Het bewegingsapparaat van de mens

Het bewegingsapparaat van de mens

Citation for published version (APA):

Oomens, C. W. J., & Sauren, A. A. H. J. (1986). Het bewegingsapparaat van de mens. (BMGT info; Vol. 24), (BMGT; Vol. 86.110). Projektburo voor Biomedische en Gezondheidstechnologie.

Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1986

Document Version:

Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.

• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.

• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.

Link to publication

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne

Take down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us at:

openaccess@tue.nl

providing details and we will investigate your claim.

~

Het bewegingsapparaat van de mens

.Biomedische en Gezondheidstechnologie

Technische Hogeschool Eindhoven

~8~

~~

~

-t:

ci

a

~

,...

I nhoudsopgave

Biomedische en Gezondheids-technologie: inleiding. 2 Het elleboogprojekt: 3 inleiding doelstellingen en werkwijze 4 Het knie-projekt: 5 inleiding probleemen doelstelling 6 werkwijze/meetopzet 6 toepassingen 8 Uteratuur 8 Kolofon 8

Biomedische en

Gezondheidstechnologie:

inleiding

Voor technologische kennis en vaardigheden zijn er vele toepassingsgebieden: de

gezondheidszorg bijvoorbeeld. Aan de Technische Hogeschool Eindho-ven besteedt men sinds het begin van de jaren '70 aandacht aan wat officieel wordt genoemd de biome-dische en gezondheidstechnologie (BMGT). Dit is een multidisciplinair toepassingsgebied tussen gezond-heidszorg en technologie waartoe men rekent: Aile aktiviteiten waarbij technologische en natuurkundige kennis en vaardigheden worden ge-bruikt en aangevuld v~~r probleem-stellingen uit de gezondheidszorg en biologie.

In zo'n twintig vakgroepen, verdeeld over aile afdelingen van de TH Eindhoven, zijn ongeveer 150 mede-werkers full- of part-time aktief in onderzoek en onderwijs op dit gebied. Dat kan zijn materialen-onderzoek t.b.v. nieuwe kunst-organen en -Iedematen, het ontwikkelen van nieuwe diagnos-tische, therapeutische of revalidatie-apparatuur, het ontwikkelen van organisatie-modellen voor instel-lingen voor gezondheidszorg, of puur fundamenteel onderzoek om meer inzicht te krijgen in de details die de werking van het menselijk lichaam bepalen. Kortom, er zijn legio aanknopingspunten tussen de technische disciplines en de gezondheidszorg.

Deze brochure beschrijft een deel 2

van de BMGT-gerichte aktiviteiten van de vakgroep fundamentele werktuigkunde (WFW) binnen de afdeling der Werktuigbouwkunde van de TH Eindhoven, die te vatten zijn onder het thema 'Het

bewegingsapparaat van de mens'. Andere onderzoekprojekten zijn: 1. artherosclerose, waarin onder-zocht wordt wat de effekten zijn van bloedvatvernauwingen op het stromingsgedrag van bloed en het vaatwandgedrag, om daarmee inzichten te krijgen die vroegtijdige opsporing van vaatvernauwingen mogelijk maken, en

2. het hartkleppenprojekt, waarin men onderzoek doet naar het funkti-oneren van de natuurlijke aorta-hartklep, om te komen tot ontwerp-specifikaties voor het on twerp van vliesklepprothesen en

3. het onderzoek naar het mecha-nisch gedrag van de hartwand bij een kloppend hart, waarmee beoogd wordt om het inzicht te vergroten in veranderende eigenschappen van de hartwand onder invloed van ziekte. Het totale BMGT -onderzoek aan de THE is ondergebracht in een drietal programma's: Technologie rond Vitale Funkties, het Ziekenhuis Rese-arch Projekt en Perceptieve

Informatieverwerking in wissel-werking met apparatuur en pro-grammatuur.

