BIOFIZYKA
Układów biologicznych Wyk I
I. Człowiek jako układ
biomechaniczny
II. Biofizyka tkanki mięśniowej
III. Biofizyka układu krążenia
IV. Biofizyka układu oddechowego
V. Oddziaływanie promieniowania
jonizującego na materię.
Promieniowanie RTG.
VI. Biofizyczne podstawy zmysłu
słuchu. USG
BUB literatura uzupełniająca:
F.Jaroszyk (redakcja) Biofizyka podręcznik dla studentów Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 2001
Andrzej Pilawski (redakcja) Podstawy Biofizyki - podręcznik dla studentów medycyny, PZWL, Warszawa, 1985,
R.Glaser Wstęp do Biofizyki PZWL, Warszawa, 1975,
P. Piskunowicz i M. Tuliszka Ćwiczenia laboratoryjne z biofizyki Wydawnictwo AM 2002.
Biomechanika jest nauką o ruchu organizmów żywych oraz o obciążeniach, ich skutkach i mechanizmach wywołujących te skutki.
Do opisu ruchu wykorzystuje się prawa mechaniki.
Procesy mechaniczne w organizmie człowieka zachodzą na różnych poziomach organizacji, począwszy od całego organizmu poprzez poszczególne narządy i tkanki aż do poziomu komórkowego i subkomórkowego
Biomechanika obejmuje następujące zagadnienia:
badanie i modelowanie ruchu,
- postaw ciała,
- właściwości biomechaniczne tkanek
Zainteresowanie biomechaniką wzrosło od czasu gdy w chirurgii i ortopedii wprowadzono materiały wszczepienne (inplanty), mające na celu przywrócenie uszkodzonej funkcji narządu. Oprócz tego prowadzi się badania nad wyjaśnieniem przyczyn zaburzeń funkcji układu kostno-stawowego (nadmierne obciążenia
Współczesna biomechanika obejmuje kilka podstawowych kierunków, takich jak:
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 medycyną sportową
GŁÓWNE UKŁADY RUCHU CZŁOWIEKA
Układ ruchu człowieka dzieli się na:
- kostno-stawowy,
- mięśniowy
Układ ruchu sterowany jest przez kilkupoziomowy zhierarchizowany układ nerwowy.
Bodźce ruchowe są przesyłane do odpowiednich mięśni, które są źródłem sił dla ruchu w stawach.
Liczba kości u ludzi młodych wynosi 356, a mięśni - około 640.
Mięśnie dzielimy na:
- porzecznie prążkowane (szkieletowe), źródło sił dla układu ruchowego,
- gładkie
Do sterowania układem ruchu zaangażowanych jest około 420 tysięcy komórek nerwowych (komórki ruchowe), które znajdują się w rdzeniu kręgowym. Każda z komórek steruje jednostka motoryczną zawierającą od kilku do kilkuset włókien mięśniowych.
Wartość siły rozwijanej przez mięsień zależy od:
- liczby jednostek motorycznych, stopnia skrócenia pojedynczych jednostek motorycznych, geometrycznego ułożenia tych jednostek w mięśniu
Kości i mięśnie stanowią układ dźwigniowy odpowiadający w mechanice układowi dźwigni i sprężyn. Mięśnie wyzwalają czynną siłę podczas skurczu, dlatego wykonanie każdego ruchu związane jest z dwoma układami mięśni- zginaczy i prostowników, które działąją antagonistycznie.
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 połączenia z innymi,
zamknięte - końcowe ogniwo nie jest swobodne. Ruch jednego ogniwa powoduje określony ruch innych ogniw, a każdy jego człon jest połączony co najmniej z dwoma innymi członami.
Liczba wszystkich ruchów, które możemy wykonać we wszystkich stawach łącznie wynosi 240-250, z tego na kończyny górne przypada aż 120 ruchów. Możliwość ruchu w określonym kierunku nazywamy stopniem swobody.
Narząd ruchu podlega nieustannym obciążeniom statycznym i dynamicznym. Obciążenia te wynikają z ciężaru ciała, siły działających mięśni oraz ze zmian szybkości ruchu (przyspieszeń), a także od rozłożenia masy poszczególnych części ciała.
Przeciążenia mogą mieć charakter nagły lub długotrwały. Pod wpływem nagłego obciążenia o wartości przekraczającej wytrzymałość danej tkanki, może dojść do przerwania jej ciągłości (złamanie kości, zerwanie ścięgna itp..)
Przy gwałtownych zmianach prędkości kończyny lub całego organizmu zgodnie z drugą zasadą dynamiki Newtona wyzwala się siła bezwładności Fb
Im krótszy czas zmiany prędkości, tym większa wyzwala się siła bezwładności.
Siła ta ulega amortyzacji przez tkanki, a nadmierna - jest źródłem urazów lub mikrourazów stawów, mięśni, ścięgien lub narządów. Może dojść do pęknięcia śledziony, wątroby lub płuc.
