BIOMECANICA

C1: Particularitatile si continutul biomecanicii. Caracterul interdisciplinar.

Prof.Dr.Ing. Dan MândruDepartamentul de Mecatronica si DinamicaMasinilorFacultatea de MecanicaUniversitatea Tehnica din Cluj-Napoca

INGINERIE BIOMEDICALĂ

Ingineriareabilitării

Analizemedicale şibiologice

Instrumentaţiemedicală

Modelarea şisimulareasistemelor

biomedicale

Biosenzori

Biomateriale

Biomecanică

Organeartificiale

Informaticămedicală

Imagisticămedicală

Inginerieclinică

Biotehnologie

Efecte biologiceale câmpurilor

electromagnetice

● Ingineria Biomedicala – componente

● Activităţile specifice ingineriei sunt tot mai profund implicate în creşterea calităţii vieţii, în general şi a eficienţei actului medical, în particular.

● Inginerie biomedicală - studiul, proiectarea, realizarea şi exploatarea unor materiale, dispozitive, aparate şi tehnici pentru prevenirea unor afecţiuni sau pentru diagnosticarea şi tratamentul bolnavilor.

● Activităţile specifice acestui domeniu al ingineriei sunt diversificate;

- acopera atât domeniul teoriilor non-experimentale cât şi pe cel al aplicaţiilor practice;

- cuprind activităţi de cercetare, proiectare, fabricare, intretinere şi exploatare

● Biomecanica – descrierea mişcărilor caracteristice diferitelor sisteme şi subsisteme biologice în termeni specifici mecanicii

● Biomateriale – studiul şi realizarea unor materiale cu caracteristici superioare de biocompatibilitate

● Biosenzori si instrumentatie medicala – detectarea, măsurarea, monitorizarea, analiza şi clasificarea semnalelor fiziologice precum şi conversia acestora în semnale electrice şi diagnosticarea prin tehnici de prelucrare a semnalelor bioelectrice

● Ingineria reabilitarii – asistarea sau suplinirea unor funcţii afectate ale corpului omenesc

● Informatica medicala – prelucrarea computerizată a datelor referitoare la pacienţi, diagnosticarea asistată de calculator

● Imagistica medicala – achiziţionarea, prelucrarea şi analiza unor imagini grafice a detaliilor anatomice şi vizualizarea unor funcţii fiziologice

● Inginerie clinica – proiectarea şi realizarea dispozitivelor şi procedurilor legate de îmbunătăţirea facilităţilor clinice

● Utilizarea modelării şi simulării cu ajutorul calculatorului a sistemelor biomedicale pentru înţelegerea relaţiilor fiziologice dintre acestea

● Biotehnologie – crearea sau modificarea unor materiale biologice, incluzând realizarea de ţesuturi artificiale şi realizarea de noi specii de plante şi animale pentru industria alimentară

● Munca în echipă este una din trăsăturile definitorii ale ingineriei biomedicale- diversitate şi complexitate activităţi;- puţin probabil ca o singură persoană să dobândească experienţă în întreg domeniul ingineriei biomedicale

Un inginer specialist în domeniul biomedical trebuie să fie foarte bine pregătit din punctul de vedere al ingineriei tradiţionale şi să posede temeinice cunoştinţe de biologie şi medicină.

Ingineria biomedicală utilizează principii de bază din mecanică, electronică, informatică, chimie, fizică, optică, anatomie, fiziologie, etc. pentru a înţelege, modifica şi controla sistemele biologice ;

Scopul ingineriei biomedicale nu se mărgineşte doar la realizarea unor produse tehnice cu anumite caracteristici constructive şi funcţionale ci vizează şi valorificarea economică şi socială a acestora .

■ echipamentele biomedicale trebuie utilizate in conditi de calitate a actului

medical si de securitate pentru pacient si personalul medical.

● Caracteristica ingineriei biomedicale = în orice demers ştiinţific specific pleacă de la identificarea nevoilor (cerinţelor) actualului sistem de asigurare a sănătăţii, căutând cu posibilităţile tehnologice existente să-l îmbunătăţească.

