OLEH SUDARYANTO, S.ST.Ft, M.Fis BIOMEKANIK TULANG OLEH SUDARYANTO, S.ST.Ft, M.Fis

INTRODUKSI Tulang memiliki 2 fungsi mekanikal yg penting. Fungsi pertama, tulang memberikan kerangka skeletal yang kaku untuk menyanggah & melindungi jaringan2 tubuh lainnya. Fungsi kedua, tulang membentuk suatu sistem lever yang kaku & dapat digerakkan dengan gaya dari otot yang melekat pada tulang tersebut.

BIOMEKANIK TULANG KOMPOSISI DAN STRUKTUR JARINGAN TULANG PERTUMBUHAN DAN PERKEMBANGAN TULANG SIFAT TULANG TERHADAP BENTUK PEMBEBANAN YANG BERAGAM PENGARUH AKTIVITAS OTOT TERHADAP DISTRIBUSI STRESS DALAM TULANG

Kandungan bahan/unsur tulang Organisasi struktural Tipe tulang

Kandungan Bahan/Unsur Tulang Bangunan/unsur utama tulang adalah kalsium karbo-nate, kalsium fosfat, collagen & air. Secara umum, kalsium karbonate & kalsium fosfat membentuk sekitar 60-70% dari berat kering tulang  unsur tersebut memberikan kekakuan & kekuatan kompresi tulang. Collagen merupakan protein yg dapat memberikan fleksibilitas pada tulang & kekuatan regangan (tensile) pada tulang.

Kandungan air pada tulang membentuk sekitar 25 -30% dari berat total tulang  kontributor penting ter-hadap kekuatan tulang. Aliran air melalui tulang juga membawa nutrisi ke sel2 tulang & membawa sisa metabolik dari sel2 tulang ke dalam matriks mineral, serta mengangkut ion2 mineral ke tulang & dari tulang untuk penyimpanan & penggu-naan berikutnya oleh jaringan tubuh ketika dibutuhkan.

Organisasi Struktural Secara struktural, jaringan tulang dikelompokkan men-jadi 2 kategori yaitu tulang kortikal & tulang spongy atau tulang cancellous/trabecular Tulang kortikal adalah tulang yg porositasnya (pori-pori) rendah, mengandung lebih banyak unsur mineral (kalsium karbonate & kalsium fosfat) daripada unsur nonmineral yang hanya sekitar 5 – 30%  mengan-dung jaringan konektif mineral yg padat & ditemukan pada batang tulang yg panjang.

Tulang cancellous/trabecular adalah tulang yg porosi-tasnya (pori-pori) tinggi, mengandung lebih banyak unsur non-mineral sekitar 30 – 90% keatas daripada unsur mineral  memiliki struktur seperti sarang laba2, membentuk sel yg terisi dengan sumsum tulang & lemak, & ditemukan pada ujung2 tulang & vertebra. Porositas tulang secara langsung mempengaruhi karakteristik mekanikal jaringan  tulang kortikal yang banyak mengandung mineral akan lebih kaku daripada tulang trabecular yang lebih bersifat spons. Batang tulang panjang tersusun oleh tulang kortikal yang kuat, tulang trabecular relatif tinggi pada vertebra.

Karena tulang kortikal mengandung unsur mineral yg tinggi maka sifat mekanikalnya lebih kaku sehingga dapat menahan stress yg lebih besar. Karena tulang trabecular mengandung unsur mineral yg rendah maka sifat mekanikalnya lebih spons/lunak sehingga lebih banyak mengalami strain sebelum frak-tur. Strain adalah besarnya deformasi dibagi dengan pan-jang awal struktur. Tulang trabecular yg relatif tinggi terdapat pada verte-bra  memberikan kontribusi terhadap kemampuan shock absorber.

