Biomechanika

Strona jednego z pierwszych dzieł Biomechaniki ( De Motu Animalium Giovanniego Alfonso Borelliego ) w XVII wieku

Biomechanika to badanie struktury, funkcji i ruchu mechanicznych aspektów systemów biologicznych na każdym poziomie, od całych organizmów po narządy , komórki i organelle komórkowe , przy użyciu metod mechaniki . Biomechanika jest działem biofizyki .

W 2022 roku mechanika obliczeniowa wykracza daleko poza samą mechanikę i obejmuje inne działania fizyczne: chemię, wymianę ciepła i masy, bodźce elektryczne i magnetyczne i wiele innych.

Etymologia

Słowo „biomechanika” (1899) i pokrewny „biomechaniczny” (1856) pochodzą od starogreckiego βίος bios „życie” i μηχανική, mēchanikē „mechanika”, w odniesieniu do badania mechanicznych zasad żywych organizmów, zwłaszcza ich ruch i struktura.

Podpola

Mechanika biopłynów

Czerwone krwinki

Mechanika płynów biologicznych lub mechanika płynów biologicznych to badanie przepływów zarówno gazu, jak i cieczy w organizmach biologicznych lub wokół nich. Często badanym problemem płynnych biopłynów jest przepływ krwi w ludzkim układzie sercowo-naczyniowym. W pewnych okolicznościach matematycznych krwi można modelować za pomocą równań Naviera – Stokesa . Zakłada się, że krew pełna in vivo jest nieściśliwym płynem newtonowskim . Jednak to założenie zawodzi, gdy rozważa się przepływ do przodu w tętniczkach . W skali mikroskopowej wpływ poszczególnych czerwonych krwinek staje się znaczący, a pełnej krwi nie można już modelować jako kontinuum. Kiedy średnica naczynia krwionośnego jest tylko nieznacznie większa niż średnica krwinek czerwonych, efekt Fahraeusa-Lindquista i następuje zmniejszenie naprężenia ścinającego ściany . Jednak w miarę dalszego zmniejszania się średnicy naczynia krwionośnego czerwone krwinki muszą przeciskać się przez naczynie i często mogą przejść tylko w jednym pliku. W tym przypadku występuje odwrotny efekt Fahraeusa-Lindquista i wzrasta naprężenie ścinające ściany.

Przykładem problemu gazowych biopłynów jest oddychanie człowieka. Ostatnio badano układy oddechowe owadów pod kątem bioinspiracji do projektowania ulepszonych urządzeń mikroprzepływowych.

Biotribologia

Biotribologia to nauka o tarciu , zużyciu i smarowaniu systemów biologicznych, zwłaszcza stawów ludzkich, takich jak biodra i kolana. Ogólnie rzecz biorąc, procesy te są badane w kontekście mechaniki kontaktu i tribologii .

Dodatkowe aspekty biotribologii obejmują analizę uszkodzeń podpowierzchniowych wynikających z kontaktu dwóch powierzchni podczas ruchu, tj. tarcia o siebie, na przykład w ocenie chrząstki tkankowej.

Biomechanika porównawcza

Pingwin z paskiem podbródkowym przeskakujący nad wodą

Biomechanika porównawcza to zastosowanie biomechaniki do organizmów innych niż ludzie, niezależnie od tego, czy jest wykorzystywana do uzyskania lepszego wglądu w ludzi (jak w antropologii fizycznej ), czy też w funkcje, ekologię i adaptacje samych organizmów. Wspólne obszary badań to poruszanie się zwierząt i karmienie , ponieważ mają one silne powiązania ze sprawnością organizmu i nakładają wysokie wymagania mechaniczne. Lokomocja zwierząt ma wiele przejawów, w tym bieganie , skakanie i latanie . Lokomocja wymaga energii , aby pokonać tarcie , opór , bezwładność i grawitację , chociaż to, który czynnik dominuje, zależy od środowiska. [ potrzebne źródło ]

