Биомедицинская инженерия и биомеханика. Курс лекций. Учебное пособие

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

А. В. ГЛАДКОВ

БИОМЕДИЦИНСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ И БИОМЕХАНИКА

КУРС ЛЕКЦИЙ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК

2023

1

УДК 616.711(075.8) Г522

Рецензенты:

М. А. Бакаев, канд. техн. наук, зав каф. ССОД НГТУ А. Л. Ханаев, канд. мед. наук, директор школы-интерната № 133

Работа выполнена на кафедре систем сбора и обработки данных

Гладков А. В.

Г522 Биомедицинская инженерия и биомеханика. Курс лекций: учебное пособие / А. В. Гладков. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2023. – 90 с.

ISBN 978-5-7782-5039-0

Учебное пособие предназначено для подготовки магистров по направлению 12.04.04 «Биотехнические системы и технологии» при изучении дисциплины «Современные проблемы биомедицинской инженерии».

2

Жизнедеятельность биологических систем напрямую зависит от процессов их адаптации к изменяющимся условиям внешней среды. Адаптировался – значит выжил. В этом естественном процессе биоинженерия принимает самое активное участие.

Задачи и проблемы биоинженерии продиктованы физиологическими и социальными потребностями человека. Физиологические потребности, закрепленные в безусловных рефлексах:

питание;

дыхание;

выделение;

размножение;

поддержание гомеостазиса (постоянства внутренней среды). Социальные потребности:

безопасность жизнедеятельности;

коммуникация;

самооценка места в обществе.

Инженерная составляющая в этих процессах сводится к созданию устройств, способных компенсировать недостаточность физиологических функций человека и тем самым облегчить и ускорить процесс его адаптации. Для решения этих проблем инженерия со своей стороны может предлагать новые разработки, основанные на использовании достижений фундаментальной науки.

Первое направление биоинженерии для разработки новых технических решений состоит в использовании принципов, созданных самой природой.

Дляреализации поставленных задач специалист в области биоинженерии должен быть способен:

1)на основе подбора и изучения литературных и патентных источников анализировать состояние научно-технической проблемы, формулировать цели и задачи разработки, составлять техническое задание для проектирования биотехнических систем и медицинских изделий;

2)строить математические модели биотехнических систем и медицинских изделий, выбирать метод их моделирования, известный алгоритм решения задачи или разрабатывать новый;

3)выбирать метод и разрабатывать программу экспериментальных исследований, проводить медико-биологические исследования с использованием технических средств, выбирать метод обработки результатов исследований;

4

4)разрабатыватьструктурныеи функциональныесхемы новых биотехнических систем и медицинских изделий, определять их физические принципы действия в рамках медико-технических требований к медицинскому изделию.

Закончив обучение в вузе, стоит задуматься о месте работы в НИИ

вкачестве младших научных сотрудников и лаборантов. Именно перед НИИ ставятся задачи разработки новых технологий и аппаратуры для внедрения в повседневную практическую медицину. Процесс внедрения – это самый сложный процесс. В практической медицине востребованными становятся только простые, понятные и недорогие методики.

По мнению профессора М. И. Ситенко, «биомеханика – это философия ортопедии».

Биомеханика – это область естественных наук, изучающая свойства любыхбиологическихобъектовнаосновеидейи методовмеханики. Задачей биомеханики является применение результатов исследований для дальнейшего развития следующих направлений:

1)самой механики;

2)биологии и медицины с целью:

диагностики;

создания заменителей органов и тканей (эндопротезы);

разработки методов воздействия на процессы в живых объектах (консервативное лечение);

создания методов анализа и коррекции различных видов движений (экзоскелет для пациентов, страдающих детским церебральным параличом, последствиями перенесенного полиомиелита и при параличах иного генеза);

разработки методов защиты организма человека от неблагоприятных механических воздействий факторов внешней среды.

Второе направление биоинженерии – эргономика.

Занимаясь вопросами проектирования биотехнических систем и медицинскихизделий, атакжевопросамизащитыорганизмачеловекаотнеблагоприятных воздействий факторов внешней среды, инженер-биотех- нолог должен руководствоваться основными положениями эргономики, котораязанимаетсявопросамиприспособлениятрудакфизиологическим

ипсихическимвозможностямчеловекадляобеспечениянаиболееэффективной работы, не создающей угрозы здоровью человека и выполняющейся при минимальной затрате биологических ресурсов.

5

Эргономика – это комплексная наука, цель которой состоит в исследовании трудовой деятельности для разработки основ приспособления труда к человеку и человека к труду.

