40722461 Musculoskeletal Biomechanics

7/30/2019 40722461 Musculoskeletal Biomechanics

http://slidepdf.com/reader/full/40722461-musculoskeletal-biomechanics 1/120



KNEE BIOMECHANICS

Andrew Crosby

The Musculoskeletal System



1. Anatomy:

The science or study of body structure

2. Physiology:

The study of function

3. Functional Human Anatomy

UNDERSTANDING THE STRUCTURE

AS IT RELATES TO FUNCTION



Origin

Insertion

Musculoskeletal Biomechanics

• Modeling of the MSK system with the objective

of identifying forces exerted/acting on the Bones,

Joints, Muscles and other soft tissues;

• Application to Trauma, Prosthetics and

Orthopedic Implant Design



The Skeletal System

The human skeleton iscomposed of 208 to 212

17% of the total weight ระบบโครงกระดก ประกอบดวย

1.กระดก (bone)

2.กระดกอ อน (cartilage)



Cartilage

• กระดกอ อนเปนเน อเย อเก ยวพันชนดหน ง ประกอบดวย เซลล chondrocytes ฝังตัวอย

ภายใน matrix• matrix ประกอบดวย 2 ส วน คอ fiber อาจเปน collagen fiber และหรอ elastic

fiber ก ับ ground substance ซ งเปนสารพวก glycosaminoglycans

chondrocyte จะทาหนาท สราง matrix

• ความแตกต างในแง ของปรมาณ และชนดของ fiber ท อย ภายใน matrix มผลใหคณสมบัตของกระดกอ อนแตกต างก ันไป ทาใหสามารถจาแนกชนดของกระดกอ อนไดเปน 3 ชนด คอ

• 1. Hyaline cartilage

• 2. Elastic cartilage

• 3. Fibro cartilage



1.Hyaline cartilage • จะพบกระดกออนชนดน ไดท ผนังของจมก, กลองเสยง (larynx),

ทอลม (trachea), bronchus,costal cartilage และarticular cartilage

• Hyaline cartilage ทั งหมดมเย อห มกระดกออนท เรยกวา perichondrium

ห ม ยกเวนarticular cartilage



2.Elastic cartilage

กระดกอ อนชนดน มโครงสรางคลายก ับ hyaline cartilage ในmatrix นอกจากมcollagen fiber แลวยงัม elastic fiber จานวนมาก ซ งทาใหกระดกอ อนชนดน มความยดหย น สามารถบดงอได

เราพบกระดกอ อนชนดน ไดท ใบห ผนังของหชั นนอก Eustatian tube ฝาปดกล องเสยง(epiglottis) เปนตน



3.Fibrocartilage กระดกอ อนชนดน มลักษณะก าก งระหว าง dense connective tissue ก ับ hyaline

cartilage

กระดกอ อนชนดน ไม ม perichondriumหม

เราพบกระดกอ อนชนดน ไดท pubic symphysis หมอนรองกระดกสันหลัง(intervertrebral disk)เอนยดกระดก (ligament)บางแห งเอนของกลามเน อ(tendon)



Bones กระดก

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/73/Gray252.png



Function of Bones

• Store Minerals Bones store calcium, phosphorus and otherminerals used by your body.

• Protects Bones help protect the body from injury. The spine andskull protect the CNS (Central Nervous System).

• Movement Bones provide form and structure for muscles to work

against. Muscles can contract, but not extend. Using bones as leversone muscle can contract to extend another.

• Blood Cells Red blood cells and some white blood cells are formedin the epiphysis of long bones. Red blood cells carry oxygenthroughout the body. White blood cells help fight off infections.

•Structure and Support The skeletal system provides a framework of support for the body to be built upon. The bones of the legs andback support the body's entire weight

http://www.shockfamily.net/skeleton/SKULL.HTML

http://www.shockfamily.net/skeleton/SPINE.HTML


http://www.shockfamily.net/skeleton/LEG.HTML



http://www.shockfamily.net/skeleton/LEG.HTML





ลักษณะทางจ ลกายวภาคของกระด ก(Microscopic structure)

1.ออสต โอบลาสต (Osteoblast)-เปนเซลลสรางเนอกระดกท เจรญพัฒนามาจากเซลลตนกาเนดเซลล

กระดก (osteoprogenitor cells)

-เซลลนจะอย ตามขอบของเนอกระดก และสรางโปรตนท เรยกวา ออสตออยด (osteoid) ซ งโปรตนดังกลาวนจะมสารอนนทรยมาสะสมและ

