Adı ve Soyadı: SALİM CAN YILMAZ -- GÖRKEM KAÇOĞLU Öğrenci Numarası: 3003010091 -- 2903010036 BİYOMEKANİĞE GİRİŞ DERSİ ÖDEV 1 (13.03.2014) KAS-İSKELET BİYOMEKANİĞİ
CELAL BAYAR ÜNİVERSİTESİ 1. KASLAR Kas sistemi canlıya hareket yeteneği sağlayan sistemdir. Vücudumuzda üç çeşit kas bulunmaktadır: Çizgili kas (iskelet kası), Düz kas, Kalp kası. Şekil 1. İnsanlarda kasların genel görünümü [1]. 1.1. ÇİZGİLİ KASLAR İskelet kası, liflerden oluşmuş, hücre çekirdekleri hücre zarının hemen altında konumlanmış çok çekirdekli hücrelere sahiptir. Hücrelerinin içinde miyofibril adlı telcikler bulunur. Bu telcikler hücrenin içinde boydan boya uzanır. Her bir kas hücresinin içinde bulunan en küçük kasılma birimine sarkomer denir. Şekil 2. İnsanlarda çizgili kas görünümü [1].
1.2. DÜZ KAS Düz kaslar Otonom sinir sistemi tarafından kontrol edilir. İstemsiz yapılan hareketlerin gerçekleşmesini sağlar. Bağırsak, mide, atardamar, toplardamar gibi organların yapısında bulunur. Şekil 3. İnsan midesindeki düz kaslar [1]. 1.3. KALP KASI Kalp kası yapı bakımından çizigili kaslara benzese de kas liflerinin konumu itibari ile bazı farklılıklar gösterir. Ayrıca tıpkı düz kaslar gibi bizim kontrolümüz altında değildir [1]. Şekil 4. İnsan kabinin kas yapısı [1].
2. İSKELET SİSTEMİ İskelet sistemi kaslara tutunma yüzeyleri oluşturarak hareketi sağlar. İç organları korur. Tüm omurgalılarda iskelet sistemi farklı vücut dokuları ile sarılmış olan bir iç iskelettir. İç iskeleti kemik ve kıkırdak doku oluşturmaktadır. İç iskelet, kemik elemanlarının oluşma biçimine göre kondral iskelet ve dermal iskelet olarak ayrılır. Kondral iskelet kıkırdak dokunun değişikliğe uğramasıyla oluşurken dermal iskelet derinin dermisinden köken alır. Üye kemiklerimiz kondral kemik, pek çok kafatası kemiğimiz dermal kemiktir [1]. Şekil 5. İnsanda iskelet sisteminin görünümü [1]. 3. BİYOMEKANİK Mekaniğin, özellikle insan vücudundaki biyolojik malzemelere ve sistemle uygulanması. Mühendislik mekaniğini biyoloji, tıp ve fizyoloji alanlarıyla buluşturan bilim dalıdır. Biyomekanik: hastalık, yıpranma/yaşlanma, kaza ve zorlanma sonucunda, özellikle insan makinesinde oluşan işlevsel bozuklukları tanımlamak amacıyla, fizyolojik işlevleri izlemek ve bunlarla ilgili veri toplamak için kullanılmaktadır.
3.1. BİYOMEKANİĞİN KISA TARİHÇESİ Aristo (M.Ö. 384-322) Hayvan lokomosyonu Leonardo Da Vinci (1452-1519) Yürüme, zıplama, ayakta durma, oturma vb. aktivitelerin biyomekaniği. Galileo (1564-1643) Fizyolojik işlevlerin matematiksel analizi. William Harvey (1578-1657) Biyolojik akışkanların (sıvıların) mekaniği. Alfonso Borelli (1608-1679) Biyolojik katı cisimlerin mekaniği, kas gerilmesi. Weber & Weber (1830) Kadavralarda insan yürüyüşünün zamanlaması. Marey (1873) In-vivo yürüyüş analizi (In-vivo-ölü bir organizmadan veya organizma parçasından ayrıca, canlı bir organizmanın veya organizmanın bütününün varlığını belirtmek için kullanılan bir söz.) 3.2. BİYOMEKANİĞİN UYGULANMA BİÇİMİ İlerleyen yıllarda daha da önem kazanacak olan bir yöntem da geometrik verilerin tıbbi görüntülerden elde edilerek anatomik olarak gerçeğe uygun sonlu elemanlar modellerinin elde edilmesidir. Bu yöntem tıbbi görüntülerin elde edilmesinden analiz safhasına kadar birçok asama içermektedir [2]. Şekil 6. Sonlu elemanlar yönteminin ilerlemesi [2] (*).
