بررسی آناتومی استخوان
آناتومی و فیزیولوژی بافت‌های پیوندی خاص
استخوان
استخوان‌ها، بخش ضروری سیستم جنبنده را تشکیل می‌دهند و به عنوان دسته‌های اهرم طی حرکت و مقاومت نیروی جاذبه عمل می‌کنند. در ضمن استخوان‌ها بافت‌های هم جوار و اندام‌های بدن را محافظت و نگهداری می‌کنند. علاوه بر عملکردهای مکانیکی، آنها عملکرد مهم شیمیایی را هم بر عهده دارند که آن تهیه منبع تعادل معدنی است.
استخوان‌ها شامل چندین ناحیه مجزای عملکردی می‌باشند. در سطوح مفصلی دارای غضروف مفصلی است. پوشش کامل استخوان دارای ساختمان شامه‌ای یا پیرااستخوان است. پوشش ناحیه محصور غضروف (کپسول) مفصل‌ها و همچنین پوشش نیام‌های تاندون، غشاهای مفصلی هستند که غضروف مفصلی را هنگامی که به عنوان دیواره حفاظتی عمل می‌کند، تغذیه و نرم می‌کنند. استخوان متصل به هم، تیغک مانند و مشبک در زیر فیزیس درون یک استخوان برون لایه‌ای، فشرده و دگر بافتی قرار دارد که حفره مغز استخوان را در ناحیه استخوان‌دار محصور کرده است.
سلول‌های استخوانی
سه نوع اصلی سلول در استخوان‌ها وجود دارد: استخوان‌زاها، کیست‌های استخوانی، و استخوان شکن‌ها. استخوان‌زاها به طور کلی سلول‌های گرد و درشتی هستند که به همراه مقدار بسیاری آندوپلاسم می‌باشند. آنها مسئول بافت زایشی استخوانی ترکیب شده (استخوان مانند) هستند. این سلول‌ها بر روی سطح نواحی استخوان‌سازی بافت می‌شوند و به عنوان مجموعه کانال‌های هاورس شناخته شده‌اند که درون استخوان یکپارچه بافت زایشی رگ‌های خونی را احاطه کرده‌اند. استخوان زاها در پوشش معدنی به استخوانهای سخت بافت یا کیست استخوانی تبدیل می‌شوند. استخوانهای سخت بافت با پوشش مواد معدنی از بین نمی‌روند در عوض از طریق فرایندهای طولانی با دیگر سلول‌های پوشش دار معدنی و سلول‌های غیر پوشش‌دار ارتباط برقرار می‌کنند. سلول‌های چند هسته‌ای بزرگ با لبه‌های چین‌خورده‌ای که بر روی سطح بافت زایشی معدنی شده قرار دارند، استخوان شکن‌ها می‌باشند. استخوان شکن‌ها سنسورهای مکانیکی در بافت زایشی استخوانی هستند. این سلول‌های عظیم‌الجثه (20 تا 100 قطر) مستقیماً مسئول از بین بردن مواد معدنی و بافت زایشی (جذب مجدد استخوانی) هستند. استخوان شکن‌ها از طریق ترشح اسیدها و سپس آنزیم‌ها (اسید فسفات، کلاژن‌ها، کاتپسین‌ها، پروتئازهای خنثی) مواد معدنی را در خود حل می‌کند و موجب کاهش بافت زایشی می‌شود. در استخوان سالم، فعالیتهای استخوان شکن و استخوان‌زاها در هم ادغام می‌شود (از طریق پروتئینی که از استخوان آزاد می‌شود): در نتیجه با جذب مجدد تشکیل استخوانهای جدید صورت می‌گیرد. (30) لیگاند استخوان پروتگرین (51) نیز عامل حلالی است که به عنوان کنشگر گیرنده فاکتور هسته‌ای KB لیگاند، فاکتور متمایز استخوان شکن و فاکتور فعالیت تومور مردگی بافت که موجب سیتوکین می‌شود، شناخته شده است و از طریق استخوان‌زاها تولید می‌شود. لیگاند استخوان پروتوگرین موجب تشکیل استخوان شکن از سلول‌های