kas-iskelet biyomekaniği - Celal Bayar Üniversitesi

CELAL BAYAR ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2013-2014 BAHAR DÖNEMİ
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
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2013-2014 BAHAR DÖNEMİ
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].
CELAL BAYAR ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2013-2014 BAHAR DÖNEMİ
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].
CELAL BAYAR ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2013-2014 BAHAR DÖNEMİ
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.
CELAL BAYAR ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2013-2014 BAHAR DÖNEMİ
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] (*).
CELAL BAYAR ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2013-2014 BAHAR DÖNEMİ
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].
CELAL BAYAR ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2013-2014 BAHAR DÖNEMİ
Şekil 9. Yürüyüş analiz sisteminin görünümü ve oluşturulması [3].
3.3. BİYOMEKANİK MODELLEME AŞAMALARI
Şekil 10. Yürüyüş için tanımlanan adım fazları [1].
CELAL BAYAR ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2013-2014 BAHAR DÖNEMİ
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].
CELAL BAYAR ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2013-2014 BAHAR DÖNEMİ
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].
CELAL BAYAR ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2013-2014 BAHAR DÖNEMİ
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].
CELAL BAYAR ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2013-2014 BAHAR DÖNEMİ
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.
CELAL BAYAR ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2013-2014 BAHAR DÖNEMİ
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.
CELAL BAYAR ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2013-2014 BAHAR DÖNEMİ
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].
CELAL BAYAR ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2013-2014 BAHAR DÖNEMİ
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
CELAL BAYAR ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2013-2014 BAHAR DÖNEMİ
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].
CELAL BAYAR ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2013-2014 BAHAR DÖNEMİ
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.
CELAL BAYAR ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
2013-2014 BAHAR DÖNEMİ