Из этого определения вытекают следующие главные задачи эргономики:

1)проведение исследований, направленных на приспособление элементов системы «человек – трудовой процесс» к естественным физическим и психическим возможностям работника;

2)стремление обеспечить таким путем условия для максимальной эффективности труда;

3)стремление исключить все возможные угрозы для здоровья работающего;

4)стремлениекоптимальнойзатратебиологическихресурсоввпроцессе труда.

Процесс адаптации орудий труда и машин к трудовой деятельности человека своими корнями уходит в древнюю историю. Так, английский психологБрайан Шеккел во введении к работе, посвященной эргономическим проблемам исследования трудовых процессов, пишет: «В доисторические времена люди сами изготовляли необходимое им оружие

иинструменты. Удобствоиточноесоответствиеорудийтрудапотребностям человека были вопросом жизни и смерти. Если человек изготовил плохое оружие и не мог достаточно эффективно его применить, то на свете очень скоро становилось одним плохим конструктором меньше».

Третье направление биоинженерии – решение проблем коммуникации между специалистами.

Как было отмечено ранее, биотехнические разработки требуют участия как минимум двух специалистов. Лучше, когда работает целый коллектив, вкоторомпринимаютучастиеспециалисты, обладающиерядом качеств:

1)пионер (формулирование проблемы);

2)генератор идей (предложение по решению проблемы);

3)концептолог (системный философский подход);

4)оптимизатор (адаптация к реальным условиям);

5)прогнозист (формулирование перспектив);

6)энциклопедист (эрудит по различным вопросам);

7)информатор (обработка литературы, «книжный червь»);

8)переводчик (медицина инженерия, специалист по знаниям);

9)разработчик (техническое задание);

6

10)реализатор («рабочая лошадка», программист);

11)эксперт (оценка результатов, выискивание «косяков»);

12)энтузиаст;

13)скептик;

14)психолог (создатель атмосферы творчества);

15)независимый (взгляд со стороны);

16)паразит (нянька, директор).

При решении любой задачи между ними должно возникнуть взаимопонимание, онидолжныговоритьнаодномязыке. Дляэтогомедикам надо повторить или освоить программу средней школы по геометрии, алгебре и физике, а инженерам – выучить анатомию, физиологию человека и латинские термины.

1.1. ЯЗЫК БИОИНЖЕНЕРИИ

Понять целый ряд медицинских терминов можно путем анализа их составных частей.

Часто используются приставки:

эндо – внутренний (эндопротез, эндоскопия, эндокард); экзо – наружный (экзоскелет, экзофтальм, экзозостоз);

пери– вокруг(периост, перикард, периферическаянервнаясистема); орто – прямо (ортопед, ортодокс, ортодонт); мета – расположенное через один;

пара – расположенное рядом (параплегия, парадонтоз); геми – расположенное с одной стороны (гемипарез, гемиплегия);

тетра – число «4»;

а, ана – отрицание (аплазия, атрофия, анестезия); гомо – однородный (гомогенный); гетеро – разнородный (гетерогенный).

Направление, положение:

интра – нахождение внутри, в пределах чего-либо (интраназально); краниально – в сторону головы; каудально – в сторону хвоста; вентрально – в сторону живота; дорзально – в сторону спины;

проксимально – ближе к середине относительно чего-либо; дистально – дальше от середины относительно чего-либо;

7

латерально – дальше от середины; медиально – посередине;

фронтально – расположенный лицом в сторону противника; трансферзально – относительно горизонтальной оси; сагиттально – относительно оси, проходящей спереди назад; аксиально – относительно продольной оси.

Движения:

абдукция – отведение; аддукция – приведение; ротация – вращение; пронация – вращение внутрь; супинация – вращение наружу; флексия – сгибание; экстензия – разгибание;

циркумдукция – одновременное вращение вокруг трех осей.

Окончание слова указывает на характер паталогического процесса:

ит – воспалительный процесс (простатит, гастрит, отит); ома – опухолевый процесс (атерома, миома, остеома, саркома);

де – отсутствие, разрушение (деструкция, десквамация, дегенерация);

дис – нарушение (дисплазия, дисморфофобия, дисгармония); фобия – боязнь; филия – приязнь, симпатия, дружба.

