Mechanical characteristics of bone joints

The mechanical characteristics of bone joints represent the properties of movements in bone joints. Bones in the body are connected to each other from fixed to highly mobile joints. Bone joints can be divided according to the type of connective tissueinvolved in the construction of the joint. The properties of movement joints (range of motion, flexibility a pevnost) and strength) are not constant during life and change, mainly depending on age.

Fibrous connection
The fibrous connection occurs in the form of suture (skull bone), syndesmosis(leg bone at the distal end, but also ligament) and wedging(tooth root and jaw). It is an almost immovable joint formed by ligaments with a predominance of collagen or elastic fibers. It allows only small mutual movements of touching bones.

Cartilaginous junction
A cartilaginous joint is a firm but flexible joint using two types of cartilage, hyaline and fibrous. Synchondrosis is a connection by hyaline cartilage, it can be found, for example, in the sternum. The symphysis is connected by fibrocartilage and can be found, for example, at the fusion of the pubic bones.

Bony connection
The bony connection is of two types. Synostoses are fixed connections between two bones, created on the basis of ligaments or cartilage. An example is the sacrum, where we find the fusion of vertebrae, that were originally connected by cartilage. If the bones are only in contact with each other and the capsule is on the perimeter of the contact of the bones, we speak of a joint (articulatio). It's a moving connection. An example is the elbow joint or the knee joint.

Introduction
A joint is a movable connection of two or more bones, separated by a gap (joint cavity). The contact surface of the bones is covered by cartilage, the adjacent ends of the bones are covered by a capsule. When analyzing movement, we distinguish between convex joint heads and concaveor flat joint sockets. The type and range of movement in the joint is determined by the size, shape and ratio of the head and socket, the fibrous apparatus of the joint and the muscles located around the joint. The shape of the joint gaps is typical for each joint, their deviations visible on arthrography and CT lead to the diagnosis of the disease.

Kloubní chrupavka
Kloubní Chrupavka na kontaktní ploše kostí je hyalinního typu. Kopíruje tvar kostí, je pružná a nerovnoměrně silná – od 0,5 do 6 mm v poli svého maximálního zatížení či v oblasti, kde si artikulující kosti výrazně neodpovídají tvarem. Chrupavka má tři vrstvy podle orientace vláken. Vrchní vrstva probíhají paralelně s povrchem chrupavky, střední vrstva má vlákna běžící křížem a spodní vrstva má vlákna zakotvéná do kompakty. Vazivová vlákna chrupavky odpovídají jejímu zatížení, většina jich jde kolmo k ose pohybu. Hluboká vrstva chrupavky je méně pružná a tvoří přechodnou vrstvu mezi kostí a chrupavkou. Spongiózní trámce kostí v kloubu také prostorově odpovídají zatížení kloubu – viz Mechanické charakteristiky kostí. Toto uspořádání zajišťuje odolnost vůči tlaku a tzv. střižným silám.

Chrupavka se při zatížení pružně deformuje. Chování chrupavky při deformaci je určováno stupněm její nasycenosti synoviální tekutinou. Chrupavka je porézní materiál s asi 6 nm velkými otvory, kterými je vtlačována či vytlačována synoviální tekutina. Proteoglykanové molekuly amorfní mezibuněčné hmoty jsou schopny vázat obrovské množství vody, při zátěži je synoviální tekutina vytlačena do kloubní dutiny a hustota mezibuněčné hmoty roste. Při odlehčení je naopak tekutina nasávána osmotickými silami proteoglykanů zpět. Pružnost chrupavek není u všech kloubů stejná a závisí i na věku. Obecně lze říci, že čím vyšší chrupavka je, tím je pružnější. I nezatížená chrupavka je vystavena stálému tlaku 6–8kg/cm2 díky klidovému svalovému tonusu. U starších lidí dochází k úbytku chondroitin-sulfátu a kyseliny hyaluronové a tím pádem ke ztrátě viskozity mezibuněčné hmoty chrupavky – ta už není tolik schopna vázat vodu. Snižuje svou tloušťku a vazivová vlákna povrchových vrstev se začínají obnažovat, což vede k onemocnění arthrosis deformans.

Kloubní chrupavka nemá krevní a mízní cévy ani nervy, výživu zajišťuje synoviální tekutina. Pokud chrupavka není zatěžována např. při imobilizaci kloubu, nedochází k jejímu vyživení a chondrocyty se rozpadají. Látková výměna chondrocytů je velmi nízká, díky tomu se chrupavka dlouho a špatně hojí, někdy nelze zahojit vůbec. Výživa z cév okrajového perichondria, periostu a synoviální tekutiny nestačí.

