Biomekanika Pelumasan Sendi dan Mekanika Cidera untuk Mahasiswa Teknik Biomedis

Matakuliah yang membahas tenang mekanika pelumasan sendi dan mekanika cidera

1. BIOMECHANICS
Week-3 & 4

2. Memahami Konsep Pelumasan Sendi
1.Tribology
2.Pelumasan
3.Sendi synovial
4.Tulang rawan/cartilage
5.Teori pelumasan sendi synovial secara alami dan normal

3. Tribology
•Mempelajari mengenai friction (gesekan), wear (aus), lubrication
(pelumasan), dan desain dari bearing
•Ilmu tentang interaksi permukaan dalam gerak relatif
Biotribology
+pada sistem biologis


Sangat penting untuk fungsi normal pada: kartilago sendi, pembuluh
darah, jantung, tendon, ligament, kulit

4. Gesekan/Friction
Apakah gesekan diinginkan pada aktifitas mekanik tubuh?
YA.
High friction
Low Friction
Antara kaki dan lantai saat berjalan
Untuk aliran yang lancar dari sel-sel darah arteri
Wear/Keausan
Contoh:
-Saat menyikat gigi/mengunyah yang makanan terlalu keras, bisa terjadi
nyeri pada pergerakan sendi rahang
-Terjadi akibat adanya degradasi kartilago dalam osteoartritis
Lubrication/Pelumasan
Fungsi: mengurangi gesekan dan keausan
Contoh: saat mata berkedip

5. Bearing
Berfungsi untuk:
1.Mengurangi gesekan benda berputar
2.Menjaga poros mesin supaya berputar sesuai
sumbunya


Biasa digunakan pada kendaraan bagian
poros/as roda

6. Pelumasan Bearing
GREASE
-Semi-solid
-Terbuat dari minyak mineral atau nabati, dicampur dengan zat pengental
Fungsi pelumasan
pada bearing:
-Mencegah keausan
dan kerusakan dini
-Menyerap panas

7. Apakah sistem tubuh manusia
mempunya bearing?
Punya: Sendi
Fungsi:Memfasilitasi pergeraka yang relatif terbatas antara dua bagian tubuh (tulang)
“Living Bearing”

8. Kasus:
Penderita osteoarthritis (nyeri sendi) /
keausan sendi

Penyebab:
-Degenerasi sendi
-Usia

Tulang rawan: keras dan licin
Akibat: habis, hanya tersisa tulang yang
akan saling bergesekkan

9. Jenis Sendi Berdasarkan
Kemampuan Geraknya
1.Diarthrosis
2.Amphiarthrosis
3.Sinarthrosis
: freely moveable
: semi moveable
: non-moveable

10. Jenis Sendi Berdasarkan Jaringan
Penghubungnya
1.Fibrous
2.Kartilago
3.Synovial

11. 1. Fibrous
•Dihubungkan oleh jaringan yang banyak
mengandung serabut kolagen
•Sedikit gerakan atau tidak sama sekali
•Contoh:
-Tengkorak (ligament sutura)
-Sendi antara tulang gigi dan rahang

12. 2. Kartilago
•Tidak berongga
•2 buah tulang
dihubungkan oleh
kartilago

13. 3. Synovial
•Terbanyak di tubuh manusia
•Freely moveable
•Komponen persendian:
?????? Tulang rawan sendi
?????? Rongga sendi
: melapisi ujung tulang yang bersendi
: ruangan antara 2 tulang, terisi oleh cairan
synovial
: penutup rongga sendi
: melapisi bagian dalam rongga sendi
: cairan albumin yang berguna sebagai pelumas
dan makanan sel-sel tulang rawan
: lapisan sebelah luar kapsul sendi
: kantong kecil berisi cairan synovial
(mengurangi gesekan)
?????? Kapsul sendi
?????? Synovial membrane
?????? Cairan synovial
?????? Membran fibrosa
?????? Bursa

14. Usia 25-34 tahun
Pria: 5400 siklus beban
Wanita : 4700 sikuls beban
Pada kehidupan sehari-hari
kartilago menahan gaya
mekanis berkali-kali lipat lebih
besar dari berat badan
manusia
Sendi pada lutut menahan sekitar 1.2 –
7.2 kali berat badan manusia
Sendi pada pinggul menahan sekitar 2.5
– 5.8 kali berat badan manusia

