İnsan vücudundaki frontal (koronal veya ön), sagital ve transvers (yatay veya enine) düzlemler. B) Diz eklemindeki altı serbestlik derecesinin tanımı Hareket aralığı Bir eklemin herhangi bir düzlemdeki hareket aralığı, açıölçer ile yaklaşık olarak ölçülebilir. Diz için kaval ve uyluk kemiklerinin boyuna eksenine açıölçer yerleştirilerek bu ölçüm gerçekleştirilir. Daha kesin ölçümler için elektrogoniometri (elektronik açı ölçümü), röntgenografi (röntgen filmi), fluorosopi, stereofotogrametri veya deri işaretleyicilere yardımıyla fotoğraf ya da video görüntüleme gibi tekniklerden yararlanılır. Uyluk ekseni; uyluk başının merkezi ile alt kondillerin merkezi arasındaki çizgi olarak tanımlanır. Kaval kemiği ekseni ise üst kaval kemiğinin merkezinden ayak bileği merkezine doğru uzanır. Tibyofemoral eklemde hareket üç düzlemde gerçekleşse de hareketin büyük bir bölümü sagital düzlemde meydana gelir. Bu düzlemde tam uzamadan, tam bükülmeye kadar gerçekleşen hareket genellikle 3 aşırı uzama (-3 bükülme) ile 155 bükülme arasındadır. Tam bükülmede orta-arka uyluk korteksi, menüsküsün arka kısmına çarpar. Aktif hareket; istirahat halindeyken (veya ekleme herhangi bir yük gelmediği durumda), kişinin bir hareket gerçekleştirmek için kas kuvveti uygulamasıdır. Pasif hareket ise; ölçüm yapan kişinin hafif yük uygulayarak uzama veya bükülme hareketi yaptırmasıdır. 71

3 Transvers düzlemdeki içe-dışa dönme hareketi; hareket sırasında değişkenlik gösterir ve dönme serbestliği olarak düşünülebilir. Buna laksite (gevşeklik) denilir (Şekil 6-3) ve her bir laksite eğrisi, hareketi sınırlayan tendon, bağ, menüsküs gibi yumuşak dokuların özelliklerini yansıtan bir histerezis (gecikme) döngüsü şeklindedir. İlk olarak dokular zorlama ile rijitleşir yani uzadıkça daha rijit hale gelir. İkinci olarak dokular visko-elastiktir yani uzama zaman bağlıdır ve orijinal şekline dönmesinde bir gecikme olur. Herhangi bir bükülme açısında, bir dönme açısı meydana gelir ve eğer dönme içeri doğruysa dışa doğru, dışa doğruysa içe doğru bir döndürme momenti uygulanır. Bükülme açılarına karşılık meydana gelen bu dönme açılarına içe-dışa dönme gevşekliği denir. Dönme laksitesi dizin bükülmesiyle artar ve bükülmede maksimuma ulaşır. Diz bu konuma geldiğinde kaval kemiğinin dışa dönmesi 18 ve içe dönmesi 25 dir. Bundan sonra içe-dışa dönme miktarı sabit kalır ve 120 den sonra azalmaya başlar. ŞEKİL 6-3 Kaval kemiğinin 60 bükülme açısı için moment-dönme laksite eğrisi Frontal düzlemdeki abdüksiyon-addüksiyon (varus-valgus) hareketi, eklemin bükülme miktarından benzer şekilde etkilenir. Dizin tam uzaması, frontal düzlemdeki hareketi neredeyse tamamen engeller. Pasif abdüksiyon ve addüksiyon, dizin 30 bükülmesine kadar artar fakat maksimum birkaç dereceye ancak ulaşır. Dizin 30 nin üzerinde bükülmesiyle frontal düzlemdeki hareket yumuşak dokuların sınırlayıcı etkilerinden dolayı tekrar azalmaya başlar. Varus dönmesi valgustan daha büyüktür çünkü iç yan bağlar, dış yan bağlardan daha rijittir. Bununla birlikte çalışma sırasında diz etrafındaki eksenel kuvvetler ve kas hareketleri, varusvalgus dönmesini genellikle engeller. Çeşitli aktiviteler sırasında tibyofemoral eklemin hareket aralığı, kinematik analiz ile belirlenebilir. Şekil 6-4 de diz ekleminin yürüme sırasında sagital düzlemdeki hareket aralığını göstermektedir. Topuk basmada, hareketin başlangıcında (çevrimin %0 ı) tam uzama görülür. Vücut ağırlığının etki etmeye başlamasıyla bükülme açısı artarak yaklaşık 15 ye ulaşır ve sonra tekrar neredeye 0 ye düşer. Sonra salınım fazının başlamasına kadar bükülme hızla artar ve salınım fazının ilk bölümünde yaklaşık 60 maksimum bükülme görülür. 72

