A BOKAÍZÜLET BIOMECHANIKÁJA I. A bokaízület felépítése A bokaízület elsősorban a sípcsont és az ugrócsont (talocrural), valamint az ugrócsont és szárkapocscsont ízesülését jelenti (ábra). A boka porcos csapízület, amely mozgás szabadságfoka egy. Tágabb értelemben a boka ízülethez tartozik a sípcsont és s szárkapocs proximalis és distalis ízesülése is.
sípcsont szárkapocs
ugrócsont
1. A bokaízület ízületi felszínei Sípcsont - ugrócsont (felső és oldalsó) Szárkapocs - ugrócsont Szárkapocs - sípcsont 2. Sípcsont - ugrócsont - szárkapocs ízesülés A sípcsont-ugrócsonti ízesülés csap ízület, ezért csak egy a mozgás szabadságfoka vagyis csak a boka ízület kereszttengelye körül lehetséges elfordulás. A mozgás elsősorban az oldalsíkban játszódik le. Az ugrócsont sípcsonti- ugrócsonti ízületi felszínének alakja és helyzete miatt azonban a forgás mind a három síkban történik. A sípcsonti - ugrócsonti ízesülésben hajlítás (dorsal flexio) és feszítés (plantar flexio) lehetséges. Az ugrócsont fején három ízesülési felszín található a külső, a belső és a felső. Az utóbbi a talocrularis ízület. A felső ízületi felszín két oldala magasabban helyezkedik el, mint a középső, amely így vájatot képez, amelybe a sípcsont distalis 1
végén található ízületi felszín beleillik. Ez az ízületi kiképzés is azt szolgálja, hogy oldalirányú mozgás ne jöhessen létre az ízületben. A ízületi felszínt felülről tekintve az elülső része szélesebb, mint a hátsó. Az elülső és a hátulsó rész szélessége közötti különbség változó. Előfordulhat, hogy nincs különbség a közöttük, de hátsó lehet akár 25 %-kal rövidebb is (ábra). Átlagosan a különbség 5- 8 mm. Az ízületi felszín külső fele íveltebb, mint a belső. Ezért a sípcsont mozgása az ugrócsonton nem egyenes mentén történik, hanem íves pályán, amely azt eredményezi, hogy a hajlítás és feszítés során a mozgás frontális síkban is folyik. Másrészről a felszín ilyen formája miatt a sípcsont mind a három síkban végez elmozdulást.
Ha felülnézetből tekintünk az ugrócsont testének felső ízületi felszínére, akkor jól látható, hogy az ízületi tengely nem merőleges a lábfej hosszúsági tengelyére, amely azt eredményezi, hogy a boka forgási síkja - semleges állásban - az oldal és frontális sík (ábra). 384. old 12-4
2
A forgási sík állandóan változik az ízületi szög függvényében. Teljes dorsal flexióban a forgás csak oldalsíkban megy végbe. Elölnézetből tekintve az ízületre észrevehető, hogy a forgástengely nem merőleges az oldalsíkra, kifelé lejt. Vagyis a forgás síkja nem csak horizontális. Ennek következtében rögzített láb esetén a sípcsont dőlésszöge a vízszintes síkhoz viszonyítva kisebb, mint 90 fok és az ízületi szögtől függően változik (ábra). 382. old. 12-2
Ha oldalról tekintünk az ugrócsontra, akkor azt láthatjuk, hogy a külső ízületi felszín (ugrócsont - szárkapocs) kiterjedtebb, mint a belső (ugrócsont - sípcsont) felszín (ábra). Az ugrócsont fejének két oldalsó ízületi felszínéhez kapcsolódó sípcsonti bütyök (belső boka) és a szárkapocs (külső boka) villaszerűen fogja közre az ízületi fejet és biztosítja a boka oldalirányú stabilitását. 382 old. 12-2 b, 384. Old.12-4 b
3
3. Szárkapocs - sípcsonti ízület A szárkapocs - sípcsonti ízület a bokaízülettől anatómiailag elkülönülő ízület, funkcionálisan azonban csak nem kizárólagosan a boka a boka mozgását szolgálja ki. Bár - a singcsont és orsócsonti ízesüléssel ellentétben - nem növeli az ízület mozgási szabadságfokát. 4. Proximalis ízület Lapos, porcos ízület, amelyben az ízületi fej a szárkapocs distalis végén található, amely a sípcsont hátulsó-oldalsó bütykének árkába illik. Az ízületi felszín dőlésszöge egyénektől függően változik a függőleges és a vízszintes között. A mozgás az ízületben változó, de mindenképpen kis kiterjedésű. Bizonyos esetekben felfelé és lefelé csúszás, valamint rotáció figyelhető meg, amely mozgások minden esetben a bokaízület mozgásával van összefüggésben. 5. Distalis ízület Fibrózus egység a domború felszínű sípcsonti és a homorú felszínű szárkapocsi felület között. Valójában a két ízületi felszín nem kerül közvetlen kapcsolatba egymással, mert rostos zsírszövet helyezkedik el a két felszín között. Ennek az ízületnek nincs tokja, de szalagok erősítik össze a két ízületi felszínt. A szárkapocs és a sípcsont között végig hártya feszül. Ez a felépítés teszi lehetővé, hogy s bokavilla külső ágaként biztosítsa a boka stabilitását, azaz megakadályozza az oldalirányi csúszást, valamint a közelítést a bokaízületben. A súlyterhelés viszonylag kicsi a szárkapcson és szárkapocs - sípcsonti ízületekben. A testtömeg nehézségi erejének mintegy tíz százaléka terheli csak azokat. Az ízületi felszíneken elsősorban nyíró erők működnek.
