Het basale concept
van kracht en beweging bij bewegingsanalyse.
Statiek:
Leer naar de relatie
tussen externe krachten en interne reactieven krachten in een vast
lichaamssysteem in statisch evenwicht.
Kracht:
Een vectoreenheid met
hoogte en richting, welke leidt tot versnelling van een vast lichaam in de
uitgeoefende richting.
Eenheden van kracht
1 dyne = hoeveelheid
kracht, welke een versnelling kan geven van 1 cm/s2 aan een vast
lichaam van 1 gram massa.
1 newton = conform, maar dan
1 m/s2 versnelling van 1 kg massa.
1 kgf = kracht
leidend tot een acceleratie van 1 g (=9.8 m/s2) bij een massa van 1
kg (1kgf = 9.8 N)
1 lbf = kracht
leidend tot acceleratie van 1 g (= 32.2 ft/s2) bij een massa van 1
lb (1 kgf = 2.2 lbf)
Een vectorwaarde kan
slechts algebraďsch worden opgeteld 0f afgetrokken mits de richting identiek
is. Elke kracht kan daarvoor uitgedrukt worden in 2 “orthogonale componenten”.
(x-as en y-as = “Cartesian Coördinate System)
Er zijn 2 typen
krachten:
1. Externe kracht: vb. grond reactie kracht, zwaarte kracht,
uitgeoefende kracht door contact.
2. Interne kracht: vb.
spierkracht, shear forces, ligamentaire stabiliteit e.d.
Spieren
en ligamenten - trekkrachten
Gewrichten
- compressieve krachten
Het moment van een kracht = kracht x afstand
(momentarm)
“Couple” = een paar van twee gelijke tegengestelde krachten,
parallel aan elkaar op een afstand d (leidt dus tot rotatie van een lichaam)
Wrijvingskracht =
weerstand tussen vast lichaam en zijn contactoppervlak
Als een vast lichaam
in “statisch equilibrium” (geen beweging) verkeerd dan (1) is de som van alle
externe krachten nul en (2) de som van alle momenten ook nul (som van Fx = 0,
som van Fy = 0 en som van Mo = 0).
Bij
gewrichtsactiviteit zijn helaas niet altijd alle krachten bekend en moet van
bepaalde vooronderstellingen uitgegaan worden; anders werkt dit denkconcept
niet.
Free body diagram (FBD)
Is
het gehele vaste lichaamssysteem ontdaan van alle fysische contacten met de
omgeving, waarop alle externe krachten en interne krachten en momenten zijn
weergegeven.
Als
het FBD in equilibrium is moet voldaan zijn aan de “3 equilibrium equations”
(som Fx=0, Fy=0 en Mo=0).
Statische kracht Analyse
kan uitgevoerd worden volgens:
1.
grafisch
2.
algebraďsch
I. Kinematiek = leer
van beweging van een vast lichaam zonder te letten op de oorzaak van de
beweging.
II. Kinetiek = leer naar de relatie tussen de beweging van
een vast lichaam en de krachten verantwoordelijk voor deze beweging.
Een gewricht heeft 3
onafhankelijke bewegingsvrijheden (degrees
of freedom =DOF)
1. translatie x-as
2. translatie y-as
3. rotatie z-as
Vb. closely
packed joint (ulnohumeraal) = 1 DOF
universal joint = 2
DOF
ball and socket joint (heup) = 3 DOF
(flexie/extensie, exo/endo, abd/add)
Gewrichten kunnen
2-dimensionaal en 3-dimensionaal beoordeeld worden. Vaak bij 3-dimensionaal
neemt het aantal DOF toe.
Basale typen van beweging
Translatie = alle
partikels van een vast lichaam bewegen langs een parallelle weg
Rotatie = partikels van een vast lichaam bewegen in
parallelle vlakken langs cirkels gecentreerd om dezelfde rotatie-as.
Elke algemene
beweging van een vast lichaam kan opgesplitst worden in een translatie plus een
rotatie.
Lineaire beweging
Een vast lichaam met
translatie langs een rechte weg volgt een “lineaire beweging”. Hieruit is de
gemiddelde snelheid (v) te berekenen; bij een verandering van deze snelheid is
er ook een versnelling te berekenen.
Uniform circulaire beweging
Indien een vast lichaam draait om een vast punt (centrum van rotatie) in het vlak van het lichaam. Hierbij is er een zogenaamde hoeksnelheid te berekenen = aantal wenteling / graden per minuut.
Zo is er ook een
hoekversnelling = centripetale acceleratie.
Instantaneous centrum van rotatie
Is in geval van zowel
translatie als rotatie, verandert het centrum van rotatie; voor een bepaalde
momentopname is er dan dit instantaneous centrum van rotatie.
