Muskuu audu biomehnika Dr habil biomeh I Adamovia

Muskuļu audu biomehānika Dr. habil. biomeh. I. Adamoviča

Muskuļu audu biomehānika Cilvēka organismā muskuļiem ir svarīga loma. Ar muskuļu palīdzību cilvēks pārvieto ķermeni telpā. Muskuļi nodrošina asins kustību, gaisa kustību elpošanas ceļos un daudzus citus dzīvei svarīgus procesus. Muskuļaudu galvenā funkcija ir saraušanās, tie ir specializēti audi. Pašlaik ir daudz ziņu par muskuļiem, kurus var klasificēt šādi: muskuļu šķiedru struktūra; muskuļu bioķīmija; muskuļu enerģētika; muskuļu saraušanās teorija. Šīs ziņas raksturo muskuļu audus dažādos aspektos.

Muskuļu funkcijas Kustību funkcija. Ekstremitāšu šķērssvītrotajam muskulim sasprindzinoties tiek izmainīts kaulu stāvoklis locītavā, un rodas kustība. Gludajai muskulatūrai sasprindzinoties, izmainās gremošanas, urīnceļu, dzimumceļu diametrs un to saturs tiek bīdīts uz priekšu. Sirds muskulis sasprindzinoties saspiež asinis, rada asins priekšspiedienu, izgrūž tās no sirds, tādejādi piedaloties asins cirkulācijas nodrošināšanā. Balsta funkcija. Šķērssvītrotā muskulatūra piedalās ķermeņa ārējā skeleta un formas veidošanā. Aizsargfunkcija. Vēderpreses muskuļi amortizē triecienu tā pasargājot vēderdobuma orgānus. Kakla muskulatūra aizsargā kaklā esošos asinsvadus.

Muskuļu funkcijas Elpošanas funkcija. Ribstarpu ārējā un iekšējā muskulatūra un diafragma, sasprindzinoties un izmainot krūšu kurvja tilpumu, nodrošina elpošanu. Termoregulācijas funkcija. Muskuļtipa kustība ir vissarežģītākais kustību veids organismā, bet enerģētiskā ziņā, tās lietderības koeficients nepārsniedz 30%. Pārējā enerģija pārvēršas siltumā. Citu orgānu darbības veicināšanas funkcija. Vēderpreses muskuļu sasprindzināšanās veicina zarnu peristaltiku. Vēnu masāža.

Muskuļu šķiedru struktūra Cilvēka organismā ir trīs veidu muskuļi: skeleta (šķērsvītrotie) gludie muskuļi sirds muskulis No latīņu valodas musculus "pelīte"

Skeleta muskulatūra Skeleta muskulatūru veido visi muskuļi, kas saistīti ar skeletu. Šo muskuļu kontrakcija rada spēku, kas: notur ķermeni vajadzīgajā stāvoklī; nodrošina kustību vienai ķermeņa daļai pret otru; nodrošina ķermeņa pārvietošanos telpā.

Skeleta muskulatūra Cilvēka ķermenī ir apmēram 430 skeleta muskuļi. Viņu svars sastāda 35 50% no ķermeņa svara.

Skeleta muskulatūra Muskuļu svars ? muskuļu masa ˃107 kg

Muskuļa uzbūve Muskulis sastāv no kūlīšiem ar paralēlām šķiedrām. Katras muskuļu šķiedras diametrs ir no 10 līdz 100 mikroniem un garums – līdz 10 15 cm. Katrā muskuļu šķiedrā atrodas 1000 2000 un vairāk diegu, kurus sauc miofibrillas (diametrs no 0, 5 līdz 3 mikroniem).

Muskuļa uzbūve Katrai šķiedrai ir: • apvalks sarkolemma, • daudz (pāri par 100) kodolu (perifērijā tūlīt zem sarkolemmas), • citoplazma sarkoplazma ar organoīdiem un miofibrillām.