II. A bokaízület kinematikája
4
1. Mozgáshatárok A bokaízület semleges helyzetét egyenes állásban határozzuk meg. Ebben az esetben
a sípcsont merőleges a talajra vagy másképpen meghatározva, a talp
síkjára. Ebben a helyzetben a boka szöge nulla. Ehhez viszonyítjuk az ízületben létrejövő elmozdulások kiterjedését. Következésképpen a hajlítás és feszítés során mérhető maximális szögértékek nagysága egyenlő lesz a mozgáshatárokkal. A bokaszög meghatározására más megközelítés is alkalmazható. Oldalsíkban, ha a belső
bokát,
amely megközelítően
az
középpontjával azonos magasságban van,
ugrócsont
testének
felső
ízületi
összekötjük az első lábközépcsont
distalis ízületi felszínének középpontjával, akkor a 90 foknál nagyobb szögértéket kapunk. Ez a szög egyénektől függően változik. Átlagosan 115 - 120 fok. 2. Mozgásterjedelem A bokaízületben, minthogy a mozgás szabadságfoka egy, szögelfordulás csak az ízület szélességi tengelye körül jöhet létre, vagyis Hajlítás (dorsal flexio): 20-30 fok Feszítés (plantar flexio): 30-50 fok A mozgásterjedelem plantarflexióban nagyobb egyéni variabilitást mutat, mint dorsalflexioban (ábra). A mozgásterjedelem nagyságát és a mozgáshatárok szögértékét az ízesülő csontok, de mindenek előtt az ugrócsont alakja határozza meg. Amennyiben az ugrócsont testén található felső ízületi felszíne magas és hátsó ízületi felszínének sugara kicsi, akkor a plantar flexio mozgásterjedelme növekszik. A mozgáskiterjedés nagyságát a bokaízületet összetartó ízületi szalagok merevsége vagy nyúlékonysága is jelentősen befolyásolja.
5
semleges
dorsalflexio
90 fok
20 -30 fok
plantarflexio
30 -50 fok
Amennyiben a bokaízületi szöget nem a sípcsont hosszúsági tengelye és a talp síkja viszonylatában határozzuk meg, hanem a sípcsont hosszúsági tengelye és belső bokát az első középcsont distalis ízületét összekötő egyenes viszonyában, akkor dorsiflexioról beszélünk, ha a bokaszög csökkenő értéket mutat. Plantarflexio történik, ha a bokaszög növekszik.