4 ŞEKİL 6-4 Yürüyüş çevrimi sırasında tibyofemoral eklemin sagital düzlemdeki hareket aralığı Eklem yüzeyi hareketi Eklem yüzeyleri arasındaki hareket, herhangi bir düzlemde stereo-foto-grafimetrik yöntemler kullanılarak tanımlanabilir. Bu yöntemler çok teknik ve karmaşık olduğundan daha basit bir metot da kullanılmaktadır. Anlık merkez tekniği denilen bu metot ile eklem yüzeyi hareketi, sagital ve frontal düzlemde analiz edilebilir. Bu teknikte, bitişik iki uzvun tek düzlemdeki bağıl hareketi ve bu uzuvlar arasındaki temas noktalarının yönleri tanımlanır. Uzvun iskelete ait olan kısmına mafsal kolu denir. Bir mafsal kolu, diğerine bağlı olarak döner ve her hangi bir anda hareket etmeyen bir nokta vardır ve hızı sıfırdır. Örneğin sandalyeden kalkmayı incelersek; kaval kemiği sabit olan mafsal koludur ve uyluk kemiği ise hareketli mafsal koludur. Sagital düzlemde görülen eğri şeklindeki hareket için, uylukta sabit kalan bir nokta vardır. Bu nokta ani dönme merkezi veya anlık merkezdir. Anlık merkez; hareketli mafsal kolu üzerindeki iki nokta, bir konumdan diğer bir konuma hareket ederken sabit mafsal koluna bağlı yer değişimlerinin tanımlanmasıyla bulunur. Hareketli mafsal kolu üzerindeki noktaların başlangıç ve son konumları bir grafik üzerine yerleştirilerek iki nokta çiftini birleştiren çizgiler çizilir. Daha sonra bu iki çizginin orta dikmeleri çizilir ve bu orta dikmelerin kesişim noktası anlık merkezdir. Klinik olarak anlık merkezin hareketi; eklemin belirli aralıklarla (örneğin 10 ) bir düzlemdeki röntgen filmleri çekilerek belirlenir. Eklemin bir düzlemdeki anlık merkezinin hareketi belirlendiğinde, eklem yüzeyi hareketi de tanımlanabilir. Anlık merkez analizi ile röntgen filmlerinden her bir hareket aralığı için eklem yüzeylerinin temas noktaları tanımlanır ve anlık merkezden temas noktasına bir çizgi çizilir. Bu çizgiye dik olarak çizilen ikinci bir çizgi, temas noktasının yer değişiminin anlık yönünü gösterir. Hareket boyunca bu noktaların ilerleme yönü, eklemin yüzey hareketini tanımlar. Çoğu eklemde anlık merkezler, eklem yüzeyine bir mesafede uzanır ve temas noktalarının yönünü belirleyen çizgi, temas yüzeyine teğettir. Başka bir deyişle, eklemin bir yüzeyi diğer yüzey üzerinde kaymaktadır. Anlık merkezin yüzey üzerinde olması, eklemin yuvarlanma hareketi yaptığını ve kayma olmadığını gösterir. Anlık merkez tekniğinde tek düzlemde hareket incelendiğinden, diğer düzlemlerde önemli bir dönme olması durumunda elde edilen verilerin doğruluğu azalır. Örneğin dizin bükülmesi sırasında lik bir içe-dışa dönme hareketi gerçekleşirse, elde edilecek anlık merkez verileri şüpheli 73

5 olacaktır. Ancak röntgen filmi üzerinde bu diğer dönme hareketinden fazla etkilenmeyen referans noktaları seçilerek bu durumun olumsuz etkisi azaltılabilir. Diz eklemindeki yüzey hareketi kaval-uyluk kondilleri arasında ve uyluk kondili-diz kapağı arasında meydana gelir. Tibyo-femoral eklemde yüzey hareketi esas olarak öne-arkaya yöndedir. Patello-femoral eklemde ise frontal ve transvers düzlemlerde eş zamanlı olarak yüzey hareketi gerçekleşir fakat frontal düzlemde çok daha büyüktür Tibyo-femoral eklem Tibyo-femoral eklemde anlık merkezin hareketini belirlemek için 10 aralıkla diz ekleminin röntgen filmleri çekilmiştir. Röntgen filmi üzerinde iki nokta kolaylıkla belirlenebilir (Şekil 6-5A). Daha sonra bu filmler çift olarak karşılaştırılır ve uyluk üzerinde bu noktalar arasındaki çizgiler çizilerek yukarıda bahsedildiği gibi tibyo-femoral eklemin 10 aralıkla anlık merkez belirlenir (Şekil 6-5B). Buradaki hareket s=r.