Биомедицинская инженерия и биомеханика. Курс лекций. Учебное пособие

методику циклографических исследований и дали подробный анализ ходьбы человека.

В первой половине ХХ в. эти исследования были дополнены работами Н. А. Бернштейна, Ж. Демени, Ф. Штейнгаузена, М. Ф. Иваницкого и др.

Многоценногоматериалапобиомеханикеимеетсявисследованиях, проведенных в первой половине XIX в. братьями Вебер, которые изучаливчастности, положениецентратяжестиучеловекаимеханикудвижений. Они дали ценный анализ движений при ходьбе и беге.

Физиологическое направление в биомеханике складывалось под влиянием учения о высшей нервной деятельности и данных нейрофизиологии, раскрытых в работах И. М. Сеченова, И. П. Павлова, А. А. Ухтомского, П. К. Анохина, Н. А. Бернштейна.

Основоположником отечественной школы биомеханики по праву считается Н. А. Бернштейн (1896–1966).

Вначале 1920-х гг. Н. А. Бернштейн, занявшись изучением трудовыхдвижений, значительноусовершенствовалметодциклограмметрии.

В1926 г. вышла его первая книга «Общая биомеханика», в которой освещались вопросы изучения основных способов передвижения – ходьбы и бега. В своей статье «Клинические пути современной биомеханики» (1929) Бернштейн наметил основные задачи и перспективы биомеханического исследования в клинике, показал их значимость для понимания вопросов патогенеза различных патологических состояний опорно-двигательного аппарата. Он и его ученики предприняли ряд биомеханических исследований при патологии двигательного аппарата для решения вопросов протезирования.

В1949 г. Н. А. Берштейн был объявлен космополитом, вульгаризатором и сочинителем лженаучных теорий, чем был нанесен непоправимый вред отечественной биомеханике, откинутой на несколько лет назад.

В1934 г. по инициативе М. И. Ситенко в Украинском институте травматологии и ортопедии был создан отдел биомеханики, ставший первой лабораторией такого типа в СССР.

Однойизпервыхпопытоксистематизироватьбиомеханическиеданные в применении к ортопедии является руководство Штейндлера на английском языке, изданное в 1935 г.

Малочисленность руководств по биомеханике и возрастающая потребность в биомеханических знаниях побудила профессора Л. П. Николаева в 1947 г. издать отечественное «Руководство по биомеханике

11

вприменении к ортопедии и травматологии и протезированию». В последующем Л. П. Николаев со своими учениками Г. С. Козыревым и О. В. Недригайловой изложили результаты биомеханических исследований у больных с расстройством функции двигательного аппарата. Николаев утверждал: «Если ортопед решает производить определенную операцию без тщательного предварительного анализа развившихся у больного приспособлений, он может не только не улучшить двигательных возможностей больного, но, наоборот, лишить последнего способности стоять и передвигаться. Ортопед или травматолог, работающий без знания биомеханики, рискует на каждом шагу получить отрицательные результаты».

После окончания Великой Отечественной войны с созданием в СоветскомСоюзесетиНИИтравматологиииортопедииразработкавопросов биомеханики опорно-двигательного аппарата (ОДА) получила новый импульс. Биомеханика пережила свое второе рождение и выросла

вновое научное направление.

Большой вклад в развитие вопросов клинической биомеханики был сделан сотрудниками отдела биомеханики и управления движениями Центрального НИИ протезирования и протезостроения (ЦНИИПП). Под руководством действительного члена Академии медико-техниче- ских наук РФ А. С. Витензона разработана методика программируемой миостимуляции, позволяющей осуществлять на практике метод искусственной коррекции движений.

Достижения в области медицинской биомеханики послужили поводом для проведения в 1975 г. Первой Всесоюзной конференции по инженерной и медицинской биомеханике в г. Рига. В последующем, начиная с 1992 г. всероссийские научные конференции по вопросам биомеханики благодаря Нижегородскому НИИ травматологии и ортопедии стали регулярными.