กลายเปนเนอกระดก

-

http://th.wikipedia.org/w/index.php?title=%E0%B8%AD%E0%B8%AD%E0%B8%AA%E0%B8%95%E0%B8%B4%E0%B9%82%E0%B8%AD%E0%B8%9A%E0%B8%A5%E0%B8%B2%E0%B8%AA%E0%B8%95%E0%B9%8C&action=edit&redlink=1



http://th.wikipedia.org/w/index.php?title=%E0%B9%80%E0%B8%8B%E0%B8%A5%E0%B8%A5%E0%B9%8C%E0%B8%95%E0%B9%89%E0%B8%99%E0%B8%81%E0%B8%B3%E0%B9%80%E0%B8%99%E0%B8%B4%E0%B8%94%E0%B9%80%E0%B8%8B%E0%B8%A5%E0%B8%A5%E0%B9%8C%E0%B8%81%E0%B8%A3%E0%B8%B0%E0%B8%94%E0%B8%B9%E0%B8%81&action=edit&redlink=1



http://th.wikipedia.org/w/index.php?title=%E0%B8%AD%E0%B8%AD%E0%B8%AA%E0%B8%95%E0%B8%B4%E0%B8%AD%E0%B8%AD%E0%B8%A2%E0%B8%94%E0%B9%8C&action=edit&redlink=1











• 2.ออสต โอไซต (Osteocyte) เปนเซลลท เจรญตอมาจากออสตโอบลาสตท ไดสรางเน อกระดกจนลอมรอบตัวเซลล และเปนเซลล

กระดกท เจรญเตมท แลว รอบๆเซลลจะเปนชองท เรยกวา ลาก นา (lacuna) และแตละลากนาจะตดตอกันดวยชองทางผานเลกๆท เรยกวา คานาลค ไล (canaliculi) ซ งทาใหแตละออสตโอไซตมการ

ตดตอส อสารกันได• สตโอไซตจะเปนเซลลกระดกท โตเตมท แตมันยังมหนาท ในการควบคม

ระดับแคลเซยมและสารนอกเซลลอ นๆดวย

http://th.wikipedia.org/w/index.php?title=%E0%B8%AD%E0%B8%AD%E0%B8%AA%E0%B8%95%E0%B8%B4%E0%B9%82%E0%B8%AD%E0%B9%84%E0%B8%8B%E0%B8%95%E0%B9%8C&action=edit&redlink=1



http://th.wikipedia.org/wiki/%E0%B9%81%E0%B8%84%E0%B8%A5%E0%B9%80%E0%B8%8B%E0%B8%B5%E0%B8%A2%E0%B8%A1








• 3.ออสต โอคลาสต (Osteoclast) เปนเซลลขนาดใหญท มหลายนวเคลยส และเจรญมาจากเซลลตนกาเนดโมโนไซต (monocyte

stem cells)• เซลลนมหนาท สาคัญในกระบวนการกอรปกระดก (bone remodeling)

• โดยอาศัยการผลตเอนไซม แอซด ฟอสฟาเทส (acid phosphatase) ในการ

กรอนเนอกระดก และทาใหกระดกมลักษณะท เหมาะสม

http://th.wikipedia.org/w/index.php?title=%E0%B8%AD%E0%B8%AD%E0%B8%AA%E0%B8%95%E0%B8%B4%E0%B9%82%E0%B8%AD%E0%B8%84%E0%B8%A5%E0%B8%B2%E0%B8%AA%E0%B8%95%E0%B9%8C&action=edit&redlink=1



http://th.wikipedia.org/wiki/%E0%B8%99%E0%B8%B4%E0%B8%A7%E0%B9%80%E0%B8%84%E0%B8%A5%E0%B8%B5%E0%B8%A2%E0%B8%AA%E0%B9%80%E0%B8%8B%E0%B8%A5%E0%B8%A5%E0%B9%8C



http://th.wikipedia.org/w/index.php?title=%E0%B9%80%E0%B8%8B%E0%B8%A5%E0%B8%A5%E0%B9%8C%E0%B8%95%E0%B9%89%E0%B8%99%E0%B8%81%E0%B8%B3%E0%B9%80%E0%B8%99%E0%B8%B4%E0%B8%94%E0%B9%82%E0%B8%A1%E0%B9%82%E0%B8%99%E0%B9%84%E0%B8%8B%E0%B8%95%E0%B9%8C&action=edit&redlink=1


http://th.wikipedia.org/w/index.php?title=%E0%B8%81%E0%B8%A3%E0%B8%B0%E0%B8%9A%E0%B8%A7%E0%B8%99%E0%B8%81%E0%B8%B2%E0%B8%A3%E0%B8%81%E0%B9%88%E0%B8%AD%E0%B8%A3%E0%B8%B9%E0%B8%9B%E0%B8%81%E0%B8%A3%E0%B8%B0%E0%B8%94%E0%B8%B9%E0%B8%81&action=edit&redlink=1



http://th.wikipedia.org/wiki/%E0%B9%80%E0%B8%AD%E0%B8%99%E0%B9%84%E0%B8%8B%E0%B8%A1%E0%B9%8C

http://th.wikipedia.org/w/index.php?title=%E0%B9%81%E0%B8%AD%E0%B8%8B%E0%B8%B4%E0%B8%94_%E0%B8%9F%E0%B8%AD%E0%B8%AA%E0%B8%9F%E0%B8%B2%E0%B9%80%E0%B8%97%E0%B8%AA&action=edit&redlink=1



http://th.wikipedia.org/wiki/%E0%B9%80%E0%B8%AD%E0%B8%99%E0%B9%84%E0%B8%8B%E0%B8%A1%E0%B9%8C









ลักษณะทางมหกายวภาคของกระด ก(Gross structure of bone)

