Magdalena Drzewiecka gr. 22B
Nowoczesne kierunki rozwoju biomechaniki i bioinżynierii medycznej.
Biomechanika jest nauką o ruchach ludzi i zwierząt, która wyjaśnia specyfikę przemieszczania się organizmu w czasie i przestrzeni oraz analizuje przyczyny powodujące ten ruch. Fidelus twierdził ,że biomechanika jest nauką badająca ruch mechaniczny człowieka oraz jego przyczyny i skutki. Współcześnie uważa się ,że biomechanika -mechanika układów żywych- jest interdyscyplinarna nauką o przyczynach i skutkach działania sił zewnętrznych i wewnętrznych na układy biologiczne, zarówno w skali makro, a więc na cały organizm lub poszczególne segmenty ciała, jak i w skali mikro, czyli na pojedynczą komórkę lub jej część.
Doniesienia naukowe publikowane w licznych czasopismach wskazują ,że podana definicja nie wyczerpuje bogactwa problematyki i zastosowań podejmowanych w ramach szeroko rozwiniętej współczesnej biomechaniki. Oprócz metod zaczerpniętych z mechaniki wykorzystuje ona wiele innych, np. modele matematyczne i stymulacje komputerowe oraz najnowsze metody pomiarowe. Z powodzeniem stosowana jest do rozwiązywania zagadnień w medycynie, rehabilitacji, sporcie, ergonomii, robotyce i innych dziedzinach. Większość zagadnień w biomechanice lokuje się w pięciu następujących działach:
Biomechanika ogólna - zajmuje się opracowaniem teoretycznych i doświadczalnych metod wyznaczania sił zewnętrznych i wewnętrznych działających na układ biologiczny. Typowymi zadaniami biomechaniki ogólnej są : zagadnienia współdziałania mięśni, wyznaczanie sił reakcji w stawach, badanie i modelowanie własności mechanicznych mięśni, ścięgien, kości, chrząstek i innych tkanek. Zadania te często dotyczą procesów sterowania, na przykład skurczem pojedynczych lub zespołów mięśni.
Biomechanika medyczna - zajmuje się zastosowaniem biomechaniki do profilaktyki, diagnostyki, leczenia i rehabilitacji narządów, głównie narządu ruchu człowieka. Typowymi zadaniami są np.: analiza chodu w normie i patologii w celu leczenia i rehabilitacji osób niepełnosprawnych ruchowo, analiza przepływu krwi przez naturalne zastawki serca w celu prawidłowego zaprojektowania zastawek sztucznych, analiza obciążeń działających na układ kość-implant w celu dobrania odpowiedniego dla danego pacjenta implantu (na przykład sztucznego stawu) i zaprojektowania zabiegu jego wszczepienia.
Biomechanika sportu - skupia się na wykorzystaniu zasad biomechaniki ogólnej do doskonalenia techniki w sporcie oraz do projektowania bezpiecznych i skutecznych przyborów sportowych, na przykład butów narciarskich i nart, oszczepów, rakiet tenisowych itp., a nawet obiektów sportowych, na przykład skoczni narciarskich, powierzchni bieżni lub podłóg w halach sportowych.
Biomechanika inżynierska - stosuje zasady biomechaniki ogólnej do analizy i projektowania urządzeń technicznych, na przykład manipulatorów medycznych, robotów, maszyn kroczących oraz mikrorobotów.
Biomechanika pracy - rozpatruje przyczyny i skutki sił działających na układ mięśniowo- szkieletowy człowieka podczas pracy. Uwzględnia się tu natychmiastowe (np. uderzenie) i skumulowanie w czasie (np. działanie drgań) skutki działania sił występujących w czasie pracy. W tym dziale umieścić można także biomechanikę zderzeń, której przedmiotem badań jest ocena skutków i projektowanie sposobów zapobiegania obrażeniom ciała człowieka w wyniku uderzeń zarówno podczas pracy jak i w trakcie wypadków drogowych.