θ formülüyle hesaplanır (s, kat edilen mesafe; r, anlık merkezin yarıçapı; θ, radyan cinsinden bükülme aralığıdır). Böylece tüm bükülme-uzama hareketi boyunca anlık merkezin ilerlemesi çizilebilir. ŞEKİL 6-5 Anlık merkezin belirlenmesi. Anlık merkez belirlendikten sonra eklem yüzeyi hareketi tanımlanabilir. Tüm röntgen filmleri üst üste getirildiğinde tibyo-femoral eklemin yüzey temas noktası belirlenir ve bu noktayla anlık merkez bir çizgi ile birleştirilir. Bu çizgiye dik ikinci bir çizgi de temas noktalarının ilerleme yönünü belirtir. Normal dizde bu çizgi, kaval kemiğinin yüzeyine teğettir, yani uyluk kemiği kaval kemiği üzerinde kayar (Şekil 6-6). Normal dizde sagital düzlemde tam uzamadan tam bükülmeye hareket ederken kayma ve yuvarlanma hareketi birlikte gerçekleşir (Şekil 6-6A). Şekil 6-6B; uyluk kemiğinin, kaval kemiği üzerindeki ön-arka doğrultudaki hareketinin çok küçük olduğunu yani neredeyse sadece kayma olduğunu gösterir. Eğer yalnızca yuvarlanma hareketi olsaydı; uyluk kondili, kaval kemiği üzerinden arkaya doğru ilerlerdi (Şekil 6-6C). Şekil 6-6D de ise kayma ve yuvarlanma hareketinin bir kombinasyonu sonucunda temas noktası, kaval kemiğinin arkasına doğru ilerlemektedir. 74

6 ŞEKİL 6-6 A) Normal dizde anlık merkezden temas noktasına çizilen A çizgisine dik B çizgisi ile temas noktalarının hareket yönü belirlenir. B) Dizin uzama hareketi ile uyluğun, kaval üzerindeki kayma hareketi. C) Diz bükülürken uyluğun, kaval üzerindeki yuvarlanma hareketi. D) Hem kayma hem de yuvarlanma ile gerçek diz hareketi. Çapraz bağların etkisini açıklamak amacıyla dört-çubuk mafsallı sagital düzlem modeli Şekil 6-7 de gösterilmiştir. Buradaki dört çubuk mafsal; kaval kemiğindeki PA çizgisi, ön çapraz bağ AA, arka çapraz bağ PP ve uyluk kemiği üzerindeki PA çizgisidir. Modelin basitleştirilmesi amacıyla tüm çubukların hareket sırasında tek düzlemde ve sabit uzunlukta olduğu kabul edilmiştir. Çapraz bağların uzunluk değişimi hareket sırasında %5 i geçmediğinden bu kabulün uygun olduğu söylenebilir. Dizin 0 den 120 ye bükülmesiyle okla gösterilen temas noktası arkaya doğru hareket eder. Uyluk yan ve orta kondillerinin ortalama hareketi göz önüne alındığında bu yaklaşım doğrudur ancak gerçekte yan kondil arkaya doğru yer değiştirirken orta kondil yer değiştirmez. Model; tüm bükülme hareketi boyunca arka çapraz bağın (PCL), uyluk kemiğinin öne doğru hareketini kısıtladığını ve ön çapraz bağın ise (ACL) arkaya doğru hareketi engellediğini göstermektedir. ŞEKİL 6-7 Sagital düzlemde diz hareketi için dört-çubuk mafsal modeli Patello-femoral eklem Patello-femoral eklemin yüzey hareketi de anlık merkez tekniği ile tanımlanabilir (Şekil 6-8). Diz kapağı üzerinde bir üst ve alt nokta işaretlenerek 15 bükülme açısı için analiz gerçekleştirilmiştir. İki çizginin dikey ortayları çizilerek ani dönme merkezi (IC) belirlenmiştir. Daha sonra ani dönme merkezi (IC), temas noktasıyla (CP) birleştirilmiştir. Okla gösterilen dikey çizgi, kayma doğrultusunu gösterir. Buradaki 75 ile 90 arasında gerçekleştirilen bükülme aralığı için temas noktası, diz kapağının üst kısmındadır. Bükülmenin başlangıcında 75