• ถาเราผากระดก แลวดดวยตาเปลาหรอใชแวนขยายสองด เราสามารถจะแยกเนอกระดกออกเปน 2 ชนด คอ

• 1.Cancellous (spongy) bone มลักษณะเปนรพรนคลายฟองนา ประกอบดวย กระดกช นเลกๆ บางๆ(trabeculae)

เช อมโยงกันเปนรางแห และระหวาง trabeculae จะมชองวางซ งภายในชองวางนมไขกระดก (bone marrow) ท ทาหนาท ผลต

เซลลเมดเลอดแดงและเซลลเมดเลอดขาว) • 2.Compact bone มลักษณะเนอแขงทบ ซ งมชองวางของเนอ

กระดกนอยมาก และคดเปนประมาณ 80% ของเนอกระดกในผ ใหญ



Diaphysisเปนลาท อย ตรงกลางของแท งกระดกยาวรปร างทรงกระบอกภายในกลวงประกอบดวยcompactboneเปนหลักชั นในสดมspongyboneเปนชั นบางๆลอมรอบช องว างท อย ตรงกลางdiaphysisเรยกช องว างน ว าmarrow cavity ( medullary cavity )

Epiphyses เปนปลายส ดสองดานของกระด กยาว มลักษณะเปนกระเปาะประกอบดวยspongy bone ซ งม compact bone ชั นบางๆ

ลอมรอบอกทหน ง



นอกสดของกระดกจะมเย อหมกระดก (periosteum) หมอย โดยรอบ และมหลอดเลอดและเสนประสาทมาเล ยงเน อกระดก ยกเวนท บรเวณขอต อ จะไม มเย อหมกระดกอย

เย อหมกระดก แบ งไดเปน 2 ชั น คอ ชั นนอกท มเสนใย เรยก fibrous layer ส วนชั นในเรยกว า osteogenic layer จะประกอบดวยเซลลท คลายก ับfibroblastซ งสามารถเปล ยนแปลงตัวมันไปเปนเซลลท สรางกระดก ท เรยกว าosteoblast เซลลเหล าน จะมบทบาทสาคัญในการเจรญเตบโตของกระดกในวัยเดก และการซ อมแซมของกระดกท แตกหักในวัยผใหญ ดวย กระดกทกช นจะมเย อหมกระดกหม ยกเวน articular surface

http://th.wikipedia.org/w/index.php?title=%E0%B9%80%E0%B8%A2%E0%B8%B7%E0%B9%88%E0%B8%AD%E0%B8%AB%E0%B8%B8%E0%B9%89%E0%B8%A1%E0%B8%81%E0%B8%A3%E0%B8%B0%E0%B8%94%E0%B8%B9%E0%B8%81&action=edit&redlink=1




http://th.wikipedia.org/wiki/%E0%B9%80%E0%B8%AA%E0%B9%89%E0%B8%99%E0%B8%9B%E0%B8%A3%E0%B8%B0%E0%B8%AA%E0%B8%B2%E0%B8%97


http://th.wikipedia.org/wiki/%E0%B8%82%E0%B9%89%E0%B8%AD%E0%B8%95%E0%B9%88%E0%B8%AD









• โครงสรางของกระดกเนอแนนมศนยกลางเปนชองขนาดใหญท เรยกวาชองฮาเวอรเชยน (Haversian canal) ซ งเปนท อย ของหลอดเลอด

ท ภายในมเสนเลอดและเสนประสาทท หลอเลยงและควบคมการทางานของเซลลกระดก

• ในเนอเย อกระดกจะประกอบดวยเซลลกระดก (bone cells) ท ม

สวนสาคัญในการสรางและการกอรปของกระดกอกดวย

http://th.wikipedia.org/w/index.php?title=%E0%B8%8A%E0%B9%88%E0%B8%AD%E0%B8%87%E0%B8%AE%E0%B8%B2%E0%B9%80%E0%B8%A7%E0%B8%AD%E0%B8%A3%E0%B9%8C%E0%B9%80%E0%B8%8A%E0%B8%B5%E0%B8%A2%E0%B8%99&action=edit&redlink=1


http://th.wikipedia.org/w/index.php?title=%E0%B9%80%E0%B8%8B%E0%B8%A5%E0%B8%A5%E0%B9%8C%E0%B8%81%E0%B8%A3%E0%B8%B0%E0%B8%94%E0%B8%B9%E0%B8%81&action=edit&redlink=1


http://th.wikipedia.org/wiki/%E0%B9%84%E0%B8%9F%E0%B8%A5%E0%B9%8C:Gray247.png





พัฒนาการของกระด ก แบงเปน 3 ระยะคอ

• 1.Growth เกดในชวงเดก และวัยร น เกดตามแนวยาวของกระดก ทาใหกระดกยาวขนและมความหนาแนนเพ มข น ความยาวจะหยดเม อมการปดของepiphyseal plate แตความหนาแนนจะยังคงเพ มข นจนถง peak bone

mass ในอาย ชวง 20-30 ป จงหยด

• 2.Bone modeling เปนการปรับเปล ยนรปรางเพ อตอบสนองตอการทาหนาท ของกระดกเหลานัน เกดมากในชวงวัยเดกและลดลงจนหยดเม อหยดgrowth