Biomechanika porównawcza mocno pokrywa się z wieloma innymi dziedzinami, w tym ekologią , neurobiologią , biologią rozwoju , etologią i paleontologią , do tego stopnia, że ​​często publikuje się artykuły w czasopismach z tych innych dziedzin. Biomechanika porównawcza jest często stosowana w medycynie (w odniesieniu do typowych organizmów modelowych, takich jak myszy i szczury), a także w biomimetyce , która szuka rozwiązań problemów inżynierskich w naturze. [ potrzebne źródło ]

Biomechanika obliczeniowa

Biomechanika obliczeniowa to zastosowanie inżynierskich narzędzi obliczeniowych, takich jak metoda elementów skończonych, do badania mechaniki systemów biologicznych. Modele obliczeniowe i symulacje są wykorzystywane do przewidywania zależności między parametrami, które w innym przypadku są trudne do przetestowania eksperymentalnego, lub wykorzystywane do projektowania bardziej odpowiednich eksperymentów, skracających czas i koszty eksperymentów. Modelowanie mechaniczne z wykorzystaniem analizy elementów skończonych zostało wykorzystane do interpretacji eksperymentalnej obserwacji wzrostu komórek roślinnych, aby zrozumieć, na przykład, w jaki sposób się różnicują. W medycynie w ciągu ostatniej dekady metoda elementów skończonych stała się uznaną alternatywą dla oceny chirurgicznej in vivo . Jedną z głównych zalet biomechaniki obliczeniowej jest jej zdolność do określania reakcji endoanatomicznej anatomii bez podlegania ograniczeniom etycznym. Doprowadziło to do tego, że modelowanie elementów skończonych (lub inne techniki dyskretyzacji) stało się wszechobecne w kilku dziedzinach biomechaniki, podczas gdy kilka projektów przyjęło nawet filozofię open source (np. BioSpine) i SOniCS, a także platformy SOFA, FEniCS i FEBio.

Biomechanika obliczeniowa jest niezbędnym składnikiem symulacji chirurgicznej, która jest wykorzystywana do planowania chirurgicznego, wspomagania i szkolenia. W tym przypadku metody numeryczne (dyskretyzacyjne) służą do jak najszybszego obliczenia odpowiedzi układu na warunki brzegowe, takie jak siły, wymiana ciepła i masy, bodźce elektryczne i magnetyczne.

Biomechanika eksperymentalna

Biomechanika eksperymentalna to zastosowanie eksperymentów i pomiarów w biomechanice.

Biomechanika kontinuum

Mechaniczna analiza biomateriałów i biopłynów jest zwykle prowadzona z wykorzystaniem koncepcji mechaniki kontinuum . To założenie załamuje się, gdy skale długości zbliżają się do rzędu mikrostrukturalnych szczegółów materiału. Jedną z najbardziej niezwykłych cech biomateriałów jest ich hierarchiczna struktura. Innymi słowy, właściwości mechaniczne tych materiałów opierają się na zjawiskach fizycznych zachodzących na wielu poziomach, od molekularnego aż po tkankowy i narządowy . [ potrzebne źródło ]

Biomateriały dzielą się na dwie grupy: tkanki twarde i miękkie . Mechaniczne odkształcenie tkanek twardych (takich jak drewno , skorupa i kość ) można analizować za pomocą teorii sprężystości liniowej . Z drugiej strony tkanki miękkie (takie jak skóra , ścięgna , mięśnie i chrząstki ) zwykle ulegają dużym deformacjom, dlatego ich analiza opiera się na teorii odkształceń skończonych i symulacjach komputerowych . Zainteresowanie biomechaniką kontinuum wynika z potrzeby realizmu w rozwoju symulacji medycznej.

Biomechanika roślin

Zastosowanie zasad biomechanicznych do roślin, organów roślinnych i komórek rozwinęło się w poddziedzinę biomechaniki roślin. Zastosowanie biomechaniki dla roślin obejmuje badania odporności upraw na stres środowiskowy, rozwój i morfogenezę w skali komórek i tkanek, pokrywając się z mechanobiologią .

