فیزیک پزشکی

فیزیک پزشکی

اسلاید 1: فیزیک پزشکیبیومکانیک عضله مخططBiomechanics of Skeletal (Striated) Muscle

اسلاید 2: کارکرد وانواع بافت های عضلانیعضله یکی از چهار بافت (tissue) پایه ای در بدن انسان محسوب میشود ( سه بافت پایه ای دیگرعبارتند از عصبی یا nervous، پوششی یا epithelial و پیوندی یا connective).بافت های عضلانی از سه نوع سلول عضلانی تشکیل میشوند. سلول عضلانی قلبی (cardiac muscle cell)، سلول عضلانی صاف (smooth muscle cell)، و سلول( یا رشته، فایبر fiber) عضلانی مخطط (striated muscle cell).کارکرد اساسی بافت های عضلانی تولید نیرو می باشد. تولید نیرو توسط بافت عضلانی با تبدیل انرژی شیمیایی و درقالب انجام کارمکانیکی صورت میگیرد و با تولید گرما همراه است.

اسلاید 3: عضله مخططاین نوع عضله در تغییر مکان (locomotion) و کنترل وضعیت اندامی (posture) نقش اساسی ایفا میکند و تقریبا 40%-50% وزن بدن یک بزرگسال با وزنی عادی را تشکیل میدهد.ظاهر مخطط فایبرهای این نوع عضله که بوسیله میکروسکوپ قابل مشاهده است ناشی از وجود نوارهای روشن و تاریک بطور یک-در-میان است. نوارهای روشن مشخصه فیلامانهای نازک پروتئینی به نام اکتین (Actin) و نوارهای کلفت مشخصه فیلامانهای پروتئینی به نام مایوسین (Myosin) میباشند.خواص مکانیکی:1) کشش پذیری (extensibility)، طول فایبر قابل افزایش است 2) الاستیسیته یا کشسانی، قابلیت بازیابی طول ایستا (resting length) توسط فایبر پس از کشیدگی (stretch)خواص کارکردی:تحریک پذیری (excitability): قابلیت پاسخگویی به یک محرک شیمیایی (انتقال دهنده عصبی یاneurotransmitter برای مثال استیل کلین) بوسیله تولید یک سیگنال الکتریکی به نام پتانسیل عمل در امتداد غشاء سلولی.2) انقباض پذیری: قابلیت کوتاه شدن و در نتیجه تولید حرکت

اسلاید 4: عضله مخطط

اسلاید 5: ساختار عضله مخططعضله (whole muscle) از یکانهای جزئی به نام فاسیکل (fascicle)، که طول آنها به 250mm میرسد، ساخته شده است. یک فاسیکل از 100-150 فایبر تشکیل میشود که بوسیله یک بافت کلاژنی فیبروزی (collagenous fibrous tissue) به نام پیرا ماهیچه (perimysium) احاطه شده است. فاسیکل ها خود درمیان یک پوشش خارجی که از یک بافت بسیار زبر فیبروزی به نام اپیمیسیوم (epimysium) یا فاسیای عمیق (deep fascia) تشکیل شده است، قرار میگیرند. اپیمیسیوم عضلات مجاور را از یکدیگر جدا میسازد و حرکت بدون اصطکاک را تسهیل می کند. سلول یا فایبرعضلانی مخطط نسبتا دراز (با طولی برابر چند سانتیمتر) و استوانه ای شکل با قطری در محدوده 0.01-0.1mm است و دارای چند هسته می باشد. سیتوپلاسم فایبر عضلانی سارکوپلاسم نامیده میشود. هر فایبر دارای المان های کوچکتر و موازی بنام مایوفیبریل که در طول سلول امتداد می یابند و جزء قابل انقباظ عضله مخطط را تشکیل میدهند.