• 3.Bone remodeling เปนกระบวนการท เกดข นตลอดชวต มการ

ผลัดเปล ยนเนอกระดกทดแทนกันตลอดเวลา ในระดับไมโคร เพ อทาใหกระดกมสขภาพด และดารงความแขงแกรงของกระดกไว

2



กระด กแบงเปน 2 ชนด 1.Axial skeleton

กระดกกะโหลกศรษะ 29ช น

กระดกสันหลัง 26ช น ( ระหวางกระดกสันหลังแตละขอจะมแผนกระดกออนท เรยกวาหมอนรองกระดกทาหนาท รองรับและเช อมระหวางกระดก

สันหลังแตละขอเพ อป องกันการเสยดสในขณะเคล อนไหวกระดกซ โครง24ช น (ทั งหมด12ค ค ท 11 และ12 เปนซ สันๆไมเช อมตอ

กับกระดกหนาอกเรยกวา ซ โครงลอย)

กระดกหนาอก1ช น



• 2.Appendicular skeleton ไดแกกระดกแขน ขา ซ งเปนกระดกรปยาว กระดกสวนนประกอบดวยกระดกลักษณะ cortical

หรอ compact เปนสวนใหญ ยกเวนสวนปลายของกระดกรปยาวน จะมกระดกทัง trabecularและcortical ปะปน เปนกระดกท ย นจากกระดกแกนออกไปมทั งหมด126ช นประกอบดวย

• -

กระดกแขนขางละ30

ช น

• - กระดกขาขางละ30ช น

• - กระดกสะบักขางละ1ช น

•-

กระดกเชงกรานขางละ1ช น

• - กระดกไหปลาราขางละ1ช น



Types of Bones

1.Long Bones The classification body which is longer than it

is wide, with growth plates (epiphysis) at either

end,

Both ends of the bone are covered in hyaline

cartilage to help protect the bone and aid shock

absorption

The femurs, tibias, fibulas, humeri, radii,ulnas, metacarpals, metatarsals, phalanges, andclavicles



2.Short Bones

defined as being approximately as wide as they are long

primary function of providing support and stability with little movement

.the Carpals and Tarsals in the wrist and foot.

They consist of only a thin layer of compact, hard bone with cancellous

bone on the inside along with relatively large amounts of bone marrow.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/34/Illu_compact_spongy_bone.jpg



3.Flat Bones

the main function of providing protection to the bodies vital

organs and being a base for muscular attachment

the Scapula (shoulder blade). The Sternum (breast bone), Cranium

(skull), Pelvis and Ribs

Anterior and posterior surfaces are formed of compact bone to

provide strength for protection with the centre consisting of

cancellous (spongy) bone and varying amounts of bone marrow. In adults, the highest number of red blood cells are formed in flat

bones.



4.Irregular Bones

non-uniform shape. Good

examples of these are the Vertebrae,Sacrum and Mandible (lower jaw).



5.Sesamoid Bones

short or irregular bones, imbedded in a tendon.

The most obvious example of this is the Patella (knee

cap) which sits within the Patella or Quadriceps tendon.

Other Pisiform (smallest of the Carpals) and the two small

bones at the base of the 1st Metatarsal.

Sesamoid bones are usually present in a tendon where

it passes over a joint which serves to protect the tendon.



Bones as Components of Joints Classification of Joints

By Structure1.Fibrous joint โครงสรางท อย ระหวางกระดกเปนพวก fibrous tissue

2.Cartilagenous joint โครงสรางท อย ระหวางกระดกเปนกระดกออน3.Synovial joint โครงสรางท อย ระหวางกระดกเปน synovial

membrane และ synovial fluid



(Fibrous joints=ขอตอแบบเสนใย) เช อมตดกันโดยเนอเย อเก ยวพันชนดหนาแนน (dense connective tissue) ซ งทาใหขอตอชนดนเคล อนไหวไมได และไมม joint capsule

(Sutures) =Skull

(Syndesmosis) =Ulnars , Radiusกระดกจะยดกันดวยdense fibrous tissue ไดแก distal tibiofibular joint

(Gomphosis) =(maxilla,mandible)

http://th.wikipedia.org/w/index.php?title=%E0%B9%80%E0%B8%99%E0%B8%B7%E0%B9%89%E0%B8%AD%E0%B9%80%E0%B8%A2%E0%B8%B7%E0%B9%88%E0%B8%AD%E0%B9%80%E0%B8%81%E0%B8%B5%E0%B9%88%E0%B8%A2%E0%B8%A7%E0%B8%9E%E0%B8%B1%E0%B8%99%E0%B8%8A%E0%B8%99%E0%B8%B4%E0%B8%94%E0%B8%AB%E0%B8%99%E0%B8%B2%E0%B9%81%E0%B8%99%E0%B9%88%E0%B8%99&action=edit&redlink=1