Biomechanika sportu

Osobny artykuł: Biomechanika sportu

W biomechanice sportowej prawa mechaniki są stosowane do ruchu człowieka w celu lepszego zrozumienia wyników sportowych i zmniejszenia urazów sportowych . Koncentruje się na zastosowaniu naukowych zasad fizyki mechanicznej do zrozumienia ruchów ciała ludzkiego i przyrządów sportowych, takich jak kij do krykieta, kij hokejowy, oszczep itp. Elementy inżynierii mechanicznej (np. tensometry ) , elektrotechniki ( np . filtrowanie cyfrowe ), informatyka (np. metody numeryczne ), analiza chodu (np. platformy siłowe ) i neurofizjologia kliniczna (np. powierzchniowe EMG ) to powszechnie stosowane metody w biomechanice sportowej.

Biomechanikę w sporcie można określić jako działanie mięśni, stawów i szkieletu ciała podczas wykonywania danego zadania, umiejętności i/lub techniki. Właściwe zrozumienie biomechaniki umiejętności sportowych ma największy wpływ na: wyniki sportowe, rehabilitację i zapobieganie kontuzjom, a także mistrzostwo w sporcie. Jak zauważył dr Michael Yessis, można powiedzieć, że najlepszym sportowcem jest ten, który najlepiej wykonuje swoje umiejętności.

Biomechanika naczyniowa

Głównymi tematami biomechaniki naczyń jest opis mechanicznego zachowania się tkanek naczyniowych.

Powszechnie wiadomo, że choroby układu krążenia są główną przyczyną zgonów na całym świecie. Układ naczyniowy w organizmie człowieka jest głównym elementem, który ma za zadanie utrzymywać ciśnienie oraz umożliwiać przepływ krwi i wymianę chemiczną. Badanie właściwości mechanicznych tych złożonych tkanek zwiększa możliwość lepszego zrozumienia chorób sercowo-naczyniowych i drastycznego ulepszenia medycyny spersonalizowanej.

Tkanki naczyniowe są niejednorodne z silnie nieliniowym zachowaniem. Zasadniczo badanie to obejmuje złożoną geometrię ze skomplikowanymi warunkami obciążenia i właściwościami materiału. Prawidłowy opis tych mechanizmów opiera się na badaniach fizjologii i interakcji biologicznych. Dlatego konieczne jest badanie mechaniki ścian i hemodynamiki z ich interakcjami.

Należy również założyć, że ściana naczynia jest strukturą dynamiczną, podlegającą ciągłej ewolucji. Ta ewolucja bezpośrednio podąża za środowiskiem chemicznym i mechanicznym, w którym zanurzone są tkanki, jak naprężenie ścinające ściany lub sygnalizacja biochemiczna.


Inne stosowane poddziedziny biomechaniki obejmują

Historia

Antyk

Za pierwszego biomechanika można uznać Arystotelesa, ucznia Platona, ze względu na jego prace nad anatomią zwierząt. Arystoteles napisał pierwszą książkę o ruchu zwierząt, De Motu Animalium , czyli O ruchu zwierząt . Nie tylko postrzegał ciała zwierząt jako systemy mechaniczne, ale zajmował się takimi kwestiami, jak fizjologiczna różnica między wyobrażaniem sobie wykonywania czynności a faktycznym jej wykonywaniem. W innej pracy, On the Parts of Animals , przedstawił dokładny opis sposobu, w jaki moczowód wykorzystuje perystaltykę do przenoszenia moczu z nerek do pęcherza moczowego .

Wraz z powstaniem Cesarstwa Rzymskiego technologia stała się bardziej popularna niż filozofia i pojawiła się kolejna biomechanika. Galen (129-210 ne), lekarz Marka Aureliusza , napisał swoje słynne dzieło O funkcji części (o ludzkim ciele). Byłaby to standardowa książka medyczna na świecie przez następne 1400 lat.

renesans

Kolejna ważna biomechanika pojawiła się dopiero w 1452 roku, wraz z narodzinami Leonarda da Vinci . Da Vinci był artystą, mechanikiem i inżynierem. Przyczynił się do projektów mechaniki i inżynierii wojskowej i lądowej. Miał świetne zrozumienie nauki i mechaniki oraz studiował anatomię w kontekście mechaniki. Analizował siły i ruchy mięśni oraz badał funkcje stawów. Badania te można uznać za badania w dziedzinie biomechaniki. Leonardo da Vinci studiował anatomię w kontekście mechaniki. Przeanalizował siły mięśniowe jako działające wzdłuż linii łączących pochodzenie i wstawki oraz badał funkcje stawów. Da Vinci miał tendencję do naśladowania niektórych cech zwierzęcych w swoich maszynach. Na przykład studiował lot ptaków, aby znaleźć sposób, dzięki któremu ludzie mogliby latać; a ponieważ w tamtych czasach konie były głównym źródłem mocy mechanicznej, badał ich układ mięśniowy, aby zaprojektować maszyny, które lepiej korzystałyby z sił wywieranych przez to zwierzę.

