Biologický základ biomechaniky Funkční složky pohybového systému funkční složky pohybového systému Pasivní subsystémy §kosterní soustava (více než 200 kostí) §+ mezilehlé prvky (šlachy, vazy, chrupavky, klouby) § §Hlavní funkce pasivního systému: §slouží jako konstrukční prvky, §vytvářejí mechanickou podporu, §umožňují přenos mechanické energie, §akumulují mechanickou energii, §chrání vnitřní orgány před mechanickým poškozením. Mechanické vlastnosti kostí §Mechanická impedance (odolnost) tkání vůči mechanickému namáhání: pevnost, tvrdost, tuhost, pružnost §Kosti: nehomogenní, anizotropní, viskoelastický materiál Namáhání kostní tkáně skenovat0106 Stehenní kost: Tlak ve směru podélné osy – 187 MPa Tah ve směru podélné osy – 132 MPa Smyk – 58 MPa Pružnost §Youngův modul pružnosti (poměr napětí a jím vyvolané deformace, materiály s větším modulem pružnosti mají menší deformace, jak vyplývá z obrázku, kde při stejném napětí v tahu) §Mez pružnosti §Mez pevnosti graf_deformace2 § § Tkáň Mez pevnosti [MPa] Diafýza femuru – podélně Diafýza femuru - krut 170 – 209 (tlak) (7500 N) 132 – 133 (tah) 133 Tibie 195 – 204 (tlak) (5000 N) 157 (tah) Fibula 125 (tlak) Humerus 136 (tlak) (6000 N) Radius 117 (tlak) Ulna 126 (tlak) Šlachy §Fce – přenos síly ze svalu na kost a uložení elastické energie §Nelineární elastické struktury §Pružnost – protažení o 10% své původní délky §Pevnost - čtyřnásobně vyšší, než je maximální izometrický tah odpovídajícího svalu (mez pevnosti asi 100 MPa) §Tuhost – fce prodloužení (malé Δl – nízká tuhost, s rostoucí Δl roste tuhost, v lineární části tuhost konst.) § graf_deformace Vazy §Fce – stabilizace kloubů, usměrnění pohybu kloubů, vymezení jeho pohyblivosti §Elastinová vlákna (pružná – Δl až 150%, nízká pevnost – 3 MPa) §Kolagenní vlákna (nehomogenní, pružnost 4 - 10%, mez pevnosti 50 – 100 MPa) §Tuhost vazu se mění nelineárně v závislosti na velikosti síly §Typická závislost síla – protažení kosterního vazu s rovnoběžnými vlákny § §Po vyrovnání kolagenních vláken dochází ke zpevnění vazu (lineární část, oblast II). Poté dochází k přetržení jednotlivých vláken (oblast III), síla je přerozdělena na zbývající vlákna a dochází k postupnému šíření trhliny a k přetržení vazu. graf_protazeni Kloubní spojení §Nepřerušovaná (nepohyblivá) – polopevné spojení vazivovou tkání §Přerušovaná (pohyblivá) – kloub, vazivové kloubní pouzdro, na vnitřní straně pouzdra synoviální vrstva (kloubní maz – synovie) – minimalizace tření mezi hlavicí a jamkou §Styčné plochy – fce chrupavky: tlumení nárazů, přenos tlaku z jedné kosti na druhou, rozložení působících sil a svojí plasticitou vyrovnává nerovnosti dotykových kloubních ploch § (zatížení x odlehčení chrupavky – proudění kloubního mazu) skenovat0126 Aktivní svalový subsystém §Asi 600 svalů §Muži – 36 % hmotnosti, ženy - 32 % hmotnosti, sportovci až 45 % hmotnosti §Svaly zpeřené x nezpeřené – vliv na svalovou sílu skenovat0028 Svalová kontrakce §K. anizometrická - Koncentrická §zrychlující účinek na segment, §Δl 30 – 50 – 70 %, průměrně 57 %. Menší, než max. izometrická síla. §Vztah mezi silou a rychlostí kontrakce: (optimum na 30%) graf_sily §K. anizometrická – excentrická §brzdící účinek (amortizační) §Příčina – antagonista či vnější síla §Svaly energii absorbují, ukládají se ve formě deformační energie (potenciální energie pružnosti) – následné využití při koncentrické kontrakci § § graf_koncentrace §K. izometrická - statická činnost §K. izotonická - nemění se napětí, může být izometrická i anizometrická § §Síla svalového stahu: §plocha fyziologického příčného řezu, §délka svalového vlákna, §celková svalová masa §jsou základní morfologické determinanty maximální síly, rychlosti a výkonu svalu. § §(1 cm² - 25 N, neboli sval o tloušťce tužky zvedne asi 800 g.) § Mechanické vlastnosti svalů §Pevnost svalu v tahu v klidu - 0,26 až 0,90 MPa §K nevratným změnám ve svalu dochází po protažení o 40 - 50% klidové (fyziologické) délky (mez pružnosti) §Přetržení svalu nastává až po změně klidové délky svalu na 1,5 až dvojnásobek (mez pevnosti maximálně kontrahovaného svalu – asi 1,25 MPa, tedy 50 – 100 méně než u šlach) §Účinnost svalové práce je asi 20%, 80% energie se mění na teplo. § Řídící subsystém §Sval je inervovaný pomocí nervových vláken, které jsou trojího druhu: motorické, senzitivní a