(Cartilaginous joint) ขอตอแบบกระด กออนเช อมตดกันโดยมกระด กออนคั นอย ตรงกลาง

(Synchondrosis) เช อมกันดวยกระด กออนแบบไฮยาลน

(hyaline cartilage) เชนขอตอระหวางกระด กซ โครงกับกระด กอก

(Symphysis) เช อมกันดวยกระด กออนแบบเสนใย(Fibrocartilage) เชน(intervertebral discs)

http://th.wikipedia.org/w/index.php?title=%E0%B8%81%E0%B8%A3%E0%B8%B0%E0%B8%94%E0%B8%B9%E0%B8%81%E0%B8%AD%E0%B9%88%E0%B8%AD%E0%B8%99%E0%B9%81%E0%B8%9A%E0%B8%9A%E0%B9%84%E0%B8%AE%E0%B8%A2%E0%B8%B2%E0%B8%A5%E0%B8%B4%E0%B8%99&action=edit&redlink=1










(Synovial joint)

พบไดในเกอบทกขอตอของทังรยางคบนและรยางคลาง ไมไดมการเช อมตดตอกันของกระด กโดยตรงม joint capsule และ ligament

ทาหนาท ยดกระด กเขาดวยกัน และให ความแขงแรงกับขอตอ ม โครงสรางท เรยกวา แคปซ ลขอตอ (articular capsule) เปนตัวกลาง มของเหลวคอ ซนโนเวยล ฟล อด (synovial fluid) ท สรางจากเน อเย อโดยรอบ

แคปซ ลขอตอ ภายในขอตอ อาจมแผนกระด กออน articular disc หรอmeniscus ทาหนาท รับแรงกระแทก

http://th.wikipedia.org/w/index.php?title=%E0%B9%81%E0%B8%84%E0%B8%9B%E0%B8%8B%E0%B8%B9%E0%B8%A5%E0%B8%82%E0%B9%89%E0%B8%AD%E0%B8%95%E0%B9%88%E0%B8%AD&action=edit&redlink=1



http://th.wikipedia.org/wiki/%E0%B9%84%E0%B8%9F%E0%B8%A5%E0%B9%8C:Gray300.png




By function

แบงตาม degree of movement แบงไดเปน 3 ชนด1. Synarthrosis เปนขอตอทเคล อนไหวไมได

2. Amphiarthrosis เปนขอตอทเคล อนไหวไดเลกนอย

3. Diarthrosisเปนขอตอทเคล อนไหวไดอยางอสระ

(Di h i )



(Diarthrosis) Joint Type Movement at joint Examples Structure

Hinge

ขอตอแบบบานพับ

Flexion/Extension Elbow/Knee Hinge joint

Pivot ขอตอแบบ

เดอย

Rotation of one bone

around another

Top of the neck(atlas and axis bones)

Pivot Joint



Joint Type Movement at joint Examples Structure

Socket

ขอตอแบบเบา

-มความอสระในการเคล อนไหวสงท สด

-มโอกาสเล อนหลดไดงาย

Flexion/Extension/Ad

duction/

Abduction/Internal &External Rotation

Shoulder/Hip Ball and socket joint

Saddle

ขอตอแบบอานมา Flexion/Extension/Ad

duction/

Abduction/Circumduc

tion

CMC joint of the

thumb

Saddle joint



Joint Type Movement at joint Examples Structure

Condyloid

ขอตอแบบวงร Flexion/Extension/Adduction

/

Abduction/Circumduction

Wrist/MCP & MTP

joints

Condyloid joint

Gliding ขอตอแบบเล อน

Gliding movements Intercarpal joints Gliding joint

http://th.wikipedia.org/w/index.php?title=%E0%B8%82%E0%B9%89%E0%B8%AD%E0%B8%95%E0%B9%88%E0%B8%AD%E0%B9%81%E0%B8%9A%E0%B8%9A%E0%B8%A7%E0%B8%87%E0%B8%A3%E0%B8%B5&action=edit&redlink=1

http://th.wikipedia.org/w/index.php?title=%E0%B8%82%E0%B9%89%E0%B8%AD%E0%B8%95%E0%B9%88%E0%B8%AD%E0%B9%81%E0%B8%9A%E0%B8%9A%E0%B8%A7%E0%B8%87%E0%B8%A3%E0%B8%B5&action=edit&redlink=1





เสนใยในเอนกลามเน อ (tendon) VS เอนกระดก (ligament)

• ลกาเมนต (ligament) คอ “เอนกระดก”เพราะลกาเมนตมโครงสราง

ทั งหมดทาหนาท เช อมตอกระดก• สวนเอน (tendon) นั นจะหมายถงเอนกลามเนอ เพราะทาหนาท

เช อมตอหรอยดกลามเนอเขากับกระดกเพ อสงผานแรงท เกดจากการ

ทางานของกลามเนอ



Biomechanics of the Spine

ชวกลศาสตรของกระด กคอ (Biomechanics of the cervical

spine)1.Occipitoatlanto axial complex

-ขอตอระหวางทายทอย(occiput)และกระดกคอปลองท 1 เปนรปเวา

โคงรๆ เหมอนถวย(cup-shaped)-ทาใหการเคล อนไหวในลักษณะบดหมน (rotation) เปนไปไดยาก -

การเคล อนไหวสวนใหญทาไดเพยงกมและเงยศรษะ

(flexion/extension) เทานัน



2.Lower cervical spine (C3-C7)