Kloubní pouzdro
Kloubní pouzdro spojuje po obvodu styčné plochy artikulujících kostí. Některé klouby provádějí extremní pohyb, aby byl umožněn, pouzdro může být od kloubů poměrně daleko a být volné. Pouzdra jsou pomocí mm. articulares napínána aby nedošlo k jejich uskřinutí pohybujícími se kostmi. Vnější membrána pouzdra se nazývá fibrózní membrána a je převážně z kolagenního vaziva a zajišťuje stabilitu a pohyblivost kloubů. Místy může být zpevněna kapsulárními vazy, extrakapsulárními vazy a začátky nebo úpony svalů. V místech komunikace s burzami a v místech příchodu cév a nervů je membrána naopak zeslabená. Vazy lze díky kolagenním vláknům fyziologicky prodloužit o 4–6 % a tím zvýšit rozsah pohybu v kloubu. Stavba fibrózní membrány se u různých kloubů liší.

Vnitřní plocha kloubu je vystlána synoviální membránou, která se však neupíná na chrupavku, kloubní disky a menisky. Upíná se na kost v těsné blízkosti chrupavky, může přesahovat lehce na její povrch. Od fibrózní membrány je oddělena posunlivým vazivem a množstvím tukových buněk. Může vybíhat v řasy, klky, tukové polštáře a dutinu oddělující přepážky. Synoviální membrána je tvořena synovialocyty, plochými až kubickými buňkami s mikroklky, které umožňují transport látek. Vrstva synovialocytů však není souvislá, někdy prosvítá i hlubší kolagenní vrstva. Buňky tvoří hyaluronovou kyselinu, která je součástí synoviální tekutiny. Rozlišujeme dva typy synovialocytů: synovialocyty A typu, fagocytující buňky plnící ochrannou funkci, a synovialocyty B typu, které produkují kolagenní, elastická vlákna kloubního pouzdra a amorfní mezibuněčnou hmotu. Přes synoviální membránu mohou být transportovány látky tvořené malými molekulami, proto můžeme do kloubní dutiny podávat některá léčiva.

Synoviální tekutina
Synoviální tekutina je složena z filtrátu plazmy, kyseliny hyaluronové a buněk (bílých krvinek či fagocytujících buněk). Množství tekutiny v kloubech není stálé, může být 2–4 ml. Synoviální tekutina zabezpečuje v kloubu výživu, zvyšuje a udržuje pružnost chrupavek a snižuje tření ploch. Kyselina hyaluronová tvoří trojrozměrné prostorové sítě, které omezují pohyb ostatních látek a tvoří tenkou vrstvu oddělující třecí plochy chrupavek, ty se tím méně opotřebovávají.

Disky a menisky, lem
Disky a menisky jsou chrupavčité destičky vložené mezi konce kostí. Nejsou přítomny ve všech kloubních spojeních. Diskus je plná destička, rozdělující štěrbinu na dva prostory, meniskus je srpovitého tvaru, na okrajích je vysoký a ke středu se snižuje. Oba útvary jsou z vazivové chrupavky. Jejich funkcí je vyrovnávání nestejně zakřivených kloubních ploch, svým pohybem zvyšují pohybové možnosti kloubu, při zatížení se pružně deformují a tím absorbují část energie při zatížení a zlepšují proudění synoviální tekutiny, aby nedocházelo k jejím turbulencím a tím špatnému vyživování kloubu.

Labrum articulare neboli chrupavčitý lem zvětšuje plochu jamky kostního kloubu a tím zvyšuje stabilitu kloubu. Lem najdeme například u ramenního či kyčelního kloubu, kde je hlavice nepoměrně větší než jamka a snadno by docházelo k luxacím.