قبلی می‌شود و بوسیله ادغام با یک گیرنده حلال (استخوان پروتگرین) بر روی سطح استخوان شکن، استخوان شکن‌های رشد یافته را فعال می‌سازد. لیگاند استخوان پروتگرین با نوع پوک آن، موجب گسترش پوکی استخوان می‌شود این بیماری نمایانگر افزایش غلظت استخوان در ارتباط با شکل‌دهی مجدد استخوان میانی استخوان شکن است. برخلاف انواع اشکال پوکی استخوان که می‌تواند با افزایش فاکتورهای رشد یا سلول‌های مغز استخوان نجات یابند، لیگاند استخوان پروتگرین فقط می‌تواند از طریق افزایش لیگاند استخوان پروتگرین نجات یابند و این بدان معناست که این عامل برای تشکیل استخوان شکن ضروری است. (51 و 52)
بررسی مشکل و ساختمان استخوان در پروتونگاری‌ها و یا در بخش‌های پوششی استخوانی، الگویی را آشکار می‌سازد که برای مقاومت در برابر فشار طراحی شده است. فشارها، در یک استخوان متحمل وزن الگوی رادیوگرافی شده از ساختمان استخوان را متعادل می‌کند. توانایی استخوان برای تنظیم شکل بیرونی و نمای آن از طریق جذب مجدد و شکل‌دهی مجدد در واکنش به چنین فشارهایی، یکی از خصوصیات منحصر به فرد این گونه بافت‌هاست.
ترکیبات استخوان
تمام انواع استخوان‌ها، اعم از بلند، تخت، درون شامه‌ای، یکپارچه و فشرده، بر اساس اشکال بافت‌های پیوندی و شکل و عملکرد آنها مشخص شده‌اند و مانند دیگر بافت‌های پیوندی به سازمندی و تعامل عناصر بافت زایشی برون یاخته‌ای بستگی دارند. مواد معدنی بخشی از بافت زایشی استخوان برون یاخته‌ای است که از دیگر بافت‌های پیوندی متمایز بوده و جهت اجرای عملکردی منحصر بفرد خود آن را توانمند می‌سازد.
مواد معدنی موجود دو استخوان، آنالوگی است که بطور طبیعی هیدروکسیل آپرتیت معدنی Ca10(Po4)6(OH)2 را بوجود می‌آورد. کریستال‌های معدنی استخوان، برخلاف کریستال‌های آپرتیب زمین‌شناسی (اندازه آن از سانتی متر به متر است)، بسیار کوچک می‌باشند (بزرگترین ابعاد آن 20 تا 40 mm است). کریستال‌های میکروسکپی در مواد معدنی استخوانی یافت می‌شوند آنها به خاطر اندازه کوچک خود گرایش دارند تا بیش از آپرتیت‌های زمین‌شناسی حلال باشند و ناخالصی‌ها و همچنین خلل و فرج بیشتری نسبت به کریستال‌های هیدروکسیل آپرتیت خالص داشته باشند. مواد معدنی استخوانی هیدروکسیدی ناقص است و شامل مقادیر متغیر ولی قابل اندازه‌گیری کربنات، منیزیم، سدیم، فلوراید و سیترات به علاوه دیگر ناخالصی‌ها است. (16)
این مواد معدنی به همراه کل بافت زایشی استخوانی بطور مداوم بوسیله استخوان شکن‌ها از بین می‌روند و بوسیله استخوان زاها مجدداً شکل می‌گیرند و این امر در واکنش به فشارهای فیزیولوژیکی، بیوشیمیایی و مکانیکی طبیعی صورت می‌پذیرد. مواد معدنی استخوان در تعادل مایعات بدن نقش دارد. کانی زدایی شدن استخوان هنگامی اتفاق می‌افتد که پذیرش یون‌های معدنی برای شکل‌دهی استخوان کافی باشد (مثل نرمی استخوان در اثر کمبود ویتامین D) و یا هنگامی که کاهش شدید کلسیم بوجود آید (مثل پاراتیروئید پرکار).