اسلاید 6: ساختار عضله مخطط

اسلاید 7: واحد کارکردی انقباض: سارکومر

اسلاید 8: عضله مخطط (Skeletal Muslce): دیدگاه بیومکانیکیعضله مخطط : یک منبع نیرو (force generator) وابسته به طول (length-dependent) یا وابسته به سرعت (velocity dependent)استرس بیشینه (استرس=نیروی کشش بر واحد سطح، S=T/A) به موازت محور رشته عضلانی تولید میشود.کشش مخصوص (Specific Tension) برای یک عضله مشخص یا گروهی از عضلات (مانند عضلات آرنج) قابل اندازه گیری است (واحد KPa)

اسلاید 9: سطح مقطع فیزیولوژیکی عضله، PCSAنیرویی که یک عضله مخطط کامل مانند عضله دو سر بازویی (bicpes barchii m.) میتواند تولید کند متناسب با مجموع سطح مقطع رشته های عضله در امتداد خط عمل می باشد. PCSA برای عضله مخطط بصورت زیر تعریف میشود: که در آن چگالی جرمی عضله برابر با 1.056 در بافت تازه ، زاویه بین خط عمل و محور رشته عضلانی‌ و طول رشته عضلانی میباشند. در عمل، PCSA ، مساحت موثر عمود بر جهت فایبر به هنگام انقباض را مدلسازی می کند. لزوم این مدلسازی از آنجا ناشی میشود که فایبرهای عضلانی همه بموازات یکدیگر نیستند.

اسلاید 10: روابط پایه ای در مکانیک عضلانیرابطه بین نیرو و طول: طول عضله روی اندازه نیروی تولید شده بوسیله انقباظ تاثیر می گذارد.رابطه بین نیرو و سرعت انقباظ: نیروی کشش به سرعت کوتاه شدن (یا دراز شدن) عضله وابسته است.فعالسازی نیرو: کنترل عصبی (ارادی)، Neural Controlرابطه بین نیرو و زمان:خستگی (fatigue): کاهش قابلیت تولید نیروتقویت (enhancement): افزایش قابلیت تولید نیرو

اسلاید 11: رابطه بین نیرو و طولانقباض عضلانی به ایجاد نیرو در عضله اطلاق میشود.سه نوع عمده انقباض عضلانی عبارتند از: انقباض هم-اندازه (isometric) یا ایستا: ایجاد کشش در عضله بدون تغییر در طول کل عضله صورت می گیرد؛ مثال: نگاه داشتن دمبل در حالت سکونانقباض هم-مرکز(concentric): طول عضله به هنگام ایجاد کشش کاهش می یابد؛ مثال: بالا بردن دمبل انقباض خارج از مرکز (eccentric): طول عضله به هنگام ایجاد کشش افزایش می یابد؛ مثال: پایین آ وردن دمبل از دیدگاه نظری انقباض هم-مرکز و خارج از مرکز هر دو میتوانند در کشش ثابت (ایزوتونیک) یا سرعت ثابت (ایزوسینتیک) صورت گیرند ولی در عمل بیشتر انقباض ها نه در کشش ثابت و نه در سرعت ثابت صورت میگیرند.

اسلاید 12: مدل ساده عضله مخططیک مدل شماتیک ساده از عضله مخطط برای نمایش قسمت های کارکردی مختلف در زیر نمایش داده شده استاین مدل شامل المان قابل انقباض، المان الاستیک سری، و المان الاستیک موازی می باشد. المان قابل انقباض از پروتئین های تشکیل دهنده مایوفیبریل یعنی اکتین و مایوسین تشکیل شده و مکانیزم جفت شدن آنها در فرآیند انقباض را مدلسازی می کند.

اسلاید 13: المانهای مدل عضله مخططالمان الاستیک سری (اتصال سری با المان قابل انقباض) کشش تولید شده بوسیله المان قابل انقباض را به نقطه اتصال عضله به استخوان منتقل می کند. قسمت عمده الاستسیته سری ناشی از تاندون است و مابقی وابسته به ساختارهای الاستیک درون سلولهای عضلانی است المان الاستیک موازی (اتصال موازی با المان قابل انقباض) ناشی از اپیمیسیوم، پریمیسیوم (پیرا ماهیچه)، اندومیسیوم (بافت فیبروزی که هریک از فایبرهای عضلانی را احاطه می کند) و سارکولما می باشد (غشا سلولی سلولهای عضلانی را sarcolemma می نامند)کشیده شدن المانهای الاستیک (بخصوص المان الاستیک سری) سبب ذخیره شدن انرژی الاستیک در آنها میگردد؛ زمانی که عضله به حال نخستین بر میگردد این انرژی آزاد می شود. این المانها را میتوان بعنوان فنر در نظر گرفت و با استفاده از قانون هوک مدلسازی کرداهمیت المانهای الاستیکآماده نگاه داشتن عضله برای انقباض، تولید و انتقال روان کشش هنگام انقباضبازگرداندن المان قابل انقباض به حال اولیه پس از انقباضکاهش احتمال آسیب دیدگی با جلوگیری از کشش غیرفعال (passive) بیش از حد عضله در حالت آزاد