При Президиуме Российской академии наук был создан специализированный научный Совет по проблемам биомеханики с секциями по вопросам инженерной, медицинской и спортивной биомеханики.

Постановлением ВАК СССР в 1988 г. специальность 01.02.08 «Биомеханика» введена в номенклатуру специальностей с предоставлением права подготовки квалифицированных специалистов по техническим, физико-математическим, медицинским, биологическим и педагогическим дисциплинам.

Сегодня можно с уверенностью утверждать, что в медицине появилсяисуществуетновыйвидфункциональнойдиагностикиилечения

12

патологии опорно-двигательного аппарата. Количество лабораторий биомеханики в России постоянно увеличивается.

Биомеханику преподают в высших физкультурных учебных заведениях как за рубежом, так и в нашей стране. К великому сожалению, эта дисциплина пока не нашла своего достойного места в программах медицинских вузов. По-видимому, поэтому современных отечественных учебников по клинической биомеханике опорно-двигательного аппарата для медицинских вузов мы не встретили.

В последние 10–15 лет уровень и количество биомеханических исследований в нашей стране значительно возросло. Объясняется это, на наш взгляд, двумя обстоятельствами:

1)расширяютсявозможностиисследовательскойработывследствие широкого внедрения персональных компьютеров и совершенствования численных методов моделирования;

2)возникаетзаинтересованностьмногихспециалистов(вразличных областях медицины, биологии, космической медицины, робототехники, страховых организаций) в результатах биомеханических исследований.

Необходимо иметь представление о том, каких областей наших знанийкасаетсябиомеханика. Этоясноизназваниядисциплины. Био – все, что касается живой материи, включая и человека. Механика – знания, накопленные человечеством в области математики и физики, начиная со школьной программы и заканчивая высшей математикой и кибернетикой.

Учитываяприкладноезначениебиомеханическихзнаний, онимогут использоваться в самых разных областях человеческой деятельности, таких как спорт, организация трудового процесса (эргономика), школьнаягигиена(конструированиемебели), авиационнаяикосмическаяпромышленность, сельское хозяйство (животноводство), робототехника.

Несмотря на солидный возраст, биомеханику еще нельзя считать вполне устоявшейся и упорядоченной системой знаний. Как наука она все еще находится на стадии накопления фактов и становления первых теорий.

Может возникнуть вопрос: «Зачем выделять специальную науку, если тело человека подвержено действию всех физических законов?» Целесообразность такого выделения продиктовано своеобразием строения животных систем. Двигательный аппарат человека является своеобразной машиной, очень сложно устроенной и тонко регулируемой,

13

что и дает возможность осуществления самых разнообразных видов движений с большой точностью.

Полностью отождествлять человеческий организм с машиной недопустимо, ноиспользоватьужеизвестныезаконымеханикидляпознания особенности функционирования сложных биологических объектов не только возможно, но и необходимо. Иного пути нет. И наоборот, с изучением принципов организации биологических объектов появляется возможность их использования в новых технических решениях.

Говоря о сферах применения биомеханики, еще раз отметим важность дисциплины под названием «Эргономика».

Термин эргономика (греч. ergon – работа, и nomos – закон) был принят в Англии в 1949 г., когда группа английских ученых положила начало организации Эргономического исследовательского общества. В 1920-е гг. в СССР предлагался термин «эргология», но в настоящее время принят английский термин. В США аналогичная дисциплина называется «Исследование человеческих факторов», а в ФРГ – «Антропотехника».

Эргономика, как уже говорилось выше, – это прикладная наука, целью которой является приспособление труда к физиологическим и психическим возможностям человека для обеспечения наиболее эффективной работы, которая не создает угрозы здоровью человека и выполняется при минимальной затрате биологических ресурсов.

14

1)сагиттальная плоскость – вертикальная плоскость ZX, проходящаячерезпереднююсрединнуюлиниютелаипозвоночнуюлинию. Эта плоскость разделяет туловище на левую и правую симметричные половины;

2)фронтальная плоскость – вертикальная плоскость ZY, проходящая перпендикулярно к сагиттальной. Она разделяет туловище на переднюю и заднюю части;

3)горизонтальная (аксиальная или трансверзальная) – плоскость XY, проходящая перпендикулярно к первым двум и разделяющая туловище на верхнюю и нижнюю части.