Pohyby v kloubu
V kloubní štěrbině je stabilně udržován podtlak, aby se kloubní plochy dotýkaly. Pohyby v kloubech se dají rozdělit na pohyby úhlové a translační. Úhlový pohyb je takový pohyb, při kterém všechny body pohybujícího se útvaru opisují kruhové oblouky se středem na ose otáčení. Je typický pro klouby končetin. Translační pohyb je takový pohyb, při kterém body pohybujícího se útvaru opisují stejnou dráhu, dalo by se to přirovnat ke klouzání, typickému pro ploché klouby. Kinematika kloubů obvykle zahrnuje kombinaci obou těchto pohybů. Pohyby můžeme vztáhnout na systém tří na sebe kolmých os – osa X frontální, osa Y horizontální, osa Z mediánní. Kolem osy X se tedy děje abdukce a addukce, kolem osy Y flexe a extenze a kolem osy Z vnitřní a zevní rotace. Žádný kloub však není svým tvarem geometricky ideální, stejně tak jako jeho pohyb. Jakákoliv pohybová aktivita většinou zatěžuje více kloubních spojení najednou. Také mezi funkcí svalů a kloubů je velmi úzký vztah, kloub sám o sobě je pasivní, svaly jsou aktivní. Dojde-li však k funkční poruše kloubu, dojde také k odezvě ve svalech.

Typy kloubů podle spojení

 * 1) Jednoduché klouby
 * 2) * V kloubním spojení se stýkají pouze dvě kosti – např. falangové skloubení.
 * 3) Složené klouby
 * 4) * V kloubním spojení se stýká více než dvě kosti (loketní kloub) nebo kloub obsahuje disky a menisky (kolenní kloub).

Typy kloubů podle tvaru

 * 1) Kulovitý kloub
 * 2) * Hlavice a jamka tvoří povrch koule, pohyb je možný podle tří vzájemně kolmých os – flexe, extenze, abdukce, addukce, rotace a cirkumdukce. Příkladem je ramenní kloub.
 * 3)  Elipsovitý kloub
 * 4) * Hlavice a jamka tvoří útvar podobný rotačnímu elipsoidu, pohyb je možný podél dvou os – flexe, extenze, úklony, lateroflexe. Příkladem je spojení týlní kosti a atlasu.
 * 5) Sedlovitý kloub
 * 6) * Jamka připomíná koňské sedlo a hlavice odpovídá posazení jezdce. Pohyb je možný podle dvou na sebe kolmých os – flexe, extenze, abdukce, addukce a rotace. Příkladem ke karpometakarpové spojení.
 * 7) Válcovitý kloub
 * 8) * Válcovitý kloub je dvojího typu. Buď má kloubní plochy, které jsou součástí povrchu válce a pohyb se děje podle osy, která je kolmá na osu kosti – je možná extenze a flexe. Toto najdeme u falangového skloubení. Druhou variantou je kolový kloub, jehož hlavice je částí válce a pohyb jde podél osy kosti – je možná rotace. Příkladem je spojení ulny a radia.
 * 9) Kladkový kloub
 * 10) * Jamka má vytvořenou vodící hranu, kterou zasahuje do rýhy hlavice kloubu. Pohyb je tedy možný jen podél jedné osy – flexe a extenze, artikulující kosti se nemohou posunout do stran. Příkladem je humero-ulnární skloubení.
 * 11) Plochý kloub
 * 12) * Plochý kloub má obě kloubní plochy téměř rovné, nemluvíme tedy o hlavici a jamce. Většinou není možný téměř žádný posun, pokud ano, jedná se o klouzavý pohyb podél tří os. Plochým kloubem se rozumí například spojení klíční kosti a lopatky.
 * 13) Tuhý kloub
 * 14) * Jde o klouby se značně omezenou pohyblivostí. Styčné povrchy jsou nerovné nebo chrupavka svým tvarem pohyb blokuje. Toto najdeme například u křížokyčelního skloubení.

Správné vyšetření kloubu
Důležitý je pohybový vzorec každého kloubu – jeho fyziologický směr a rozsah pohybu. Omezení pohybu může být buď intraartikulární nebo extraartikulární. Kromě pohybů se kloub může ještě posunovat, hovoříme o kloubní vůli. Posuvy jsou závislé a dané tvarem kloubních ploch. Tento pohyb nemůžeme sami provést, ale je základem pro všechny ostatní pohyby. Pokud je vůle v jakémkoliv směru zmenšena, dochází k omezení hybnosti. Každý kloub má své střední neboli neutrální postavení, ve kterém jsou vazy a pouzdro maximálně uvolněny, napětí svalových skupin je v rovnováze. Do tohoto postavení kloub fixujeme při podezření na poškození. Pokud chceme změřit rozsah jednotlivých kloubů, používáme goniometrické metody. Standardní metodou je metoda SFTR (saggital/frontal/transversal/rotation).