اسلاید 14: رابطه بین نیرو و طولبرای عضله کامل رابطه بین نیروی کشش و طول بصورت زیر است:

اسلاید 15: رابطه بین نیرو و سرعت انقباظانقباض هم اندازه متناظر با کشش بیشینه است و در این حالت سرعت کوتاه شدن عضله برابر با صفر است.

اسلاید 16: رابطه بین نیرو و زماننیروی کشش متناسب با زمان انقباض است.فراهم کردن زمان لازم برای انتقال کشش تولید شده در واحدهای کارکردی انقباض به تاندون از طریق المانهای سری الاستیک (10 میلی ثانیه) و زمان لازم برای کشیده شدن تاندونها (میلی ثانیه) برای تولید کشش منجر به تولید نیروی کشش بیشتری میشود.

اسلاید 17: پاسخ مکانیکی عضله مخطط به تحریک عصبیتک انقباض عضلانی (muscle twitch):پاسخ مکانیکی عضله به یک محرک کوتاه مدت الکتریکی با شدت کم؛ عضله منقبض شده و سپس سست میشود. تک انقباض پاسخ عمده (gross response) عضله به تحریک عصبی در محیط آزمایشگاه (خارج از بدن یا in vitro) است.دوره نهفتگی (latency period): پس از اعمال محرک الکتریکی، مدت زمان نسبتا کوتاهی در حدود یکی دو میلی ثانیه برای جفت شدن تحریک و انقباض لازم است و در این مدت نیروی کششی ایجاد نمیشود. این زمان که به دوره نهفتگی موسوم است را میتوان زمان لازم برای غلبه بر سستی موجود در المانهای الاستیک محسوب کرد.زمان انقباض: زمان بین آغاز ایجاد نیروی کشش تا رسیدن به کشش بیشینه که در گستره ده تا صد میلی ثانیه قرار دارد؛ در این مدت اگر نیروی کشش ایجاد شده از بار مقاومتی تجاوز کند طول عضله کاهش خواهد یافت.زمان آسایش: زمانی که در طول آن نیروی کشش مجددا به مقدار صفر افت می کند. اگر انقباض منجر به کاهش طول عضله شده باشد، عضله در این مدت به طول اولیه خود باز می گردد.

اسلاید 18: فعال سازی عضله مخططعصب رسانی به هر فایبر عضله مخطط بوسیله اعصاب جمجمه ای یا فقرانی این نوع عضله را تحت کنترل ارادی (داوطلبانه( قرار میدهد. شاخه پایانه ای تارهای عصبی (nerve fibers) در نقطه اتصال عصبی-عضلانی (neuromuscular junction) یا صفحه انتهایی حرکتی موسوم به motor end plate با فایبر عضلانی تماس پیدا میکند، که از طریق آن تکانه عصبی (nerve impulse) از عصب به عضله انتقال می یابد. هر عضله از سیستم عصبی مرکزی اعصابی که هم دارای تارهای حرکتی (motor fibers) و هم دارای تارهای حسی (sensory fibers) هستند دریافت می کند. تارهای حرکتی متعلق به سلولهای عصبی حرکتی (motor neurons) میباشند. یک سلول عصبی حرکتی و تمام فایبرهای عضلانی که عصب رسانی به آنها ازطریق این سلول صورت می گیرد یک واحد حرکتی (motor unit) را تشکیل میدهند.واحد حرکتی واحد کارکردی پایه ای کنترل عصبی-عضلانی محسوب میشود. هر تکانه عصبی موجب میشود که فایبرهای عضلانی واحد حرکتی بطور کامل و تقریبا همزمان منقبض شوند. فعال سازی عضله به دو طریق تعدیل میشود: 1. تنظیم تعداد واحد های حرکتی بکار گرفته شده، motor unit recruitment 2. تنظیم نرخ تحریک واحد حرکتی، motor unit stimulation rate

