Auteur(s): H. Oonk Titel: Belast en onbelast Jaargang: 1 Jaartal: 1983 Nummer: 3 Oorspronkelijke paginanummers:

Transcriptie

1 Auteur(s): H. Oonk Titel: Belast en onbelast Jaargang: 1 Jaartal: 1983 Nummer: 3 Oorspronkelijke paginanummers: Dit artikel is oorspronkelijk verschenen in Haags Tijdschrift voor Fysiotherapie, van 1983 tot 1988 de voorloper van Versus, Tijdschrift voor Fysiotherapie. Deze online uitgave mag, onder duidelijke bronvermelding, vrij gebruikt worden voor (para-) medische, informatieve en educatieve doeleinden en ander niet-commercieel gebruik. Zonder kosten te downloaden van:

2 Belast en onbelast Harry Oonk In dit artikel zullen enige statika problemen van zogenaamde "belaste en onbelaste oefeningen" nader worden uitgewerkt. De oefeningen zullen met elkaar worden vergeleken, voor wat betreft de grootte van de spierkrachten en de reaktiekrachten in de beschouwde gewrichten. Analyse van de grootte van de krachten, die heersen in strukturen van het menselijk lichaam, vereist enige kennis van eenvoudige mechanika principes. Kennis van biomechanika is namelijk een van de middelen (gereedschap) om bepaalde fysiotherapeutische handelingen verder uit te diepen, theoretisch te onderbouwen, of in het uiterste geval op relevantie te toetsen. Achtereenvolgens worden in bepaalde posities van het menselijk lichaam de essentiële krachten in spieren en gewrichten geanalyseerd. A. Extensie van een afhangend been in zit (onbelast). B. Belasting van het kniegewricht bij "gewoon staan" op twee benen (belast). C. Anteflexie heup van het gestrekte been in ruglig (onbelast). D. Belasting van het heupgewricht bij "gewoon staan" op twee benen (belast). A. Extensie van een afhangend been in zit. De evenwichtstoestand van het onderbeen wordt geanalyseerd in de zwaarst belaste "onbelaste" positie, namelijk die waarbij het onderbeen horizontaal gestrekt is. Voor de afschatting van de orde van grootte van de krachten die werken op het onderbeen, wordt een mechanisch model gemaakt (fig. 1 en 2), waarin een aantal vereenvoudigingen zijn aangebracht, zoals: de analyse is gekozen in een evenwichtstoestand krachten in het band- en kapselapparaat worden niet in de analyse betrokken alle krachten worden verondersteld in hetzelfde vertikale vlak te liggen de kracht in het lig. patellae wordt horizontaal verondersteld de gekozen waarden van zwaartekracht en afstanden zijn schattingen de passieve rek in de ischiocrurale groep wordt vooralsnog niet in de analyse betrokken.

3 Het beschreven probleem is twee-dimensionaal waarvoor de volgende evenwichtsvergelijkingen gelden : (I) ΣFX FS + FRX

4 (II) ΣFY FRY FZ (III) ΣM A FS a FZ b Het probleem wordt gekaraktiseerd door drie onbekenden: F RX, F Ry en F S. De drie genoemde onafhankelijke evenwichtsvergelijkingen leveren dan ook de oplossing van de drie onbekenden. Substitutie van de gegevens (fig. 1) in vergelijking (III) levert: F S F S = = ( N) De grootte van de benodigde spankracht in het lig. patellae is dus 200 (N) en dat is een faktor vijf maal de zwaartekracht van het onderbeen! Substitutie van de nu bekende spierkracht in vergelijking (I) levert de horizontale komponent van de reaktiekracht in het kniegewricht: F RX F RX = 200 ( N ) Vergelijking (II) levert: + F RY 40 zodat: F RY = 40 ( N) Samenstelling van F RX en F RY levert de grootte en richting van de reaktiekracht, die het femur uitoefent op de tibia. 2 F R = = 204 ( N ) 40 tan β = β = Een en ander houdt in dat een eerste benadering van de grootte van de reaktiekracht in het kniegewricht (204 N) toch ook zo'n faktor vijf maal de bijdrage van de zwaartekracht bedraagt. Hoezo onbelast...? Enige opmerkingen. In werkelijkheid zullen de berekende krachten door verschillende faktoren groter zijn. In de geëxtendeerde stand van het kniegewricht namelijk is bijna het hele band- en kapselapparaat van het kniegewricht op maximale spanning. Deze spanningen verhogen uiteraard de reaktiekracht in het gewricht. In geval van extensie zullen dynamische krachten (ten gevoige van versnellingen) de spankracht F S en dus ook de reaktiekracht F R hogen.