Contoh Tulang Kortikal & Tulang Trabecular

Tipe Tulang Tulang pada tubuh manusia berjumlah sekitar 206 tu-lang. Sistem skeletal terdiri dari axial skeleton dan appendi-cular/perifer skeleton. Axial skeleton adalah tulang2 yg membentuk axis tu-buh yaitu tengkorak, vertebra, sternum, & costa. Appendicular skeleton adalah tulang2 yg membentuk tambahan/pelengkap tubuh, yaitu tulang2 pada extre-mitas superior dan inferior

Menurut bentuk & fungsinya, tulang terdiri atas tulang pendek, tulang panjang, tulang datar, & tulang irregular (tidak beraturan). Contoh tulang pendek adalah ossa carpalia & ossa tar-salia. Tulang datar berperan melindungi organ2 dalam & ja-ringan lunak yg terletak didalamnya.serta memberikan area yg luas untuk perlekatan otot & ligamen, contoh scapula, sternum, costa, patella, & beberapa tulang tengkorak.

Tulang irregular dapat berfungsi khusus pada tubuh manusia, seperti vertebra yg memiliki arcus untuk me-lindungi spinal cord & memiliki processus untuk perle-katan otot & ligamen. Tulang panjang membentuk kerangka dari appendicu-lar skeleton  ujung tulangnya terdapat cartilago sen-di yg self-lubrikasi untuk melindungi ujung tulang dari pengausan. Tulang panjang juga memiliki rongga yang dikenal dgn cavitas atau canal medullaris.

PERTUMBUHAN & PERKEMBANGAN TULANG Tulang mulai tumbuh pada awal perkembangan janin, & secara kontinyu terjadi perubahan komposisi & struk-tur selama masa kehidupan. Pertumbuhan tulang terdiri atas pertumbuhan longitu-dinal (tumbuh secara longitudinal) & pertumbuhan cir-cumferential (tumbuh secara circumferential).

Pertumbuhan Longitudinal Pertumbuhan longitudinal tulang terjadi pada epiphysis (dataran epiphyseal)  epiphysis adalah diskus car-tilaginous yg ditemukan dekat ujung tulang panjang. Epiphysis merupakan pusat pertumbuhan tulang yang menghasilkan jaringan tulang baru sebagai bagian dari proses pertumbuhan normal sampai tertutup atau berhenti pada usia remaja atau dewasa muda. Secara kontinyu, setiap epiphysis menghasilkan sel2 tulang baru.

Memasuki usia remaja dataran epiphyseal menghilang dan terjadi penyatuan tulang  akhir dari pertumbuh-an longitudinal  sebagian besar merapat pada usia sekitar 18 tahun, meskipun beberapa epiphysis masih ada sampai usia sekitar 25 tahun. Penyatuan dataran epiphyseal berdasarkan pada regio tulang dapat dilihat pada tabel dibawah ini.

Perkiraan Usia terjadi penutupan/penyatuan epiphyseal Regio (tulang) Usia (tahun) 1. Columna Vertebralis 2. Thoraks : a. Sternum b. Costa 3. Extremitas Superior a. Clavicula b. Scapula c. Humerus : - Caput menyatu dgn shaft - Epicondylus lateral - Epicondylus medial d. Ulna - olecranon - Ujung bawah e. Radius - Caput dan shaft - Ujung bawah ke shaft 25 15 – 17 20 16 – 17 18 16 18 – 19

Regio (tulang) Usia 4. Extremitas inferior a. Tulang pelvic - Rami inferior pubis dan ischium - Acetabulum b. Femur - Trochanter major dan minor - Caput femur - Ujung bawah femur c. Tibia - Ujung atas tibia - Ujung bawah tibia d. Fibula - Ujung atas - Ujung bawah 7 – 8 20 – 25 18 20 25

Pertumbuhan Circumferential Pertumbuhan circumferential terjadi pada diameter tulang. Lapisan bagian dalam dari periosteum membentuk ja-ringan tulang baru yg konsentrik (kearah pusat) pada puncak salah satu tulang  periosteum adalah mem-bran berlapis ganda yang menutupi tulang ; lapisan pa-ling luar tempat melekatnya tendon otot & lapisan da-lam adalah tempat aktivitas osteoblast. Osteoblast & osteoclast bekerja secara simultan untuk menghasilkan perubahan ukuran & bentuk tulang.