• ความยดหยนของ intervetebral disc และรปรางของ facet

joints เปนตัวกาหนดในการบังคับการเคล อนไหวของกระดกคอในชวงน

• (Facet joint) ทาหนาท เหมอนจดหมนของกระดกสันหลังในทา

กมเงย และหมนตัว จะมการขยับของขอ Facet น ตลอดเวลา กรณมการ

เส อมของขอ

Facet น ผ ป วยมักจะมอาการ ปวดหลังเปนประจา



• การเคล อนไหวของกระดกคอในชวงนจะเคล อนไปในแนว flexion,

extension, lateral bending และ rotation ในเดก

กระดกคอในแตละปลองจะเคล อนไหวไดมากกวาผ ใหญ

ชวกลศาสตรของกระดกเอว



ชวกลศาสตรของกระด กเอว(Biomechanics of the lumbar spine)

ขนาดของ lumbar spine จะใหญทังในดานความสงและความกวางมากกวา thoracic และ cervical spine เน องจากทาหนาท รับน าหนักลาตัวมากกวาสวนบนๆ

การเคล อนไหวถกบังคับไปตามแนวผวของ facet joints ซ งอย ในแนวตังตรงตาม Sagittal plane การกมหลังและเงยหลัง(flexion/extension) กระทาไดมากกวาชวง thoracic

spine

การเคล อนไหวในแนวนเพ มข นเร อยจากปลองบนลงลางเพ มข นจาก 12

องศาท ปลองบนๆ มาเปน 20 องศาท ระดับ L-S spine



การก มหลังในช วง 0o ถง 60o เก ดจากการงอของ lumbar spineเม อก มหลังมากกว า 60o ส วนใหญ เก ดข นท กระดกเชงกรานเอยงไปขางหนา



• ในทากมหลังลงจะเกดแรงบดหมน (bending moment) กระทาตอlumbar spine อันเกดจากนาหนักตัวท อย เหนอขนไป (W) โดยม

lever arm (Lw) ตั งแตจดก งกลางของ lumbar spine ถงแนวแรงนาหนักตัวท ตกลงตามแนวด งทาใหเกดแรงกดไปบนหมอนรองกระดกสันหลัง และหมอนรองกระดกสันหลังโปงย นออกไปทางดานหนาท ถกกด(compression) และจะถกยดออกทางดานหลัง (tension)



ภาพแสดงถงน าหนักตัวท ผาน L3 disc ในอรยาบถตางๆ กัน เปรยบเทยบกับทายนตรง ซ งมนาหนักตัวผาน L3 disc เทากับ 100% ของนาหนักตัว

Biomechanics of Shoulder, elbow, and wrist



Biomechanics of Shoulder, elbow, and wrist

• Shoulder, elbow, and wrist

h ld

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/49/Human_arm_bones_diagram.svg



Shoulder

• Shoulder forward flexion = zero to 180 degrees.

• Shoulder abduction = zero to 180 degrees.• Shoulder external rotation = zero to 90 degrees.

• Shoulder internal rotation = zero to 90 degrees



ไ



การบาดเจบของหัวไหล

การบาดเจบของกล มกลามเนอรอบหัวไหล กล มกลามเน อรอบหัวไหล หรอ

Rotatorcuff ั เปนกล มของกลามเน อและเอนกลามเน อท อย รอบๆบรเวณของไหล อาการอักเสบ ปวดจากการฉกขาดหรอเคลดท บรเวณรอบขอไหล อาจเก ดจากท าทางท ไม ถกตอง การลมกระแทก การยกของ หรอการทาก จกรรมซ าๆ



Elbow Anatomy

Elbow flexion = zero to 145 degrees.

Forearm supination = zero to 85 degrees.

Forearm pronation = zero to 80 degrees



Medial Elbow Injuries – The Ulnar CollateralLigament

M di l Elb I j i Th Ul



Medial Elbow Injuries – The UlnarCollateral Ligament



the ulnar collateral ligament –or"UCL“ - pulls the forearm forward with the rotating upper arm

When improper mechanics are used or arm muscles become fatigued, the load placed on the

UCL may be increased to more than it can withstand, causing small "micro"-tears in the UCL.

Microtears in muscles or ligaments can heal when given enough recovery time



Golfer’selbow การบาดเจบของ Golfer’selbow (การอักเสบดานในของขอศอก) ส วนใหญ เก ดบรเวณเอนกลามเน อของแขนส วนล างท ตดอย ก ับบรเวณกระดกทางดานในของขอศอก(medial epicondyle)ในทางตรงขามการบาดเจบของ tennis elbow มักพบบรเวณกระดกทางดานนอกของขอศอก(lateral epicondyle)



กลไกของอาการบาดเจบนคอ

1. เก ดจากการใชงานอย างต อเน อง และหักโหมเก นไปของSuperficial extensor

muscles ของ forearmsเช นนการตเทนนสแบบ back-hand หรอการทางานทตองใช

กลามเน อส วนน 2. เก ดจาก lateral epicondyle ไดรับบาดเจบโดยตรงจากก จกรรมต างๆ

W i t Bi h i



Wrist Biomechanics

• Wrist dorsi flexion (extension) = zero to 70

degrees.