15. Apakah bisa membuat artificial
living bearing?
Terbuat dari hydrogel
Hasilnya: uji tekan 66% lebih tinggi dari
natural cartilage
Bisa, gunakan material viscous elastis
Alasan: untuk menghasilkan gesekan yang rendah selama pergerakan

16. Pelumasan pada Living Bearing
-Living bearing memiliki sel-sel sehingga berpotensi untuk
beregenerasi untuk memperbaiki jaringan yang rusak
-Pelumas biologis seperti cairan synovial
-Protein musin: membentuk sebuah lapisan (mirip seperti gel)
sehingga berperan sebagai pelumas dan melindungi jaringan
permukaan terhadap keausan mekanik

17. Articular Cartilage / Tulang Rawan
Artikular
•Melapisi permukaan sendi
•Mengurangi gesekan dalam diartrosis
•Dikelliling oleh matriks ekstraseluler dan beragam protein
•Tersusun dari sel, air,kolagen, dan biomolekul lainnya
•Bagian-bagian AC:
?????? Zona Superfisial (tangensial)
?????? Zona Tengah (transasisional)
?????? Zona Dalam
?????? Zona Kalsifikasi
Sifat mekanik berbeda

19. Komposisi AC

20. Biomekanika AC
•Terdiri dari 2 fasa: cair (air 65-85%) dan padat (matriks
ekstraseluler)
•Permeable (dapat dilalui semua bentuk zat) dan visko elastis
•2 mekanisme yang menyebabkan visko elastis pada AC:
1.Flow dependent: bergantung pada cairan interstisial
2.Flow independent
•Respon mekanik AC sangat tergantung pada aliran synovial

21. Bagaimana Kondisi AC Saat terjadi
Pembebanan?
Apabila ada
deformasi, cairan
mengalir melalui
tulang rawan dan
melintas
permukaan
articular

22. Synovial Joints
•Memberikan gerakan halus antar tulang yang
berdekatan
•Dikelilingi oleh kapsul articular yang memberikan
rongga sendiri berisi cairan synovial
•Mencegah gesekan antar tulang artikluasi pada
rongga-rongga sendi
•Rongga sendiri berisi cairan synovial yang
disekresikan oleh membrane synovial (synovium)
•Tulang rawan hyaline membentuk tulang rawan
articular, menutupi seluruh permukaan artikulasi
setiap tulang
•Tulang rawan articular dan membrane synovial
saling menyambung
•Beberapa sendi synovial juga berhubungan dengan
fibrocartilage antar tulang artikulasi (contoh menisci
pada lutut)

23. Jenis Gerak pada Persendian
1.Inversi dan Eversi => kaki
Inverse: membuka telapak kaki ke arah dalam tubuh
Eversi: ke arah luar memiringkan

24. Jenis Gerak pada Persendian
2. Pronasi dan Supinasi => tangan
Pronasi: menelungkupkan
Supinasi: menengadahkan

25. Jenis Gerak pada Persendian
3. Elevasi dan Depresi => kepala
Elevasi : menengadah
Depresi : menunduk

26. Jenis Gerak pada Persendian
4. Adduksi dan Abduksi
Adduksi
Abduksi
: Mendekati
: Menjauhi

27. Jenis Gerak pada Persendian
5. Fleksi dan Ekstensi
Fleksi
Ekstensi
: Menekuk
: Meluruskan

28. Klasifikasi Sendi
Berdasarkan arah geraknya:
1.Hinge (Engsel)
2.Pivot (Poros/Putar)
3.Condyloid (Lonjong/Ellipsoid)
4.Gliding (Luncur/Datar)
5.Saddle (Pelana)
6.Ball and socket
(Bola dan Rongga)

30. 1. Hinge/Engsel
•Artikulasi antara tulang
berujung cembung dan
tulang berujung cekung
•Uniaxial, bergerak pada 1
sumbu/bidang
•Pergerakan: flexion and
extension
•Contoh: siku, lutut