Perkembangan Tulang Dewasa Pada masa anak2 sampai usia remaja, secara normal mineral tulang akan meningkat secara progresif sam-pai mencapai puncaknya pada usia 25 – 28 tahun (wa-nita) dan usia sekitar 30 – 35 tahun (laki2)  menurut beberap ahli puncak kepadatan tulang bervariasi. Menurut beberapa peneliti, kemunduran kepadatan tu-lang & kekuatan tulang yg progresif (laki2 & wanita) mulai terjadi pada awal usia 20-an. Penurunan kepadatan tulang akan disertai dengan me-ningkatnya porositas tulang.

Wanita cenderung memiliki tulang yang lebih kecil & area tulang kortikal yang lebih kecil daripada laki2. Perubahan kekuatan tulang juga terjadi pada laki2 te-tapi laki2 mengalami perubahan yang tidak terlalu sig-nifikan dibandingkan wanita

Sifat Tulang Terhadap Bentuk Pembebanan Yang Beragam Stress adalah beban per unit area yang berkembang pada permukaan tulang sebagai respon terhadap be-ban external yang terjadi  dinyatakan dalam gaya/ unit area yaitu N/cm2 atau N/m2. Strain adalah deformasi yang terjadi pada suatu titik dalam struktur tersebut akibat pengaruh pembebanan. Strain terbagi atas : 1) normal strain (deformasi yg da-pat merubah panjang struktur, 2) shear strain (defor-masi angular sehingga terjadi perubahan sudut pada struktur tersebut.

Beberapa gaya dapat terjadi pada struktur tulang dalam berbagai arah, sehingga menghasilkan beban tension (tensile), kompresi, bending (pembengkokan), shear, torsion & kombinasi beban.

Tension/Tensile Pada beban tensile, beban yang sama besar & berla-wanan arah ke arah luar terjadi pada permukaan struktur tulang. Pada beban tension menghasilkan stress tensile dan strain di dalam struktur tulang. Dibawah pengaruh beban tensile, struktur tulang akan memanjang dan menipis dengan kerusakan pada jaringan tulang adalah terpecahnya garis-garis segmen didalam tulang & tertarik keluar dari sel2 tulang.

Secara klinis, fraktur yang dihasilkan oleh beban tensile adalah fraktur pada basis metatarsal V (tulang trabecular) akibat tarikan yang kuat dari tendon peroneus brevis. Juga fraktur pada calcaneus akibat kontraksi yang kuat dari otot triceps surae.

Kompresi Pada beban kompresi, beban yang sama besar & berlawanan arah ke arah dalam terjadi pada permukaan struktur tulang. Pada beban kompresi, menghasilkan stress kompresi dan strain didalam struktur tulang. Dibawah pengaruh beban kompresi, struktur tulang akan memendek & melebar dengan kerusakan yang terjadi pada jaringan tulang adalah keretakan sel2 tulang secara oblique.

Fraktur yang dihasilkan oleh beban kompresi dijumpai pada tulang vertebra yaitu fraktur kompresi vertebra  terjadi pemendekan dan pelebaran jaringan tulang. Beban kompresi dapat merusak sendi akibat kontraksi kuat yang abnormal dari otot-otot disekitarnya

Shear Pada beban shear, beban teraplikasi atau terjadi se-cara paralel terhadap permukaan struktur tulang. Pada beban shear, menghasilkan stress shear & strain didalam struktur tulang  menyebabkan deformasi struktural secara internal dalam pola angular. Fraktur yang dihasilkan oleh beban shear biasanya terjadi pada tulang trabecular  contoh fraktur condy-lus femur & dataran tibia.

Bending Beban bending terjadi ketika beban yang teraplikasi-kan pada struktur tulang menyebabkan struktur tulang membengkok disekitar axis. Struktur tulang yang membengkok disebabkan oleh kombinasi beban tension/tensile dan kompresi. Ada 2 tipe beban bending yaitu 1) bending yg dihasil-kan oleh 3 gaya (three-point bending), 2) bending yg dihasilkan oleh 4 gaya (four-point bending).

A. Three Point Bending B. Four Point Bending

Three point bending terjadi ketika 3 gaya bekerja pada struktur tulang sehingga menghasilkan 2 momen gaya yg sama  jenis fraktur three point bending terjadi pada “boot top” fraktur selama bermain ski. Four point bending terjadi ketika 2 gaya kopel bekerja pada struktur tulang sehingga menghasilkan 2 momen gaya yang sama  karena besarnya momen bending sama pada seluruh area tulang maka struktur tulang akan retak pada titik yang paling lemah  contoh frak-tur femur akibat accidental.