5 Verder is in de geschetste positie (zit met horizontaal gestrekt onderbeen) sprake van passieve rek in de ischiocrurale groep. Indien deze spieren een passieve kracht leveren van 100 (N), dan dient de extenderende kracht, die geleverd wordt door de m. quadriceps, met ongeveer 75 (N) toe te nemen, bij momentsarmen van 4 cm voor het lig. patellae en 3 cm voor de ischiocrurale groep. Deze krachten geven samen ongeveer een verhoging van de belasting van het kniegewricht met een kracht van 175 (N). De reaktiekracht in het kniegewricht komt hiermee op ongeveer 375 (N). Alle hier genoemde faktoren, band- en kapselapparaat, dynamische effekten en passieve rek ischiocrurale groep, leiden tot een verhoging van de belasting van de knie. B. Belasting van het kniegewricht bij gewoon staan" op twee benen. Bij het staan op twee benen wordt van het lichaam relatief weinig energie gevraagd, om de stand te kunnen handhaven. De persoon in kwestie staat grotendeels op zijn skelet en passieve strukturen; de benodigde spierkrachten zijn relatief klein. In een beschrijving van de vereenvoudigde situatie liggen de krachten op het onderbeen op een vertikaal. De reaktiekracht van de vloer op de voeten is gelijk aan het lichaamsgewicht van de persoon. Per voet is deze kracht (F R1 ) ongeveer de helft van het lichaamsgewicht (fig. 3). Omdat in deze situatie alle krachten op dezelfde vertikaal worden verondersteld, is er geen spieraktiviteit rond het kniegewricht noodzakelijk voor handhaving van de stand. Het aantal evenwichtsvergelijkingen wordt hierdoor gereduceerd tot slechts een vergelijking, namelijk die voor het vertikale evenwicht. N.B.: het probleem kent ook maar één onbekende: de reaktiekracht F R. ΣF Y FR FZ 1 + FR1 F R = F R = 290 ( N ) 0

6 De belasting van het kniegewricht bedraagt dus ongeveer 290 (N). Wanneer we deze belasting van het kniegewricht, 290 (N), vergelijken met die van de onder A berekende waarde, ±375 (N), (inklusief de bijdragen ten gevolge van de passieve rek in de ischiocrurale groep), dan zien we, dat de belastingen van het kniegewricht in dezelfde orde van grootte liggen. De zogenaamde "onbelaste oefening" heeft zelfs in het uiterste geval een grotere belasting tot gevolg dan de "belaste oefening", zowel van het gewricht als voor wat betreft de benodigde spieraktiviteit. Het kan het menselijk lichaam niet schelen of wij het benoemen of niet. Enige opmerkingen. Evenals onder A zal ook hier de reaktiekracht in het gewricht in werkelijkheid wat groter zijn door: * aanwezige spanningen in het band- en kapselapparaat * aanwezige spieraktiviteit rond het kniegewricht. De plaats van aangrijpen van F R1 op de voet, zal in het algemeen niet op de vertikaal liggen door het bovenste spronggewricht, maar zal meer ventraal aangrijpen, waardoor de nodige spieraktiviteit wordt vereist om de stand te kunnen handhaven. C. Anteflexie van het gestrekte been in ruglig (onbelast) Voor het afschatten van de benodigde spierkracht en reaktiekracht in het heupgewricht, wordt weer een mechanisch model gemaakt. Ditmaal een model van het hele gestrekte been dat in een horizontale stand verkeert, maar net los is van de ondergrond (fig. 4 en 5). Er worden opnieuw een aantal vereenvoudigingen ingevoerd, zoals: alle krachten liggen in een vertikaal vlak de spierkracht uit voorbeeld A wordt volledig toegeschreven aan de m. rectus femoris. Verondersteld wordt dat deze kracht een horizontale richting heeft, en ten opzichte van het heupgewricht geen anteflecterend moment heeft alleen de m. iliopsoas wordt verantwoordelijk gesteld voor de evenwichtstoestand alle spanningen in het band- en kapselapparaat rond het heupgewricht worden verwaarloosd. De onbekenden die het probleem karakteriseren zijn: F S2, F RX en F RY, zodat voor de oplossing hiervan drie vergelijkingen noodzakelijk zijn. Voor evenwicht van een lichaam in een tweedimensionale ruimte gelden de volgende evenwichtsvoorwaarden: (I) ΣF X + FRX + FS 2 X FS1 (II) ΣF Y FRY + FS 2 Y FZ (III) ΣM A FS 2 a FZ b

