BIOFIZYKA

1.F.JAROSZCZYK „Biofizyka” podr. dla studentów

Wydawnictwo lekarskie PZWL W-wa 2001

2.ANDRZEJ PILAWSKI

Podstawy Biofizyki” podr. dla studentów medycyny PZWL W-wa 1985

3.R.Glaser

„Wstęp do Biofizyki” PZWL W-wa 1975

4.P.Piskunowicz i M.Tuliszka

„Wybrane ćwiczenia laboratoryjne z biofizyki” Wydawnictwo AM 2006

1.Fala tętna i prawa przepływu.

2.Bodziec modeli reologicznych mięśnia niepobudzonego.

BIOFIZYKA UKŁADÓW BIOLOGICZNYCH

1. CZŁOWIEK JAKO UKŁAD BIOMECHANICZNY

2. BIOFIZYKA TKANKI MIĘŚNIOWEJ

3. BIOFIZYKA UKŁADU KRĄŻENIA

4. BIOFIZYKA UKŁADU ODDECHOWEGO

5. ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO NA MATERIE. PROMIENIOWANIE RTG

6. BIOFIZYCZNE PODSTAWY ZMYSŁU SŁUCHU.USG

BIOMECHANIKA-jest nauka o ruchu organizmów żywych oraz o obciążeniach,ich skutkach i mechanizmach wywołujących te skutki

Do opisu ruchu wykorzystuje się prawa mechaniki.

Prawa mechaniki w organizmie człowieka zachodzą na różnych poziomach organizacji,począwszy od całego organizmu poprzez poszczególne narzady i tkanki aż do poziomu komórkowego i subkomórkowego.

BIOMECHANIKA obejmuje:

-badanie i modelowanie ruchu

-postaw ciała

-właściwości biomechanicznych tkanek

Współczesna biomechanika obejmuje kierunki:

-mechanika w odniesieniu do całego człowieka

- mechanika badająca ruch poszczególnych kończyn

- mechanika zajmująca się sterowaniem ruchów człowieka i poszczególnych części ciała

- mechanika związana z medycyną pracy i med.sportu

GŁÓWNE UKŁADY RUCHU CZŁOWIEKA

-kostno-stawowy

-mięśniowy

Sterowany przez kilkustopniowy zhierarchizowany układ nerwowy.

Bodźce ruchowe są przesyłane do odpowiednich mięśni które są źródłem sił dla ruchu w stawach.

Liczba kości u ludzi młodych 356 a

mięśni 640

Mięśnie dzielimy na:

-poprzecznie prążkowane (szkieletowe) źródło sił dla układu ruchowego

-gładkie

Do sterowania ukł.ruchu zaangażowanych jest ok. 420 tys. kom.nerwowych(kom.ruch.),które znajdują się w rdzeniu kręgowym.Każdą z komórek steruje jednostka motoryczna zawierająca od kilku do kilkuset włókien mięśniowych.

Wartości siły rozwijanej przez miesień zależy od:

-liczby jednostek motorycznych

-stopnia skrócenia pojedynczych jednostek motorycznych.

-geometrycznego ułożenia tych jedn.w mięśniach

Kości i mieśnie stanowią układ dzwigniowy odpowiadający w mechanice układowi dzwigni i sprężyn. Mięśnie wyzwalają czynną siłę podczas skurczu dlatego wykonanie każdego ruchu związane jest z dwoma układami mieśni-zginaczy i prostowników które działają antagonistycznie.

Przedramię jako przykład dźwigni kostno-stawowej (dźwignia jednoramienna)

B-pkt.przyczepu ścięgien mięśnia dwugłowego ramienia

Q·r =F·r_₁

M₁=M₂

M₁=Q·r

M₂=F·r_₁ WARUNEK RÓWNOWAGI

Q·AC=F·BC· sinβ

Q·AC

F= ――――

BC· sinβ

Na staw łokciowy działa wypadkowa siła Fw

Fw=F·sinβ-Q

Fw·cosα=F·cosβ cosβ

Fw= F‌‌‌‌ ――

cosα

APARAT KOSTNO-STAWOWY

Powiązane stawami kości tworzą łańcuchy kinematyczne

Otwarte-w którym końcowe ogniwo jest swobodne i łączy się tylko z jednym sąsiednim ogniwem.Ruchy ogniw są niezależne od siebie i chociaż jeden z członów nie wchodzi w pełne połączenie z innymi.