Basale typen van gewrichtsvlak beweging
1. Algemene gewrichtsbeweging: vb. algemene gewrichtsfunctie
2. Gewrichtsvlak beweging: vb. gewrichtscontact krachten,
frictie e.d.
ad 2. 3 typen gewrichtsvlak
beweging
· glij beweging: eigenlijk pure translatie
· spinning beweging: tegengestelde van glij beweging; eigenlijk pure
rotatie.
· “rocking”
beweging: (rolling without slip); het contactpunt verandert steeds (zie ook
fig. 14-15)
Meeste gewrichten bewegen
volgens een combinatie van deze drie bewegingstypen. Het rocking principe geeft
de minste wear.
II. Basale concept
van Kinetiek
1. Werk (W)= kracht in de richting van de verplaatsing x de
afstand); (W = (F. cosß).s)
2. Potentiële Energie = Ep; vb. steen op hoogte heeft
potentiële energie om te vallen (zo ook een opgespannen veer e.d.)
3. Kinetische Energie = energie nodig om een bewegend
voorwerp te stoppen; Ek = 1/2mv2 ; De wet van behoud van
energie: totale energie = Epot + Ekin = constant
4. Power / vermogen = hoeveelheid werk / tijdseenheid
5. Momentum (L) = massa x snelheid
6. Impulsive Force = grote hoeveelheid kracht op een vast
lichaam in korte tijd (Impuls = Impulsive Force x tijd)
7. Massa moment van inertie (I) = weerstand tegen rotatie (vb.
een zwaar lichaam gaat moeizaam draaien)
Direct Dynamisch
Probleem:
De krachten zijn bekend en men berekent de resulterende
beweging van een vast lichaam.
De beweging is bekend
en de krachten worden afgeleid; de analyse van de meeste gewrichtsbewegingen
behoort hiertoe.
Biomaterialen
Door de geschiedenis
heen hebben verschillende materialen veel aandacht gekregen ten aanzien van de
reactie van het menselijke lichaam erop.
Materiaal Eigenschappen
Metalen:
Meest gebruikte
metalen in de Orthopaedie zijn roestvrij staal, kobaltchroom en titanium.
Belangrijke eigenschappen van metalen zijn:
1. Relatief hoog buigpunt (het begrip plastische deformiteit
van een materiaal geeft aan dat een eventuele verandering permanent is).
2. Elasticiteit (versus plasticiteit); neemt juist de oude vorm
weer gemakkelijk aan.
3. Hoge plasticiteit; houdt in dat een materiaal veel
belastingscycli kan verdragen
4. Te verwerken zijn
Is verschillende legeringen met staal als basis, aangevuld
met chroom, nikkel e.d.
De 3 basis voor roestvrije metalen:
1. ferritic staal = corrosie resistent, niet stevig
2. masteristic staal = stevig, echter niet corrosie resistent
(vb. scalpels)
3. ansteritic staal = corrosie resistent en stevig
Cobalt-Chroom
Legeringen:
Meest vermoeidheid- en corrosie resistent van alle
implantaten (behalve Titanium)
Titanium en
Titaniumlegeringen:
·
zowel puur als
in legering gebruikt
·
zeer
biocompatibel, geen immuunrespons
·
ook zeer
corrosie resistent (meest van allemaal)
·
perfecte
osseointegratie (dus potentieel als coating van implantaten)
·
lage
elasticiteit, hetgeen ook een voordeel is.
Is niet-metalen
materialen met bioactieve of anorganische achtergrond.
Bioactieve materialen
zijn ontworpen om een specifieke biologische activiteit te bewerkstelligen.
Bijvoorbeeld hydroxyapatiet (HA):
- Veel gebruikt bij
coating van THP
· niet-toxisch, niet inflammatoir en biocompatibel.
· HA wordt veel toegepast als plasmaspray techniek van
implantaten.
· HA coating heeft geleidt tot het bereiken van maximale
interface-shear strength in de helft van de tijd tov. Niet gecoate implantaten.
· Ceramiek geeft ook minder wear van polyethyleen (zie bijv
gebruik van ceramisch kopje bij THP)
· synthetische polymeren betreffen de snelst groeiende tak van
de biomaterialen wetenschap.
· PMMA is een belangrijk voorbeeld en zit in botcement
· polymeren ontstaan uit monomeren door additie (1) of condensatie
(2); voorbeeld van additie is PMMA, terwijl bij condensatie het water verdreven
wordt (vb. nylon en Dacron)
· polymeren zijn te beschrijven als glazig, lederig,
rubberachtig of visceus.