اسلاید 19: پاسخ عضله به تحریک عصبی در بدن انسان (in vivo)در حرکت بدن انسان انقباض عضلانی طولانی مدت و روان است و پاسخ مکانیکی عضله به تحریک عصبی پاسخ مدرج نام دارد.همانطور که اشاره شد تعدیل فعالسازی عضله بوسیله دو مکانیسم کنترل عصبی یعنی افزایش نرخ تحریک و افزایش استخدام (recruitment) واحدهای حرکتی صورت می گیرد.این دو مکانیسم به ترتیب سبب تعدیل پاسخ عضلانی مدرج بوسیله جمع بندی امواج (wave summation) و جمع بندی واحدهای حرکتی متعدد (multiple motor unit summation) میشود.

اسلاید 20: جمع بندی امواج (wave summation) تتانی (tetanus)پاسخ مدرج عضلانی

اسلاید 21: دستگاه اسکلتی-ماهیچه ای (MusculoskeletalSystem)شامل دستگاه اسکلتی و دستگاه ماهیچه ای است. دستگاه ماهیچه ای از عضلات مخطط (عضلاتی که بطور ارادی کنترل میشوند) تشکیل میشود و دستگاه اسکلتی شامل استخوان و غضروف است.در بدن انسان 206 قطعه استخوان وجود دارد که از این میان 177 قطعه در حرکت ارادی نقش دارند.از دیدگاه بیومکانیکی سیستم اسکلتی محلی برای اتصال عضلات فراهم میکند و بهمراه ماهیچه ها یک سیستم اهرمی تشکیل میدهد و بدینوسیله امکان حرکت استخوان ها بوسیله عضلات حول مفصل ها فراهم میشود.

اسلاید 22: طبقه بندی استخوان براساس ویژگی های هندسیاستخوانهای بلند استخوانهای دست و پا (appendicular skeleton) را تشکیلمیدهند وکارکرد آنها در تحمل وزن بدن و ایجاد حرکت مکانیکی است. مثال: استخوان بازو (humerus)، زند اعلی (radius)، زند زبرین (ulna)، استخوان ران (femur)، استخوان درشت نی(tibia)، و استخوان نازک نی (fibula)استخوانهای کوتاه مانند استخوانهای مچی (carpal bones) و استخوانهای مربوط به تارس (tarsal bones)استخوانهای تخت (flat bones): سطوح تخت و نسبتا وسیعی برای اتصال عضله فراهم می کنند. مانند دنده ها (ribs) و جناغ سینه (sternum)استخوانهای نا منظم (irreguar bones) مانند استخوان خاجی (sacrum) و مهره ها (مفردvertebrae, vertebra )استخوانهای کنجدی (sesamoid) مانند کشگک زانو (patella)

اسلاید 23: مفصل ها (Joints, Articulations)مفصل ها بین استخوانها و یا بین استخوان و غضروف واقع میشوند. از دیدگاه بیومکانیکی اهمیت مفاصل در فراهم کردن امکان حرکت آزاد قسمتهای مختلف بدن می باشدساختارهای دیگری که در مفاصل وجود دارند شامل غشاء سینویال (synovial membrane) که در کاهش اصطکاک بین استخوانها (lubrication ) مفصل نقش دارد ولیگامنت که از بافت پیوندی فیبروزی انبوه (dense fibrous connective) تشکیل شده است و با متصل کردن استخوانها به پایداری مفصل کمک میکند.

اسلاید 24: تحرک و استحکام مفاصلپایداری یا عدم تحرک مفصل نمایانگر مقاومت مفصل در برابر حرکت است. پاره ای از عواملی که پایداری به آنها بستگی دارد عبارتند از:آرایش لیگمانی (رباط ها، ligaments): در مفصل زانو اهمیت دارد. (رباط نوار یا باند نیرومندی از بافت پیوندی لیفی است که استخوانها را بهم پیوند میدهد)فشار اتمسفر: بشرط آنکه از فشار درون مفصل تجاوز کند مانند مفصل لگن خاصره

اسلاید 25: مرور اهرم هااهرم نوع اول: تکیه گاه بین نیروی مقاوم و نیروی محرک قرار دارد؛ مثال: قیچیاهرم نوع دوم: نیروی مقاوم بین تکیه گاه و نیروی محرک قرار دارد؛ مثال: بلند کردن چرخ خاک کش، حمایت از وزن بدن روی پاشنه پااهرم نوع سوم: نیروی محرک مابین تکیه گاه (مفصل) و نیروی مقاوم عمل میکند.