В качестве фиксированных антропометрических ориентиров, с которыми удобно связать начало системы координат, наиболее часто выбирают остистый отросток позвонка L5 или рога крестца, которые хорошо пальпируются. На рентгенограммах это точка промонториума – передне-верхний край крестца.

Для определения ориентации тела необходимо связать воедино две системыкоординат, имеющиеначаловоднойточке. Осиоднойсистемы остаются неподвижными, а оси второй (связанной с телом) могут перемещаться параллельно соответствующим плоскостям. Образующиеся три угла Эллера позволяют переходить из одной системы координат

вдругую.

Поскольку движение переходит не только в пространстве, но и во времени, то для описания движения человека необходимо отсчитывать и время. Синхронизация координат и времени образует так называемую систему отсчета, которая является фундаментальным понятием в механике.

Трехмерные координаты неподвижного тела позволяют определить следующие его характеристики:

место – пространственное расположение тела;

ориентацию, которая характеризует поворот тела относительно системы координат (вверх головой, горизонтально и пр.)

позу, которая характеризует взаимное расположение звеньев тела относительно друг друга.

Движущееся тело можно рассматривать: 1) как материальную точку; 2) жесткое тело;

3) систему тел, если тело меняет свою форму.

16

Как точку тело можно рассматривать в тех случаях, когда размеры самого тела значительно меньше, чем его перемещение, и вращение самого тела не исследуется.

Тело человека приравнивается к твердому телу, когда взаимное перемещение его звеньев и деформация тканей не принимается во внимание или когда важно учитывать лишь размеры тела и его ориентацию

впространстве, но не позу.

Втех случаях, когда важно оценить особенности перемещения частей тела человека, его целесообразно представить как систему тел.

Существует три способа определения места или положения точки: 1) естественный; 2) векторный (угловое перемещение); 3) координатный.

Координаты точки – это пространственная мера местонахождения точки относительно системы отсчета. Для определения точки на линии достаточно одной координаты. Для определения ее положения на плоскостинужныдвекоординаты, адляопределенияположениявпространстве – три.

Зная координаты точки в начальном и конечном положении, можно определить пройденное расстояние. Оно определяется по формуле

S ( X1 X2 )2 (Y1 Y2 )2 .

Направление перемещения точки на плоскости характеризуется углом наклона оси перемещения точки, который вычисляется по формуле

arctg X2 X1 .

S

Ориентацию тела на плоскости можно охарактеризовать углом наклона отрезка, соединяющего две точки этого тела.

Положение твердого тела в пространстве можно определить по координатам трех точек этого тела, не лежащим на одной прямой.

Вряде случаев, когда одновременно происходит как линейное, так

ивращательное движение тела, необходимо определить центр вращения, но при этом центр вращения будет все время перемещаться. Поэтому выделяют понятие «моментальный центр вращения», т. е. положение центра вращения в настоящий момент. Для этого, как правило, используют метод Руло (1876).

17

Для описания характеристик позы человека используют отождествление скелета человека с кинематической цепью, под которой понимают систему, состоящую из отдельных прямолинейных звеньев и имеющую вид ломаной линии.

Для использования в расчетах законов теоретической механики допускаются следующие предположения:

1)звенья кинематической цепи являются абсолютно твердыми;

2)геометрические параметры звеньев совпадают с соответствующими параметрами сегментов тела человека;

3)звенья модели соединены в идеальные кинематические пары, т. е. соединены шаровыми шарнирами.

Такие модели получили название базовых моделей.

Напрактике нередко все этитриспособасочетаются. Местоположение тела определяется по какой-либо его точке (чаще это общий центр массы тела или геометрический центр тела), ориентация тела определяется по положению его оси, а поза характеризуется взаимным расположением звеньев кинематической цепи.