Zamknięte- końcowe ogniwo nie jest swobodne.Ruch jednego ogniwa powoduje określony ruch innych ogniwa, każdy jego człon jest połączony co najmniej z dwoma innymi członami.

Możliwość ruch w określonym kierunku nazywamy stopniem swobody.

Liczba wszystkich ruchów we wszystkich stawach łącznie to ok.. 240-250/ w kończynach górnych 120

Narząd ruchu podlega nieustannym obciążeniom statycznym i dynamicznym.

Obciążenia te wynika z:

-ciężaru ciała

-siły działających mięśni

-zmian szybkości ruchu (przyśpieszeń)

-rozłożenie masy poszczególnych części ciała

Przeciążenia mogą mieć charakter nagły lub długotrwały.

Pod wpływem nagłego obciążenia o wartości przekraczającej wytrzymałość danej tkanki może dojść do przerwanie jej ciągłości(złamania kośći, zerwania ścięgien,itp.)

Przy gwałtownych zmianach prędkości kończyn lub całego organizmu zgodnie z drugą zasadą dynamiki Newtona wyzwala się siła bezwładności Fb

m(Vk-Vp)

Fb= - ————

t

Vk- prędkość kinetyczna Vp-prędkoś początkowa

F=m·a

Vk-Vp

Q= ————

Δt

Im krótszy czas zmiany V tym większa wyzwala się siła bezwładności.

Siła ta ulega amortyzacji przez tkanki.

Nadmierna siła jest źródłem urazów lub mikrourazów stawów,mięśni,ścięgien lub narządów.e

Może dojść do pęknięcia śledziony,wątroby lub płuc.

W wyniku długotrwale działających obciążeń dochodzi do powstania zmian zwyrodnieniowych w stawach oraz tkankach okołostawowych.

Najczęstsze zmiany zwyrodnieniowe występują w lędźwiowym odcinku kręgosłupa,szczególnie na poz.3 i 4 kręgu lędźwiowego

W tym miejscu u człowieka w pozycji stojącej znajduje się środek ciężkości,przez który przebiega oś obrotu górnej połowy ciała względem dolnej.

Dlatego miejsce to jest narażone na przeciążenia,których konsekwencją są zwykle procesy zwyrodnieniowe i towarzyszące im bóle.

Na szczególne obciążenia narażony jest staw biodrowy i skokowy stopy,st.biodrowy dzięki odpowiedniej strukturze kostnych części oraz silnym więzadłom i mięśni,przystosowany jest do przenoszenia dużych obciążeń statyczno-dynamicznych

St.biodrowy posiada trzy stopnie swobody:

-płazczyzna czołowa (zginanie,wyprost)

-płazczyzna strzałkowa (odwodzenie,przywodzeni)

-w osi pionowej (ruchy rotacyjne)

Siły działające przy uniesionej stopie na st.biodrowy.

Stan równowagi określa równanie:

Q·r=0,4·r·F

Przy masie 75 kg wartość siły działającej na główkę kości udowej wynosi ok.2400 N

Taka duża siła wymaga amortyzacji .Rolę te spełnia chrząstka stawowa,maź st.,itp…

Przy nieprawidłowościach geometrycznych naprężenia związane z obciążeniami nie rozkładają się prawidłowo,w wyniku czego może dochodzić do miejscowych przeciążeń i mikrourazów.

Przy nieprawidłowościach właściwości biomechanicznych i radiologicznych struktur tkanek występują zaburzenia amortyzacji naprężeń.

Podstawowe prawa związane z odkształceniami.

Do badania właściwości biomechanicznych stosowane są różnego rodzaju obciążenia w warunkach ściśle kontrolowanych i przy znanych kierunkach działania sił związanych z tym działaniem odkształceń.