Ingineria Biomedicala are largi implicaţii sociale oferind speranţă în lupta continuă pentru asigurarea sănătăţii deoarece oferă mijloacele şi metodele necesare pentru a eficientiza actul medical

Tendinte actuale in Ingineria Biomedicala:

■ cercetarea materialelor implantabile pentru organe artificiale;■ perfecţionarea şi dezvoltarea aparaturii pentru analiza sângelui;■ modelarea şi simularea funcţiei complexe a inimii;■ dezvoltarea de software cu aplicaţii în medicină;■ creşterea siguranţei în exploatare a tuturor echipamentelor medicale;■ dezvoltarea de noi sisteme înalt performante de imagistică medicală;■ proiectarea şi realizarea unor echipamente de tele - monitorizare a pacienţilor;■ perfecţionarea biosenzorilor şi a sistemelor expert de diagnosticare;■ proiectarea unor sisteme de control în buclă închisă pentru administrarea

medicamentelor;■ dezvoltarea unor noi materiale dentare;■ proiectarea şi realizarea de echipamente pentru handicapaţi în vederea

asistării funcţiei de comunicare;■ cercetarea dinamicii pulmonare;■ investigarea amănunţită a biomecanicii umane în condiţii normale şi

patologice;■ elaborarea de materiale pentru ţesuturi artificiale, în special pentru piele

artificială.

● La nivelul organismului uman, între diferitele organe şi funcţiile acestora există o strânsă corelaţie.

Conform legii biologiei generale, funcţia creează organul (adică structura organelor este subordonată funcţiei lor).

● Structura actuală a corpului omenesc reprezintă rezultatul necesităţii de mişcare .

● Mişcarea reprezintă una dintre caracteristicile de bază ale materiei vii.● Necesitatea apariţiei ei a constituit-o găsirea de noi surse de hrană, de oxigen, precum şi, probabil, părăsirea vechilor habitate devenite neadecvate.

● Locomoţie = deplasarea unui segment al corpului dintr-un punct în altul al spaţiului sau deplasarea întregului corp fata de un punct de sprijin anterior

Activitatile fizice au influente pozitive asupra tuturor tesuturilor din organism:

- activitatile musculare normale reprezinta solutia de a mentine in oase un aport normal de sange si astfel de a dirija procesele de osificare si reabsorbtie.

- suprimarea activitatilor musculare determina stangularea vaselor ce alimenteaza oasele si aparitia osteoporozei

Miscarea animala in general si cea umana in special este cea mai desavarsita forma de miscare a meteriei vii pentru ca inglobeaza si subordoneaza toate celalalte forme ale miscarii biologoce

● Biomecanicaprovine din gr. bios = viata +mechane = masina

DEFINITII:

1. se ocupă cu studiul repercursiunilor forţelor mecanice asupra structurii funcţionale a omului în ceea ce priveşte arhitectura oaselor, a articulaţiilor şi a muşchilor ca factori determinanţi ai mişcării .

2. descrie, analizează şi evaluează mişcările caracteristice diferitelor sisteme şi subsisteme biologice în termeni specifici mecanicii, studiază forţele care produc sau se opun mişcării, precum şi interacţiunea dintre aceste forţe.

3. studiază mecanica fluidelor (simularea funcţionării aparatelor cardiovascular şi urinar, analize de laborator, tratamente specifice -hemodializa) şi mecanica corpului solid (studiul funcţionări aparatului locomotor, implantare şi protezare, osteosinteza fracturilor)

● Biomecanica

DEFINITII (continuare):

4. studiază acţiunile motrice umane considerate ca un sistem în care intervin componentele aparatului locomotor (oase, muşchi, articulaţii) precum şi componentele sistemului nervos central şi organele interne, astfel ca întregul organism condiţionează motricitatea .

5. Biomecanica este ştiinţa care studiază, pe baza mecanicii generale, structura, evoluţia şi funcţiile aparatului motor al omului şi al animalelor.

6. Capitol al biofizicii care se ocupă cu studiul acţiunii forţelor interne sau externe aupra organismelor vii .

7. Biomecanica este mecanică aplicată în cadrul sistemelor biologice, studiind principiile anatomice şi fiziologice ale mişcării organismelor superioare.

● Biomecanica

Caracteristici:

►domeniu vast ce acoperă aspecte de la termodinamica transportului de masă ce are loc la nivel subcelular, până la studiul performanţelor atletice .

► ofera soluţii ştiinţifice, în vederea însuşirii unor tehnici raţionale .

► scop de a descoperi cauzele mecanice şi de a prevedea consecinţele în procesul învăţării mişcărilor din cadrul procesului de recuperare .