Het BMGT-onderwijs aan de THE bestaat uit een dertigtal

medisch-technische keuzevakken verzorgd door de verschillende vakgroepen, waaraan studenten uit aile afdelin-gen kunnen deelnemen. Voor stu-denten is het mogelijk om binnen iedere afdeling van de THE de studie met een specialisatie of ak-sent op medische technologie af te ronden. Bij de afdeling

Werktuigbouwkunde bestaat reeds een formeel goedgekeurde variant W van de vrije studierichting biome-dische technologie. Kenmerkend voor dit onderwijs is de nauwe verwevenheid met het lopend onderzoek.

De zorg voor onderlinge samenhang van deze BMGT -gerichte aktivitei-ten, waar dit mogelijk en gewenst is, wordt gedragen door de beleids-kommissie BMGT met een daarbij behorend projektbureau BMGT. Naast de afstemming tussen de afdelingen zorgt de beleidskommis-sie ook voor een afstemming van de BMGT-aktiviteiten met het THE-instellingsbeleid voor onderwijs en onderzoek. Landelijk vindt afstem-ming plaats in het Inter-Centra-Overleg BMT (ICO-BMT) tussen de 3 TH's en TNO, en in het Inter-Universitair-Overleg (IUO-BMT) dat samengesteld is uit het ICO uitge-breid met de medische fakulteiten en akademische ziekenhuizen.

Elleboogprojekt

Inleiding

Het elleboogprojekt komt voort uit de algemene problematiek van frak-turen aan gewrichtsbanden en aan gewrichten in het algemeen. Veel van de klachten die mensen hebben nabij of in gewrichten zijn nog niet te verklaren en vaak is onbekend hoe deze moeten worden behandeld of waarom de ene behandeling wei werkt en de andere niet. Om hier iets aan te doen wordt vee I onder-zoek gedaan naar het funktioneren van gewrichten en de weefsels

daar-....-f.-r+---2

Figuur 1; 1 A loonl de M. extensor digilorum

(of wei de zgn. vingerstrekker)

1 B loont de banden aan de /atera/e zijde van het ellebooggewricht (Uit: Compendium Anatomie 1, dr. J. Drukker. drs. J. Jansen. De tiidstroom B. V., 1975).

omheen. Dit onderzoek wordt vooral verricht vanuit de orthopedie, de revalidatie, de sporttysiologie en de anatomie. Ook binnen de bio-mechanika is dit een belangrijk aandachtsgebied. Bij al deze disci-plines bekijkt men de problematiek vanuit een ander gezichtsveld. De bio-mechanika kijkt vooral hoe verschillende weefsels krachten kun-nen overdragen van spieren naar botten, zodat mensen niet uit elkaar vallen en in staat zijn om te bewe-gen. Hierbij spelen de vorm van de weefsels en hun materiaaleigen-schappen een essentiele rol. Daar-naast tracht men vast te stellen wanneer krachten zo groot worden

Figuur 2: Folo van een zii-aanzieht van een

reehler elleboog. Het spierweefse/ is

verwij-derd en het bindweefseleomplex is duidelijk

zichtbaar geworden. Met 1 is de plaats

aangegeven waar de M.extensor digitorum heeft gelegen.

dat daardoor weefsel kapot gaat. In meer klassieke studies aan gewrichten worden spieren en bind-weefselstrukturen vaak gemodel-leerd als aparte kabels of band en met speciale eigenschappen (fig. 1). Modeme methoden van anatomisch onderzoek hebben echter uitgewe-zen dat deze kabel en banden-modellen te eenvoudig zijn voor een beschrijving van het bewegingsap-paraat. De bindweefsels die de spie-ren met het bot verbinden zijn zeer complex van vorm en zijn op een ingewikkelde manier aan de spier verbonden. Op welke wijze deze weefselstrukturen de spierkracht inleiden naar het bot moet nog nauwkeurig worden onderzocht. Door de ingewikkelde struktuur van het bindweefsel dat spieren met het bot en met elkaar verbindt, krijgt men te maken met een zeer groot aantal aangrijpingspunten en veel elkaar be'invloedende krachten met verschillende richtingen. Het is dui-delijk dat het dan erg moeilijk is om uitspraken te doen over het effekt van de spierkracht. Het spreekt vanzelf dat het effekt van bijvoor-beeld chirurgische ingrepen in het bandenapparaat ook moeilijk te voorspellen is. Hoe ingewikkeld die bindweetselstruktuur eruit ziet blijkt uit fig. 2.