Rys historyczny
Twórcami współczesnej polskiej biomechaniki byli prof. dr inż. Adam Morecki i prof. dr hab. Kazimierz Fidelus. Prof. Adam Morecki zajmował się teoria maszyn i mechanizmów, biomechaniką inżynierską oraz robotyką. W opublikowanych około 300 oryginalnych artykułach zaprezentował swoje osiągnięcia między innymi w zakresie analizy struktury i cech układu szkieletowego człowieka jako biomechanizmu. Kierował zespołem ,który wykonał kilka prototypów sztucznych mięśni szkieletowych i rozwinął teorię sterowania prostymi biomanipulatorami. Był współtwórca protez i ortez elektronicznych i pneumatycznych. W ostatnich latach koncentrował się nad opracowaniem wieloczynnościowych robotów, podglądając rozwiązania spotykane w świecie.
Prof. Kazimierz Fidelus jako pierwszy opublikował równanie udziału mięśni w statyce. Zainicjował opracowanie jednolitego systemu obliczania obciążeń fizycznych w procesie treningu sportowego. Ostatnim projektem badawczym Profesora było określenie rozkładu sił rozwijających przez rękę w przestrzeni roboczej. Był on autorem wielu oryginalnych konstrukcji stanowisk pomiarowych wykorzystywanych do dzisiaj w biomechanice.
Warto podkreślić ,że obu uczonych łączyła wieloletnia przyjaźń. Prawie 40-letnia współpraca zaowocowała wieloma znaczącymi opracowaniami o charakterze podstawowym dla biomechaniki, nowymi metodami pomiarowymi, publikacjami. Do najważniejszych należy zaliczyć monografię pod tytułem Bionika Ruchu. W 1979 roku prof. Adam Morecki i prof. Kazimierz Fidelus zorganizowali Kongres Biomechaniki. Dzięki inicjatywie Komitetu Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej Polskiej Akademii Nauk cyklicznie publikowane są opracowania monograficzne z różnych dziedzin, będących przedmiotem zainteresowań Komitetu. Dokumentują one postępy biomechaniki i inżynierii biomedycznej w kolejnych dekadach.
XXI wiek jest okresem gwałtownego rozwoju nauk przyrodniczych i medycznych, to jest wynikiem osiągniętego i stale dokonującego się postępu w obszarze nauk ścisłych i technicznych. Wytwarza to sprzyjającą sytuację dla szybkiego rozwoju biomechaniki, jako tej dziedziny ,która łączy osiągnięcia obu wymienionych obszarów nauki. Wobec wydłużania się długości życia i postępującego procesu starzenia się ludności świata oraz spowodowanej tym zmiany stylu życia (m.in. więcej czasu wolnego od pracy) konieczny jest postęp ergonomii stanowisk pracy dla ludzi starszych (wydłuża się czas aktywności zawodowej), wzrasta zapotrzebowanie na wsparcie biomechaniki w rekreacji i wsparcie ludzi starszych, pojawiają się nowe rozwiązania sztucznych narządów i implantów, oprzyrządowania rehabilitacyjnego i zrobotyzowania urządzeń do opieki nad ludźmi niepełnosprawnymi. Ponadto, oprócz tradycyjnych dziedzin, w których biomechanika znajduje zastosowanie , pojawiają się nowe, np. biomechanika w kosmosie i medycynie sądowej.
W ramach zoologii wyrosła gałąź wiedzy zajmująca się mechaniką zwierząt. Bada ona tkanki narządy i ruchy zwierząt z punktu widzenia mechaniki. Jej zawdzięczamy szereg ciekawych odkryć, które nie tylko poszerzyły wiedzę, lecz pozwoliły na ocenę sprawności wielu narządów i układów z punktu widzenia mechanizmów chodu, biegu, skoków, lotu i pływania. Obok biofizyki, która zajmuje się głównie funkcjami narządów zmysłów (słuch, wzrok) oraz procesami życia na poziomach molekularnych i submolekularnych, mechanika zwierząt wpłynęła na powstanie nowej nauki - bioniki. Bionika bada funkcje organizmów żywych w celu wykorzystania ich zasad działania do budowy modeli, urządzeń i systemów technicznych. Analiza lotu ptaków i pływania delfinów, wykorzystania ultradźwięków przez nietoperze i sterowania ruchami przez układ nerwowy zwierząt struktury i funkcji układu ruchu zwierząt, percepcji wzrokowej i słuchowej itp. posłużyła do budowy urządzeń i aparatów oraz opracowania systemów sterowania działalnością ludzką. Dla biomechaniki największe znaczenie ma bionika ruchu, która bada układy ruchu człowieka (zwierząt) w celu budowy manipulatorów, protez i aparatów ortopedycznych. Na bazie techniki medycznej oraz bioinżynierii rozwija się bardzo intensywnie biomechanika rehabilitacyjna (inżynierska). Jej celem jest budowa urządzeń wspomagających i zastępujących funkcje człowieka, utracone na skutek urazów i schorzeń różnych narządów. Biomechanika rehabilitacyjna ma zastosowanie nie tylko w ortopedii i reumatologii (protezy, aparaty ortopedyczne, sztuczne stawy), ale i również przy uszkodzeniach układu nerwowego i układów wegetatywnych( stymulatory implantowe, sztuczne serca i płuca, nerki naczynia krwionośne itp.).