► Biomecanica este mecanică aplicată în cadrul sistemelor biologice, studiind principiile anatomice şi fiziologice ale mişcării organismelor superioare.

● VOCABULAR

■ Anatomia (din grecescul ana = prin + tomnein = a tăia) este ramura ştiinţelor biologice ce se ocupă cu studiul structurii fiinţelor organizate, mijlocul principal de investigaţie fiind DISECŢIA

■ Fiziologia este o disciplină biologică complexă, ce cuprinde:-studierea organismelor din perspectiva a mai multor nivele de organizare, atât în ansamblu, cât şi fiecare nivel particular (diferitele sisteme de organe, organele, ţesuturile şi celulele); -studierea interacţionării dintre un organism şi mediul său; -studierea funcţiilor fiziologice importante a organismelor, precum nutriţie, locomoţie, reproducere, simţuri.

■ Forţele interne implicate în mişcările organismului uman sunt impulsul nervos, contracţia musculară şi acţiunea pârghiilor osteo-articulare.

■ Forţele externe ce influenţează nemijlocit mişcarea sunt gravitaţia, greutatea corpului, presiunea atmosferică, rezistenţa mediului, inerţia, forţele de frecare, cele de reacţiune.

● Organe implicate în locomoţie:

■ oasele – organe ce constituie suportul mecanic şi de rezistenţă a organismului

■ muşchii şi ligamentele – formează sistemul motor şi de amortizare a şocurilor dinamice;

■ sistemul nervos – constituie sistemul de comandă şi control în executarea mişcărilor

● Biomecanica

Componente:

►biomecanica tradiţională sau generală, care se ocupă cu aplicarea principiilor mecanicii corpurilor solide la sistemele biologice în special cu aplicaţii analitice şi experimentale la sistemul musculo-osteo-articular (proprietăţi mecanice ale ţesuturilor tari şi moi, cinematica şi cinetostatica articulaţiilor, locomoţia, proiectare şi analiză articulaţii artificiale); studiază legile obiective, generale ale mişcărilor;

► biomecanica cardiovasculară (anatomia şi fiziologia sistemului circulator uman, relaţia presiune-debit în artere, proprietăţi elastice ale arterelor, dinamica curgerii sanguine, curgere prin capilare, proiectare dispozitive artificiale implantabile);

► biomecanica dispozitivelor ortopedice (anatomie funcţională a aparatului locomotor, endoproteze de şold şi genunchi, tehnici de fixare, implanturi reconstructive ale umărului, cotului, încheieturii mâinii, degetelor, implanturi de stabilizare a fracturilor, fixatori externi)

● Biomecanica

Componente:

► biomecanica persoanelor în vârstă (tehnici de cuantificare a caracteristicilor biomecanice ale ţesuturilor la îmbătrânire, cinematica segmentelor corpului în activităţi cotidiene, efectul vârstei asupra articulaţiilor, sistemelor nervos, auditiv, vizual, cardiovascular, asupra coloanei, proceduri de reducere a durerii şi de restituire a mobilităţii articulare)

► biomecanica exerciţiilor fizice,

► biomecanica specială a muncii,

► biomecanica deficienţilor fizici, etc.

● Biomecanica

Istoric:

► Cercetările privind biomecanica datează din cele mai vechi timpuri: - Aristotel a aplicat analiza geometrică a acţiunii muşchilor atât la nivelul unor

segmente ale corpului, cât şi la nivelul întregului corp, - Leonardo Da Vinci a descris în desenele sale anatomice mecanica urcării,

ridicării, coborârii, la realizarea unor sărituri, etc., -Galileo Galilei a studiat unele funcţii fiziologice, - Alfonso Borelli a definit oasele drept pârghii acţionate de muşchi, etc.

► Biomecanica este privită şi ca analiză a mişcărilor corpului uman. Din acest punct de vedere, metodologia de studiu a biomecanicii a cunoscut trei etape:

a) etapa folosirii instalaţiilor mecanice (dinamografe, înregistrări grafice, etc.)b) etapa fotochimică (cromatografia, cinematografia, etc.)c) etapa electronică (traductoare, electrogoniometre, electromiagrafe, PC)

Dacă biomecanica umană studiază acţiunile motrice umane, considerate în întreaga lor complexitate, biomecanica animală oferă sursă de inspiraţie pentru multe sisteme tehnice bionice.

Organismul uman, ca orice fiinţă vie, există graţie corelării fine şi perpetue a tuturor structurilor şi proceselor sale, cu scopul realizării funcţiilor acestora.

