Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής Φυσική του Σκελετού
Τα οστά πραγματοποιούν τουλάχιστον έξι λειτουργίες στο ανθρώπινο σώμα: 1. Υποστήριξη 2. Κίνηση 3. Προστασία διαφόρων οργάνων 4. Αποθήκευση χημικών ουσιών 5. Τροφοδοσία 6. Μετάδοση του ήχου (μέσο ους)
Η λειτουργία της υποστήριξης είναι πιο εμφανής στα πόδια. Οι σωματικοί μύες προσαρτώνται στα οστά μέσω των τενόντων και των συνδέσμων και το σύστημα οστών και μυών υποστηρίζει το σώμα. Τα οστά συνδέονται μέσω των αρθρώσεων με τέτοιο τρόπο, ώστε η κίνηση ενός οστού να συνδέεται με κάποιο άλλο.
Εφόσον ο πυρήνας του ασβεστίου είναι σχετικά βαρύτερος από τον πυρήνα των περισσότερων άλλων στοιχείων του σώματος, απορροφά τις ακτίνες Χ καλύτερα από τους περιβάλλοντες μαλακούς ιστούς.
Για το λόγο αυτό τα οστά απεικονίζονται στις ακτινογραφίες πολύ καλά.
Τα οστά, εκτός από νερό, αποτελούνται από δύο τελείως διαφορετικές μεταξύ τους ουσίες : το κολλαγόνο που είναι η κυριότερη οργανική ουσία αντιστοιχεί περίπου στο 40% του βάρους του στερεού μέρους των οστών και το 60% του όγκου του και τα άλατα που είναι τα «ανόργανα» συστατικά των οστών αποτελούν περίπου το 60% του βάρους των οστών και το 40% του όγκου τους. Τόσο το κολλαγόνο, όσο και τα άλατα μπορούν να απομακρυνθούν από τα οστά και τα απομένοντα έχουν την αρχική μορφή του οστού.
Το κολλαγόνο που απομένει είναι ευλύγιστο, όπως ένα κομμάτι από καουτσούκ και μπορεί ακόμα και να καμφθεί σε σχήμα βρόχου. Εφόσον χαρακτηρίζεται από ελαστικότητα η κάμψη του επιτυγχάνεται εύκολα με συμπίεση.
Εάν απομακρυνθεί το κολλαγόνο από τα οστά, τα άλατα που απομένουν καθιστούν τα οστά πολύ εύθραυστα και μπορούν να σπάσουν και με τα δάχτυλα! Ενας απλός τρόπος απομάκρυνσης του κολλαγόνου είναι η αποτέφρωση των οστών σε κλίβανο. Η στάχτη που τοποθετείται τελικά στην τεφροδόχο, μετά την καύση των πτωμάτων, αποτελείται ουσιαστικά από οστικά άλατα.
Το κολλαγόνο παράγεται από τους οστεοβλάστες και σ αυτό προσαρτώνται τα άλατα σχηματίζοντας οστό. Το κολλαγόνο των οστών δεν είναι το ίδιο με το κολλαγόνο που βρίσκεται σε άλλα μέρη του σώματος, όπως π.χ. το κολλαγόνο του δέρματος. Η δομή του ανταποκρίνεται στις συνήθεις διαστάσεις των κρυστάλλων των αλάτων του οστού και έτσι δημιουργεί ένα πλέγμα επί του οποίου οι κρύσταλλοι αυτοί εναποτίθενται. Τα οστικά άλατα πιστεύεται ότι παράγονται από ασβέστιο υδροξυαπατίτη Ca10(PO4) 6 (OH)2.
Στη φύση απαντώνται παρόμοιοι κρύσταλλοι, όπως ο φθοριούχος απατίτης, μια κοινή πέτρα, η οποία διαφέρει από τον ασβέστιο υδροξυαπατίτη μόνο στην αντικατάσταση του ΟΗ από φθόριο. Πληροφορία: Το φθόριο του πόσιμου νερού προστατεύει τα δόντια από τερηδόνα, μετατρέποντας μικροσκοπικές επιφάνειές τους σε φθοριούχο απατίτη, οποίος είναι πιο σταθερός από τα άλατα των οστών.
Το σχήμα των κρυστάλλων των οστικών αλάτων μελετήθηκε με σκέδαση ακτίνων Χ. Οι μελέτες έδειξαν ότι οι κρύσταλλοι έχουν κυλινδρικό σχήμα, διαμέτρου μεταξύ 2 και 7 nm και μήκους μεταξύ 5 και 10 nm (1 nm = 10-9 m). Το nm είναι μια εύχρηστη μονάδα για τη μέτρηση ατομικών διαστάσεων, δεδομένου ότι πολλά άτομα έχουν διάμετρο της τάξεως του 0,1 nm. Λόγω του μικρού μεγέθους των κρυστάλλων τα οστικά άλατα έχουν πολύ μεγάλη επιφάνεια. Πληροφορία: Σε φυσιολογικό τυπικό ενηλίκου η επιφάνειά τους είναι μεγαλύτερη από 4 10 5 m 2 ( 100 acres), δηλαδή είναι περίπου ίση με το εμβαδό 12 οικοδομικών τετραγώνων.