10-12% populacji stanowią osoby w różnym stopniu niepełnosprawne. Około połowa z nich wymaga stosowania sztucznych urządzeń do wspomagania lub zastępowania utraconych funkcji organizmu. Dotyczy to w szczególności niepełnosprawności ruchowych utraconych funkcji manipulacyjnych i lokomocyjnych jak i np. niepełnosprawności układu przeżuwania u osób w podeszłym wieku oraz upośledzenia funkcji różnych organów wewnętrznych. U znacznej części osób niepełnosprawnych polepszenie komfortu życia poprzez usprawnienie czynności chwytnych i manipulacyjnych kończyn górnych albo polepszenie możliwości lokomocyjnych można osiągnąć przez zastosowanie urządzeń protetycznych i ortotycznych albo odpowiednich wózków inwalidzkich, jednak większość prostych urządzeń mechanicznych nie zapewnia właściwego poziomu samodzielności. Współczesny rozwój nauki pozwala na zwiększenie funkcjonalności istniejących urządzeń. Manipulatory i roboty są coraz częściej stosowane również w medycynie. Dzięki rozwojowi nowoczesnych technik mini- i mikro- manipulatorów ,możliwym stało się wykonywanie skomplikowanych operacji chirurgicznych np. operacji oczu z użyciem techniki laserowej i specjalnych mikromanipulatorów. Takie nowe techniki operacyjne pozwalają na prowadzenie operacji zdalnie, np. z sąsiedniego pomieszczenia jak również przez wykorzystanie internetu. W ostatnich latach opracowano różne układy manipulatorów rehabilitacyjnych do obsługi niepełnosprawnych pacjentów. Jednym z przykładów jest manipulator do karmienia pacjenta wyposażony w specjalny mechanizm służący do utrzymania końcówki z łyżką w ten sposób, aby podczas pobierania pokarmu z talerza, następnie podczas jego transportu jak i w trakcie przekazywania do ust łyżka utrzymywała położenie poziome. Manipulatory takie są przeznaczone dla pacjentów z bezwładem ruchowym , przy czym sterowanie może odbywać się za pomocą głosu, ruchów nogi, ruchów ust. Jedną z bardzo ważnych czynności niezbędnych pacjentowi nie wstającemu z łóżka i pozostawionemu bez opieki innych osób jest pobieranie i transport pokarmu lub niezbędnych przedmiotów z najbliższego otoczenia w obszarze pokoju. Na rynku pokazano dwa przykłady prostych układów robotów mobilnych z manipulatorami. Mogą one być użyte do transportu filiżanki z napojem lub talerza z kuchenki mikrofalowej. Manipulatory można montować na wózku inwalidzkim o napędzie elektrycznym.
Nowinki Mięśnie z nanorurek węglowych są 30 razy silniejsze od ludzkich. Mięśnie nowej generacji zostały stworzone przez Raya Baughmana. Dzięki nanorurkom, są niesamowicie silne i lekkie. Wynalazek może być przyszłością protez. Wygląda na to, że dzięki naukowcom maszyny pobiły nas na kolejnym polu. Mięśnie wykonane z węglowych nanorurek są 30 razy silniejsze od mięśni ludzkich oraz prawie tak lekkie jak powietrze. Naturalne włókna mięśniowe kurczą się z maksymalną prędkością 10% na sekundę, podczas gdy włókna wykonane z węglowych nanorurek to 40 000% w tym samym czasie. Przepaść jest ogromna. Sztuczne mięśnie są w stanie funkcjonować przy temperaturach od -160 do ponad 1537 stopni Celcjusza. Czyli od ciekłego azotu do temperatury, w której topi się żelazo. Prace nad udoskonaleniem wynalazku wciąż trwają. Już teraz naukowcy znajdują wiele zastosowań dla sztucznych mięśni.