De praktische reden waarom men berekeningen zou willen maken van het funktioneren van de

sels tussen bot en spier is, dat men richtlijnen zou willen geven voor preventie tegen beschadiging of voor de behandeling van gewrichts-banden. Als niet bekend is hoe een chirurgische ingreep de werking van het totale complex van spieren en bindweefsel be'invloedt blijven de mogelijkheden voor behandeling beperkt.

Doe/stelling en methoden

Het elleboogprojekt heeft tot doel: 'Het achterhalen van de wijze waarop bepaalde bindweefselstruk-turen rond de elleboog spierkrach-ten doorleiden naar het bot'. Naar deze krachtinleiding wordt zowel experimenteel als theoretisch onder-zoek gedaan. In het experimentele onderzoek wordt in een armprepa-raat het bindweefsel-complex, dat de musculus extensor digitorum met de bovenarm verbindt, vrijgemaakt en onder een goedgekontroleerde konstante belasting gebracht. (De musculus extensor digitorum is een van de spieren die lopen van de elleboog in de richting van de vingers. V~~r het onderzoek is deze

spi~r gekozen omdat het bindweef-selcomplex, waarmee deze met de elleboog is verbonden, goed bekend is en nog relatief eenvoudig. Er wordt een konstante belasting geno-men omdat deze zowel experigeno-men- experimen-teel als theoretisch eenvoudiger te hanteren is dan een in tijd varierende dynamische belasting.)

4

Met speciaal daarvoor gekonstru-eerde zeer kleine krachtopnemers (5 x 1,5 mm) wordt gemeten hoe deze kracht wordt doorgeleid naar het bot. Door markeringen aan te bren-gen op het bindweefsel, deze te fotograferen en daarna defoto's te digitaliseren, kan men met behulp van een computer de vervormingen van het bindweefsel als gevolg van de aangebrachte belasting bepalen. De voorbereidingsfase van het expe-rimenteel onderzoek is besteed aan ontwikkeling van het benodigde instrumentarium voor de opstelling, aan anatomisch onderzoek en het schrijven van computerprogramma-tuur voor de verwerking van meetre-sultaten. Deze voorbereidingen zijn eind 1985 in een eindstadium geko-men en het meetprogramma zal begin 1986 van start gaan. In de theoretische tak van het onderzoek wordt getracht een com-putersimulatie te maken van het bindweefselcomplex, om zodoende de uitkomsten van het experiment te kunnen voorspellen. Zoals boven reeds gezegd is heeft het bindweef-sel een erg ingewikkelde vorm. Daarnaast gedraagt het materiaal zich lastig. Vergelijkt men bindweef-sel met bijvoorbeeld staal, dan blijkt dat staal over het algemeen maar kleine vervormingen ondergaat en dat de verhouding tussen belasting en vervorming een rechte lijn is die konstant is in de tijd. Bovendien zijn voor staal de eigenschappen in aile