7 ise temas noktası dizkapağının alt kısmındadır. Bu değişim sayesinde bükülme sırasında temas alanı tüm diz kapağına yayılır. ŞEKİL 6-8 Tibyo-femoral eklemde için anlık merkez tekniğinin uygulanması. Diz kapağı ve uyluk kondillerinin kesit görünümü Şekil 6-9 da gösterilmiştir. Bükülmenin başlangıcında diz kapağı genellikle uyluk kemiğinin kıkırdak bölgesinin üstündeki periosteum (kabuk) bölgesiyle temastadır. Bu durum bir problem teşkil etmez çünkü kuadrisep kuvveti yüksek de olsa bu kuvvetin diz kapağını uyluğa bastıran bileşeni küçüktür. Bükülme açısı 30 den 90 ye arttığında uyluğun yan ve orta kısımlarında temas başlar böylece orta ve yan (sağa-sola yönde) kararlılık sağlanmış olur. ŞEKİL 6-9 A) Diz kapağının, farklı diz bükülme açılarındaki konumu. B) Farklı diz bükülme açıları için diz kapağı temas alanları. 76

8 6.3 Kinetik Kinetik; eklem üzerine etki eden kuvvet ve momentlerin hem statik hem de dinamik analizini içerir. Statik; denge durumundaki yani dinlenme halindeki veya sabit bir hızla hareket eden bir vücuda etki eden kuvvet ve momentleri inceler. Denge durumundaki bir vücut için iki şart sağlanmalıdır: herhangi bir yöndeki kuvvetlerin toplamı sıfır olmalıdır ve herhangi bir nokta veya eksene göre momentlerin toplamı sıfır olmalıdır. Dinamik ise; vücudun hızlanması veya yavaşlaması durumunda etki eden kuvvet ve momentleri inceler. Vücuda etki eden bileşke kuvvet sıfır değilse kuvvet yönünde bir hızlanma söz konusudur: Newton un ikinci kanunu bunu F=ma ile ifade eder (F, kuvvet; m, kütle; a, ivme). Benzer şekilde bileşke moment de bir açısal ivmelenme meydana getirir. Kinetik analiz; vücut ağırlığının, kas hareketinin, yumuşak doku direncinin ve dışarıdan etki eden yüklerin eklem üzerinde oluşturduğu kuvvet ve momentlerin belirlenmesini sağlar Tibyo-femoral eklemin statiği Hareket olmadığında veya yürüme, koşma gibi dinamik bir hareket sırasındaki herhangi bir anda eklem üzerine etki eden kuvvet ve momentleri belirlemek için statik analiz kullanılabilir. Herhangi bir ekleme; herhangi bir konumda ve herhangi bir yükleme şartları altında uygulanabilir. Böyle bir analizde bilinmeyen kuvvet ve momentleri hesaplamak için grafik veya matematik yöntemi kullanılabilir. Ekleme etki eden tüm kuvvetleri ve momentleri içeren üç boyutlu statik analiz karmaşıktır ve bu nedenle basitleştirilmiş teknikler kullanılabilir. Bunlardan biri; tek düzlemde analiz için serbest cisim diyagramı ve limit kullanmaktır. Burada ekleme etki eden eş düzlemli kuvvetler ana momentler hesaba katılır ve eklem yüzeyine veya kaslara etki eden kuvvetlerin büyüklükleri daha sonra hesaplanabilir. Eş düzlemli kuvvetleri analiz etmek için serbest cisim tekniği kullanıldığında, vücudun bir parçası tüm vücuttan izole edilir ve bu serbest cisme etki eden tüm kuvvetler tanımlanır. Analiz etmek üzere yükleme şartlarındaki serbest cismin üzerine bir diyagram çizilir. Serbest cisme etki eden başlıca eş düzlemli kuvvetler belirlenir ve serbest cisim diyagramında gösterilir. Eğer dört karakteristik biliniyorsa bu kuvvetler vektörel olarak ifade edilir: büyüklük, yön (negatif veya pozitif), uygulama doğrultusu ve uygulama noktası. Eğer toplamda üç kuvvet varsa ve üç kuvvetin uygulama noktası iki kuvvetin uygulama yönü biliniyorsa, diğer tüm bilinmeyenler kuvvet dengesinden belirlenebilir. Serbest cisim denge halinde olduğunda üç eş düzlemli kuvvet bir noktada kesişir. Başka bir deyişle bu kuvvetlerin vektörel toplamı sıfırdır. Bu üç kuvvetin uygulama doğrultuları bilindiğinde bir kuvvet üçgeni çizilebilir ve kuvvetlerin büyüklükleri bu üçgenden elde edilebilir. ÖRNEK 6-1: Diz eklemine etki eden eş düzlemli kuvvetler bir serbest cisim diyagramında gösterilebilir. Merdiven çıkarken bir ayağın boşta olduğu ve diğer ayağın yükü karşıladığı durum için tibiyo-femoral eklem üzerindeki tepki kuvvetinin büyüklüğü bu teknikle tahmin 77