autonomní. §Senzitivní (dostředivé, aferentní) – impulsy z receptorů (šlachy, svaly, kůže) do CNS §Motorické (odstředivé, eferentní) – impulsy z CNS, motorická jednotka – svalová vlákna inervovaná jedním motneuronem §Autonomní končí ve stěnách svalových tepének, zabezpečují průtok krve. Extrémní mechanická zátěž ve forenzní biomechanice §Ve forenzní biomechanice se objevují snahy o exaktní vyjádření hranice tolerance organismu na vnější zátěž: § §škály AIS (Abbreviated Injury Scale) §0 – bez zranění §1 – lehké zranění §2 – střední zranění §3 – vážné zranění §4 – těžké zranění §5 – kritické zranění §6 – maximální zranění (zranění nelze přežít). § §hodnoty GSI (Gadd severity index), WSTC (Wayne state tolerance curve) § §určuje vzájemný vztah mezi přetížením (násobky g) a délkou trvání přetížení § § § §– přetížení trvající 1-6 ms (krátký impuls) nevyhnutelné pro vznik fraktury lebky (většinou spojené s otřesem mozku). Objektem zkoumání byly lidské mrtvoly, §– přetížení trvající 6–10 ms (středně dlouhý impuls). Objekt zkoumání – porovnání odezvy u lidských mrtvol a zvířecího mozku, §– dlouhý impakt, dlouhá doba brzdění pohybu hlavy. Objekt zkoumání – dobrovolníci. Takovéto přetížení nezpůsobilo žádné zranění. §HIC (Head injury criterion – parametr zranění hlavy) § §Posouzení poranění hlavy při testech vozidel § § § § §Výsledná hodnota HIC by neměla překročit hodnotu 1000 § §Omezení HIC jsou: §– HIC uvažuje pouze zrychlení, zatímco biomechanická odezva hlavy zahrnuje také úhlový pohyb hlavy, který má také za následek poranění hlavy, §– HIC je použitelný pouze pro „tvrdé“ nárazy hlavy (impakt do 1-HIC je založeno na WSTC metodě, která je odvozena pouze od zatížení v předozadním směru. § §HIC není možné použít například pro řešení zátěže při úderu tonfou nebo tyčí. Při úderu tonfou do hlavy není zasažené hlavě udělena příliš velká decelerace a všechna energie je spotřebována při formaci lebky. §Kritérium tolerance organismu je primárně závislá na přetížení mozkové tkáně v okamžiku destrukce. Orientačně se studuje také velikost nitrolebního tlaku a velikost vnější síly, zejména jejího maxima dynamické složky při úderu. Jako kritérium tolerance lze stanovit: § §1. Index zranění (GSI, HIC): a = 80-120 g (123 g pro t = 6 ms), kritériem tolerance je GSI = 1000 § §2. Kritický nitrolební tlak je p = 206010 Pa – otřes mozku, p = 618030 Pa – smrt § §3. Kritická vnější síla při úderu je F = 4 kN (vznik fraktur), F > 7 kN (vznikají radiální a transversální prasky lebky) §Faktory: §Hmotnost hlavy §Oscilace hlavy (vibrace) §Tlumení vibrací §Reakce nervového systému § §Hlavní roli kinematických nebo dynamických parametrů, které charakterizují vnější poškozující faktor, můžeme formulovat jako poměr doby trvání mechanického zatížení na hlavu (lebku) k délce vibrace (chvění) tkáně. 235_03 §Pokud je index I < 1, tj. mechanické působení je velmi krátké, mechanismus poškození mozku je spojen se zvýšením nitrolebního tlaku, na lebku působí kontaktní síly a charakteristické pro tento druh deformace je, že silové působení je skončeno dříve, než dochází k deformaci mozku. V tomto případě není pro deformaci mozku významná velikost působící síly, ale zvýšení nitrolebního tlaku. §V případě, že I > 1, je deformace mozku podmíněna velikostí přiložené síly, která působí na lebku relativně po dlouhou dobu. V tomto případě není rychlost působící síly významná. §Jestliže index I = 1, má významný vliv na deformaci mozku změna rychlosti přiložené síly. Přechodná charakteristika deformace mozku se shoduje s dobou trvání mechanického působení. §Podle analýzy mnoha autorů a empirických údajů soudních lékařů se rozděluje síla úderu do čtyř skupin: 1. Malá síla úderu - do 160 N 2. Značná síla úderu - od 160 N do 1960 N 3. Velká síla úderu - od 1960 N do 4900 N 4. Velmi velká síla úderu - více jak 4900 N § §Na traumatickém poškození lebky se podílejí tyto faktory: §velikost síly úderného předmětu, §tvar a rozměr úderné plochy - zřejmě ovlivňuje velikost nitrolebního tlaku, případně velikost kinetické energie na plochu průřezu úderného předmětu; §tloušťka kosti lebky; §místo na lebce, kam je úder směřován. Zřejmě údery do přední obličejové části lebky vedou ke snadnějšímu zlomení lebky. § §Vymezení destrukčních sil - interval od 7000 N do 10 000 N pro tloušťku lebeční kosti od 0,42 cm do 0,66 cm.