W 1543 roku praca Galena „O funkcji części” została zakwestionowana przez 29-letniego Andreasa Vesaliusa. Vesalius opublikował własną pracę zatytułowaną „O strukturze ludzkiego ciała”. W dziele tym Vesalius poprawił wiele błędów popełnionych przez Galena, które przez wiele stuleci nie były akceptowane na całym świecie. Wraz ze śmiercią Kopernika pojawiła się nowa chęć zrozumienia i poznania otaczającego człowieka świata i jego działania. Na łożu śmierci opublikował swoje dzieło O obrotach sfer niebieskich. Ta praca zrewolucjonizowała nie tylko naukę i fizykę, ale także rozwój mechaniki, a później biomechaniki.

Galileo Galilei , ojciec mechaniki i niepełnoetatowej biomechaniki, urodził się 21 lat po śmierci Kopernika . Galileo spędził wiele lat w szkole medycznej i często kwestionował wszystko, czego nauczali jego profesorowie. Odkrył, że profesorowie nie mogą udowodnić tego, czego nauczają, więc przeszedł do matematyki, gdzie wszystko trzeba było udowodnić. Następnie w wieku 25 lat wyjechał do Pizy i uczył matematyki. Był bardzo dobrym wykładowcą, a studenci opuszczali innych instruktorów, aby słuchać jego przemówień, więc został zmuszony do rezygnacji. Następnie został profesorem jeszcze bardziej prestiżowej szkoły w Padwie . Jego duch i nauki ponownie poprowadzą świat w kierunku nauki. W ciągu swoich lat nauki Galileo ujawnił wiele aspektów biomechanicznych. Odkrył na przykład, że „masa zwierząt wzrasta nieproporcjonalnie do ich wielkości, w związku z czym ich kości muszą w konsekwencji nieproporcjonalnie zwiększać obwód, dostosowując się raczej do nośności niż do zwykłego rozmiaru. Wytrzymałość na zginanie konstrukcji rurowej, takiej jak kość, jest zwiększona w stosunku do jego ciężar, czyniąc go pustym i zwiększając jego średnicę. Zwierzęta morskie mogą być większe niż zwierzęta lądowe, ponieważ wyporność wody zmniejsza wagę ich tkanek.

Galileo Galilei był zainteresowany wytrzymałością kości i zasugerował, że kości są puste, ponieważ zapewnia to maksymalną wytrzymałość przy minimalnej wadze. Zauważył, że masa kostna zwierząt zwiększała się nieproporcjonalnie do ich wielkości. W konsekwencji kości muszą również zwiększać się nieproporcjonalnie w obwodzie, a nie tylko w rozmiarze. Dzieje się tak, ponieważ wytrzymałość na zginanie struktury rurowej (takiej jak kość) jest znacznie bardziej efektywna w stosunku do jej wagi. Mason sugeruje, że to spostrzeżenie było jednym z pierwszych ujęć zasad optymalizacji biologicznej .

W XVII wieku Kartezjusz zasugerował system filozoficzny, zgodnie z którym wszystkie żywe systemy, w tym ludzkie ciało (ale nie dusza), są po prostu maszynami rządzonymi przez te same prawa mechaniczne.

Era przemysłowa

Następny ważny biomechanik, Giovanni Alfonso Borelli , przyjął filozofię mechaniki Kartezjusza i studiował chodzenie, bieganie, skakanie, lot ptaków, pływanie ryb, a nawet działanie tłoka serca w ramach mechanicznych. Mógł określić położenie środka ciężkości człowieka , obliczyć i zmierzyć objętość powietrza wdychanego i wydychanego oraz wykazał, że wdech jest napędzany przez mięśnie, a wydech jest spowodowany elastycznością tkanki.

