Ievads biomehnik Dr habil biomeh I Adamovia Juris
Ievads biomehānikā Dr. habil. biomeh. I. Adamoviča
Juris Jurjāns – Latvijas mākslinieks
Biomehānikas priekšmets Biomehānika ir zinātne, kura pēta vispārejās mehāniskās parādības dzīvajos organismos, orgānos, audos un to elementos. Biomehānika atrodas divu zinātņu saskarsmes punktā: bioloģijas un mehānikas.
Biomehānikas priekšmets Mehānika ir zinātne par materiālo ķermeņu mehānisko kustību. Nosacītais iedalījums: - statika (pēta materiālo ķermeņu līdzsvara stāvokli ārējo spēku iedarbībā); - kinemātika (pēta telpiskās kustības ķermeņiem, neņemot vērā to masu, kā arī iekšējos un ārējos spēkus) - dinamika (pēta kustības noteikumus atkarībā no ārējo un iekšējo spēku iedarbības).
Mehānikas sastāvdaļas Statikas galvenās sastāvdaļas: materiālu un konstrukciju pretestība; elastības teorija; stiprības teorijas u. c. Kinemātika ir pamats tādiem zinātnes virzieniem kā mašīnu un mehānismu teorija. Dinamika risina dažādu materiālu un konstrukciju ekspluatācijas uzdevumus.
Biomehānikas priekšmets Līdz 19. gadsimta vidum (līdz zinātņu diferencēšanas periodam) pētnieki savos darbos apvienoja dzīvo un nedzīvo audu mehāniskos pētījumus, pielietojot mehānikas metodes bioloģisko objektu izpētē. No otras puses, dzīvo matēriju pēta bioloģija. Tās objekti ir ārkārtīgi sarežģīti, tiem salīdzinājumā ar nedzīviem objektiem ir vesela rinda atšķirīgu īpašību. Dzīvie objekti ir daudzveidīgi un atšķiras ar iekšējo uzbūvi (no iekšējo šūnu struktūrām līdz dzīvo organismu kopumam).
Bioloģiskie objekti Biomehānika pētā bioloģisko objektu kustības: - objektu pārvietošanās telpā; - atsevišķu elementu un objektu daļiņu pārvietošanās attiecībā vienam pret otru; - objektu augšana, fiziskā attīstība un funkcionēšana.
Bioloģiskie objekti Dzīvās materijas objekti, telpiskās kustības pētīšanai, sadalīti divās klasēs: - pirmā klase – īpatņi, kuriem ir apziņa (visās viņas būtības izpausmes formās), - otrā klase –objekti, kuriem nav zināmu apziņas formu (piemēram, augi). Otrās klases dzīvo organismu kustību analīze neatšķiras no nedzīvās matērijas kustību pētīšanas. Te darbojas kopējie mehānikas likumi, kustības izsauc vai mehāniski, vai klimatiski cēloņi (koku svārstības vējā vai izmaiņas mitruma ietekmē u. t. t. ).
Bioloģiskie objekti Bioloģisko objektu (kuriem ir apžiņa) kustība principiāli un kvalitatīvi atšķiras no nedzīvo objektu kustības, jo tiem piemīt kustības gala mērķis. Nedzīvas matērijas kustības mērķi nosaka mehānikas likumi. Dzīvās matērijas kustības mērķi nosaka apziņa, instinkts, reflekss vai griba. Pamatlīdzekļi kustības mērķa sasniegšanai ir muskuļu piepūle.
Bioreoloģija ir biomehānikas nodaļa, kura pēta bioloģisko materiālu deformēšanas īpašības. Biomateriāliem ir daudz principiālu īpašību. 1. biomateriālu deformēšanās procesi, īpaši ilgstošie, ir cieši saistīti ar audu funkcionālajiem procesiem, kurus pavada bioloģiskā objekta ķīmiskā sastāva izmaiņas, audu augšana, elektromagnētiskie un elektroķīmiskie procesi u. t. t. 2. bioloģisko audu mehāniskie raksturojumi, kurus nosaka in vitro, neatbilst vērtībām, kuras raksturo audus in vivo.
Bioreoloģija 3. vienu un to pašu bioloģisko audu mehānisko īpašību starpība var svārstīties ļoti plašās robežās. 4. funkcionāli vienādi audi būtiski atšķiras pēc ārējā izskata, uzbūves un mehāniskiem raksturojumiem. Audu mehāniskās īpašības mainās organisma augšanas un attīstības procesā, slimībā, mainoties funkcionēšanas apstākļiem un dzīvošanas videi. Būtiska nozīme ir arī katra indivīda sākotnējam individualitātes raksturojumam. 5. biomehānika izmanto tipiskus izlīdzinātus dotā veida īpatņu raksturojumus, nosacīti atšķirojot “normu” un “pataloģiju”, tomēr precīzas robežas starp šiem terminiem nav noteiktas.
Bioreoloģija Dzīvos bioloģiskos audus pieņemts nosacīti sadalīt: - pasīvajos (kauli, āda u. c. ); - aktīvajos (muskuļi). Muskuļiem ir vesela virkne principiāli jaunu īpašību, piemēram, spēja attīstīt ievērojamus spriegumus un spēkus bez enerģijas padeves no ārienes, t. i. tikai uz iekšējo enerģijas avotu rēķina. Nedzīvajā materijā līdzīgu analogu nav.