Już niedługo roboty będą przeprowadzać operacje. Technika cały czas idzie do przodu i nic nie jesteśmy w stanie z tym zrobić. Niby to dobrze, bo wszystko staje się łatwiejsze, szybsze i w ogóle lepsze, ale mnie to trochę przeraża.Wracając jednak do tematu - już niedługo nasze operacje będą przeprowadzać roboty pod okiem lekarza. Żeby założyć przepływ omijający wieńcowy, czyli inaczej bajpas, konieczne jest chwilowe zatrzymanie pracy serca. Jak łatwo się domyśleć, wiąże się to z pewnym ryzykiem. Jednak nowy robot stworzony w Uniwersytecie Waseda w Japonii, jest w stanie założyć bajpas bez zatrzymywania serca. Jest on dużo bardziej precyzyjny niż ręka lekarza i stąd taka możliwość. Jedynym problemem jest cena, która może się okazać zbyt duża, aby wykorzystywać urządzenie do większej ilości operacji.
Sztuczna dłoń niemal jak prawdziwa Niezwykłą protezę dłoni skonstruowali niemieccy naukowcy. Umożliwia posługiwanie się klawiaturą komputera. Urządzenie nosi nazwę Fluidhand. Skonstruował je zespół z Centrum Badań w Karlsruhe, którym kieruje prof. Stefan Schulz. Operację przymocowania protezy przeprowadzono w Uniwersyteckim Szpitalu Ortopedycznym w Heidelbergu. Pacjent posługuje się protezą od jesieni ubiegłego roku. Jest nim Soren Wolf, 18-letni Niemiec, który przyszedł na świat tylko z jedną dłonią. Nazwa Fluidhand, czyli płynna ręka, wzięła się stąd, że istotą protezy są sztuczne mięśnie poruszane za pomocą urządzeń hydraulicznych. Centralna pompka tłoczy płyn do zaworów, które otwierają lub zamykają jego dopływ do automatów mięśniowych, umożliwiając w ten sposób ruchy dłoni. - „Zdecydowaliśmy się na system hydrauliczny, ponieważ umożliwia on bardziej delikatne i płynne ruchy niż silniczki elektryczne. Funkcjonowanie protezy zależy od małego zbiorniczka na płyn i procesora, który wszystkim steruje. Sygnał przechodzi przez receptory mięśni przymocowane do kości ramienia, a nie przez system nerwowy pacjenta”- wyjaśnia prof. Stefan Schulz. - Dotychczasowe próby budowania protez szły w tym właśnie kierunku, proces nosi nazwę TMR - Targeted Muscle Reinnervation. W protezie Fluidhand ruch każdego palca jest kontrolowany oddzielnie. To nowość, ponieważ dotychczas budowane protezy umożliwiały sterowanie tylko palcami wskazującym i środkowym. Proteza Sorena Wolfa zostanie teraz upiększona. Naukowcy zastosują najnowsze tworzywa wykorzystywane w kosmetologii. Odtworzą nawet owłosienie. - „Realizm wyglądu skóry będzie zaskakujący” - zapowiada prof. Schulz. Sam Wolf, pytany przez dziennikarzy o wrażenia z posługiwania się protezą, powiedział: -„ Może trudno w to uwierzyć, ale teraz nie czuję się inwalidą, mogę nawet korzystać z klawiatury komputerowej”. Większość osób potrzebujących sztucznej dłoni może liczyć na razie na modele poruszane elektrycznie. Jak precyzyjne są już sztuczne kończyny, najlepiej pokazuje przykład biegacza Oscara Pistoriusa, który po amputacji nóg, wyposażony w nowe protezy, otrzymał zezwolenie na start podczas igrzysk olimpijskich w Pekinie.
Jaka będzie przyszłość biomechaniki? Jakie są jeszcze inne możliwości zastosowań biomechaniki? Zapewne dowiemy się tego niebawem.:)