Borelli jako pierwszy zrozumiał, że „dźwignie układu mięśniowego zwiększają raczej ruch niż siłę, więc mięśnie muszą wytwarzać znacznie większe siły niż te, które stawiają opór ruchowi”. Pod wpływem prac Galileusza, którego osobiście znał, intuicyjnie rozumiał równowagę statyczną w różnych stawach ludzkiego ciała na długo przed przez Newtona praw ruchu. Jego praca jest często uważana za najważniejszą w historii biomechaniki, ponieważ dokonał tak wielu nowych odkryć, które otworzyły drogę przyszłym pokoleniom do kontynuowania jego pracy i studiów.

Minęło wiele lat po Borellim, zanim dziedzina biomechaniki dokonała większych skoków. Po tym czasie coraz więcej naukowców zaczęło poznawać ludzkie ciało i jego funkcje. Nie ma wielu wybitnych naukowców z XIX czy XX wieku zajmujących się biomechaniką, ponieważ dziedzina ta jest obecnie zbyt rozległa, aby przypisać jedną rzecz jednej osobie. Jednak dziedzina ta rozwija się każdego roku i nadal czyni postępy w odkrywaniu coraz większej ilości informacji o ludzkim ciele. Ponieważ dziedzina ta stała się tak popularna, w ciągu ostatniego stulecia otwarto wiele instytucji i laboratoriów, a ludzie nadal prowadzą badania. Wraz z utworzeniem Amerykańskiego Towarzystwa Biomechaniki w 1977 r. dziedzina ta nadal się rozwija i dokonuje wielu nowych odkryć.

W XIX wieku Étienne-Jules Marey wykorzystywał kinematografię do naukowego badania lokomocji . Otworzył pole współczesnej „analizy ruchu”, jako pierwszy skorelował siły reakcji podłoża z ruchem. W Niemczech bracia Ernst Heinrich Weber i Wilhelm Eduard Weber postawili wiele hipotez na temat ludzkiego chodu, ale to Christian Wilhelm Braune znacząco rozwinął naukę, wykorzystując najnowsze osiągnięcia mechaniki inżynierskiej. W tym samym okresie inżynieria mechaniki materiałów zaczęła rozkwitać we Francji i Niemczech pod wymaganiami rewolucji przemysłowej . Doprowadziło to do odrodzenia biomechaniki kości, kiedy inżynier kolei Karl Culmann i anatom Hermann von Meyer porównali wzorce naprężeń w ludzkiej kości udowej z tymi w żurawiu o podobnym kształcie. Zainspirowany tym odkryciem Julius Wolff zaproponował słynne prawo Wolffa dotyczące przebudowy kości .

Aplikacje

Badania biomechaniki obejmują wewnętrzne funkcjonowanie komórki, ruch i rozwój kończyn , mechaniczne właściwości tkanek miękkich i kości . Niektóre proste przykłady badań biomechaniki obejmują badanie sił działających na kończyny, aerodynamikę lotu ptaków i owadów, hydrodynamikę pływania ryb i ogólnie poruszanie się we wszystkich formach życia , od pojedynczych komórek po całe organizmy . Wraz z rosnącym zrozumieniem fizjologicznego zachowania żywych tkanek, naukowcy są w stanie rozwijać dziedzinę inżynierii tkankowej , a także opracowywać ulepszone metody leczenia szerokiej gamy patologii , w tym raka. [ potrzebne źródło ]

Biomechanika jest również stosowana do badania układów mięśniowo-szkieletowych człowieka. W badaniach takich wykorzystuje się platformy siłowe do badania sił reakcji podłoża oraz wideografię w podczerwieni do rejestrowania trajektorii znaczników przyczepionych do ludzkiego ciała w celu badania ruchu człowieka w 3D. Badania wykorzystują również elektromiografię do badania aktywacji mięśni, badania odpowiedzi mięśni na siły zewnętrzne i zakłócenia.