A hajlítás és a feszítés során a pillanatnyi forgási középpont helye minden esetben az ugrócsonton belül helyezkedik el, de annak helye állandóan változik (ábra). Átlagos felépítésű boka esetében az érintkezési pont elmozdulásának iránya disztrakciót mutat kezdetben ( 1 és 2 forgási középpontok között), majd az
6
elmozdulás az ízületi felszínek egymáson történő elcsúszásával folytatódik (3 és 4 forgási középpontok között). 156. old 8-5
Bár kétségtelen a bokaízület egy tengelyű ízület, mégis több kutató azt találta in vivo és in vitro kísérletei során, hogy az ízületben létrejöhet rotáció is az ugrócsont horony részében. A forgás terjedelme 7 fokos medialisan és 10 fokos laterálisan. 3. A bokaízület kinematikája Statika A test nehézségi erejének vonala állásban a két belső boka között és kissé a szélességi forgástengely előtt halad el. Ezért dorsalflexios forgatónyomatékot hoz létre, amely értéke 3 -24 Nm. Ennek következtében állásban a plantar flexorok aktív állapotban vannak, az általuk létrehozott forgatónyomaték tart egyensúlyt a nehézségi erő forgatónyomatékával. Az egyes bokaízületi felszínekre fél-fél testsúlynyi nyomóerő hárul. Mivel az egyensúly megtartása mindig igényel izomerő-kifejtést, így az ízületre ható erők, mindig nagyobbak 1/2 testsúlynál . A sípcsont - ugrócsonti ízületre ható erőt az alábbiak szerint számítjuk ki. Az ízületre alapvetően két erő hat, amely létrehozza az ízületi felszíneken a nyomóerőt: a test nehézségi ereje (G), amelynek irányát ismerjük (függőleges) és nagyságát megmérhetjük erőplató (mérleg) segítségével;
7
a plantar flexorok húzóereje (Fpf), amelynek irányát meghatározhatjuk ( az eredési és
tapadási hely pontját összekötő egyenes iránya) és nagyságát
kiszámolhatjuk az alábbi módon: G kG = Fpf
kpf kpf -1
Fpf = G kG
ahol a kG a nehézségi erő, kpf a plantar flexorok erőkarja. Mint ahogy látható, a test nehézségi erejének forgatónyomatéka egyenlő a plantar flexorok forgatónyomatékával. Ezek ismeretében kiszámítható a plantar flexorok húzóerejének nagysága. Ha a G és a Fpf hatásvonalát meghosszabbítjuk, akkor az egyenesek metszeni fogják egymást. Metszéspontból egyenest húzunk az ízületi forgásközéppontba. Ezzel megkapjuk a nyomóerő irányát. Ezután grafikus módszerrel meghatározzuk az egyenesek egymáshoz viszonyított szögállást, majd így kiszámíthatóvá válik a nyomóerő nagysága (ábra).
Fpf Fi
Fm= 1.2 FGr Fi= 2.1 FGr
kG
kpf
FGr
FG Ha a plantar flexorok erőkifejtése 1.2-szeres testsúly, akkor az ízületi felszínre ható erő 2.1-szeres testsúly. A testre ható erőknek 10 - 15 százaléka a szárkapcson keresztül tevődik át a bokaízületre. A szárkapocsra ható nyomóerőkkel szemben a sípcsont - szárkapocs komplexum két ízületét összetartó szalagok fejtenek ki erőt és ezen keresztül tevődik át az erő a bokaízületre. Az erők ismeretében megérthető, hogy bokaszalag sérülés esetén, különösen, ha az a külső bokaszalagokat érinti,
8
miért okoz akkora fájdalmat még az állás is. Mozgás közben az erőhatások megnövekednek és a fájdalmak hatványozódhatnak. Dinamika A dinamikus erőhatások kiszámítás jelentősége abban rejlik, hogy összehasonlítást nyerjen a keletkező erők nagysága és a bokaízület teherbíró képessége normál ízületi viszonyok, de nagy terhelés mellett, sérült vagy protézis beültetéses boka és normál helyváltoztató mozgás (járás) alatt. Erőplató, filmfelvétel, Röntgenfelvételek (vagy MRI, CT) alkalmazásával és szabadtest diagramos számításokkal határozhatók meg az erők a bokaízületre. Normál járás során a nyomóerő az ízületi felszínen 5-szörös testsúly, amely legnagyobb részt a plantar flexorok erőkifejtéséből származik mégpedig abban a fázisban, amikor megkezdődik
a lábujjhegyre emelkedés vagyis az ellökődést
eredményező plantar flexio. A nyíróerők az ízületi felszínen sokkal kisebbek és a legkifejezettebb, amikor a nyomóerő is eléri a maximumot. Normál sebességű járás esetén a nyíróerő maximuma 0.8-szoros testsúly. A járás talajfázisának elején létrejövő dorsal flexio következtében fellépő nyomóerő, amelyet az anterior tibialis izom hoz létre elsősorban jóval kisebb terhelést ró a bokaízületre (0.2 -szeres testsúly). A számítások szerint az erőeloszlási felszín a bokaízületben 11-13 cm2. Ez azt jelenti, hogy egy 80 kg súlyú ember esetében 4000 N reakcióerő hat az egész ízületi felszínre, amely 1 cm2 számítva 300 - 400 N nyomóerőt jelent, amely jelentősen kisebb, mint a térdízület 1 cm2 -rére eső nyomóerő. Az ízületi felszíneken a nyomás azonban nem egyenletesen oszlik meg. Nem megfelelő cipőt hordva, vagy a kinematikai lánc valamelyik láncszemében bekövetkező változás (pl. sérülés) megváltoztatja a mozgás (pl. járás) normál kivitelezését, amely lecsökkentheti a terhelést megosztó ízületi felszín nagyságát illetve helyét. Ennek következtében megnövekszik az 1 cm2-re eső terhelés, amely degeneratív változásokat indíthat meg a túlterhelt ízületi felszínen. Az ilyen változások különösen veszélyesek a bokára, mert a test teljes tömegének nehézségi ereje hat a bokára.
9