Muskuļa saistaudi Saistaudi ir ļoti svarīgs muskuļu komponents. Aptver katru muskuļa šķiedru, šķiedru kūlīti un pašu muskuli. No ārpuses muskuli pārklāj epimiziums (1), kurš sastāv no blīviem saistaudiem. No epimiziuma iekšējās virsmas muskuļa dziļumā atiet smalki, sazaroti saistaudu pavedieni, kuri veido perimiziumu (2). Ar perimiziumu (2) aptverts katrs atsevišķs kūlītis. Muskuļu šķiedru kūlīša šķērsgriezums

Muskuļa saistaudi No perimiziuma kārtas, kas aptver šķiedru kūlīšus, uz iekšpusi atiet vēl smalkāki saistaudu pavedieni – endomiziums (3), kas muskuļa šķiedras atdala vienu no otras. Ar endomiziumu (3) aptverti muskuļa šķiedras. Muskuļa saistaudi sastāv no kolagēna un dažām elastīna šķiedrām. Atkarībā no muskuļa tipa, saistaudu kolagēns var sastādīt 3 līdz 30% no visa olbaltuma, ko satur muskulis. Muskuļu šķiedru kūlīša šķērsgriezums

Miofibrillas uzbūve Katrā miofibrillā (atrodas muskuļu šķiedrā ) ir tumšāki un gaišāki segmenti diski, kas pamīšus seko cits citam. Gaišie un tumšie diski blakus esošās miofibrillās atrodas vienādā līmenī un rada muskuļšķiedrā šķērssvītras. Katra miofibrilla ar Z membrānas palīdzību sadalīta 20000 daliņās – sarkomēros. Sarkomērs ir muskuļa vismazākā daliņa, kura spēj sarauties.

Miofibrillas uzbūve Starp Z membrānām atrodas divu tipu paralēli novietoti pavedieni: resnie (diametrs 0, 01 mkm), kuri sastāv no olbaltumvielas miozīna; tievie (diametrs 0, 005 mkm) no olbaltumvielas aktīna.

Slīdošo diegu saraušanās teorija Sarkomēram aktivizējoties, aktīna un miozīna diegi saķeras ar šķērstiltiņu (miozīna molekulu elementiem, kuros ir sprieguma ģeneratori) palīdzību. Diegu režģi slīd un iebīdās viens otrā un notiek šķiedras saraušanās (slīdošo diegu modelis).

Slīdošo diegu saraušanās teorija Katrs sarkomērs var saīsināties pat līdz 20% no sava sākuma garuma, t. i. 0, 5 mkm. Tiltiņi, sarkomēram saraujoties, daudzkārt piestiprinās, ģenerē spēku, saliecas, pārstumj diegu gar diegu un beigās atvienojas. Viena cikla laikā tiltiņa darbs sastādā 10 12 N·m. Enerģiju tiltiņam atjauno ATF.

Slīdošo diegu saraušanās teorija Muskuļu saraušanās spēju nodrošina ķīmiskie procesi – mehāniski-ķīmiskās reakcijas, kad ķīmiskā enerģija pārvēršas par mehānisko. Šķiedras saraušanās sākums ir saistīts ar dažu vielu, kuras aktivizē mehāno ķīmiskās reakcijas, iekļūšanu miofibrillās. Galvenā loma te pieder Ca⁺⁺ joniem. Saraušanās pārtraukšanu izsauc Ca⁺⁺ jonu atsūknēšana no miofibrillas. Miofibrilla gaismas mikroskopā (pie dažādiem sarkomēra garumiem).

Sirds šķērssvītrotā muskulatūra Sirds muskuli jeb miokardu veido sirds šķērssvītrotā muskulatūra. Tā būtiski atšķiras no skeleta šķērssvītrotās muskulatūras. Abu veidu muskuļaudiem gan ir vienāda miofibrillu uzbūve un līdz ar to arī šķērssvītrojums, taču sirds muskuļiem ir šūnu uzbūve. Šūnas sauc par kardiomiocītiem, tās saistās savā starpā un veido muskuļu šķiedru tīklu jeb sincītiju. Sirds muskulis

Sirds šķērssvītrotā muskulatūra Šāda sirds muskuļaudu tīklveida uzbūve nodrošina kambaru vai priekškambaru vienlaicīgu saraušanos, kas neatkarīgi no cilvēka gribas notiek ritmiski visu mūžu. Saraušanās kardiomiocītos notiek tāpat kā skeleta muskulatūrā. Bet ir sava vadīšanas sistēma. Sirds muskulatūras saraušanās ir toniska, to inervē veģetatīvā nervu sistēma. Sirds muskulis 1, 2 kardiomiocīti

Gludie muskuļaudi Gludiem muskuļiem nav sakārtots saraušanās olbaltumvielu izvietojums un tiem ir mazāka izmēra šķiedras (d = 4 8 mkm), garums līdz 500 mkm. Gludie muskuļi atrodas gremošanas, elpošanas un uroģenitālo orgānu sienās, asinsvadu, limfvadu sienās un ādā. 1 miocīts; 2 miofibrillas sarkoplazmā; 3 miocīta kodols; 4 sarlolemma; 5 endomīzijs; 6 nervs; 7 kapilārs.