Şekil 7. a)bt görüntülerinin segmentasyonu b) Yüzey modelin elde edilmesi c)yüzey modelden elde edilen katı model d)hacim mesh yapısısın elde edilmesi [2]. Şekil 8. Biyomekanik modellemenin gösterimi [3].
Şekil 9. Yürüyüş analiz sisteminin görünümü ve oluşturulması [3]. 3.3. BİYOMEKANİK MODELLEME AŞAMALARI Şekil 10. Yürüyüş için tanımlanan adım fazları [1].
Gönüllü bir deneğe ait BT (Bilgisayarlı Tomografi) görüntüleri çekilmiştir. Sırt ustu yatar pozisyonda deneğin ayağının 64 adet kesit görüntüsü çekilmiştir. Her bir görüntü arasındaki mesafe 2 mm olmakla beraber görüntüler ayak bileğini de kapsamaktadır. Şekil 11. Ayak için BT görüntüleri [2]. Modellerin tümü tek bir STEP dosyasında kaydedilerek işlemler son bulmuştur. Bu modellemede Keycreator CAD yazılımından faydalanılmıştır. Şekil 12. Kemik ve kıkırdak modelleri [2].
Bu modellemeler en son gerçeğe yaklaştırmak amacıyla E (Elastisite modulü) ve ν (Poisson oranı) yazılıma tanıtılmıştır. Şekil 13. Modellemede gerekli parametreler [2]. Yapılan çalışmada ayakta dengede duran bir kişinin tek bir ayağa uygulayacağı yük vücut ağırlığının yarısı olacağından deneğin 52 kg lık vücut ağırlığının yarısı ayak bileğinden uygulanmıştır. Yaklaşık olarak 260 N luk toplam yük bilekte bulunan tüm düğüm noktalarına eşit olarak paylaştırılmıştır. Kısıt olarak ayak tabanındaki düğüm noktaları bütün serbestlik derecelerinden tutturulmuştur. Şekil 14. Basınç platformundan elde edilen gerilme değerleri profili [2].
Yukarıdaki gerilme değerleri elde edilmesi için Rsscan firmasının Gait Scientific Footscan Sistemi kullanılmıştır. Platformunda 4096 sensör bulunmaktadır. Bu sayede ayaktaki gerilmeler tespit edilir. Şekil 15. Kemik dokuda meydana gelen eşdeğer gerilme dağılımı [2]. Şekil 16. Yumuşak dokuda meydana gelen eşdeğer gerilme dağılımı [2].
Şekil 17. 2 kemik arası faz farkları [1]. Şekil 18. Hareket halindeki dizin açı farkına bağlı gerilme oluşumu Şekil 18 da insan dizindeki bükülme açıları ile kemikleri bağlayan kasların gerilmeye oluşumu gösterilmiştir.
4.PATELLOFEMORAL BİYOMEKANİK Patellofemoral eklem, dizin ekstansiyon mekanizmasında kuadriseps kasının kuvvet kolunu büyüterek ve kas kuvvetinin yönünü değiştirerek dizin stabilitesinde rol oynayan parçalardan biridir. Patellofemoral eklem reaksiyon kuvveti (PFERK) ne dizin fleksiyon acısı etki eder. Patella trokleaya 20 derece fleksiyondan itibaren temasa başlar ve temas yüzeyindeki eklem reaksiyon kuvvetini kuadriseps tendonu ve patellar tendondaki kuvvetlerin bileşkesi oluşturur. Vücut ağırlığı nedeniyle daha çok artan gerilme kuvvetlerinin oluşturduğu PFERK nin oluşturacağı basınç, temas alanındaki artışla giderilmiş olur (**). Şekil 19. Patellaya etki eden kuvvetler [4]. Patellaya etki eden bir çok kuvvet vardır. Bunlar aktif ve pasif kuvvetlerdir (acık renkli oklar); retinakulum, patellofemoral bağlar ve patellar bağ. Aktif kuvvetlerin yönü ve kuvvet kolu değiştirilerek tibiaya patella sayesinde tork aktarılır.