Bioreoloģija Bioloģisko materiālu uzvedības atšķirības noved pie nepieciešamības jaunu teorētisko un eksperimentālo problēmu risināšanas. Piemēram, bioloģisko audu mehāniskās īpašības nosaka šodien pamatā in vitro. Pie tam paliek neatrisināts jautājums, kādi apstākļi visvairāk nepieciešami lai veiktu eksperimentu. Pastāv noteiktas grūtības, kas saistītas ar maza izmēra paraugu izdalīšanu (piem. , no asinsvadiem). Nepieciešams teorētiskajās izstrādēs ievadīt jaunus, agrāk mehānikā neuzskaitītus faktorus, bet eksperimentu jomā – izstrādāt jaunas bioloģisko audu mehānisko īpašību mērīšanas metodes.
Biomehānikas priekšmets Biomehānika pēta arī tādu dzīvo sistēmu kustību formu kā attīstība un funkcionēšana. Tās ir audu augšanas, elpošanas, asinsrites, siltuma un masas pārneses u. c. problēmas. Atbilstoši bioloģisko objektu kustību veidiem radās arī tādi biomehānikas virzieni kā kustību mehānika, bioloģisko audu mehānika, asinsrites biomehānika, elpošanas biomehānika u. t. t.
Biomehānikas priekšmets Biomehānika, kā zinātne, savos pētījumos balstās uz fundamentālajiem fizikas un mehānikas likumiem, taču tie nav vienkārši mehāniski pārnesti uz dzīvajiem objektiem. Mūsdienu biomehānikas sasniegumi veicina mehānikas un bioloģijas attīstību. Piemēram, fundamentālie biomehānikas pētījumi veicina, no vienas puses, attīstības koncepcijas izstrādi bioloģijā, kas skar dažādu organismu augšanu un dzīvotspēju, attīsta un veido jaunas pētījumu metodes. No otras puses, biomateriālu un konstrukciju pētīšana optimālos funkcionēšanas apstākļos ļauj izstrādāt jaunus principus un idejas, projektējot un izgatavojot mašīnbūves un citas konstrukcijas.
Biomehānikas nodaļas • • Inženieru biomehānika Medicīnas biomehānika Sporta biomehānika Ergonomijas biomehānika • • Cieto audu biomehānika Mīksto audu biomehānika Muskuļu biomehānika Bioloģisko šķīdrumu biomehānika Asinsrites biomehānika Elpošanas biomehānika Protezēšanas biomehānika
Biomehānikas vēsture Pētījumiem bioloģiskajā mehānikā ir tikpat sena vēsture kā pētījumiem bioloģijā un mehānikā.
Pirmās ziņas par dzīvo organismu mehāniku aprakstīja Aristotelis, Herofīls no Halcedonas, Halens un citi antīkie domātāji. Darbi biomehānikā: Aristotelis: «Dzīvnieku kustības un pārvietošanās» , Halens: «Par cilvēka ķermeņa daļu kustības funkcijām» . Aristotelis (384. -322. g. līdz m. ē. ) Herofīls no Halcedonas (III. g. s. pirms m. ē. ) Halens (130. -200. g. pirms m. ē. )
Dažus no pirmajiem specializētajiem pētījumiem bioloģiskajā mehānikā veica Leonardo da Vinči. Viņš pētīja: - cilvēka kustības, - putnu lidojumus, vicinot spārnus, sirds vārstuļu darbību, - augu sulas kustību. Kā izcils gleznotājs atstāja pirmos anatomijas zīmējumus. Leonardo da Vinči (1452. -1519. g. )
Dzīvnieku kustību pētīja Galileo Galilejs, viņam pieder pirmie pulsa biežuma mērījumi. Santorio Santoro noteica ar dzīves procesiem saistīto ķermeņa svara nepastāvību. Hieronymus Fabriciuss atklāja vēnu vārstuļus. Galileo Galilejs (1564. -1642. g. ) Santorio Santoro (1561. -1636. g. ) Hieronymus Fabriciuss (1533. -1619. g. )
Viljams Hārvejs pierādīja, ka asinsrite notiek noslēgtā sistēmā. • ( Kapilāru esamību atklāja Marčello Maļpigi. Viljams Harvejs, (1578. – 1658. g. ) Marčello Maļpigi, (1628. -1694. g. ) Renē Dekarts bija pirmais, kurš mēģināja konstruēt, ņemot vērā nervu sistēmas lomu, dzīva organisma mehānisko modeli. Renē Dekarts (1596. -1650. g. )
Džovanni Borelli – biomehānikas kā zināntes pamatlicējs. XVII gadsimtā Dž. Borelli publicēja fundamentālu darbu “Par dzīvnieku kustību”, kur pirmais: - pētīja muskuļu saraušanās principus, - matemātiski aprakstīja kustību, - pielietoja kustību biomehānisko modelēšanu. Viņam pieder arī sirds muskuļa, zarnu trakta, plaušu darbības pētījumi. Džovanni Borelli (1608. -1679. g. )
Zīmējums no Dž. Borelli grāmatas “De motu animalium”. Sviru sistēma, muskuļu piestiprinašanās shēma, saliecot un atliecot locītavu. Divu cilvēku muskuļu-skeletāla shēma atšķīrīgi turot daždažādus smagumus.