تعادل یونی مواد معدنی
تنظیم غلظت سرم (خونابه) یون‌های مواد معدنی (تعادل) اصولاً با سه هورمون کنترل می‌شود: هورمون پاراتیروئید، کلسی‌تونین و ویتامین D. هورمون پاراتیروئید نوعی پپ‌تیر است که بوسیله غده پاراتیروئیدی تولید می‌شود که میزان کلسیم در حال جریان را حفظ و افزایش می‌دهد. (27)
این هورمون بر روی سه اندام اصلی فعالیت دارد: 1- کلیه، این هورمون در کلیه جذب مجدد یون کلسیم را افزایش داده و جذب مجدد فسفات را کاهش می‌دهد. 2- روده، این هورمون در روده جذب کلسیم را افزایش می‌دهد و 3- استخوان، این هورمون در استخوان موجب تحریک جذب مجدد (از طریق تحریک استخوان‌زاها تا لیگاند استخوان پروتگرین را تولید کند) می‌شود. کلسی‌تونین به عنوان یک هورمون پپتید تیروئیدی، هورمونی متضاد هورمون پاراتیروئید است که بطور مستقیم مانع فعالیت استخوان شکن‌ها شده و از آزادسازی یون‌های کلسیم از استخوان جلوگیری به عمل می‌آورد. ویتامین D نیز یک هورمون است زیرا می‌توان در یکی از بافت‌ها (بافت پوست) تولید شده و به بافت‌های دیگر (استخوان، روده، کلیه) انتقال یابد این هورمون در آنجا با گیرنده‌های خاص ادغام شده و سبب سنتز پروتئینی می‌شود. چندین نوع متابولیت ویتامین D نیز یک هورمون است زیرا می‌تواند در یکی از بافت‌ها (بافت پوست) تولید شده و به بافت‌های دیگر (استخوان، روده، کلیه) انتقال یابد. این هورمون در آنجا با گیرنده‌های خاص ادغام شده و سبب سنتز پروتئین می‌شود. چندین نوع متابولیت ویتامین D در سرم نرمال موجود می‌باشد اما شکل‌گیری مجدد استخوانی موجب فعالیت متابولیتی می‌شود که بصورت گسترده می‌باشد، 5/12 هیدروکسیل کالی کلسیفرول است. این هورمون با بسیاری از سلول‌های خارج از سیستم استخوان عضله ادغام می‌شود پدیدار شدن این هورمون در چنین سلول‌هایی که در برخی بافت‌های استخوان عضله وجود دارند با دیفرانسیل و تعادل کلسیم مرتبط می‌باشند. (8) سنتز 5/12 هیدروکسیل کالی کلسیفرول از کلسترول اولیه در پوست بوسیله کبد و سپس بوسیله 1- هیدروکسیل موجود در کلیه آغاز می‌شود. فعالیت هیدروکسیل‌ها تا اندازه‌ای از طریق هورمون پاراتیروئید کنترل می‌شود. حیواناتی با بیماری کلیه و یا حیوانات آنفریک دارای میزان اندکی از هیدروکسل کالی کلسیفرول هستند و ناهنجاری‌های استخوانی آنها با مواد معدنی کاهش یافته استخوان مانند (نرمی استخوان) و سخت شدگی ناقص غضروف (نرمی استخوان) مشخص می‌شوند.
بیومکانیک و بیولوژی شکستگی
لغت‌نامة واژه‌های مربوطه
نیروی محوری: نیرویی که در یک جهت به کار رفته و به طور یکسان در سر تا سر سطح ساختار تحت فشار با توزیع شده است. واحدهای اندازه‌گیری: کیلوگرم و نیوتون.
گشتاور خمشی نیرو: نیرویی که استخوان را حول یک محور عمود بر محور طولی آن خم می‌کند محصول این نیرو و یک بازوی گشتاور. واحد اندازه‌گیری: نیوتن ـ متر.