9 edilebilir. Merdiven çıkma durumunda alt bacak tüm vücuttan ayrılarak serbest cisim olarak ele alınır (Örnek Şekli 6-1-1): ÖRNEK ŞEKLİ Serbest cisme etki eden kuvvetlerden üç eş düzlemli kuvvet tanımlanır: 1) vücut ağırlığına eş yer tepki kuvveti, 2) kuadriseps kası etkisiyle diz kapağı tendonu üzerinden etki eden çekme kuvveti, 3) kaval kemiği temas yüzeyi üzerindeki eklem tepki kuvveti. Zemin tepki kuvvetinin (W); büyüklüğü (vücut ağırlığı), yönü, uygulama doğrultusu ve uygulama noktası (ayak ile zemin arasındaki temas noktası) bilinmektedir. Diz kapağı tendon kuvvetinin (P); yönü (diz ekleminden dışarı doğru), uygulama doğrultusu (diz kapağı tendonu boyunca) ve uygulama noktası (diz kapağı tendonunun kaval kemiğine bağlanma noktası) bilinmektedir ancak büyüklüğü bilinmemektedir. Eklem tepki kuvvetinin (J); kaval kemiği temas yüzeyi üzerindeki uygulama noktası (eklem yüzeylerinin temas noktası) ancak büyüklüğü, yönü ve uygulama doğrultusu bilinmemektedir. Vektörel hesaplamalarla eklem tepki kuvveti (J) ve diz kapağı tendon kuvveti (P) bulunabilir. Alt bacak dengede olduğundan üç kuvvetin uygulama doğrultusu bir noktada kesişir. İki kuvvetin (W, P) uygulama doğrultusu bilindiğinden, üçüncü kuvvetin (J) uygulama doğrultusu belirlenebilir. W ve P kuvvetlerinin uygulama doğrultusu kesişene kadar uzatılır. Daha sonra bu temas noktası ile J kuvvetinin uygulama noktası birleştirilerek üçüncü kuvvetin (J) uygulama doğrultusu bulunur (Örnek Şekli 6-1-2). Örnek Şekli

10 J kuvvetinin uygulama doğrultusu belirlendikten sonra kuvvet üçgenini oluşturmak mümkündür (Örnek Şekli 6-1-3). Önce W kuvvetini gösteren vektör çizilir. Daha sonra W vektörünün ucundan P vektörü çizilir. Son olarak W vektörünün ucundan J vektörü çizilerek üçgen kapatılır. P ve J kuvvetlerinin kesiştiği nokta, bu vektörlerin uzunluğunu belirler. Şimdi bu üç vektörün uzunluğu belirlenmiştir dolayısıyla büyüklüğü bilinen W kuvvetine göre bu iki kuvvetin büyüklüğü de belirlenir. Bu durumda P, vücut ağırlığının 3,3 katı ve J ise 4,1 katıdır. Örnek Şekli Görüldüğü gibi kuadriseps kas kuvvetinin eklem tepki kuvvetine etkisi, vücut ağırlığının etkisinden çok daha fazladır. Bu örnekte eklem tepki kuvvetinin minimum büyüklüğü hesaplanmıştır ve diğer kas kuvvetlerinin de hesaba katılması durumunda eklem tepki kuvveti daha da artacaktır. Yalnızca kuadrisesps kası etki ettirilmiş olmasına rağmen eklem tepki kuvveti, vücut ağırlığının 4,1 katı hesaplanmıştır. Bunun nedeni dizin dönme eksenine göre kasın kuvvet kolu küçüktür ve zemin-ayak kuvvetinin oluşturduğu moment çok daha büyüktür. ÖRNEK 6-2: İkinci adım aynı durum için dizin dönme merkezine göre momentlerin statik analiz ile hesaplanmasıdır. Moment analizinde; diz kapağı tendonunun ürettiği moment, vücut ağırlığının alt bacakta ürettiği momenti dengeler (Örnek Şekil 6-2-1). Örnek Şekli Alt bacakta oluşan bükülme momenti; vücut ağırlığı (W, zemin tepki kuvveti) ile bu kuvvetin dönme merkezine olan dik uzaklığının (kuvvet kolu, a) çarpıdır. Bunu dengeleyen karşı moment 79

11 ise; diz kapağı tendonu doğrultusunda etki eden kuadrisesps kuvveti ile bunun kuvvet kolunun (b) çarpımıdır. Alt bacak denge durumunda olduğundan bu iki momentin toplamı sıfır olmalıdır: M = 0 Bu örnekte sat yönünün tersi pozitif olarak kabul edilmiştir ve: W.