El constituie un sistem ierarhizat, ce dispune de sisteme de autoreglare integrate.

Deşi majoritatea funcţiilor sunt îndeplinite de structuri specializate, acestea nu acţionează izolat, ci în strânsă dependenţă de celelalte

Structura anatomică a organismului uman

● Cap – conţine cea mai mare parte a sistemului nervos central şi cei mai importanţi analizatori;

● Gât – realizează legătura dintre cap şi trunchi; împreună cu capul, formează extremitatea cefalică

● Trunchi – conţine cavitatea toracică şi pe cea abdominală, cu viscerele din acestea; este împărţit în trei porţiuni: toracală, abdominală şi pelviană.

● Membrele inferioare – legate de trunchi prin centura pelvină (şold, coapsă, gambă, genunchi, picior)

● Membrele superioare – legate de trunchi prin centura scapulară (umăr, braţ, antebraţ, mână)

Structura anatomică a organismului uman

Din punct de vedere atât anatomic cât şi funcţional, organismul uman a fost organizat în sisteme şi aparate

■ sistemul conţine structuri cu aceeaşi origine embriologică

■ aparatul are părţi de origine embriologică diferită

Structura anatomică a organismului uman

În raport de categoria de funcţii pe care o deservesc, la om şi la toate mamiferele există următoarele aparate şi sisteme:

►Pentru funcţiile de nutriţie:● Aparatul respirator● Aparatul digestiv● Aparatul circulator (vene, artere, capilare)● Aparatul excretor

► Pentru funcţiile de relaţie:● Sistemul nervos (central – format din măduva spinării

şi encefal, şi cel periferic)● Sistemul endocrin● Aparatul locomotor

► Pentru funcţia de reproducere● Aparatul reproducător masculin● Aparatul reproducător feminin

Structura anatomică a organismului uman

► aparat specializat care efectuează mişcările corpului omenesc

► funcţia lui se numeşte „locomoţie”;

► in definirea locomoţiei umane este corect să se pornească de la sensurile mai generale ale acestui termen. Locomoţia nu poate fi numai a corpului în ansamblul său, ci şi a segmentelor lui izolate. Prin „locomoţie umană” înţelegem nu numai o deplasare a sa faţă de punctul de sprijin anterior avut pe sol, ci pur şi simplu, o deplasare în spaţiu a unuia dintre segmentele sale faţă de un punct de referinţă.

► este format din oase, articulaţii, ligamente şi muşchi. Acesta este sistemul de bază care formează structura omului şi îi dă posibilitatea de a se mişca, ceea ce joacă rolul de bază în viaţă.

► mişcarea se realizează cu ajutorul a două mari sisteme: sistemul osos şi sistemul muscular. Muşchii au proprietatea de bază de a se contracta şi de a pune în felul acesta în mişcare pârghiile oaselor. De aceea, oasele şi îmbinările lor constituie partea pasivă a sistemului locomotor, iar muşchii cea activă

Aparatul locomotor

● VOCABULAR

■ antropometrie – măsurarea dimensiunilor fizice umane, corespondenţa pe care aceste dimensiuni le au cu performanţele atletice

Prezentare carte 2:

2-BE-005-J.D.Bronzino_The Biomedical Engineering Handbook(2nd Ed-CRC 2000),Ebook pdf40.56 MB

PaperBook Hardcover: 2896 pagesPublisher: CRC; 1 edition (June 7, 1995)Language: EnglishISBN-10: 0849383463ISBN-13: 978-0849383465Download Link:

Biomedical Engineering Handbook (49.03 MB)

>http://rapidshare.de/files/20309732/Bronzino_-_The_Biomedical_Engineering_Handbook_2nd_Ed__CRC_2000_.rar

Tema 2:

Descrieti in max. 50 de cuvintecaracteristicile structurale sifunctionale ale mainii ce pot constituisursa de inspiratie la proiectareadispozitivelor de prindere.

AFORISM:

“Sunt succese care te injosesc si infrangeri care te inalta”

Nicolae Iorga

Prof.Dr.Ing. Dan MândruDepartamentul de Mecatronica si Dinamica Masinilor

Facultatea de MecanicaUniversitatea Tehnica din Cluj-Napoca

B-dul Muncii, nr. 103-105 Cluj-NapocaTel. 0264-401645; Fax:0264-415490

email: mandrud@yahoo.com