نیروی واکنش زمین: نیرویی که در پاسخ به تماس پا با زمین وارد می‌شود این نیرو برابر با نیرویی است که از تماس پا به وجود آمده با این تفاوت که در جهت عکس آن است واحدهای اندازه‌گیری: کیلوگرم ـ نیوتون.
کشیدگی داخلی: تغییر شکل موضعی منطقه مشخصی از استخوان برابر است با تغییر در طول یا طول اصلی (کشیدگی طبیعی) یا تغییر زاویه مربوط به زاویه اصلی (کشیدگی منجر به شکسته شدن) با درصد بیان می‌شود.
فشار داخلی: شدت نیروی موضعی که توسط قسمت خاصی از سطح استخوان احساس می‌شود فشار میانگین مساوی با نیروی کل در برش مقطعی است واحد اندازه‌گیری: نیوتون بر میلی‌متر مربع.
بازوی گشتاور (بازوی اهرم): فاصله عمودی خط عملکرد یک نیرو تا نقطه‌ای که گشتاور محاسبه شده باشد. واحد اندازه‌گیری: متر.
محور خنثی: وقتی که استخوانی دچار خمیدگی می‌شود محور خنثی نقطه‌ای از فشار صفر است که در آن استخوان با نقطه انتقال از فشردگی به کشیدگی ارتباط دارد.
گشتاور پیچشی نیرو (گشتاور): نیرویی که استخوان را حول محور طولی آن می‌پیچاند. محصول یک نیرو و بازوی گشتاور. واحد اندازه‌گیری: نیوتون ـ متر.
استخوانهای طویل در معرض نیروهای فیزیولوژیکی و غیر فیزیولوژیکی هستند. نیروهای غیر فیزولوژیکی در موقعیتهای غیر معمول نظیر تصادفات اتومبیل، جراحات ؟؟ و زمین خوردگیها بروز می‌کند. آنها می‌توانند مستقیماً به استخوان منتقل شده و به آسانی از نهایت قدرت استخوان فراتر روند که در این حالت شکستگی را موجب خواهند شد. نیروها یا فشارهای فیزیولوژیکی از طریق افزایش وزن، انقباض ماهیچه و فعالیتهای بدنی مربوط به وجود می‌آید آنها از طریق سطوح مفصل و انقباض ماهیچه‌ای به استخوان انتقال داده شده‌اند. فشارهای فیزیولوژیکی یکی غیر محوری بوده اما می‌تواند به گشتاورهای خمشی و پیچشی منجر شود. فشارهای فیزیولوژیکی معمولاً از نهایت قدرت استخوان فراتر نمی‌روند و جز در شرایط غیر معمول موجب شکستگی استخوان نمی‌شوند.
فشار فیزیولوژیکی ناشی از افزایش وزن زمانی اتفاق می‌افتد که پا با زمین به طور همزمان با نیروی برابر اما در جهت مخالف واکنش نشان می‌دهد. که با نام نیروی واکنشی زمین معروف است. مقدار نیروی واکنشی زمین به همان نسبت با شتاب بدن و توزیع وزن بدن که در زمان تماس پا با زمین صورت می‌گیرد متفاوت است. علاوه بر مقدار مدت زمانی که طی آن پا با زمین در تماس است نیز در مشخص کردن تاثیر نیرو حائز اهمیت است. بنابراین بار ضربه و یا سرعت آن می‌تواند تاثیر متفاوتی از همان نیرو ولی به شکل آرام‌تر داشته باشد.
در ؟؟ و به هنگام راه رفتن آرام، نیروی واکنشی زمین برابر با 30% از وزن بدن در هر پای جلویی و 20% از وزن بدن در هر پای عقبی است. به سبب شتاب و بار ضربه نیروی واکنشی زمین ممکن است در یک دویدن سریع یا پریدن از بلندی تا 5 برابر یا وزن بدن بیشتر افزایش یابد.
نیروی واکنشی زمین، فشردگی محوری، گشتاورهای خمشی و گشتاورهای پیچشی را در استخوان موجب می‌شود این گشتاورها جهت کنترل حرکت و حفظ تعادل توسط انقباض ماهیچه متعادل خواهند شد.