richtingen hetzelfde. Bindweefsel heeft dit niet. De vervormingen zijn groot, de relatie tussen belasting en vervorming is geen rechte lijn meer, is tijdsafhankelijk en de eigenschap-pen zijn afhankelijk van de richting waarin je kijkt. De wiskunde die nodig is om dit gedrag te beschrij-ven is nogal ingewikkeld en bereke-ningen kunnen aileen met behulp van een computer gemaakt worden. Hiertoe maken wij gebruik van de zogenaamde Eindige Elementen Methode, die vooral geschikt is voor objekten die een moeilijke vorm hebben. Er is tot nu toe veel aandacht besteed aan het zoge-naamde plooien van de dunwandige membranen waaruit deze bindweef-sels zijn opgebouwd. Door dit plooien wordt de krachtinleiding sterk veranderd en wordt de proble-matiek wiskundig gezien aanzienlijk gekompliceerd. Theoretisch is hier-voor een oplossing gevonden en begin 1986 wordt begonnen deze theorie te vertalen naar een compu-terprog ramma.

Het werk binnen het elleboogprojekt is vrij fundamenteel en staat nog ver af van een praktisch toepasbaar resultaat. Waar de onderzoekers naar streven is, dat het onderzoek uiteindelijk aanleiding kan geven tot richtlijnen om problemen aan het bewegingsapparaat te voorkomen en te genezen. Voorlopig is de aandacht nog aileen gericht op de bindweefselstruktuur. Een mogelijk

vervolg op het onderzoek, zoals dat nu plaats vindt, kan zijn om tevens de spiermassa erbij te betrekken. Het zal uit het bovenstaande ook duidelijk zijn dat dit onderzoek niet aileen door ingenieurs kan worden gedaan. Oit projekt wordt daarom in zeer nauwe samenwerking met on-derzoekers van de kapaciteitsgroep Anatomie en Embryologie van de Rijksuniversiteit Limburg uitgevoerd. Zij leren de ingenieurs hoe ze met de biologische materialen moeten omgaan, maken preparaten klaar, hebben technieken in huis voor onderzoek van weefselstrukturen en helpen te voorkomen dat de inge-nieurs te ver gaan afwijken van de medische vraagstelling.

Het kn ie-projekt

Inleiding

Het kniegewricht (fig. 3) is het grootste gewricht van het menselijk lichaam. Oit gewricht maakt het mogelijk dat het dijbeen (femur) en het scheenbeen (tibia) ten opzichte van elkaar kunnen bewegen en vervult zo een belangrijke rol bij de voortbeweging. Behalve dijbeen en scheenbeen maakt ook de knieschijf deel uit van het gewricht. Een belangrijk kenmerk van het kniege-wricht is de uitgesproken ongelijk-vormigheid van de gewrichtsvlak-ken: de twee bij benadering

halfronde knobbels van het di

been-Figuur 3: Achteraanzicht van een rechter

kniegewricht, spieren en kapsel zijn verwijderd (Uft: Kapandji, The Physiology of the jOints, 2nd ed. vol. 2, Churchill Livingstone, 1970.

ondereinde passen niet in de scheenbeenbovenzijde. De ongelijkvormigheid wordt, behalve door de bekleding van de gewrichtsvlakken met een relatief dikke laag gemakkelijk vervormbaar gewrichtskraakbeen, ondervangen door de inschakeling van de twee menisci. Het geheel is verpakt in het gewrichtskapsel waarbinnen zich de gewrichtssmeer bevindt. De beide botten zijn onderling verbonden door een aantal gewrichtsbanden en spieren.

Het geheel van bewegingspatronen dat de knie kan uitvoeren. is tamelijk

complex. Hoewel buigen en strek-ken de voornaamste bewegings-mogelijkheden van het gewricht vor-men, is de knie zeker niet op te vatten als een eenvoudig scharnier. In gebogen stand bijvoorbeeld kan het scheenbeen over kleine hoeken om zijn as roteren.