Roberts Huks ieveda jēdzienu par šūnu, kā elementāru daļiņu, interesējās par elpošanas orgānu darbību. Antonijs van Lēvenhuks izgudroja mikroskopu un veica daudz novērojumu, aprakstīja šūnu skropstiņas. Roberts Huks (1635. -1708. g. ) Antonijs van Levenhuks (1632. -1723. g. )
Stefans Heils pirmais veica spiediena mērīšanu vēnās. Leonards Eilers veica pirmo matemātisko pētījumu par viļņveidīgo asins kustību artērijās. Stefans Heils (1677. -1761. g. ) Leonards Eilers (1707. -1783. g. )
Tomass Jungs pētīja cilvēka balss veidošanos. Leonards Eilers un Žans Leonards Mari Puazeils ne tikai pētīja asins īpašības, bet pirmo reizi veica artēriālā spiediena manometriskos mērījumus un lika pamatus asins hidromehānikai. Tomass Jungs (1773. -1829. g. ) Žans Leonards Puazeils (1793. -1869. g. )
Virkne svarīgu rezultātu biomehānikā bija sasniegta periodā no 19. gadsimta sākuma līdz 20. gadsimta sākumam. Pirmajā 19. gadsimta pusē jau bija zināmi skropstiņu transportēšanas procesi (Villjams Šarpejs), mīksto audu nelineārās īpašības (M. Vertheims). G. Gelmholcs pētīja dzirdes mehānismu un muskuļu saraušanās siltumu, kā arī noteica nerva impulsa izplatīšanās ātrumu. A. Fikam pieder fundamentāli difūzijas masas pārnešanas pētījumi. Villjams Šarpejs Hermans Ludvigs Ferdinands (1802. — 1880. g. ) fon Gelmholcs (1821. -1894. g. ) Adolfs Fiks (1829. -1901. g. )
Etjēns Marē pētīja cilvēku, dzīvnieku un putnu kustības, pirmais pielietoja fotogrāfiju kustību reģistrācijai. Viņam pieder hronofotogrāfiskā aparāta un fotošautenes(1882) izgudrojums, kas paredzēti kustību pētīšanai, ka arī sfigmogrāfa, kardiografa u. c. aparatu izgudrojums. Etjēns Marē (1830. -1904. g. )
D. Kortevegs, H. Dembs, I. Gromeka un O. Franks pētīja impulsa viļņu izplatīšanos. Dideriks Kortevegs (1848. -1941. g. ) Horacijs Lembs (1849. -1934. g. ) Ippolits Gromeka (1851. -1880. g. ) Otto Franks (1865. -1944. g. )
K. Ludviks pētīja sirds-asinsvadu sistēmas darbību, gāzes apmaiņas, urīna atdalīšanas procesus. N. Žukovskis, pēc biogrāfu ziņām, interesējās par augu mehānikas jautājumiem. 1906. gadā krievu ārsts N. Korotkovs izstrādāja neasiņainu asins spiediena mērīšanas metodi, kuru lieto līdz šim laikam. Karls Ludviks (1816. -1895. g. ) Nikolajs Žukovskis (1847. -1921. g. ) Nikolajs Korotkovs (1874. -1920. g. )
Vērtīgus ieguldījumus cilvēku un kustību mehānikā veica Pjotrs Lesgrafts. Fundamentālā darbā «Teoretiskās anatomijas pamati» pētīja likumsakarības starp ķermeņa anatomisko uzbūvi un funkcijām. Fiziskās izglītības un audzināšanas sistēmas pamatlicējs. Pjotrs Lesgrafts (1837. -1909. g. )
N. Bernšteins - modernās kustību biomehānikas pamatlīcējs • Izstrādāja kustību vadības teoriju • Apvienoja biomehāniku un neirofizioloģiju • Veica teorētisko un empīrisko analīzi cilvēku dabisko kustību normā (sportā, darbā) un patoloģijā. • Izstrādāja kustību reģistrācijas jaunas metodes. Ielika pamatus dziļai izpratnei par cilvēka uzvedības mērķa determināciju, kustību veidošanās mehānismu. Nikolajs Bernšteins (1896. -1966. g. )
Biomehānika Latvijā Polimēru mehānikas institūts (Latvijas zinātņu akadēmija), biomehānikas laboratorija (vad. , dr. habil. biomeh. prof. I. Knēts) • Cieto audu biomehānika • Asinsvadu biomehānika. Latvijas traumotologijas un ortopēdijas institūts (akad. , dr. habil. med. V. Kalnbērzs), biomehānikas nodaļa (vad. dr. habil. med. H. Jansons, ). • Medicīniskā biomehānika • Rehabilitācijas biomehānika.
Paldies par uzmanību!
- Slides: 42