یک گشتاور خمشی زمانی اتفاق می‌افتد که نیرویی موجب می‌شود تا شی‌ای حول یک محور خم شود و گشتاور پیچشی موقعی به وقوع می‌پیوندند که نیرویی سبب شود تا یک شی حول یک محور دوران کند. یک گشتاور خمشی یا پیچشی محصول شدت نیرویی است که بازوی گشتاور طبق آن عمل می‌کند بازوی گشتاور با فاصله عمود از خط عمل نیرو تا نقطه‌ای که گشتاور عمل می کند برابر است. فاصلة عمود از خط عمل نیروی واکنشی زمین تا بند مچ بازوی گشتاور است. محصول نیروی واکنشی زمین و بازوی گشتاور، گشتاور خمشی است که موجب می‌شود تا پا به شکلی حول مچ خم شود گشتاور نیروی واکنشی زمین که در بند مچ عمل می‌کند برای حفظ تعادل از طریق انقباض ماهیچه متعادل شده است. به دلیل بازوهای گشتاور نسبتاً کوتاه ماهیچه‌ها بایستی فشار قابل توجهی را برای حفظ تعادل دارد آورند. برای مثال اگر نیروی واکنشی زمین در یک سگ شکاری 30 کیلوگرم و فاصله عمود از خط عمودی عملکرد نیروی واکنشی زمین تا بند مچ برابر با 10 سانتیمتر باشد گشتاور خمشی که به خم شدن بند یا مفصل می‌انجامد برابر با 300 کیلوگرم بر سانتیمتر خواهد بود.
فشردگی و کشیدگی داخلی را افزایش می‌دهد.
وقتی جزء مهمی از فشار مفصلی بطور تا هم محور با ستون استخوان یا از انحنای طبیعی استخوان حاصل شود وقتیکه یک ساختار مانند استخوان دچار خمیدگی می‌شود سطح محرب استخوان دچار فشار کشیدگی در یک طرف و فشردگی داخلی می‌گردد از آنجا که فشارها بصورت کشیدگی در یک طرف دیگر هستند فشار در نقطه بین دو سطح برابر با صفر است مکان فشار صفر محور خنثی نامیده شده و با هنر سر استخوان قابل تعریف است محور خنثی در استخوان طبیعی سالم، تقریباً همان مرکز حفره مغز استخوان است بزرگی فشار حاصل از فشردگی و کشیدگی با افزایش فاصله از محور خنثی افزایش می‌یابد حداکثر فشار کشیدگی در سطح پری‌اوستئال روی قسمت محرب استخوان است. حداکثر فشردگی نیز در سطح مقعر آن می‌باشد. سطحی که در معرض کشیدگی قرار می‌گیرد بعنوان سطح کشیدگی خوانده می‌شود و سطحی که فشردگی اولیه را تحمل می‌نماید سطح فشردگی نامیده می‌شود. فشار کشیدگی می‌تواند سطوح شکستگی را از یکدیگر جدا سازد. دانستن اینکه سطح کشیده شده در هر استخوان طویل بهنگام شکستگی بایستی در مقابل کشیدگی مقاومت کند و از عریض شدن شکاف شکستگی جلوگیری بعمل آورد حائز اهمیت است سطح کشیده شده استخوان ران سطح بقلی جمجمه‌ای (کناری) است. این قضیه در سطح کناری (بقلی جمجمه) استخوان درشت نی سطح کناری استخوان بازو سطح جمجمه‌ای زند زبرین صدق می‌کند آنچه که به اندازه مقاومت در برابر فشار کششی حاصل از خمیدگی اهمیت دارد مقاومت در برابر فشردگی وارده بر سطح مقعر استخوان است. فشارهای حاصل از فشردگی داخلی از فشردگی و خمیدگی محوری حاصل شده و بر سطح مقعر استخوان اضافه می‌گردند کمبود مقاومت کافی در برابر فشار حاصل از فشردگی، به فروپاشی سطح قشری نظیر فروپاشی (از بین رفتن) سطح قشری میانی و نیز در حالتی بالاتر شکستگی استخوان ران می‌انجامد.