Binnen dit knie-projekt vindt een door de Stichting voor Technische Wetenschappen gesubsidieerd promotie-onderzoek plaats, waarvan de afronding medio 1987 is gepland. Probleemstelling en doe/stelling Het kniegewricht speelt een belang-rijke rol bij de voortbeweging en het doorleiden van de daarbij optre-dende belastingen. Tijdens normaal lopen bijvoorbeeld worden op het been -en dus ook op het

kniegewricht schokbelastingen uitge-oefend, met name wanneer de hiel de grond raakt en bij het afzetten van de voet. Het is bekend dat de krachten op het kniegewricht daarbij kunnen oplopen tot het twee tot viervoudige van het lichaamsgewicht

(1). Behalve door de via de voet ingeleide krachten wordt het knie-gewricht ook nog belast door het samentrekken van de spieren die over het gewricht lopen. De 'stoten' die via de voet worden ingeleid planten zich voort door het gehele bewegingsapparaat in het lichaam, waarbij de gewrichten ook als schokdempers werken. (zie ook fig. 4) Het doel van het knie-projekt is om -in eerste instantie op basis van 6

experimenten- fundamenteel inzicht te krijgen in de manier waarop het kniegewricht dynamische, d.w.z. in de tijd variEkende, belastingen deels doorgeeft en deels dempt. De na-druk ligt daarbij op het ontsluieren van de rol die gewrichtskraakbeen, menisci, gewrichtsbanden en spier-krachten daarbij spelen. Op basis van het verworven inzicht zal vervol-gens een globaal wiskundig model van het dynamisch gedrag van het gewricht en zijn onderdelen geformuleerd worden.

Zo'n globaal model vormt een

1--

-7\

V~r~nellingen

op:

~30_~~~_

T~~- .

voorhoofd

0,661

femur (dlst)

ItO

Iprox.)

Figuur 4: I//ustratie van de mate waarin de amplitude van versnellingen -gaande in de richting van voet naar voorhoofd- geredu-ceerd worden. (Uit: Voloshin & Wosk, J. Blomed. Eng. 1983-5)

onmisbaar hulpmiddel bij de inter-pretatie van meetresultaten en het levert aanwijzingen voor de opzet van verdere experimenten die moe-ten leiden tot verfijning en grotere betrouwbaarheid van het model. Aldus wordt een steeds gedetail-leerder inzicht in het dynamisch gedrag van het gewicht verkregen. Beschikken we eenmaal over een model, waarvan met voldoende zekerheid kan worden aangenomen dat het het gedrag van het gewricht goed beschrijft, dan vervalt daarmee bij verder onderzoek de noodzaak om grote series moeilijke en tijd-rovende experimenten uit te voeren. Met behulp van het wiskundig model kunnen de effecten voorspeld worden van ingrepen zoals bijvoor-beeld het verwijderen van een meniscus, het verkorten van een gewrichtsband of implantatie van een knie-endoprothese. De voor-spellingen van het model kunnen dan met een relatief gering aantal experimenten getoetst worden. Werkwijze/meetopzet

Omdat er in de literatuur nauwelijks informatie beschikbaar is over het dynamisch gedrag van het kniege-wricht, moeten de noodzakelijke gegevens in experimenten worden bepaald. Hierbij wordt de volgende werkwijze aangehouden: In een proefopstelling wordt een knie-preparaat aan de dijbeenzijde inge-klemd. Door middel van een drietal aan pezen beve~tigde snaren wordt

een konstante belasting aange-bracht en tevens de gewrichtsstand voorgeschreven. (Fig. 5) Hierbij is in eerste instantie de gewrichtsstand gekozen zoals die is op het moment van hielkontakt tijdens lopen. Vervol-gens worden -vergeleken met de konstante belasting- relatief kleine dynamische belastingen in verschil-lende richtingen op het scheenbeen uitgeoefend. Deze belastingen en de versnellingen op het scheenbeen worden geregistreerd. Gelijktijdig worden de vervormingen gemeten van de gewrichtsbanden en de me-nisci alsmede de krachten en kop-pels die nodig zijn om het dijbeen-bot ingeklemd te houden. Door vervolgens op gekontroleerde wijze bepaalde strukturen uit het gewricht te verwijderen en de meting te herhalen kan inzicht verkregen wor-den in het belang van de diverse gewrichtselementen voor de belastingdoorleiding.

