facebook twitter

مشاوره ورزشی


  • پاسخ به سئوالات کاربران
  • ارائه برنامه تمرین و تغذیه
  • مشاوره تیمهای ورزشی
  • محاسبه آنلاین وضعیت بدنی و آمادگی جسمانی

ویژگی های بیومکانیکی استخوان

bones fracture types
استخوان یک بافت مرکب است که از فیبرهای قوی کلاژنی و ماده کریستالی و شبکه مانند معدنی به نام هیدروکسی آپاتیت تشکیل شده است. استخوان دارای عروق خونی، بافت چربی و اعصاب نیز می باشد. مقدار مواد معدنی در استخوان ها مختلف و در قسمت های مختلفی که استخوان در آن واقع شده متفاوت است. تخلخل که به صورت متخلخل بودن یک استخوان بیان می شود، عبارت است از نسبت حجم بافت غیر معدنی به کل حجم آن استخوان. به طور کلی درجه تخلخل در استخوان های قشری بین 5 تا 30 درصد و در استخوان های اسفنجی بین 30 تا 90 درصد است. استخوان قشری یا کورتیکال سخت تر از استخوان اسفنجی است و مقدار جذب انرژی تا قبل از ایجاد شکستگی در استخوان اسفنجی بیشتر از کورتیکال می باشد.
نحوه آرایش بلورهای هیدروکسی آپاتیت که نزدیک به هم اما در واحدهای جدا قرار گرفته اند از گسترش ترک در استخوان جلوگیری می کند زیرا ترکی که از یک بلور عبور می کند با یک تداخل روبرو خواهد شد. بنابراین یک ترک T شکل که انرژی را پراکنده و از گسترش ترک جلوگیری می کند در استخوان بوجود خواهد آمد. این فرآیند را مکانیزم «کوک ـ گوردن» می نامند.
سختی و مقاومت ایستایی استخوان متناسب با درجه معدنی بودن آن افزایش می یابد. به طوری که مقاومت نهایی استخوان، زمانی که 70 درصد آن را فاز معدنی تشکیل می دهد، سه برابر بیشتر از زمانی است که 60 درصد آن شامل مواد معدنی باشد. استخوان در هنگام تغییر شکل پلاستیکی می تواند تا قبل از شکسته شدن 6 برابر مقدار انرژی را که در مرحله تغییر شکل الاستیک یا برگشت پذیر ذخیره کرده جذب نماید. هنگامیکه استخوان در اثر اعمال بار تحت کشش قرار گیرد در آن کرنش پلاستیکایجاد می شود. بنابراین افزایش طول پیدا می کند که این افزایش طول با کاهش بعد در سطح مقطع همراه خواهد بود. به عبارتی از ضخامت قطر استخوان کاسته می شود. این پدیده «اثر پویسون» (Poisson) نام دارد. ضریب پویسون در استخوان بین 28/0 تا 45/0 است.
استخوان در مقایسه با چدن سه برابر سبک تر بوده و ده بار انعطاف پذیرتر می باشد. با این حال میزان مقاومت کششی این دو جسم حدودا با یکدیگر برابر است. استخوان جسمی دو فازی است. یک فاز آن شامل ماتریکس یا بستر استخوانی است که بیشتر از جنس الیاف قابل کشش به نام کلاژن بوده و فاز دیگر آن شامل مواد معدنی استخوانی می باشد. فاز معدنی استخوان سخت ترین جزء آن محسوب می شود.
تنش بارگذاری بر استخوان
نیروها می توانند به صورت کششی، فشاری، برشی و یا بارگذاری مرکب ، مانند خمشی (Bending) یا چرخشی «Torsion» (پیچشی) بر استخوان اعمال گردند. مسلما رفتار استخوان در برابر هر یک از نیروهای فوق متفاوت خواهد بود:
  1. در کشش، دو نیروی مساوی و مختلف الجهت، استخوان را از دو انتها تحت کشش قرار می دهند. حداکثر کشش در سطحی عمود بر نیروهای کششی در داخل استخوان وارد می شود و قسمت کشیده شده کمی باریک می شود. چنانچه کشش تا حد شکستگی افزایش یابد واحد های استخوانی از هم گسیخته می شوند. از نظر بالینی این نوع از شکستگی ها به صورت کندگی (Avulsion) استخوان اتفاق می افتد، مانند کندگی تکمه قدامی تیبیا به واسطه انقباض عضله چهارسر رانی و یا کندگی قوزک داخلی در بعضی از انواع شکستگی ـ دررفتگی های مچ پا.
  2. اگر دو نیروی مساوی و مختلف الجهت به دو انتهای استخوان اعمال گردد باعث فشردگی آن می شود. در این حالت نیز حداکثر تنش در صفحه ای عمود بر بارگذاری، بوجود می آید. قسمت های تحت فشار کوتاه و پهن شده و شکستگی آن به صورت ترک مایل در واحد استخوانی اتفاق می افتد. شکستگی های فشاری یا کمپرسیونی از نظر بالینی عبارتند از: شکستگی های استخوان پاشنه و مهره های پشتی و کمری در اثر سقوط از ارتفاع، شکستگی انتهای استخوان رادیوس، شکستگی گردن استخوان بازو و ران.
  3. در تنش برشی (Shear Stress) نیروها موازی با سطح استخوان اعمال می گردد و حداکثر تنش در سطحی موازی با نیروهای اعمال شده بوجود می آید. این مسأله سبب پیچیدگی زوایه ای (Angular Distortion) در داخل استخوان خواهد شد. از نظر بالینی نیروهای برشی باعث شکستگی عمودی سطح مفصل تیبیا و یا شکستگی سطح مفصلی سر استخوان رادیوس در ناحیه آرنج می شود.
  4. خمش در اثر نیروهایی که باعث پیچش استخوان حول محور آناتومیکی شوند ایجاد می گردد. این امر سبب فشردگی استخوان در یک سطح و کشش یا کشیدگی آن در سطح مقابل می شود. ولی تنش در مناطق نزدیک به محور استخوان بوجود نخواهد آمد. هرچه از محور استخوان دورتر شویم مقدار تنش به همان نسبت افزایش می یابد، به طوری که حداکثر آن در سطح استخوان خواهد بود. از آنجاییکه استخوان شبیه یک استوانه توخالی نبوده بلکه سطح مقطع آن اکثرا مثلثی شکل است، مقادیر تنش های فشاری و کششی الزما یک اندازه نمی باشند. این شکستگی ها معمولا در اثر ضربه مستقیم به وسط استخوان های بلند اتفاق می افتد. مانند شکستگی های استخوان های تیبیا و زند زیرین.
  5. پیچش به معنای چرخیدن حول یک محور است. نیروهای پیچشی باعث ایجاد تنش برشی در سراسر استخوان شده که مقدار آن با دور شدن از محور چرخش افزایش می یابد. پیچش مانند تنش برشی موجب کشش و فشردگی استخوان در سطوحی مورب نسبت به محور چرخشی میشود. به همین دلیل بارگذاری پیچشی استخوان باعث شکستگی مایل و یا مارپیچی می گردد.
باید دانست شکستگی های استخوانی معمولا در اثر ترکیب چندین نیرو بوجود می آیند و لذا نمی توان به سادگی از شکل شکستگی به نوع تنش یا بارگذاری پی برد. بعلاوه مقدار تنشی که موجب شکستگی می شود بستگی به نحوه اعمال آن دارد. مثلا اگر یک تنش کششی در امتداد محور طولی استخوان ران اعمال گردد شیب منحنی تنش ـ کرنش آن بیانگر سختی ماده می باشد به مراتب بیشتر و نقطه تسلیم آن نیز بالاتر می باشد، یعنی استخوان در این وضعیت استحکام یا مقاومت بیشتری دارد. چناچه همین مقدار تنش با زاویه و یا به طور عرضی بر استخوان اثر نماید شیب منحنی تنش ـ کرنش آن کمتر (ماده سخت کمتری دارد) و حد تسلیم آن نیز در نقطه پایین تری اتفاق خواهد افتاد.