Κάθε κρύσταλλος περιβάλλεται από ένα στρώμα νερού μέσα στο οποίο βρίσκονται διαλυμένες πολλές απαραίτητες για τον οργανισμό χημικές ουσίες. Η μεγάλη επιφάνεια των εκτιθέμενων κρυστάλλων των οστικών αλάτων επιτρέπει την ταχεία αλληλεπίδραση των οστών με τις χημικές ουσίες που περιέχονται στο αίμα, καθώς και σε άλλα υγρά. Μετά την έγχυση σε ασθενή μικρής ποσότητας ραδιενεργού φθορίου ( 18 F), αυτό κατανέμεται στα οστά μέσα σε λίγα λεπτά. Με αυτό τον τρόπο μπορούν να εντοπιστούν οι καρκινικοί όγκοι των οστών που δεν είναι εμφανείς στις ακτινογραφίες.
Αν ταξινομηθούν όλα τα οστά του σώματος (περίπου 200) σε διάφορες κατηγορίες ανάλογα με το σχήμα τους, τότε θα προκύψουν πέντε ομάδες : 1. μία μικρή ομάδα από πλατέα οστά, όπως είναι η ωμοπλάτη και μερικά οστά του κρανίου, 2. μία δεύτερη ομάδα μακρών ή αυλοειδών οστών, όπως αυτά που βρίσκονται στα άνω άκρα, 3. μία τρίτη ομάδα των βραχέων οστών περισσότερο ή λιγότερο κυλινδρικών που βρίσκονται στη σπονδυλική στήλη (σπόνδυλοι), 4. μία τέταρτη ομάδα που αποτελείται από οστά ακανόνιστου σχήματος, όπως το οστό του καρπού και της ποδοκνημικής άρθρωσης, 5. και μία πέμπτη ομάδα στην οποία ανήκουν οι πλευρές οι οποίες δεν ανήκουν σε καμία άλλη κατηγορία.
Τα οστά αποτελούνται από ένα ή από συνδυασμό δύο διαφορετικών ειδών οστών : το συμπαγές οστό και το σπογγώδες οστό, το οποίο σχηματίζεται από ένα δέκατο οστικών δοκίδων. Στην εικόνα φαίνονται οι δύο αυτές μορφές σε μηριαίο οστό ενηλίκου κατά μήκος του κατακόρυφου άξονά του. Σπογγώδες οστό βρίσκεται κυρίως στα άκρα των μακρών οστών, ενώ συμπαγές βρίσκεται κυρίως στο κεντρικό μέρος.
Στην εικόνα φαίνεται σε διατομή ένας φυσιολογικός σπόνδυλος. Αποτελείται σχεδόν εξ ολοκλήρου από σπογγώδες οστό με εξαίρεση τις μικρές πλάκες συμπαγούς οστού στις επιφάνειές του. Το σπογγώδες οστό είναι πολύ λιγότερο ανθεκτικό από το συμπαγές οστό, λόγω της μικρής ποσότητας οστού που κατανέμεται σε δεδομένο όγκο.
Τα οστεοπορωτικά οστά είναι ακόμα λιγότερα ανθεκτικά. Μικροσκοπικά ο ιστός στο σπογγώδες οστό είναι ίδιος με τον ιστό του συμπαγούς οστού.
Η μελέτη της κατασκευής του μηριαίου οστού δείχνει ότι είναι σχεδιασμένο για να εκτελεί πολύ καλά τις λειτουργίες του. Η τάση (δύναμη ανά μονάδα επιφάνειας) σε ένα οστό μπορεί να αναλυθεί με τον ίδιο τρόπο με τον οποίο αναλύεται η τάση που δέχεται μια δοκός σε ένα κτίριο. Στην εικόνα φαίνεται μία οριζόντια δοκός η οποία υποστηρίζεται στα άκρα της και δέχεται στο μέσο της μία κατακόρυφη δύναμη προς τα κάτω.
Τα σπογγώδη τμήματα που βρίσκονται στα άκρα του μηριαίου οστού, είναι και αυτά κατάλληλα κατασκευασμένα ώστε να αυξάνουν την ανθεκτικότητα του οστού στις δυνάμεις τις οποίες υπόκεινται. Στην εικόνα φαίνονται σχηματικά οι γραμμές ελκυσμού και συμπίεσης στην κεφαλή και τον αυχένα του μηριαίου οστού που ασκείται λόγω του βάρους στην κεφαλή
Στην εικόνα φαίνεται σε διατομή το τμήμα αυτό του μηριαίου οστού. Οι δοκίδες κείτονται κατά μήκος των γραμμών των δυνάμεων, οι οποίες φαίνονται στην σχηματική αναπαράσταση. Ομοίως στο κάτω άκρο του μηριαίου οστού οι δυνάμεις είναι σχεδόν κάθετες όπως είναι και στις δοκίδες. Για την περαιτέρω ενίσχυση του σπογγώδες οστού υπάρχουν επίσης διασταυρούμενες ίνες.