Şekil 20. Dizin rotasyon merkezinin fleksiyon ve ekstansiyonu ile değişmesi [4]. Dizin rotasyon merkezi dizin hareketi ile değişir. Sonuç olarak kuadriseps kasının döndürme etkisi her açıda farklı olacaktır. Rotasyon merkezinin patellar tendona dik uzaklığı çömelme sırasında değişir. Yarı çömelmede (yaklaşık 40 derece) moment kolu en uzun değerine ulaşmaktadır [4]. Şekil 21. a açısının görünümü ve Patellofemoral eklem reaksiyon kuvveti dizin fleksiyonu ve yapılan harekete göre değişiklik grafiği [4].
Şekil 22. Yürüyüşte kuvvet dağılımı ve bükük diz yürüyüşü [5]. 5.KAS VE İSKELET SİSTEMİ HASTALIKLARI İşle ilgili kas ve iskelet sistemi hastalıkları; kas, eklem, tendon, bağ, sinir ve kemik gibi vücut yapılarında ve lokalize olmuş kan dolasım sisteminde görülen, yapılan is ve isin yapıldığı ortamın etkisiyle gelişen ya da alevlenen bozukluklardır. İşle ilgili kas ve iskelet sistemi hastalıklarının birçoğu kumulatif rahatsızlıklardır ve uzun bir zaman boyunca yüksek ya da düşük yoğunluktaki yüklere tekrar tekrar maruz kalmanın sonucunda ortaya çıkmaktadırlar. Ancak, kas ve iskelet sistemi hastalıkları akut travmalar da olabilir, bir kaza sonucunda oluşan kırıklar gibi [1]. 6.HASTALIKLARIYLA NASIL MÜCADELE ETMEK GEREKİR? Kas ve iskelet sistemi hastalıklarıyla mücadele edebilmek için entegre bir yönetim yaklaşımı gereklidir. Bu yaklaşım sadece yeni hastalıkların önlenmesini değil aynı zamanda hali hazırda kas ve iskelet sistemi hastalıklarından şikayeti olan çalışanların
işyerinde tutulması, rehabilitasyonu ve yeniden is hayatına kazandırılmalarını da içermelidir. Önleyici tedbirler, kas ve iskelet sistemi hastalıklarının gelişiminde rol oynayabilecek tüm faktörleri göz önünde bulundurmalı ve vücut üzerindeki toplam yükü değerlendirmelidir [1]. 7.RAŞİTİZM Çoğunlukla D vitamini eksikliğine bağlı olan, genellikle 6 aylık-18 aylık çocuklarda görülen kemik hastalığıdır.. Kemik oluşumunun tam olmaması nedeniyle tedavisi geciktirilmiş, ihmal edilmiş vakalarda uzun kemiklerde şekil bozukluğu meydana getirir. Doğan çocukların yaklaşık %90'ının 4 yaşına gelmeden ölmelerine yol açan raşitizm, omurga, kol ve bacak kemiklerinde biçim bozukluklarına yol açar. Başlıca nedeni güneş yetersizliğine bağlı D vitamini eksikliğidir. Çok ender rastlanan bir nedeni de, bazı böbrek borucukları hastalıklarıdır [1].
8. KAYNAKLAR [1]. www.vikipedia.com [2]. İnsan ayağı biyomekaniğinin incelenmesi B. GÜLÇİMEN BURSA 2008 [3]. Biyomekanik anatomide uygulamaları T. TÜMER, E. TÖNÜK ODTÜ Makine Müh. ANKARA 2004 [4]. Patellofemoral Biyomekanik B. HABERAL, Ç. AVCI Başkent Üni. Tıp fakültesi Ortopedi ve Tramatoloji Anabilim Dalı ANKARA TOTBİD Dergisi 2012;11(4):274-280 doi: 10.5606/totbid.dergisi.2012.37 [5]. SP de kalpa biyomekaniği Dr. Ü. DİNÇER GATA Haydarpaşa Eğt. Hst. (*) Sonlu Elemanlar Metodu, kısmi diferansiyel denklemlerle ifade edilen veya fonksiyonel minimizasyönü olarak formüle edilebilen problemleri çözmek için kullanılan bir sayısal yöntemdir. Validasyon, kullanılan yöntemin doğru ve kesin olarak sürekli bir şekilde bekleneni gerçekleştirdiğinin kanıtlanması için yapılması gereken işlemleri kapsar. (**) Kuadriseps kası, ön veya uyluk ön yerleştirilmiş, kuadriseps dört kas oluşur. Fleksiyon, Bükme hareketi; örneğin, kolun dirsekten bükülmesi.