Деформации:

варус – под углом, открытым внутрь; вальгус – под углом, открытым наружу;

кифоз – дуга позвоночника, выпуклостью кзади; лордоз – дуга позвоночника, выпуклостью вперед;

сколиоз – деформация позвоночника, обусловленная скручиванием позвоночника вокруг вертикальной оси;

Вслучаезатрудненийвсегдаможнообратитьсяксовременнойсправочной литературе.

8

1.2. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ БИОМЕХАНИКИ

Биомеханикапроисходитотдвухслов: «био» – биология, наукаоживом, и «механика» – раздел физики, изучающий законы механического движения. Следовательно, биомеханика – это наука о законах механического движения живых организмов. Есть и другие определения этой дисциплины.

Необходимо понять, из чего состоит эта наука и почему она нужна. Все процессы, происходящие в живой природе, будучи частью материального мира, подчиняются объективным физическим законам

ив частности законам механики. Это обстоятельство было подмечено еще в древности, и, строго говоря, начало биомеханики как науки о механических аспектах биологических процессов следует отнести к временам Аристотеля или Леонардо да Винчи.

Изучая природу, такие ученые прошедших веков, как Галилей, Декарт, Бойль, Гук, Эйлер, Гельмгольц, Ван дер Поль и другие, внесли огромный вклад в развитие классической механики, а следовательно, имеют определенное отношение и к одному из ее разделов – биомеханике.

Как и многие другие науки, биомеханика своими корнями уходит в глубокую древность, хотя в те времена она не имела статуса самостоятельной области знаний. Уже у Гиппократа (460 г. до н. э.) имеются сведения о строении и функции суставов в связи с вопросами лечения вывихов. Имотмеченанеобходимостьточногомеханическогосопоставления костных фрагментов при лечении переломов.

Аристотель (334 г. до н. э.) в своем трактате о движениях животных выявилкинематическуюрольмышц. Веготрудахсообщаютсясведения о переходе вращательных движений в линейные перемещения.

Гален (131–201 гг. до н. э.) имел представление о сокращении мышц

идействии антагонистов, о тонусе мускулатуры. Его работа «О движении мышц» была переведена в начале XVI в. с греческого на латинский язык.

Вначале эпохи Возрождения вновь повысился интерес к биомеханическим знаниям. В этой связи нельзя не упомянуть о трудах блистательного ученого, художника, математика и биолога эпохи Возрожде-

ния Леонардо да Винчи (1452–1519). Он совмещал знания механики и анатомии, что дало ему возможность верно изображать некоторые кинематическиепроцессы, происходящиеворганизмечеловека. ДаВинчи

9

интересовало строение тела человека в связи с движением. Он описал механику тела при переходе из положения сидя в положение стоя, при ходьбе вверх и вниз, при прыжках, дал описание походок. Он утверждал, что «наука механика потому столь благодарна и полезна для всех прочих наук, что, как оказывается, все живые тела, имеющие способность движений, действуют по ее законам».

Да Винчи принадлежит следующее изречение: «Пусть книга о началах механики предшествует твоим исследованиям движений человеческого тела (и животных), дабы ты мог доказать каждое положение анатомии с ясностью геометрической». Таким образом, да Винчи ясно отдавал себе отчет в том, что статические и динамические явления в телах человекаиживотногоподчиненызаконаммеханики. Длятехвременэто было не только новая, но и довольно смелая мысль, обоснованность которой была осознана лишь в XIX столетии.

Леонардо да Винчи впервыевысказал мнениео том, что многиеанатомические особенности строения возникли в результате механического воздействия и что биомеханические законы являются лишь частными применениями более общих законов механики.

Особо ценные биомеханические исследования были проведены итальянцем Д. Борелли (1608–1679), учеником Галилея, – врачом, математиком и физиком, который своей книгой «О движениях животных» положил начало биомеханике как отрасли науки. Его можно рассматривать как основателя современной биомеханики, ибо он впервые стал систематически изучать применение законов механики к телу человека. Работа Борелли, увидевшая свет только после его смерти, освещала вопросы геометрического анализа действия мышц и изучения зависимости силового воздействия от угла приложения силы при мышечном сокращении. Он также определил положение центра тяжести человека. Борелли рассматривал организм человека как машину и стремился объяснить его функции с позиций механики.

Механическое направление, начатое Борелли, получило дальнейшее развитие вработахВ. БраунаиО. Фишера(1891–1905). Этотподходпозволил определить количественную меру двигательных процессов. Измерение механических показателей двигательной функции человека было совершенно необходимо для объяснения физической сущности механических явлений. С точки зрения физики раскрывалось строение опорнодвигательного аппарата и его функции. Указанные авторы разработали

10