Creep = vicieuze
permanente deformatie van een polymeer (kan bijvoorbeeld bij een acetabulumcup
gebeuren
Crazing = dan treden er juist
kleine scheurtjes op in het oppervlak.
Polymethylmetacrylaat
PMMA:
· Veelal in botcement gebruikt
· Ontstaan veelal door menging van vloeibare en droge
component, er treedt dan de zogenaamde Curing
op. Deze curing van botcement kent verschillende fasen:
1. Dough time (niet meer plakkerig)
2. Setting Time (bereiken helft van max. temperatuur)
3.
Working Time ( is 1 - 2)
Ultrahigh-Molecular-Weight Polyehtyleen (UHMWPE):
· belangrijkste vertegenwoordiger van bestanddeel van de cup
bij totale heupprothese.
· polyethyleenwear blijft een probleem; dit leidt tot forse
ontstekingsreacties met osteolyse e.d.
·
2 type wear: 1.
Abrasive wear
2. Adhesive wear
Bioabsorbeerbare materialen
·
Sedert 1960
gebruikt voor interne fixatie (schroeven en platen e.d.).
·
Biodegradatie = cel-gemedieerde effecten van een
materiaal..
·
Bioresorptie /
bioabsorptie = fysico-chemisch proces van afbraak van deze materialen.
·
Bioabsorbeebare
implantaten dienen om verbinding te houden tussen 2 weefsels, teneinde op lange
termijn definitief herstel te fasciliteren door eigen hergroei
Criteria voor
bioabsorbeerbare implantaten:
-
adequate
stevigheid bij initiële fixatie
-
absorptieprofiel
moet goed op herstel afgestemd zijn
-
absorptie moet
niet te traag zijn anders krijg je net als bij metaal breuken en migratie
-
veilig,
non-toxisch, non-immunogeen e.d.
De bekendste
bioabsorbeerbare materialen zijn poly-glycolic
acid (PGA) en polylactic acid (PLA).
Beide worden passief afgebroken, de PLA langzamer dab PGA.
Processen van Invloed op orthopedische biomaterialen
Deze 2 processen
worden gebruikt binnen de orthopaedie om het oppervlak van verschillende
legeringen te verharden.
Nitridering =
algemeen proces waarbij het oppervlak
van materialen wordt veranderd door een reactie met NO waarbij nitriet gevormd
wordt op het oppervlak van het metaal.
Ion
Implantatie = door het proces
van nitridering worden NO ionen 0.1 µm in het oppervlak van het metaal
geďmplanteerd, wat tot verharding van het oppervlak leidt.
Voordeel van dit oppervlak verharding is dat er een
verminderde “wear” optreedt en het gladde oppervlak zo langer meegaat. Ook de duurzaamheid van het metaal neemt toe.
Definitie: metaalafgifte
reactie welke leidt tot een oplossing concentratie van metaalbevattende ionen
groter dan 10-6 M
Immuniteit: van een
metaal betekent weerstand tegen het optreden van corrosie; ionenconcentratie
rondom een immuun-metaal is per definitie < 10-6 M
Passivatie: het proces
waarbij een oxide of hydroxide laag ontstaat op het oppervlak van het
implantaat, omdat bijv. chroom of titanium reageert met zuurstof.
“Uniform-attack”: meest voorkomende vorm van corrosie en komt
voor bij alle metalen in elektrolyten oplossing. Er is geen galvanische stroom
voor nodig.
Galvanische of
bimetallaire corrosie
Blijft belangrijk
binnen de orthopaedie omdat vaak modulaire prothesen worden gebruikt; hierbij
komen 2 ongelijke metalen in elkaars nabijheid, Voor dit proces zijn nodig:
1. 2 verschillende metalen of 2 verschillende energievelden
binnen 1 metaal.
2. elektrische geleiding
3. Ionen transport door omringende oplossing van vrije ionen.
Oxidatie en corrosie
treden aan de anode kant op, terwijl de kathode kant immuun is.
Dus in principe geen
2 ongelijke metalen gebruiken; maar zeker niet als 1 van beide roestvrij staal
betreft.
“Crevice” (scheur) corrosie:
Treed op in een kras
van het oppervlak door zuurstof depletie. Dit proces versterkt indien chloride
ionen aanwezig zijn.
Pitting corrosie:
Lijkt op crevice
corrosie maar is meer geďsoleerd en symmetrisch. Ook versterkt door chloride
ionen.
Stress corrosie:
Chemische activiteit
in metaal kan veranderen door tensile-stresses. Bijv convexe (anode) kant
versus concave (kathode) kant van een voorgebogen plaat.
Fretting:
Microbewegingen
tussen 2 componenten (vb. schroef in plaat). Hierdoor ontstaat een passivatie
laag.