(a-P).b=0 olur. Buradaki kuvvet kolları a ve b; röntgen filmlerinden ölçülebilir. Vücut ağırlığı ise analiz yapılacak bireyin ağırlığıdır. Moment denge denkleminden P kuvveti hesaplanır: Tibyo-femoral eklemin dinamiği P=(W.a)/b Ekleme etki eden kuvvet ve momentlerin statik şartlarda hesaplanması uygun olmakla birlikte günlük aktivitelerin çoğu dinamik temeldir. Hareket sırasında ekleme etki eden kuvvet ve momentlerin analizi, dinamik problemlerin çözümünü içeren farklı teknikle gerektirir. Dinamik analizde de statikte olduğu gibi esas kuvvetler; vücut ağırlığı, kaslar, yumuşak dokular ve dışarıdan etki eden kuvvetler sonucunda meydana gelir. Normal bir eklemdeki sürtünme kuvvetleri ise ihmal edilebilir düzeydedir. Dinamik analizde, statiğe göre iki faktör daha hesaba katılmalıdır: vücudun ele kalınan parçasının ivmesi ve bu parçanın kütlesel atalet momenti. Kütlesel atalet momenti; vücut parçasının ivmelenmesi için gerekli kuvvetin büyüklüğünü ifade eder ve vücudun şekline ve kütlenin dağılımına bağlıdır. Dinamik aktivite sırasında belirli bir anda eklem üzerine etki eden kuvvetlerin minimum büyüklüğünü hesaplama adımları şunlardır: 1. Anatomik yapılar tanımlanır: yapıların tanımı, anatomik referans noktaları, eklem yüzeyindeki temas noktası ve kuvvet üretiminde yer alan kuvvet kolları. 2. Hareket eden vücut parçasının açısal ivmelenmesi belirlenir. 3. Hareket eden vücut parçasının kütlesel atalet momenti belirlenir. 4. Eklemde etki eden döndürme momenti hesaplanır. 5. Vücut parçasının ivmelendiren ana kas kuvvetinin büyüklüğü hesaplanır. 6. Belirli bir an için eklem tepki kuvvetinin büyüklüğü statik analiz ile hesaplanır. İlk adımda eklemde kuvvet üreten yapılar tanımlanır. Bunlar hareket eden vücut parçası ile bu parçada bulunan ve hareketi sağlayan ana kaslardır. Burada ilk adımda çok dikkatli olunmalıdır. Örneğin tüm büyük diz kaslarının kuvvet kolları, dizin bükülme açısına ve cinsiyete göre değişir. 80

12 Ektirimite eklemlerinde vücut parçasının ivmesi, eklem açısıyla değişir. Hareketli vücut parçasının bu açısal ivmesini bulmak için tüm vücudun hareketi fotografik olarak kaydedilmelidir. Bunun için video-fotografometri gibi yöntemlerden yararlanılır ve belirli bir hareket için maksimum açısal ivme hesaplanır. Sonra hareketli kısmın kütlesel atalet momenti belirlenir. Bu verileri ölçmek zor olduğundan tablo verileri kullanılır. Newton un ikinci hareket kanunu kullanılarak eklemdeki döndürme momenti hesaplanır: T=I.a burada; T, döndürme momenti (N.m); I, kütlesel atalet momenti (N.m.s 2 ) ve a, açısal ivmedir (rad/s 2 ). Döndürme momenti yalnızca kütlesel atalet momenti ile açısal ivmenin çarpımı değil aynı zamanda vücut parçasını ivmelendiren ana kas kuvveti ile bu kuvvetin eklem hareket merkezine dik mesafesinin (kuvvet kolu) çarpımıdır: T=F.d burada; F, kuvvet (N) ve d, dikey mesafedir (m). T bilindiğinden ve röntgen filmlerinden d belirlenebileceğinden dolayı denklem kullanılarak F kuvveti hesaplanır. F hesaplandığında problemin kalanı statik bir problem gibi serbest cisim tekniğiyle çözülebilir. ÖRNEK 6-3: Bir futbol topuna vuruş anı için eklem tepki kuvvetinin hesaplanmasına yönelik bir dinamik analiz problemi tasarlanmıştır. Diz ve alt bacağın hareketli bir filmi çekilmiştir ve açısal ivmenin, ayağın topa vurduğu anda maksimum olduğu görülmüştür. Bu filmden maksimum açısal ivme 453 rad/s 2 olarak hesaplanmıştır. Antropometrik veri tablosundan alt bacağın kütlesel atalet momenti 0,35 Nm.s 2 olarak belirlenir. Buna göre tibyo-femoral eklemdeki döndürme momenti: T=0,35x453=158,5 N.m Döndürme momenti 158,5 Nm olarak hesaplandıktan sonra diz kapağı tendonundan, dizin anlık dönme merkezine olan dikey mesafesi 0,05 m olarak bulunur ve eklem üzerine, dizkapağı tendonu tarafından uygulanan kuvvet: 158,5 = Fx0,05 ise F = 3170 N Böylece tekmeleme hareketi sırasında kuadrisesps kaslarının ürettiği maksimum kuvvet 3170 N olarak hesaplanır. Bu da ortalama insanın vücut ağırlığının yaklaşık dört katıdır. Bundan sonra tibyofemoral eklemdeki tepki kuvvetinin minimum büyüklüğünü hesaplamak için statik analiz kullanılabilir. Bu eklemdeki ana kuvvetler; dizkapağı tendon kuvveti (P), alt bacağın ağırlık kuvveti (W) ve eklem tepki kuvveti (J) dir. P ve W bilinen vektörlerdir ve J nin büyüklüğü, yönü ve uygulama doğrultusu bilinmemektedir. Daha önce gösterildiği gibi serbest cisim tekniği ile J kuvveti hesaplanır. 81