اسلاید 26: اهرم هاموقعیت نسبی نیروی محرک، تکیه گاه، و نیروی مقاوم در اهرم ها

اسلاید 27: سیستم اسکلتی-ماهیچه ای: یک سیستم اهرمیعضلات و استخوانها در بدن یک سیستم اهرمی بوجود می آورند وبدینوسیله امکان حرکت استخوان ها بوسیله عضلات حول مفاصل فراهم میشود.بیشتر اهرمها در بدن به نوع سوم متعلق می باشند که در آن نیروی محرک مابین مفصل (تکیه گاه، fulcrum) و نیروی مقاوم (وزن) اعمال میشود

اسلاید 28: مزیت و کاستی اهرم نوع سوممزیت: قابلیت انجام کار با توان بالا (حرکت سریع بر علیه نیروی مقاوم مانند بلند کردن فنجان با سرعت زیاد، شکل صفحه قبل)کاستی: اهرم نوع سوم مستلزم اعمال نیروهایی بزرگتر از وزن جسمی است که سعی در حرکت دادن آن داریم و این امر میتواند منجر به آسیب دیدگی شودسیستم عضلانی-استخوانی بیشتر برای حرکت سریع تکامل یافته است تا برای اعمال نیروی زیاد

اسلاید 29: مولفه های نیروی عضلانی نیروی کل وارد بر استخوان توسط عضله را میتوان به سه مولفه تجزیی کرد مولفه Fgموجب تمایل استخوان به دوران حول محور طولی آن استمولفه چرخشی Ft امکان ایجاد حرکت در صفحه سهمی (sagittal plane) و همچنین در صفحه تاجی (frontal plane) را بدست میدهد. مثال: مولفه Ft در نیروی عضله FCU (Flexor Carpi ulnaris) که امکان تا کردن مچ را را در صفحه سهمی و عمل نزدیک کردن مچ به داخل را در صفحه تاجی فراهم میکندمولفه Fs در امتداد محور طولی استخوان که معمولا موجب پایداری مفصل میشود.

اسلاید 30: زاویه کششبنا بر تعریف زاویه کشش زاویه بین امتداد نیروی کشش بموازات تاندون و محور مکانیکی استخوان است. این زاویه اهمیت نسبی مولفه های Ft و Fs را معین میکند و مقدار بهینه (مطلوب) آن برابر با 90 درجه است. مقدار این زاویه در شروع حرکت کوچک است و اندازه آن با با حرکت استخوان از موقعیت مرجع آن افزایش می یابد.

اسلاید 31: مقدمه ای بر الکترومایوگرافی (EMG)EMG: بررسی فعالیت عضله مخططروشی برای ثبت تغییرات کلی در پتانسیل غشاء سلولهای عضلانی هنگامیکه عضله بوسیله یک تکانه عصبی حرکتی تحریک میشود. تحریک عصبی فایبر عضلانی در در نقطه اتصال عصبی-عضلانی یا صفحه انتهایی حرکتی منجر به کاهش پتانسیل غشاء که به پتانسیل تحریکی پس سیناپسی(Excitatory post synaptic potential, EPSP) میشود که به نوبه خود سبب انتشار پتانسیل عمل حرکتی (motor action potential, MAP) در فایبر عضلانی میشود. حاصل جمع MAPهای ناشی از فایبرهای عضلانی وابسته به یک واحد حرکتی در زمان و مکان به موسوم MUAP است. یک رشته متوالی MUAP ها ناشی از تحریک عصبی مکرر نامیده MUAPT میشود. سیگنال الکترومایوگرام یا EMG حاصل جمع MUAPT هاِی ناشی از چندین واحد حرکتی در زمان و مکان است

اسلاید 32: الکترومایوگرافی (EMG)نمایشی از تولید سیگنال EMGEMG تنها روشی است که به کمک آن میتوان فعالیت یک عضله یا گروهی ازعضلات را ارزیابی کرد.با تعیین زمان بندی و ترتیب انقباض عضلانی میتوان کارکرد عضله را در انجام حرکات معین مشخص نمود.