Gludie muskuļaudi Iegarenas šūnas – mioblasti, kurās sāk veidoties miofibrillas. Mioblasti dalās, diferencējas un pārvēršas gludajos miocītos. Šūnas centrā atrodas kodols, perifērijā miofibrillas, kas iet paralēli šūnas gareniskajai asij no viena gala līdz otram.

Gludie muskuļaudi Gludie miocīti visbiežāk ir vārpstveida, bet ir arī zaroti. Garums dažāds. Šūnas parasti ir tuvu citai un veido muskuļkārtu. Uzbudinājums no šūnas uz šūnu pāriet kontakta vietās. Gludie muskuļi strādā lēni un gandrīz nepārtraukti, veic lēnas un vienveidīgas kustības. Tos nevar kontrolēt ar gribas spēku un to inervē veģetatīvā nervu sistēma.

Muskuļu klasifikācija Muskuļus atšķir pēc: piederības noteiktiem orgāniem (sirds, asinsvadu, barības vadu utt); pēc atbildes ātruma uz kairinātāja signālu (ātrie, lēnie); saistošā skābekli olbaltumvielu pigmenta esamība (sarkanās un baltās šķiedras) u. c. Tomēr visi viņi darbojas pēc viena principa un tiem ir līdzīgs ķīmiskais sastāvs (ūdens ~ 75%, olbaltumvielas ~ 20%, ATF ~ 0, 4%).

Pamateksperimenti ar muskuļiem L. Galvani pierādīja, ka gan muskulis, gan nervs ir spējīgi aktīvi vadīt elektrisko strāvu. Eksperimenti uz vardes drēbniekmuskuli.

Pamateksperimenti ar muskuļiem Muskuļu šķiedru kūļa vai šķiedru saraušanās aktivitātes ārējā izpausme ir: ja muskuļa garums fiksēts – veidojas spēks; ja slodze ir fiksēta notiek saīsinājums. Tāpēc eksperimenti ar muskuļiem tiek veikti divos režīmos: izometriskajā (l=const); izotoniskajā (P=const).

Pamateksperimenti ar muskuļiem Izotoniskais režīms – muskulis saraujas zem pastavīgas slodzes. Izometriskais režīms – muskuļa garums fiksēts. Muskulis saraujas vietās, kur tas ir piestiprināts. Attīstās spriegums. Muskuli uzbudina ne caur nervu, bet izvietojot lielus elektrodus tieši uz tā virsmas. Eksperimentālā iekārta muskuļu saraušanās pētīšanai

Atsevišķs uzbudinājums Uzbudinājumu ģenerē viens atsevišķs signāls, kā atbilde parādās viena saraušanās. Šādai kontrakcijai izšķir sekojošas secīgas fāzes: latento periodu periods no stimulācijas momenta līdz muskuļa saraušanās sākumam; saraušanās fāzi tās laikā muskulis attīsta aktīvu spēku un saīsinās (ja tiek pārvarēta ārējā pretestība);

Atsevišķs uzbudinājums atslābšanas fāze tās laikā muskulis vairs neattīsta aktīvu spēku un muskulī notiek atjaunošanās procesi. Atsevišķas kontrakcijas ilgums: “lēnajām” šķiedrām ir ~100 ms, “ātrajām” šķiedrām ir ~ 7 ms.

Atsevišķs uzbudinājums Izometriskais režīms Izotoniskais režīms

Uzbudinājums ar zemu frekvenci. Muskulis saņem vairākus secīgus stimulus, un katrs nākošais no tiem darbojas jau tad, kad iepriekšējā stimula izraisītā kontrakcija vēl nav beigusies. Kontrakciju summācija atsevišķu kontrakciju saplūšana. Ja signālu frekvence ir tāda, kā ir atbilde uz katru atsevišķu signālu, tad šo stāvokli sauc par zobainu tetānusu. Zobainais tetānuss. Katrs nākamais stimuls darbojas iepriekšējās kontrakcijas atslabšanas fāzē.