13 6.3.3 Dizdeki kuvvetler Diz eklemindeki kuvvetleri ölçmek için yapılan bir çalışmada çapraz bağlar çıkarılarak basma kuvvetinin, kaval kemiğinin orta ve yan kondilleri tarafından karşılanması sağlanmıştır. Burada orta ve yan kondillere eşit olmayan yükler geldiğinden bir varus-valgus momenti oluşmuştur. Kuvvet ve momentleri ölçmek için koordinat sistemi, kaval kemiği eklem yüzeyinin tam ortasından geçirilmiştir. Üç eksendeki bileşenleri; dikey, öne-arkaya (AP) ve ortaya-yana (ML) olan kuvvetler, yürüyüş çevriminin topuk vurma ve ayakucunun kalkması aşamalarında maksimum değere ulaşmıştır. Yürüyüş sırasında maksimum basma kuvveti, vücut ağırlığının (BW) 2,65 katı ölçülmüştür. Frontal (önden) görünüşte kayma kuvvetleri orta-yan doğrultuda meydana gelmekle birlikte küçüktür. Bununla birlikte öne-arkaya doğrultuda önemli kayma kuvvetleri meydana gelir ve yürüyüş çevriminin başlangıç ve bitiş safhalarında vücut ağırlığının 0,3-0,4 katı değere ulaşmaktadır. Merdiven çıkmada frontal düzlemde meydana gelen bileşke kuvvetin esas olarak dikey doğrultudaki bileşeni etkindir bununla birlikte orta-yan ve ön-arka doğrultularda da küçük kuvvet bileşenleri mevcuttur. Kuvvetin maksimum değeri, vücut ağırlığının 3,55 katıdır ve bu değer yürüyüş çevrimine göre %35-%40 daha fazladır. Ön-arka doğrultudaki maksimum kayma kuvveti, vücut ağırlığının 0,2-0,3 katıdır. Merdiven inmede de kuvvet bileşeni esas olarak dikey doğrultudadır ve vücut ağırlığının 3,65 katıdır. Ön-arka doğrultudaki kayma kuvveti de merdiven çıkmayla benzer değerlerdedir. Frontal düzlemde bileşke kuvvetin eklemin yan ve orta kısmına dağıtılmasıyla frontal düzlem momentleri (varus-valgus) meydana gelir. Yan ve orta kısımlar arasındaki mesafe 48 mm ve vücut ağırlığı 750 N için FL ve FM kuvvetleri hesaplanır (Şekil 6-10). Burada bileşke kuvvet FR=FL+FM ve moment ise (FM-FL)x24 olarak hesaplanır. Sonuçta orta ve yan kısma gelen kuvvetlerin oranı 2,7 olarak elde edilir. Başka bir deyişle orta kısma gelen kuvvet, yan kısma gelen kuvvetten çok daha fazladır. ŞEKİL 6-10 Diz ekleminin yan ve orta kısmına gelen kuvvetler ve varus-valgus momenti Normal dizde menüsküsün altındaki eklem kıkırdağı sağlamdır ve eklem yüzeyini korur. Ancak menüsküsle örtülmeyen kıkırdak yumuşak ve liflidir. Eğer menüsküs çıkarılırsa, gerilmeler daha küçük bir alana yayılacaktır ve temas alanı küçülecektir. Böyle bir durumda eklem kıkırdağı ve kıkırak altı kemik dokusunda gerilmeler artar ve temas bölgesi küçülerek yer değiştirir. Uzun vadede ise bu küçük temas alanındaki büyük gerilmeler, zaten yumuşak ve lifli haldeki kıkırdağa zarar verir. Böylece eklemde zamanla osteoartrit oluşma riski artar. 82