31. 2. Pivot/Poros/Putar
•Articulation dalam cincin ligamen antara ujung bulat satu tulang
dengan tulang lainnya
•Unixial, secara rotasi
•Contoh: tulang atlas (tulang leher paling atas)

32. 3. Condyloid/Ellipsoid/Lonjong
•Ellipsoid joint
•Artikulasi tulang dengan permukaan elips yang bertemu dengan
cekungan berbentuk elips
•Biaxial, bergerak pada 2 sumbu
•Movement: flexion/extension, circumduksi, abduksi, adduksi, atau
kombinasinya
•Eg: jari

33. 4. Gliding/Datar/Luncur
•Artikulasi antara 2 tulang pipilih dan berukuran serupa
•Multiaxial, bergeser dan berotasi antar tulang
•Namun ligament sekitar membatasi sendi ini untuk melakukan
beberapa Gerakan
•Contoh: pergelangan kaki, pergelangan tangan

34. 5. Saddle/Pelana
•Artikulasi antara 2 tulang berbentuk pelana cekung pada satu arah
dan cembung pada arah lain
•Biaxial
•Movement: fleksi dan ekstensi, circumduksi, adduksi, abduksi
•Contoh: jempol tangan

35. 6. Ball and Socket/Peluru
•Articulation between the rounded head of one bone (ball) and the
concavity of another (socket)
•Multiaxial
•Movement: fleksi dan ekstensi, abduksi, adduksi, rotasi internal,
rotasi eksternal
•Contoh: bahu, pinggul

36. Stabilitas Sendi
1.Ligamen
2.Otot
3.Bentuk permukaan

37. Surgical Robotic Arm Systems and
Hand Tools
•Terinspirasi dari bagian
tubuh manusia mana?
•Jenis sendi?
•Pelumas?

39. Konsep Biomekanika
Kepala/Leher, Dada,
Abdomen, dan Jantung
Week 4 - Teknik Biomedis

40. Konsep Mekanika Kepala/Leher, Dada,
Abdomen, dan Jantung
1.Mekanisme cidera dan respon mekanis bagian kepala, dada, dan
abdomen
2.Struktur penyangga kepala dan leher manusia
3.Kriteria toleransi luka

41. Mekanisme cidera dan respon mekanis
bagian kepala
•Traumatic Brain Injury (TBI)
•3
rd
leading cause of death
worldwide
•Penyebab utama: jatuh
•Secara klins, TBI dikategorikan
menjadi focal atau diffuse

42. Focal TBI
•Cedera pada pembuluh vascular primer
•Menyebabkan pendarahan di dalam otak,
di permukaan otak, atau terdapat cortical
gray matter (memar otak)

43. Diffuse TBI
•Tidak teralokasi di 1 area otak
•Terdistribusi ke seluruh area
•Bentuk cedera yang bisa muncul seiring
waktu
•Paling umum: diffuse axonal injury
(DAI) => mild

44. Cedera pada Dada

45. Cedera pada Abdomen
1.Blunt (benda tumpul)
?????? Cedera akibat ledakan (terpental)
?????? Cedera akibat tabrakan
?????? Cedera akibat seat belt
2.Penetrating (menembus)
?????? Luka tusuk
?????? Luka tembak
3.Iatrogenic : endoscopic, liver biopsy

46. Respon Cedera
•Mechanical impact
•Pathophysiological
•Menginduksi
mechanical response
pada tingkat sel dan
jaringan

47. Secondary Response
•Kerusakan primer
menyebabkan kerusakan
sekunder
•Menyebabkan kematian sel,
disfungsi jaringan, perubahan
tingkat sistem
•Peran biomekanik:
menentukan mekanisme
cedera pada fase primer
maupun sekunder
•Dengan membuat
model/simulasi yang meniru
gaya/tekanan dan
deformasi/regangan yang
dapat terjadi

50. Struktur Leher Manusia

51. Tulang Leher/Cervical Spine
•Kumpulan struktur yang menghubungkan kepala ke tubuh manusia
•Sangat kompleks terdiri dari banyak tulang, otot, saraf, pembuluh darah, dll
•Cervical spine/tulang belakang leher berfungsi menopang tengkorang
namun harus tetap memungkinkan untuk bergerak
•Bagian spine yang paling fleksibel
•Sangat fleksibel sehingga memungkinkan terjadinya gerakan memindai ke
sekeliling
•Sensory input banyak terjadi di kepala, sehingga peran leher sangat penting
•Cervical spine dapat mengalami fleksi, ekstensi, rotasi, dan side-bending, namun
setiap sendinya memiliki masing-masing gerakan utama