Το σπογγώδες οστό παρουσιάζει τουλάχιστον δύο πλεονεκτήματα έναντι του συμπαγούς οστού: 1. Στις περιοχές όπου το οστό υπόκειται κυρίως σε δυνάμεις συμπίεσης, όπως στα άκρα των οστών και στη σπονδυλική στήλη, τα σπογγώδη οστά προσφέρουν την απαραίτητη αντοχή με τη χρήση μικρότερης ποσότητας υλικού από αυτή που χρησιμοποιείται στα συμπαγή οστά. 2. Επειδή οι δοκίδες είναι σχετικά ευλύγιστες, το σπογγώδες οστό που βρίσκεται στα άκρα των μακρών οστών μπορεί να απορροφήσει περισσότερη ενέργεια όταν ασκούνται ισχυρές δυνάμεις, όπως κατά τη διάρκεια της βάδισης, του τρεξίματος, και του άλματος.
Το μήκος των αντικειμένων που είναι κατασκευασμένα από οποιοδήποτε υλικό μεταβάλλεται κάτω από συνθήκες ελκυσμού ή συμπίεσης. Όταν ένα δείγμα νωπού οστού τοποθετείται σε ειδικό μηχάνημα για να μετρηθεί η επιμήκυνσή του κάτω από ελκυσμό λαμβάνεται μία καμπύλη παρόμοια με αυτή της εικόνας:
Η επιμήκυνση (ΔL/L) αυξάνεται γραμμικά αρχικά, γεγονός το οποίο σημαίνει ότι είναι ανάλογη της τάσεως (F/A) νόμος του Hooke. Καθώς η δύναμη μεγαλώνει, το μήκος αυξάνεται πιο γρήγορα και το οστό σπάει αν ασκηθεί πάνω του τάση περίπου ίση με 1,2 10 8 N/m2 ( 17.000 lb/in 2 ). Ο λόγος της τάσεως προς την επιμήκυνση στην αρχική γραμμική περιοχή δίνει το μέτρο του Young, Y : Y LF A L
Το μέτρο του Young για τα οστά και μερικά συνηθισμένα δομικά υλικά φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. Συνήθως έχει περισσότερο ενδιαφέρον ο υπολογισμός της μεταβολής του μήκους L, για δεδομένη δύναμη F. Η προηγούμενη εξίσωση μπορεί να γίνει: LF L AY
Η ικανότητα των οστών να υποστηρίζουν το βάρος του σώματος χωρίς να σπάνε παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στην κινητικότητα του ανθρώπου και την ποιότητα της ζωής του. Φυσικά, τα οστά δεν υποστηρίζουν μόνο το βάρος, αλλά και άλλες δυνάμεις. Κατά την κάμψη για να πιάσουμε κάποιο βαρύ αντικείμενο ασκούνται πολύ μεγάλες δυνάμεις στο κάτω τμήμα της σπονδυλικής στήλης. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο συχνά συνθλίβονται οι σπόνδυλοι της κατώτερης μοίρας της σπονδυλικής στήλης (οσφυϊκοί).
Οι μηχανικοί συνήθως κατασκευάζουν τη δομική υποστήριξη με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορεί να είναι ανθεκτική σε δυνάμεις περίπου 10 φορές των μέγιστων δυνάμεων που αναμένονται να ασκηθούν. Κατά πόσο το μηριαίο οστό ανταποκρίνεται σε αυτό το σχεδιασμό ; Τα υγιή συμπαγή οστά μπορούν να ανεχθούν τάσεις συμπίεσης περίπου με 1,7 10 8 Ν/m 2 πριν υποστούν κάταγμα. Το εμβαδό της διατομής του μηριαίου οστού στο μέσο του κεντρικού του τμήματος είναι περίπου 3,3 10-4 m 2, συνεπώς μπορεί να υποστηρίξει δυνάμεις περίπου 5,7 10 4 Ν ή 6 tons)! Το εμβαδό της διατομής του οστού της κνήμης δεν είναι τόσο μεγάλο, αλλά το όριο ασφάλειας είναι ικανοποιητικό για τις περισσότερες δραστηριότητες, εκτός από το σκι του βουνού.
Τα οστά φυσιολογικά δεν σπάνε λόγω συμπίεσης. Συνήθως υφίστανται κατάγματα λόγω συστροφής και ή κάτω από ελκυσμό.
Τα κατάγματα λόγω συστροφής συμβαίνουν συνήθως όταν το πόδι παγιδεύεται κάπου και στη συνέχεια, κατά την πτώση, το οστό της κνήμης περιστρέφεται. Κατάγματα αυτού του είδους έχουν ως αποτέλεσμα ένα σπειροειδές κάταγμα, όπου το οστό μπορεί να διαπεράσει το δέρμα. Αυτά τα κατάγματα μολύνονται πιο εύκολα από τα απλά στα οποία το οστό δεν εκτίθεται.
TO ΑΝΘΡΩΠΙΝΟ ΣΩΜΑ ΔΙΑΦΑΝΟ