14 6.3.4 Diz ekleminin kararlılığı Diz eklemindeki en önemli konulardan birisi, tüm düzlemlerde etki eden kuvvet ve momentler karşısında kararlı halde kalmasıdır. Kemik, menüsküs, bağlar ve kapsül, statik kararlılığı sağlar. Diz eklemi etrafındaki kaslar ise dinamik kararlılığı sağlar. Çapraz bağlar; ön-arka doğrultudaki kararlılığı sağladığı gibi içe-dışa dönmeyi de sınırlandırır. Yan bağlar; esas olarak varus-valgus kararlığını verir ve orta yan çapraz bağ (MCL) ise dönmede biraz yük taşımaktadır. Herhangi bir yönde aşırı bir yer değiştirme veya dönme meydana gelirse, menüsküs de kararlılığa katkıda bulunur. Bu yapılardan herhangi biri yararlanırsa, diz ekleminin kararlılığı bozulur. Eklem bağlarının statik kararlılık üzerindeki etkisini araştırmak amacıyla birçok çalışma gerçekleştirilmiştir ve her bir hareket için bir bağın diğerlerine göre eklem kararlılığında daha etkin olduğu görülmüştür. Öne doğru ilerleme hareketinde ACL esas kısıtlayıcı bağdır ve tam uzamada oluşan öne doğru kuvvetin %75 ini bu bağ karşılarken, 90 bükülmede bu değer %85 lere kadar çıkar. Arka çapraz bağ ise, arkaya doğru ilerleme hareketinde esas kısıtlayıcıdır ve 30 ile 90 bükülmede arkaya doğru oluşan kuvvetin %85-%100 ünü karşılamaktadır. Dış yan bağlar varus dönmesinde etkindir ve tam uzamada uygulanan yükün %55 ini karşılar. İç yan bağ başlıca valgus dönmesini kısıtlar ve valgus yükünün %50 sini karşılar. Kapsül, arka çapraz bağ ve ön çapraz bağ; kalan valgus yükünü paylaşır. Dizin bükülmesinde görülen içe dönme hareketinde iç yan bağlar ve ACL kısıtlayıcıdır Diz kapağının görevi Diz kapağının önemli bir biyomekanik fonksiyona sahiptir çünkü dizin dönme merkezine göre kuadrisesps kas kuvvetinin kuvvet kolunu uzatarak bu kasların mekaniğini ve etkinliğini arttırır. Şekil 6-11; dizin 90 bükülmesinde diz kapağına etki eden üç kuvveti göstermektedir. Hangi kemiğin aktif olarak döndüğüne bağlı olarak kuvvet kolları uyluk veya kaval kemiğine göre belirlenebilir. Kuvvet kolları; kuvvetlerin etki ettiği doğrultuların dönme merkezine dik olan mesafesidir. Şekil 6-11 den de görüldüğü gibi bu mesafeler, diz kapağı sayesinde artar. Burada genellikle kuarisesps ve bağ kuvvetlerinin (FQ ve FL) eşit olduğu kabul edilir. Ancak deneyler ve analizler; patello-femoral temas geometrisinden dolayı bunun tam olarak doğru olmadığını göstermiştir. ŞEKİL 6-11 Diz ekleminin 90 bükülmede sagital kesiti: diz kapağının, kuvvet dağılımına etkisi. 83

15 Patello-femoral eklemde dizin bükülmesiyle kuadrisesps kas kuvveti artar. Ayakta durma sırasında eklem merkezinde meydana gelen küçük momentleri dengelemek için minimum kuadriseps kas kuvveti gerekir çünkü dizin üzerinde olan ağırlık merkezi neredeyse dizin dönme merkezinin hizasındadır. Dizin bükülme derecesinin artmasıyla dış kuvvetler dönme merkezinden uzaklaşır böylece artan eğilme momentlerini dengeleyen kuadriseps kas kuvvetleri de artar. Kuadrispes kas kuvvetlerinin artmasına bağlı olarak patello-femoral eklem tepki kuvveti de artar. Şekil 6-11 de uyluk üzerinde diz kapağı tepki kuvvet; tek bir bileşke kuvvet olarak gösterilmiştir. Gerçekte bu kuvvetin orta ve yan kısımlara gayrı ayrı gelen bileşenleri mevcuttur. Bunları hesaplayabilmek için öncelikle kuadriseps ve diz kapağı bağ kuvvetlerini hesaba katmak gerekir (Şekil 6-12). Bu kuvvetlerin frontal düzlemdeki bileşenleri sırasıyla QS ve TS dir. Böylece QS + TS = (RL-RM).cosG olur ve burada G açısı; transverse (XZ) düzleminde diz kapağı boşluğu ile yan ve orta kısmın yüzeyleriyle olan açısıdır. G açısı çoğu dizde yaklaşık 25 dir. Şekil 6-12 den görüldüğü gibi Q-açısının sıfır olması ile QS ve TS sıfır olurken RL=RM olur. QS ve TS kuvvetleri sıfırdan büyükse RL kuvveti, RM kuvvetinden büyük olur yani yan (dış) taraftaki kuvvet, orta (iç) taraftaki kuvvetten büyük olur. Genel olarak bükülme açısı arttıkça tüm kuvvetler artar ve Q-açısı arttıkça RL/RM oranı artar. ŞEKİL 6-12 Diz kapağına etki eden kuvvetler. 84