Изучая перемещение тела, необходимо определить следующие его характеристики:

1)начальное положение;

2)конечное положение;

3)рядмгновенных(непрерывносменяющихся) положений, которые принимает тело при движении.

Перемещение тела характеризуется траекторией – непрерывной линией, представляющей собой воображаемый след движущейся точки.

Перемещение тела человека или сегмента тела из одного положения

вдругое характеризуется двумя основными видами движениями:

1)поступательным;

2)вращательным.

При поступательном движении прямая, соединяющая две точки тела, в процессе движения остается параллельной своему первоначальному положению. При этом расстояние, пройденное точкой, и ее путь совпадаютповеличине. Поэтомуприизучениипоступательногодвижения можно ограничиться рассмотрением линейного перемещения ка- кой-либо одной точки.

При вращательном движении вокруг неподвижной точки направление движения все время меняется и расстояние не равно пути (траектории). Вращательное движение необходимо характеризовать угловым

18

перемещением, радиусомидлинойхорды. Всеэтивеличинывзаимосвязаны и могут быть рассчитаны.

Поскольку перемещение тела возможно в каждой из плоскостей вдоль и вокруг одной из трех осей, то перемещение в пространстве может характеризоваться шестью степенями свободы.

Степень свободы – это параметр, характеризующий относительное движение в кинематической паре. Если степень свободы равна нулю, то такое соединение двух звеньев является неподвижным. Если степень свободы 6, то тела не соединены друг с другом. Если степень свободы от 1 до 3, то эти два тела соединены между собой суставом. Как известно, виды движения в суставе определяются формой суставных поверхностей. Шаровидный сустав обладает тремя степенями свободы, седловидный – двумя, а блоковидный – одной степенью свободы.

Число степеней свободы опорно-двигательного аппарата человека определяется как функция следующих аргументов: n – число подвижных костей в исследуемом сегменте тела человека; I – число ограничений степеней свободы в суставах, входящих в этот сегмент; Pi – число соединений с данным количеством ограничений свободы.

Перечислим временные характеристики:

1)длительность движения;

2)темп;

3)ритм;

4)скорость;

5)ускорение.

Длительность, или время движения, определяетсякак разностьвремени начала и конца движения: Т Т – Т1.

Темп движения – временная мера повторяемости движения (число шагов в минуту, частота сердечных сокращений или дыхательных движений).

Ритм движения – соотношение длительности частей движения. Например, длительность периода опоры правой и левой ноги.

Скорость точки или тела может быть определена как линейная (V = S / t) и как угловая ( = / t).

Скорость системы тел, изменяющих свою конфигурацию, нельзя определить подобным образом, поэтому ее определяют как скорость центра масс всей системы.

19

Ускорение – пространственно-временная характеристика изменения движения. Как и в случае скорости, рассматривают линейное и угловое ускорение.

Ускорение, как и скорость, является векторной величиной, которую можно разделить на касательное и нормальное ускорение – направленное к центру. Определение ускорения системы тел, меняющих свою конфигурацию, – тема отдельного научного исследования.

2.2.ДИНАМИКА ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Кдинамическим характеристикам относятся:

1)силовые;

2)инерционные;

3)энергетические.

Говоря о силовых характеристиках, необходимо в первую очередь упомянуть о таком понятии, как момент силы, который определяется как произведение силы на плечо:

M = F L.

Момент силы принято считать положительным при его действии против часовой стрелки и отрицательным при действии по часовой стрелке. При М = 0 движение не совершается.

Импульс силы – мера воздействия силы за данный промежуток времени.

Количество движения – мера поступательного движения, характеризующая способность передавать его другому телу, рассчитывается как произведение массы на скорость:

K = m v.

С силовыми характеристиками тесно связан ряд понятий. Прочность – способность сопротивляться разрушению под дей-

ствием внешней нагрузки.

Общаяпрочность– разрушающаянагрузкаприданнойскоростидеформации.

Предел прочности – отношение нагрузки, необходимой для разрушения образца, к его поперечному сечению в месте разрушения.

Запас прочности – отношение общей прочности к нагрузке, не приводящей к разрушению.

20