• Wrist plantar flexion = zero to 80 degrees.

• Wrist radial deviation = zero to 20 degrees

• Wrist ulnar deviation = zero to 45 degrees

i i i j



Tennis Wrist injury

Overuse injuries of the wrist are tendinitis, nerveconditions

“carpal tunnel syndrome”



These symptoms can be evident when

driving, holding newspapers

Carpal tunnel is defined by compression of

the median nerve at the level of the wrist(help

you bend your fingers)



DeQuervain's Syndrome: Also known as

"washerwoman's sprain

this syndrome can be a product of overuse

rapid, repetitive movements of the thumb

and wrist

Fractures



Fractures

Common types of hand and wrist fractures include Distal Radial

Fracture, Smith's Fracture, and Scaphoid Fracture

an outstretched hand or on to the back of the hand

Hi Bi h i



Hip -Biomechanics

Forces across hip joint combination of:

– Body weight

– Ground reaction forces

– Abductor muscle forces



HIP ANGLES OF DAILY ACTIVITY



HIP ANGLES OF DAILY ACTIVITY

Hip range of motion:



p g(Movement of femur as it rotates in the acetabulum.)

• Flexion = 0 to 125 degrees

• Extension = 0 to 30 degrees.

• Adduction = 0 to 25 degrees.

• Abduction = 0 to 45 degrees.

• External rotation = 0 to 60 degrees.• Internal rotation = 0 to 40 degrees



Knee joint

• Flexion = 0 to 140 degrees.• Extension - zero degrees = full extension.

Knee ขอเขา



Knee ขอเขา • ประกอบดวย กระด กฟ เมอร (Femur) กระด กทเบย (Tibia) กระด กสะบาดานหนา

ขอเขา (Patella)

• บรเวณท กระด กทัง 3ช น สัมผัสกั นจะมผวขอซ งเป นกระด กออน(Articularcartilage)คลมอย และภายในขอคล มดวยเย อบขอ (Synovial membrane)

ระหวางผวขอกระด กฟเมอรและกระด กทเบย • หมอนรองขอเขาร ปรางคลายตัวC รองอย ทังดานนอกและดานในซ งทาหนาท ชวยลดแรง

กระแทรกบนผวขอเขา และชวยเสรมความแขงแรงของขอเขา และชวยใหนาหลอล นขอเขาไปเคลอบผวขอไดดข น





เอนเขาดานนอก, ดานใน ชวยป องกันไมใหเขาหลวม เอยงไปดานขาง เอนไขวหนา ป องกันไมใหเขาหลวม เล อนไปดานหนา เอนไขวหลัง ป องกันไมใหเขาหลวม เล อนตกไปดานหลัง







Ankle range of motion

• Pronation

Abduction, dorsiflexion, eversion

• Supination

Adduction, plantarflexion, inversion

dorsiflexion is 0 to 20 degrees; plantar flexion is0 to 45 degrees.





การบาดเจบของขอเทา



การบาดเจบของขอเทา 1.lateral ankle sprain

การบาดเจบทเกดกับ lateral ankle ligaments : lateral angle ligaments ประกอบดวย ligament ท



การบาดเจบท เกดกบ lateral ankle ligaments : lateral angle ligaments ประกอบดวย ligament ท สาคัญ 3 กล มคอ1. Anterior talofibular ligaments

2. Caleaneofibular ligaments3. Posterior talofibular ligament

ในกล มน anterior talofibular ligament มความแขงแรงนอยท สดและเปนตัวปองก ันการเก ดanterior subluxation ของ talus เม อขอเทาอย ในท า planter flexion

การบาดเจบต อ ligament น จะเก ดข นเม อขอเทาอย ในท า inversion

ภาวะฉกขาดของ Achilis tendon (Achilles



ภาวะฉกขาดของ Achilis tendon (Achilles

tendon ruptures)

-

ส วนใหญ เก ดจาก Overuse injuries

จดม งหมายการรักษาภาวะ Achilles

tendon ฉกขาดคอการแก ไขใหการทางาน

gastrochemius – soleus complex ใหกลบัคนส ภาวะปรกตซ งประกอบดวย 2 ปัจจัยสาคญัคอ

ทาใหมความยาวของกลามเน อท เหมาะสมและ

มความตง (tension)ท ใกลเคยงก ับปกต



Planes



Planes



• Sagittal Plane Movements (bilateral axis)1. Flexion – joint angle increases*.

2. Extension – joint angle decreases*

3. Hyperextension – continued extension beyond starting position.

• Frontal Plane Movements (anteroposterior axis)1. Abduction – movement away from midline of the body

2. Adduction – movement toward midline of the body

3. Lateral Flexion – lateral bending of trunk or head

• Transverse Plane Movements (vertical axis)1. Rotation# – anterior aspect turns left or right.