Biomechanika jest szeroko stosowana w przemyśle ortopedycznym do projektowania implantów ortopedycznych dla ludzkich stawów, części dentystycznych, zewnętrznych mocowań i innych celów medycznych. Biotribologia jest jej bardzo ważną częścią. Jest to badanie wydajności i funkcji biomateriałów stosowanych do implantów ortopedycznych. Odgrywa kluczową rolę w ulepszaniu projektów i produkcji udanych biomateriałów do celów medycznych i klinicznych. Jednym z takich przykładów jest chrząstka tkankowa. Obciążenie dynamiczne stawów traktowane jako uderzenie zostało szczegółowo omówione przez Emanuela Willerta.

Jest również związana z dziedziną inżynierii , ponieważ często wykorzystuje tradycyjne nauki inżynierskie do analizy systemów biologicznych . Niektóre proste zastosowania mechaniki newtonowskiej i/lub materiałoznawstwa mogą dostarczyć poprawnych przybliżeń mechaniki wielu układów biologicznych . Mechanika stosowana, w szczególności inżynierii mechanicznej , takie jak mechanika kontinuum , analiza mechanizmów , analiza strukturalna , kinematyka i dynamika , odgrywają znaczącą rolę w badaniach biomechaniki.

Rybosom to biologiczna maszyna , która wykorzystuje dynamikę białek

Zwykle systemy biologiczne są znacznie bardziej złożone niż systemy stworzone przez człowieka. Metody numeryczne są zatem stosowane w prawie każdym badaniu biomechanicznym. Badania prowadzone są w iteracyjnym procesie hipotezy i weryfikacji, obejmującym kilka etapów modelowania , symulacji komputerowej i pomiarów eksperymentalnych .

Zobacz też

Dalsza lektura

  •   Cowin, Stephen C., wyd. (2008). Podręcznik mechaniki kości (wyd. 2). Nowy Jork: Informa Healthcare. ISBN 978-0-8493-9117-0 .
  •   Fischer-Cripps, Anthony C. (2007). Wprowadzenie do mechaniki kontaktu (wyd. 2). Nowy Jork: Springer. ISBN 978-0-387-68187-0 .
  •   Fung, Y.-C. (1993). Biomechanika: właściwości mechaniczne żywych tkanek . Nowy Jork: Springer-Verlag. ISBN 978-0-387-97947-2 .
  •   Gurtin, Morton E. (1995). Wprowadzenie do mechaniki kontinuum (wyd. 6). San Diego: Acad. Naciskać. ISBN 978-0-12-309750-7 .
  •   Humphrey, Jay D. (2002). Mechanika ciał stałych układu sercowo-naczyniowego: komórki, tkanki i narządy . Nowy Jork: Springer. ISBN 978-0-387-95168-3 .
  •   Mazumdar, Jagan N. (1993). Mechanika płynów biologicznych (przedruk 1998. red.). Singapur: świat naukowy. ISBN 978-981-02-0927-8 .
  •   Kosić, Van C.; Huiskes, Rik, wyd. (2005). Podstawowa biomechanika ortopedyczna i mechano-biologia (wyd. 3). Filadelfia: Lippincott Williams & Wilkins. P. 2. ISBN 978-0-7817-3933-7 .
  •   Peterson, Donald R.; Bronzino, Joseph D., wyd. (2008). Biomechanika: zasady i zastosowania (2. poprawiona red.). Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-0-8493-8534-6 .
  •   Temenoff, JS; Mikos, AG (2008). Biomateriały: skrzyżowanie biologii i materiałoznawstwa (red. Internat.). Upper Saddle River, NJ: Pearson/Prentice Hall. ISBN 978-0-13-009710-1 .
  •   Totten, George E.; Liang, Hong, wyd. (2004). Tribologia mechaniczna: materiały, charakterystyka i zastosowania . Nowy Jork: Marcel Dekker. ISBN 978-0-8247-4873-9 .
  •   Waite, Lee; Dobra, Jerry (2007). Stosowana mechanika biopłynów . Nowy Jork: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-147217-3 .
  •   Młody, Donald F.; Bruce'a R. Munsona; Theodore H. Okiishi (2004). Krótkie wprowadzenie do mechaniki płynów (wyd. 3). Hoboken, NJ: Wiley. ISBN 978-0-471-45757-2 .

Linki zewnętrzne


Zasoby biblioteczne dotyczące biomechaniki
Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Biomechanika&oldid=1134274863 ”