RODZAJE ODKSZTAŁCEŃ

-rozciąganie

-zginanie

-skręcanie

-ścinanie

Zachowanie się materiałów sprężystych poddawanym rozciąganiu lub ściskaniu określa prawo Hooke'a

F Δl

P= ——=E———

S lo

p-naprężenie wewnętrzne

Δl-przyrost długości

lₒ-długość początkowa

s-pole powierzchni poprzecznej przekroju

F-siła odkształcająca

E-moduł sprężystości

lo Δl

P

Δl

———

lo

Krzywa naprężeniowo-odkształceniowa dla ciał krystalicznych.

Materiały sprężyste-długi odcinek 0B.

Materiały ciągliwe-krótki odcinek 0B.,BC długi

Materiały kruche-stromy odcinek 0B.BC krótki lub nie istnieje.

W układzie mięśniowo-szkieletowym człowieka dominują obciążenia,które powodują ściskanie lub rozciąganie(stawy,ścięgna,przyczepy mięśniowe,więzadła)

W układzie kostnym zachodzą również obciążenia związane ze zginaniem.Najprostrzym jest belka obciążona siłami zginającymi.

l³

S=———

12π˙Er⁴

l-długość pręta

E-moduł Younga

Do ważnych zjawisk związanych z odkształcaniem należy zjawisko tzw.zmęczenia materiałowego.

Zachodzi wtedy gdy element materiału np.tk.kost. poddane są powtarzającym się zmiennym obciążeniom.

Wynikiem zmęczenia materiałowego jest zmniejszenie jego wytrzymałości.

Występują często w strukturach kostnych.

Zmęczeniu materiałowemu kości i innych tkanek kostnych towarzyszą mikrourazy i mikropęknięcia, które kumulując się doprowadzają do częściowych lub nawet całkowitego złamania.

Zjawiska te występują często gdy stopień mikrouszkodzeń przekroczy intensywność procesów naprawczych tkanek.

Z tego rodzaju zjawiskami spotykamy się u sportowców, żołnierzy wykonujących długotrwałe marsze oraz osób uprawiających sport bez odpowiedniego przygotowania fizycznego.

Wytrzymałość kości a ciężar ciała

Wytrzymałość kości w dużej mierze kształtowane jest przez obciążenie układu kostnego (ciężar )

Jednakże wzrost wytrzymałości kości nie po darzą dokładnie ze wzrostem obciążenia. Wynika to z analizy zjawisk po między siłą sprężystości a obciążeniem.

Zgodnie z prawem Hooke'a siła wytrzymałości Fs rośnie wprost proporcjonalnie do powierzchni S,a ciężar Q do objętości V

Δl

Fs =E—— S Q=g·V

L₀

Przy szybko zrastającym ciężarze i obciążeniu powstają zaburzenia w tempie przystosowania się struktur kostnych do zrastającego obciążenia.

Brak aktywności i dostatecznych obciążeń fizycznych powoduje zanik kości i zmniejszenie jej wytrzymałości.

Wynika to z prawa Wolfa struktura trabekularna (beleczkowa) tkanki kostnej w warunkach równowagi dostosowuje się do kierunków naprężeń głównych.

Dlatego każda zmiana obciążenia kości powoduje dostosowywanie się struktury kości do aktualnego stanu naprężenia .

W trakcie zmian naprężeń dochodzi zatem do wewnętrznych przeobrażeń kości.

Szybkość tych przeobrażeń jest uwarunkowana wielkością działających naprężeń oraz szybkością ich zmian (remodeling)

Zjawisko przebudowy kości związane są z efektami chemicznymi i piezoelektrycznymi

Generowanie ładunków elektrycznych przeciwnych znaków podczas uginania kości (efekt piezoelektryczny)

Na przeciwległych powierzchniach kości generowane są potencjały o różnych znakach +- na rozciągniętej - na ściśniętej

W czasie odkształceń sprężystych wytwarzana różnica potencjałów ∆V……………………………………………………………………………………………….

Powtarzające się naprężenia powodują koncentracje Ca i zwiększają intensywność odpowiednich reakcji chemicznych

Natomiast wywołany zmianami naprężenia efekty piezoelektryczne powodują przyciąganie lub odpychanie jonów Ca²⁺ i innych pierwiastków , a w konsekwencji ich przegrupowania

7

S

Q·AC=F·BC· sinβ

Naprężenie rozciągające

Naprężenie ściskające

r₁

uchwyt

---