2. Supination – outward rotation of forearm

3. Pronation – inward rotation of forearm

#the shoulder can rotate in all three planes

Fundamental movements:

A i f R t ti



Axis of Rotation



Standard Reference Terminology

Anatomical Reference Axes

• An imaginary axis of rotation that passes

through a joint to which it is attached

– Mediolateral or frontal axis

– Anterioposterior or sagittal axis

– Longitudinal axis





2-5

J i M T i l



Joint Movement Terminology

• In anatomical position, all body segments are

considered to be positioned at zero degrees.

– Sagittal Plane Movements

– Frontal Plane Movements

– Transverse Plane Movements

• Other Movements

S i l l



2-6

Sagittal plane movements

F l Pl M



2-8

Frontal Plane Movements

T Pl M t



2-13

Transverse Plane Movements

Oth M t



2-16

Other Movements



2-19

S ti l R f S t



Spatial Reference Systems

• Used to standardize the measurements taken

Cartesian Coordinate system

• Movements primarily in a single direction, or

planar, can be analyzed using a two-

dimensional Cartesian

– X (horizontal) direction

– Y (vertical) direction

• 3-dimensional by adding a z-axis

C t i C di t S t



Cartesian Coordinate System





Positional Reference Systems



Positional Reference Systems

These are designed to identify location

or position

1. Anatomical2. Linear

3. Angular (rotational or radial)

Directional Terms Used in



Describing Anatomy

• SUPERIOR – Directed upwards or towards thehead

• INFERIOR – Directed downwards or towards

the feet

• ANTERIOR – Directed towards the front of the

body

• POSTERIOR – Directed towards the back of thebody



Serratus Anterior



Serratus Anterior

Serratus Posterior

Superior



Serratus Anterior

Serratus Posterior

Superior

Serratus Posterior

Inferior

Directional Terms Used in



Describing Anatomy

• MEDIAL – Nearer the midline of the body

• LATERAL – Farther from the midline of the body

• PROXIMAL – Nearer to the attachment of a limb to

the trunk• DISTAL – Farther from the attachment of the limb to

the trunk

• SUPERFICIAL – Located on or near the surface of the

body

• DEEP – Away from the surface of the body

The Anatomical Position



The Anatomical Position

The position of reference forall movements.

Also called the standing

supine position

Cardinal Planes of



Cardinal Planes of

the Body

1. Sagittal – Divides

the body into left

and right halves.

2. Frontal – Divides

the body into front

and back halves.

3. Transverse –

Divides the body

into top and

bottom halves.

Sagittal Plane Movements



(Forward & Backward Movements)

• Whole Body – Forward and backwardmovement such as front or back flips

• Segmental

– Flexion

– Extension

– Hyperextension

– Dorsiflexion

– Plantar flexion Ankle



Back flips andfront flips are

whole body

sagittal planemovements.



For a

cyclist, the

leg

movements

occur in the

sagittal

plane.

Forward and



Forward and

backward

movements atspecific joints

such as the

shoulder andankle are sagittal

plane

movements.





(Sideward & Vertical Movements)

• Whole Body – Sideward movement as seen

in sideward cartwheels




(Sideward & Vertical Movements)• Segmental

– Abduction

– Adduction

– Lateral flexion – Elevation and depression of the shoulder girdle

(or scapula)

– Upward and downward rotation of theshoulder girdle (or scapula)

– Radial deviation

– Ulnar deviationWrist



Hip abduction andadduction.

Ulnar and radial

Deviation.



Elevation and depression of the

shoulder girdle.



Lateral flexion of the trunk.





(Horizontal Movement)

• Whole Body –

Horizontal

movement orrotation as in a

skater’s or dancer's

pirouette.





(Rotation Around a Vertical Axis)

• Segmental

– Medial (inward) rotation

– Lateral (outward) rotation

– Left / right rotation of the trunk, neck, or head – Supination - forearm

– Pronation – forearm

– Horizontal abduction (transverse flexion)

– Horizontal adduction (transverse extension) – Pronation of subtalar joint – abduction + eversion

– Supination of subtalar joint – adduction + inversion



Horizontaladduction and

abduction are

segmentaltransverse plane

movements.

Cardinal Axes of the Body



(Axes is plural for axis.)

• X-Axis (Transverse, Mediolateral, Frontal, orBreadth Axis)

•Y-Axis (Longitudinal, Vertical, or Length Axis)

• Z-Axis (Anteroposterior, Sagittal, or Depth Axis)

Movement, both whole body and segmental, takes

place in the cardinal planes and around thecardinal axes.

The ellipse represents



The ellipse represents

the transverse plane and

the black line representsthe Y-axis. (The plane is

like a record turntable

and the axis is like the

spindle that holds therecord in place.) The Y-

axis is perpendicular to

the transverse plane.

Therefore a point whichrotates around the Y-axis

will move in the

transverse plane.

Transverse

Plane

Y-axis



Y-Axis



Y Axis

• Passes from top to bottom.

• Rotation in the transverse plane takes place

around the y-axis.

Z-Axis



• Passes from front to back.

• Rotation in the frontal plane takes placearound the z-axis.

Y AxisThe cardinal axes



Z Axis

X Axis

Center of Gravitylie at the

intersection of thecardinal planes.

The cardinal

planes and axes

all intersect atthe center of

gravity (c-g).







Documents

40722461 Musculoskeletal Biomechanics