Periodiskais uzbudinājums ar augstu frekvenci. Ja katrs nākamais stimuls darbojas iepriekšējās kontrakcijas saraušanās fāzē, veidojas t. s. gludais tetānuss. Tāds uzbudinājums dod praktiski stacionāru stāvokli (pie tam katrs signāls nonāk pie muskuļa, kurš atrodas saraušanās režīmā). Gludais tetānuss

Izstiepšana ar pastāvīgu ātrumu Atbrīvošana ar pastāvīgu ātrumu

Režīmu pārslēgšana ar lielu ātrumu

Eksperimenti ar muskuļiem notiek apstākļos: spēks darbojas gareniskā virzienā, kurš sakrīt ar šķiedru virzienu. Eksperimenti ar izometrisko saraušanos dažāda garuma muskuļiem rāda, ka spēks, kuru attīsta muskulis, ir maksimālais pie noteikta garuma, kurš ir apmēram 1, 5 L 0, (L 0 ir nenoslogota pasīvā parauga garums). Muskuļa garums, pie kura attīstās maksimālais izometriskais spriegums, kalpo kā fundamentāls muskuļa raksturojums.

Muskuļu modeļi Fenomenoloģiskais modelis (Hills, 1938. g. ). Apraksta muskuļa makroapjoma uzvedību. Noteicošie parametri nav saistīti ar mikroskopisko struktūru. Hilla modelī muskulis ir aprakstīts, kā viskozi elastīgs ķermenis ar saraušanās elementu.

Hilla vienādojums Hilla eksperimenti: Muskuļu uzvedības analīze pie pārslēgšanās no izometriska uz izotonisko režīmu, paceļot svaru. Hilla vienādojums nosakarību starp muskuļa spēku (P) un muskuļa saīsināšanas ātrumu (v): (P+a)v= b(P 0 - P), vai v = b(P 0 P)/(P+a), kur: a koeficients (mērvienība spēks) b koeficients (mērvienība – ātrums) P 0 maksimālais spēks, kuru attīsta muskulis izotoniskā režimā.

Hilla vienādojums No vienādojuma redzams, ka muskuļa uzvedība ir atkarīga no spēka P. Piemērām: P=0 vmax = P 0 b/a muskuļa saīsināšanās ātrums – max. P=P 0 v = 0 muskuļa saraušanās nenotiek. Muskuļu jauda W = Pv. W max. , kad P = (0, 3÷ 0, 4)P 0. Muskuļa lietderības koeficients var sasniegt 40%.

Muskuļu spēks Pastāv cieša sakarība starp muskuļu šķērsgriezuma laukumu un tā maksimālo izometrisko spēku. Viena muskuļu šķiedra vidēji var attīstīt 100 - 200 mg lielu vilkmes spēku. Jo vairāk muskulī šķiedru, jo lielāku spēku tas spēj attīstīt. Netrenētiem vīriešiem un sievietēm muskuļu spēks uz vienu šķērsgriezuma laukuma vienību ir apmēram vienāds un svārstās robežās no 30 - 50 N/cm 2. Atsevišķu muskuļu absolūtais spēks var būt ievērojami lielāks: ikru muskulim 59 N/cm 2, augšdelma divgalvainajam muskulim 114 N/cm 2, augšdelma trīsgalvainajam muskulim 168 N/cm 2. Treniņa rezultātā palielinās gan muskuļa šķērsgriezuma laukums, gan spēka lielums uz šķērsgriezuma laukuma vienību.

Muskuļu spēks Apakšstilba muskuļu summārais fizioloģiskā šķērsgriezuma laukums sasniedz 70 cm 2, kopējais vilkmes spēks 6000 - 7000 N. Sumo cīkstoņiem, vieniem no visspēcīgākajiem starp sportistiem, augšstilba muskuļu kopējais šķērsgriezuma laukums pārsniedz 200 cm 2. Muskuļa šķērsgriezuma laukums atkarīgs no muskuļa garuma mērīšanas brīdī. Savukārt muskuļa garumu nosaka leņķi locītavās.