Intergranulaire corrosie:
Een metaal of
legering is opgebouwd uit een granulaire structuur. Verschillende granula
kunnen op gaan treden als een galvanische cel. Een legering bestaat uit
verschillende metalen dus is er meer inter-granulaire corrosie.
Leaching corrosie:
Conform
granulairecorrosie, maar nu binnen een en dezelfde granula (is dus eigenlijk
intra-granulaire corrosie).
Inclusie corrosie:
Indien er
onzuiverheden in de legering zitten; treed dus een soort pitting corrosie op.
Host-respons
op biomaterialen
Het lichaam reageert
op een implantaat omdat het niet eigen is. Dit kan leiden tot ontsteking,
infectie en osteolyse. Loslating van een prothese is dan vaak het gevolg.
Er zijn vele
theorieën over loslating. Partikel-debris zou leiden tot loslating door enkele
macrofagen reactie op partikels. Anderen zeggen weer dat de reactie op PMMA
botcement verantwoordelijk is voor loslating. Dit houdt echter geen stand omdat
het ook gezien wordt bij cementloze prothesen. Dus gaan de meningen nu weer
naar de rol van UHMWPE en metaal debris bij loslating.
Osteolyse
Als een infectie als
oorzaak is uitgesloten dan wordt botverlies veroorzaakt door: periprosthetische
botremodelering of focale osteolyse (= uiteindelijk aseptische loslating).
De productie van
partikels speelt een belangrijke rol bij focale osteolyse / aseptische
loslating. Loslating treedt op indien partikel-debris vele malen groter is dan
het lymfatisch zuiveringssysteem kan verwerken. We zien dan migratie en
proliferatie van macrofagen, welke ontstekingsmediatoren vrijmaken met
osteoclast stimulatie tot gevolg. Prostaglandine E2 en interleukine-1 spelen
hierbij een centrale rol.
Het pathogene effect
van partikel-debris is afhankelijk van de grootte, concentratie, oppervlakte
eigenschappen en compositie.
Wear-debris bestaat
veelal uit partikels van:
· UHMWPE
· PMMA cement
Om een macrofagen
reactie in gang te zetten dienen partikels eerst door fagocytose in de cel te
zijn opgenomen. Partikels > 7µm kunnen niet in de cel opgenomen worden.
Kobaltchroom legering
partikels geven een mononucleaire
histocytaire respons versus een multi-nucleaire
histocytaire respons bij een titaniumlegering. Polyethyleen en PMMA partikels
geven juist een multinucleaire giant-cel
respons.
Systemische neven effecten en effecten op afstand
Deze zijn te verdelen
in:
1. Metabool
2. Bacteriologisch
3. Immunologisch
4. Neoplastisch
Ad 1. Alle metalen
elementen in orthopaedische implantaten kunnen toxische effecten hebben op
metabole functies.
Ad 2. Te noemen zijn
diepe infecties, osteomyelitis en implantaat corrosie. Diepe prothese infectie
is en blijft een groot probleem. Collonisatie van het oppervlak van implantaten
kan een infectie relatief makkelijk onderhouden.
Ad 3. Type IV
vertraagde hypersensitiviteitsreacties op metaal ionen kan voorkomen. Een
duidelijk verband met dermatitiden en urticaria beelden is nooit aangetoond.
Ad 4. Er is wel
degelijk een carcinogeen effect van metaal-debris als chroom, kobalt en nikkel.
Het betreft een low-risk effect, echter epidemiologische studies duiden toch op
een verhoogd risico op leukemie en lymfomen na totale heupprothese.
Keuzes van biomaterialen
1. Femorale component van gecementeerde THP of TKP gebruik bij
voorkeur een kobaltchroom legering. Een titanium legering heeft juist veel
partikel-debris met osteolyse laten zien bij gecementeerde prothesen. Wellicht
voor de toekomst worden ceramische materialen de gouden standaard.
2. Flexibiliteit is met name belangrijk bij ongecementeerde
femorale component, anders geen osseointegratie. Hier is juist wel een titanium
legering eerste keus.
3. Acetabulum of tibiacomponent is klassiek gevormd van UHMWPE
met of zonder metaalbacking. Het is niet aangetoond dat metaalbacking beter is
dan alleen UHMWPE, en wel veel duurder. Dus vooralsnog is alleen UHMWPE de
gouden standaard.
4. Ongecementeerde acetabulum of tibiacomponent dient te
bestaan uit UHMWPE met een kobaltchroom of titanium legering als osseoinductief
oppervlak.
5. Patella component bij TKP dient te bestaan uit alleen
UHMWPE.