Voor de sturing van de experi-menten en de verwerking van de meetresultaten is een systeem ont-wikkeld waarvan een personal com-puter de kern vormt. De verwerking van de meetresultaten is erop ge-richt verbanden te vinden, in termen van zogenaamde overdrachts-funkties, tussen enerzijds de opge-drongen belasting en anderzijds de verplaatsingen van het onderbeen en de krachten en vervormingen in de gewrichtsdelen.

Deze overdrachtsfunkties, die op ruime schaal toegepast worden bij trillingsonderzoek aan technische konstrukties, beschrijven deze ver-banden tussen belasting en de daar-mee samenhangende krachten, ver-vorming en verplaatsing, als funktie

~5

van de frekwentie van de belasting. Eenmaal gevonden verbanden vor-men de uitgangspunten voor de theoretische modelvorm i ng. In een eerste serie orienterende experimenten werd het scheenbeen in axiale richting (Iengterichtil)g) en loodrecht daarop, in flexierichting dynamisch belast waarbij de overdrachtsfunktie tussen deze be-lasting en de korresponderende ver-plaatsing van het scheenbeen werd bepaald.

Uit de resultaten (fig. 6) blijkt dat verandering van de grootte van de dynamische belasting weinig of geen invloed heeft op deze

overdrachtsfunktie. Echter, het vari-eren -op konstante niveaus- van de krachten in de aan de pezen

beves-Figuur 6: Grootte van de overdrachtsfunktie

(verplaatsing/kracht (MIN) als funktie van de frekwentie (Hz) bii exitatie van een kniegewricht in flexierichting. Bii to ene-mende konstante be/asting van de pezen (in de richting van de pijl) neeml de stijfheid loe.

35

tigde snaren leidt wei tot signifi-kante verandering van de overdrachtsfunktie. Dit resultaat vormt een aanwijzing dat (kon-stante) voorspanbelastingen op het gewricht, zoals die ook door spieren kunnen worden uitgeoefend, het dynamisch gedrag van het kniege-wricht in belangrijke mate kunnen be·invloeden.

Toepassingen

Op de lange termijn zal het uit dit onderzoek verkregen inzicht in het dynamisch gedrag van het knie-gewricht lei den tot verbeterde specifikaties voor de konstruktie en implantatie van knie-endoprathesen. Daarnaast mag van de onderzoeks-resultaten worden verwacht dat zij nieuwe uitgangspunten zullen leve-ren voor het optimaliseleve-ren van tech-nieken en hulpmiddelen bij de diag-nostiek van gewrichtsafwijkingen en het ontwikkelen en evalueren van therapieen.

Tenslotte zal de methodologie die in dit onderzoek ontwikkeld wordt ook gebruikt kunnen worden bij onder-zoek naar het dynamisch gedrag van andere gewrichten en van tech-nische verbindingen zoals bijvoor-beeld robot- 'gewrichten' waarin ook smering en demping een ral kunnen spelen.

8

Literatuur:

(1) J.B. Morrisson. The mechanics of the knee joint in relation to normal walking. J. Biomech., Vo1.3, 1970, pp 51-61.

(2) a.Y. Voloshin, J. Wosk. Shock absorption of meniscectomized and painful knees: a comparative in vivo study. J. Biomed. Eng., Vol. 5, 1983, pp. 157-161.

Kolofon:

Kenmerk: BMGT 86.110 Teksten: Dr.ir. C. Oomens Dr.ir. A. Sauren Redaktie: C. Selman Ontwerp: H. Bommelje Vormgeving en druk:

Stafgroep Reproduktie en Fotografie Technische Hogeschool Eindhoven Projektburo: Biomedische en Gezondheids-technologie Postbus 513 5600 MB Eindhoven Telefoon (040)472008