Skeleta muskuļu biomehāniskās īpašības Saraušanās – muskuļa spēja saīsināties kairinājuma dēļ, kā rezultātā veidojas vilkmes spēks. Konstatēts, ka pastāv kritiskais sarkomēra garuma lielums, pie kura tā radītais spēks samazinās līdz 0. Pirmais sarkomēra kritiskais garuma lielums ir 1. 27 mkm. Tas atbilst muskuļa maksimālam saīsinājumam. Šajā muskuļa stāvoklī diegu regulārais izvietojums ir izjaukts – tie izliecas.

Skeleta muskuļu biomehāniskās īpašības Saraušanās Otrs kritiskais garuma lielums ir 3. 65 mkm. Tas atbilst muskuļa maksimālam iestiepumam (resno un tievo filamentu pārklājuma nav). Pastāv galējais sarkomēra garuma lielums, pie kura tas tiek pārrauts. Tas ir 3. 60 mkm. Lai nenotiktu pārrāvums, pie muskuļu šķiedru iestiepšanas – aizsargfunkciju uzņemas savienojošais filaments – titīns. Pateicoties savām elastīgām īpašībām tas novērš sarkomēra pārmērīgu iestiepšanu.

Skeleta muskuļu biomehāniskās īpašības Saraušanās Ja sarkomēra garums lielāks par 1. 27 mkm un mazāks par 3. 65 mkm, spēka lielums atšķiras no nulles. Pie sarkomēra garuma 1. 67 – 2. 25 mkm, tas attīsta maksimālo spēku. Stingums – ķermeņa raksturojums, kas parāda tā pretošanos formas izmaiņai deformācijas ietekmē. Jo lielāks ķermeņa stingums, jo mazāk tas deformējas spēka ietekmē.

Skeleta muskuļu biomehāniskās īpašības Stingums Ķermeņa stingumu raksturo stinguma koeficients k. Elastības spēks muskulī nav tieši proporcionāls muskuļa pagarinājumam. Sākumā muskulis viegli padodas izstiepšanai, pēc tam pat pie nelielas pastiepšanas jāpieliek arvien lielāks spēks. Muskuļa stingums to izstiepjot pieaug. Muskuļa stingums aktīvā stāvoklī 4 5 reizes lielāks nekā muskuļa pasīvā stāvoklī. Stinguma koeficients variē no 2000 līdz 3000 N/m. Muskuļaudu Junga modulis E = 105 Pa, muskuļaudu blīvums – 1050 kg/mᶟ.

Skeleta muskuļu biomehāniskās īpašības Viskozitāte Tas ir muskuļa saraušanas aparāta īpašība. Muskuļu elastīgi viskozās īpašības saistītas ar temperatūras paaugstināšanos. Muskuļu iesildīšanas rezultātā muskuļu viskozitāte samazinās. Stiprība Muskuļa stiprības robeža tiek vērtēta kā stiepšanas spēks pie kura notiek pārrāvums.

Skeleta muskuļu biomehāniskās īpašības Stiprība Ir noteikts, ka stiprības robeža: miofibrillas 16÷ 25 KPa muskuli 0, 2÷ 0, 4 MPa fascijas 14 MPa cīpslas 40÷ 60 MPa. Relaksācija Muskuļu relaksācija – īpašība, kas ispaužas kā muskuļa spēka samazināšanās laika posmā pie tā nemainīga garuma. Lai vērtētu relaksāciju izmanto radītāju – relaksācijas ilgums (t).

Skeleta muskuļu biomehāniskās īpašības Cilvēka ķermenī pat atslābinātos muskuļos novērojams neliels spriegums, tāpēc, ka tie parasti ir nedaudz iestiepti. Vairumam muskuļu pie to maksimāla iestiepuma (locītava maksimāli saliekta vai iztaisnota) garums apmēram 20% lielāks par līdzsvara garumu. Muskuļa līdzsvara garums ir garums, kuru ieņem pasīvs muskulis, uz kuru neiedarbojas nekādi ārēji spēki un kura elastīgie spēki ir vienādi ar 0.