Torsion Beban torsion terjadi ketika beban yang teraplikasikan pada struktur tulang menyebabkan struktur tulang terputar disekitar axis. Ketika struktur tulang mengalami beban torsion, maka stress shear akan didistribusikan ke seluruh struktur tulang. Dibawah pengaruh beban torsion, stress shear yg maximal bekerja pada bidang paralel & tegak lurus dengan axis netral struktur tulang.

Pola fraktur yang dihasilkan oleh beban torsion adalah formasi keretakan tulang yang paralel terhadap axis netral tulang.

Kombinasi Beban Pada aktivitas kegiatan sehari-hari tulang jarang terbe-bani oleh hanya satu bentuk beban. Pembebanan pada tulang adalah kompleks karena : Struktur geometrik tulang yang tidak beraturan Secara konstan tulang mengalami beragam beban yang tidak menentu Kombinasi beban yang terjadi pada tulang dapat di-jumpai pada aktivitas berjalan & jogging. Pada aktivitas berjalan, stress kompresi terjadi selama heel strike & push off, stress tensile terjadi selama stance phase.

Stress shear yang relatif tinggi terjadi pada bagian ak-hir siklus berjalan. Beban torsion terlihat pada saat terjadi external rotasi tibia selama stance phase dan push off. Pada aktivitas jogging, stress kompresi terutama terja-di pada toe strike  diikuti oleh stress tensile yang tinggi selama push off. Stress shear relatif kecil pada seluruh langkah jogging, sedangkan beban torsion terjadi saat external – internal rotasi tibia dalam pergantian langkah jogging.

Penelitian menunjukkan bahwa hanya sedikit fraktur yang dihasilkan oleh 1 bentuk pem-bebanan atau 2 bentuk pem-bebanan yang sama, paling banyak fraktur dihasilkan oleh kombinasi beberapa bentuk pembebanan.

Pengaruh Aktivitas Otot Terhadap Distribusi Stress Dalam Tulang Kontraksi otot dapat mengubah distribusi stress dalam tulang  kontraksi otot dapat menurunkan/mengelimi-nir stress tensile pada tulang dgn menghasilkan stress kompressi baik secara parsial maupun total. Kontraksi otot triceps surae dapat menghasilkan stress kompresi yg tinggi pada bgn posterior tibia. Fraktur dapat terjadi jika aplikasi beban yg menimpa tulang melebihi kekuatan maksimal tulang (beban yg tinggi).

Fraktur dapat terjadi dari aplikasi beban yang rendah dan terjadi secara berulang kali  fraktur tersebut di-namakan fatique fraktur. Fatique fraktur khususnya dihasilkan oleh beban yg re-latif normal dgn repetisi yg tinggi atau beban tinggi de-ngan repetisi yg rendah. Beban – repetisi pada tulang yang mempengaruhi ter-jadinya proses fatique adalah besarnya beban, jumlah repetisi, & frekuensi pembebanan.

Fatique fraktur biasanya terjadi pada aktivitas fisik yg berat secara terus-menerus  mekanismenya : Aktifitas fisik/exercise yg berat  Otot-otot mengalami kelelahan sehingga tidak mampu menetralisir bebera-pa stress yang terjadi pada tulang  Menghasilkan perubahan distribusi stress dalam tulang secara abnormal sehingga menyebabkan beban tinggi pada tulang  akibatnya terjadi fatique fraktur. Kerusakan akibat beban tensile akan menghasilkan keretakan tulang secara transversal (fraktur transver-sal), sedangkan kerusakan akibat beban kompresi akan menghasilkan keretakan tulang secara secara oblique (fraktur oblique)

Penyimpanan energi berjalan Exc yang berat Kelelahan otot Hilangnya kapasitas Perubahan pola Penyimpanan energi berjalan Pembebanan yang abnormal Perubahan distribusi stress Kompresi yg tinggi Kombinasi Tension yg tinggi Pemisahan sel2 tulang Keretakan scr transversal Keretakan sel scr oblique Fraktur oblique Fraktur transversal

TERIMA KASIH