52. Fungsi Tulang Leher
•Menstabilkan dan menjaga kepala pada posisi yang memungkinkan mata
saat sejajar dengan tanah
•Fungsi vestibular/keseimbangan
•Membantu menelan
•Membantu tulang rusuk saat menghirup
•Melindungi sumsum tulang belakang dan arteri vertebralis
•Otot leher melindungi struktur neurovascular lain yang diperlukan untuk
menopang kehidupan manusia

53. Gerakan pada Leher
•Fleksi: menundukkan kepala ke depan menuju dada
•Ekstensi: menengadahkan kepala ke belakang, wajah menghadap langit
•Rotasi: memutar kepala ke kiri/kanan
•Side-bending: memiringkan kepala ke samping (menempelkan telinga ke
bahu)

54. •Tersusun dari 7 ruas
•C1 dan C2 disebut atypical karena
strukturnya unik untuk menopang
dan menggerakan tengkorak
•C1, ada sendi oksipital-atlanto (OA)
berfungsi untuk menahan beban
tengkoran dan memberikan support.
Gerakan utama sendi OA adalah fleksi
dan ekstensi
•C2, berartikulasi dengan C1 melalui
tulang unik yang disebut dens.
Memungkin gerak berputar
•C3-C7 disebut typical
•C2-C4 Gerakan utamanya adalah
rotasi

55. Simulasi Leher Manusia

56. Biomekanik pada Kepala dan Leher

57. Kenapa kita butuh tahu semua ini?
Age
Gender

Genetic
Accident
Human Factor
Non- Human Factor
(natural disaster,
technical error, etc)

58. Kecelakaan Lalu Lintas
•1.3 juta kematian jiwa per tahun di seluruh dunia
•50 juta jiwa terluka parah


Prevention effort -> understanding the injury tolerance
•Tubuh manusia dapat menahan sejumlah input mekanis (tekanan,
percepatan, kompresi, dll) sebelum terjadi kegagalan atau disfungsi
jaringan.
•Transisi dari suatu beban yang mengakibatkan kegagalan jaringan secara
mekanis dan fungsional dikenal dengan injury tolerance/toleransi cedera

59. Abbreviated Injury Scale (AIS)
Injury = Cedera
1Minor
2Moderate
3Serious
4Severe
5Critical
6Maximal (currently untreatable)

60. Injury Severity
Score (ISS)
•Sistem penilaiain anatomi yang memberikan
keseluruhan untuk pasien dengan banyak cedera
(multiple injuries)
•Setiap cedera diberi ISS dan dialokasikan ke
salah satu dari 6 bagian tubuh
•3 wilayah tubuh dengan skor cedera paling parah akan
dikuadratkan dan dijumlahkan untuk mendapatkan
skor ISS
•Skor ISS berskala 0-75
•Skor ISS merupakan satu-satunya penilaian anatomi
yang digunkaan dan berkorelasi secara linear
dengan mortalitas, morbiditas, lama tinggal di rumah
sakit, dan pengukuran keparahan lainnya
•Major trauma saat ISS >15
<9 : Ringan
9-15 : Sedang
16-24 : Parah
>/= 25 : Profound

61. Injury Severity Score (ISS)
Kepala/Leher: termasuk cedera
pada otak/cervical spine,
tengorang/cervical spine fracture,
dan asphyxia, dan atau suffocation
Wajah: termasuk cedera yang
melibatkan mulut, telinga, hidung,
dan tulang wajah
Dada/Chest: termasuk segala bentuk
lesi organ internal, tenggelam, inhalasi,
difragma, tulang rusuk, thoracic spine
(tulang belakang)
Isi Perut (Pelvin
Contents)/Panggul: termasuk segala
bentuk lesi organ internal dan tulang
belakang (lumbar spine)
Ekstremitas/Korset Panggul (Pelvic Girdle): termasuk
keseleo, patah tulang, dislokasi, dan amputasi
Trauma External lainnya: termasuk lacerations, contusions,
abrasions (lecet), luka bakar, terlepas dari lokasinya pada
permukaan tubuh, cedera listrik, frostbite, hiputermia, cedera
seluruh tubuh