7

8 Substitutie van de gegevens (fig. 4 en 5) in vergelijking (III) levert: F S F S 2 = = 1250 ( N) 4 Doorrekenen van het gekozen model levert dus een spierkracht op die, 12.5 maal het gewicht van het been bedraagt! Waarvan akte. Voor berekening van de reaktiekracht in het heupgewricht zijn de ontbondenen van de spierkracht nodig: FS 2 X = FS 2 cosα = 1250 cos 60 = 625 ( N ) FS 2Y = FS 2 sin α = 1250 sin 60 = 1083 ( N) Substitutie van deze waarden in de vergelijkingen (I) en (II) levert: F F FRX 825 ( N ) F 983 ( N ) RX = RY RY = Nu de beide ontbondenen van de reaktiekracht bekend zijn is de grootte en de richting van die reaktiekracht te berekenen: 2 F R = = 1283 ( N ) 825 tan β = β = De grootte van de reaktiekracht in het heupgewricht bedraagt bijna 13 maal het gewicht van het hele been, en is zo'n faktor 2 maal het totale lichaamsgewicht! De hier berekende belasting van het heupgewricht is zelfs een afschatting aan de ondergrens. In werkelijkheid zullen de krachten nog wat groter zijn gezien de vooraf ingevoerde vereenvoudigingen in het mechanisch model. D. Belasting van het heupgewricht tijdens "gewoon staan" op twee benen Een dergelijke stand hoort fysiotherapeutisch gezien thuis in de kategorie: "Belast oefenen". Om het probleem niet onnodig ingewikkeld te maken, worden weer een aantal vereenvoudigingen ingevoerd. Het gaat tenslotte om afschattingen van de orden van grootte en niet om het aantal decimalen achter de komma.

9 * Alle krachten liggen in hetzelfde frontale vlak, en grijpen aan op een en dezelfde vertikaal * Vanwege het voorgaande is rond het heupgewricht geen spieraktiviteit noodzakelijk * Spanningen in band- en kapselapparaat worden verwaarloosd. De analyse van het probleem loopt weer via een mechanisch model /(fig. 6). Het probleem wordt gekenmerkt door slechts een onbekende, F R2. Er is dan ook maar één reële evenwichtsvergelijking, namelijk die voor het vertikale evenwicht. ΣF Y = 0 FR 2 FZ + FR1 = 0 Met behulp van de gegevens bij fig. 6 levert deze vergelijking: F R F R = 230 ( ) 2 N Deze grootte van de belasting van het heupgewricht komt overeen met de helft van het lichaamsgewicht exklusief de beide benen. De belasting van het heupgewricht wordt hier volledig bepaald door zwaartekracht.

10 Konklusies Er zijn in dit artikel twee voorbeelden van zogenaamde onbelaste oefeningen uitgewerkt, welke worden vergeleken met de belastingen van overeenkomstige gewrichten tijdens gewoon staan op twee benen. Resultaten: A. knie-belasting in zit met horizontaal gestrekt onderbeen: 375 (N) B. knie-belasting in stand: 290 (N) C. heup-belasting in ruglig met geringe anteflexie: 1283 (N) D. heup-belasting in stand: 230 (N). Zelfs bij gewoon lopen ligt de maximale belasting van het heupgewricht in dezelfde orde van grootte als bij de onbelaste oefening: ruglig met anteflexie van het gestrekte been. De behandelend fysiotherapeut dient zich niet te laten leiden door termen als "belast en onbelast oefenen", maar zal de keuze van zijn oefenprogramma mede op basis van mechanische analyses moeten bepalen, zeker dan wanneer het gaat om een geleidelijke opbouw van de gewrichts- en botbelastingen. Voorzichtig schuifelen in een looprek of lopen met een stok is een relatief geringe belastingstoestand vergeleken met de hier geanalyseerde onbelaste oefeningen, maar behalve dat, vooral ook funktioneel! Voorbeeld: (zondag 27 maart 1983, Nederland 1 Artsenij). Aart C. Gisolf (arts) vraagt aan een patiënt met een gekompliceerde femur-fraktuur (de röntgenfoto's tonen dikke platen met vele schroeven) "Hoe is het zo gekomen?"... Enfin,... de lucht-gips-bus-lucht-vaartmaatschappij vaart er wel bij. De patiënt zit rechtop met gestrekte benen op de behandeltafel. Zij "moet" (kennelijk van de op de achtergrond glimlachende fysiotherapeut) haar aangedane been heffen! Na enig knipperen met mijn ogen, zie ik ook nog een soort verzwaarde schoen aan haar voet. Aart C. Gisolf (arts) vraagt: "En mevrouw.. loopt u al?" Mevrouw: "Nee,... dat mag nog niet!". Het flitst in mijn hoofd: In zit;... gestrekt been,... met extra gewicht,... en niet lopen!? De fysiotherapeut glimlacht en mijn tranen biggelen over mijn wangen, en ik vraag me af of ik lach,... of huil.