Pozas un kustību sajūta Lai varētu pareizi sasprindzināt muskuļus kustoties vai uzturot pozu, nepārtraukti ir jāpienāk informācijai no balsta un kustību aparāta. Pozas sajūta visu laiku apzināmies kaulu leņķi locītavā t. i. pozu. Mēs arī ar aizvērtām acīm atrodam ķermeņa punktus. Kustību sajūta izmainot locītavas pozu, mēs uztveram gan kustības virzienu, gan ātrumu. Proksimālās locītavās (novieto tas tuvāk ķermenim) izmaiņas jūt labāk kā distālajās (novietotas tālāk no ķermeņa). Spēka sajūta pateicoties tai, mēs uztveram muskuļa sasprindzinājuma pakāpi, uzturot pozu vai veicot kustību.

Pozas un kustību sajūta Reflektorajās kustību reakcijās piedalās receptori un proprioreceptori (īpaši veidoti jušanas nervu šķiedru gali, kuros kairinājuma enerģija pārveidojas nervu impulsā, ko jušanas nervu šķiedras aizvada uz CNS). Receptori atrodas locītavās, muskuļos, cīpslās, ādā: muskuļvārpstiņas receptori, receptori cīpslās, iekapsulētie nervu gali (Pačini ķermenīši), Rufīni ķermenīši, brīvie nervu gali.

Pozas un kustību sajūta Muskuļvārpstiņa ir sarežģīts un nozīmīgākais muskuļaudu sensorais orgāns, kas uztver muskuļšķiedru garuma pārmaiņas, un tai ir sava motoriskā inervācija. No receptoriem galvenā loma ir tieši muskuļvārpstiņām. Pačini ķermenīši reaģē uz spēcīgu kairinātāju (spiedienu). Tie atrodas lielā skaitā locītavu tuvumā un pie muskuļu un cīpslu apvalkiem. Ir saspiesti muskuļkontrakcijas laikā. Tie uzbudinās, deformējoties pie dziļa vai spēcīga spiediena. Ar to palīdzību notiek pasīvas kādas ķermeņa daļas kustības vai pozas uztveršana.

Pozas un kustību sajūta Rufīni ķermenīši ir iekapsulēti nervgali. Tie izkaisīti starp kolagēnām šķiedrām locītavu somiņās. Aktivējas, kustoties locītavām, tāpēc nozīmīgi locītavas pozīcijas un kustības izjūtā (pozīcijas jušana). Brīvie nervgali plaši izplatīti muskuļos, cīpslās, locītavās, fascijās un un saitēs un ir cieši saistīti ar audu asinsapgādes asinsvadiem. No visiem receptoriem informācija nonāk CNS, galvas smadzeņu talāma somatosensorā kodolā (ventrobazālais komplekss) un somatosensorā garozā.

Elektromiogrāfija Skeleta muskulatūras elektrisko potenciālu (biopotenciālu) reģistrēšana ar speciālu aparātu elektromiogrāfu. Iegūto līkni, kas ir skeleta muskulatūras summārās elektriskās aktivitātes pieraksts, sauc par elektromiogrammu (EMG). EMG pierakstei lieto divējādus elektrodus: ādas elektrodus, kurus nostiprina uz ādas virs pārbaudāmā muskuļa; adatveida elektrodus, kurus iedur muskulī. EMG līknē atspoguļojas kustības vienību jeb nervu un muskuļu vienību biopotenciālu svārstības.

Elektromiogrāfija Miera stāvoklī veselam cilvēkam ar ādas elektrodiem reģistrētajā EMG vērojamas ļoti retas nelielas svārstības, bet muskuļa darbības laikā — biežas (100— 200 reižu sekundē) neregulāras dažādas amplitūdas, formas un ilguma svārstības. EMG pieraksts. Ādas elektrodi. Pārbaudāmā muskuļa maksimālais sasprindzinājums.

Elektromiogrāfija Bioelektriskā potenciāla svārstību amplitūda un frekvence ir atkarīga no muskuļu darba veida un saraušanās intensitātes. Atkarībā no nervu un muskuļu bojājuma vietas un pakāpes EMG dažādi mainās bioelektrisko potenciālu svārstību sakārtojums, biežums un amplitūda. Elektromiogrāfiju plaši lieto dažādu (neiroloģisku, ortopēdisku u. c. ) slimību radītu kustību traucējumu izmeklēšanā.

Paldies par uzmanību!