62. Kriteria Toleransi Luka (Wound) dan
Nyeri (Pain)
•Nyeri adalah mekanisme protektif untuk menimbulkan kesadaran terhadap kenyataan
bahwa sedang atau akan terjadi kerusakan jaringan.
•Rasa tidak nyaman yang bervariasi
•Sifatnya subjektif dan sangat personal
•Menimbulkan respon motivasional (menarik diri atau bertahan) dan emosional
(menangis)
•Simpanan pengalaman dalam ingatan

63. Kategori Reseptor Nyeri
1.Nosiseptor mekanis : merespon terhadap kerusakan mekanis. Contoh:
tersayat, terpukul, cubitan
2.Nosiseptor suhu : merespon pada suhu ekstrik. Contoh: saat mengenai wajan
penggorengan
3.Nosiseptor polymodal : berespons sama kuat terhadap semua jenis
rangsangat yang merusak. Contoh: bahan kimia
Secara umum, nyeri diklasifikasikan
menjadi 2:
Acute
Chronic
: dalam waktu singkat
: dalam waktu lama

64. Pain Scales
•Schmerzpunkte atau biasa disebut
discrete pain point
•Dolorimeter
•Verbal Rating Scale
•Wong-Baker Faces Scale
•FLACC Scale (Face, Legs, Arms, Crying,
Consolability)
•COMFORT Scale
•McGill Pain Questionnaire
•Modern Pain Scale:
1.Numerical Rating Scales (NMR)
2.Visual Analog Scales (VAS)
3.Categorial Scales
•Devense and Veterans Pain Rating Scale
(DVRPS)
•Pain Assessmen in People with Dementia
(PAINAD)
•Behavioral Pain Scale (BPS)
•Mankoski Pain Scale

65. Schmerzpunkte
•Menggunakan rambut-rambut kuda dengan berbagai kekakuan
•Rambut-rambut tersebut dilekatkan pada batang-batang
•Rambut kuda kemudian ditekan menuju kulit
•Setelah itu diteliti juga dengan menggunakan batang panas atau dingin

66. Dolorimeter
•Mengevaluasi efektivitas analgesic
•Mengaplikasikan panas, tekanan, atau listrik secara
stabil pada area tubuh untuk menentukan ambang
batas nyeri dan toleransi nyeri pasien
•Rata-rata nyeri dimulai pada suhu 45 C
•Ambang batas 67 C
•Dikembangkan Hardy-Wolff-Goodell scale dengan
10 level nyeri yang disebut “dols”. Namun, sudah
mulai ditinggalkan

67. Wong-Baker
Faces Scale
•Menyederhanakan
penilaian numerik
•Untuk membantu anak-
anak dalam menyatakan
tingkat nyeri
•Efektif untuk anak usia 3
tahun ke atas
•Cocok untuk pasien illiterasi
dan keterbatasan
kemampuan verbal

68. FLACC Scale
•Penilaian nyeri
berdasarkan perilaku
•Digunakan pada pasien yang
tidak bisa berbiacara, belum
memiliki keterampilan
komunikasi, anak-anak (2
bulan-18 tahun), anak dengan
gangguan kognitif
•Dokter dan staf medis
terkualifikasi yang dapat
mengidentifikasi
•Menggunakan sebuah form

69. COMFORT Scale

70. McGill Pain
Questionnaire
•Terdapat 78 kata sifat (adjective) yang
membantu pasien menggambarkan
rasa sakit
•Dirancang untuk literate patients
•Berguna untuk rencana rehabilitasi
pasien

71. Modern Pain Scale
Numerical Rating Scale
•Tidak cocok untuk anak kecil dan lansia yang tidak lagi bisa mengklasifikasikan
perkataan dengan angka

72. Universal Visual Analogue Scale (VAS)
Modern Pain Scale
•Untuk mengkonfirmasi bahwa nyeri yang pasien rasakan bersifat kontinyu

73. Comparative Pain Scale