W wyniku długotrwale działających obciążeń dochodzi do powstania zmian zwyrodnieniowych w stawach oraz tkankach okołostawowych.
Najczęściej zmiany zwyrodnieniowe występują w lędźwiowym odcinku kręgosłupa, szczególnie na poziomie trzeciego lub czwartego kręgu lędźwiowego.W tym miejscu u człowieka w pozycji stojącej znajduje się środek ciężkości, przez który przebiega oś obrotu górnej połowy ciała względem dolnej.
Z tego powodu miejsce to jest narażone na przeciążenia, których konsekwencją są zwykle procesy zwyrodnieniowe i towarzyszące im bóle.
Na szczególnie duże przeciążenia narażony jest staw biodrowy oraz staw skokowy stopy.
Staw biodrowy dzięki odpowiedniej strukturze kostnych części stawu, silnym więzadłom i mięśniom przystosowany jest do przenoszenia dużych obciążeń statyczno-dynamicznych. Posiada trzy stopnie swobody: w płaszczyźnie czołowej (zgięcie i wyprost), strzałkowej - odwodzenie i przywodzenie, w osi pionowej - ruchy rotacyjne
Przy masie człowieka około 75 kg wartość siły działającej na główkę kości udowej wynosi około 2400 N.
Tak duża siła wymaga amortyzacji. Rolę tę spełniają chrząstka stawowa, maź stawowa 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 reologicznych struktur tkankowych 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 i związanych z tym działaniem odkształceń
Stosuje się następujące rodzaje odkształceń:
- rozciąganie,
- zginanie,
- skręcanie,
- ścinanie.
Zachowanie się materiałów sprężystych poddawanych rozciąganiu lub ściskaniu określa prawo Hooke`a:
Do ważnych zjawisk związanych z odkształceniem należy zjawisko tak zwanego zmęczenia materiałowego.
Zachodzi ono wówczas, gdy elementy materiału, np. tkanka kostna, poddane są powtarzającym się zmiennym obciążeniom. Wynikiem zmęczenia materiałowego jest zmniejszenie jego wytrzymałości. Obserwuje się je często w strukturach kostnych. Zmęczeniu materiałowemu kości i innych tkanek towarzyszą mikrourazy i mikropękniecia, które kumulując się doprowadzają do częściowego lub nawet całkowitego złamania. Zjawiska te występują szczególnie często wówczas, gdy stopień mikrouszkodzeń przekroczy intensywność procesów naprawczych tkanki. Z tego rodzaju zjawiskami spotykamy się u sportowców, żołnierzy wykonujących długotrwałe marsze oraz u osób uprawiających sport bez dostatecznego przygotowania fizycznego.
Wytrzymałość kości w dużej mierze kształtowana jest przez obciążenie układu kostnego (ciężar), jednakże wzrost wytrzymałości kości nie podąża dokładnie za wzrostem obciążenia. Wynika to z analizy związku pomiędzy siłą sprężystości a obciążeniem.
Zgodnie z prawem Hooke`a, siła wytrzymałości Fs rośnie wprost proporcjonalnie do powierzchni S.Natomiast ciężar ciała rośnie proporcjonalnie do jego objętości V według wzoru: Q=gV.
Z analizy tych zależności wynika, że wytrzymałość rośnie proporcjonalnie do powierzchni, a ciężar - do objętości. Dlatego też przy szybko narastającym ciężarze i obciążeniach powstają zaburzenia w tempie przystosowania się struktur kostnych do wzrastającego obciążenia. Z kolei brak aktywności, brak dostatecznych obciążeń fizycznych powoduje zanik kości i zmniejszenie jej wytrzymałości.
Wynika to z prawa Wolfa mówiącego, że struktura trabekularna (beleczkowa) tkanki kostnej w warunkach równowagi dostosowuje się do kierunków naprężeń głównych. Z tego prawa wynika też, że każda zmiana obciążenia kości powoduje, że osie związane z kierunkami naprężeń głównych oraz osie kierunków anizotropowych nie pokrywają się, co jest przyczyną dostosowywania się struktury kości do aktualnego stanu naprężenia. W trakcie zmian naprężeń dochodzi zatem do wewnętrznych przeobrażeń kości, przy czym szybkość tych przeobrażeń jest uwarunkowana wielkością działających naprężeń oraz szybkością ich zmian (remodeling).
Na ogół przyjmuje się, że zjawiska przebudowy kości są związane z efektami chemicznymi i piezoelektrycznymi.
W obszarze deformacji na przeciwległych powierzchniach kości generowane są potencjały o różnych znakach: dodatni - na części rozciąganej, ujemny - na ściśniętej. W czasie odkształceń sprężystych wytworzona różnica potencjałów jest wprost proporcjonalna do naprężenia. Powtarzające się naprężenia powodują koncentrację wapnia i zwiększają intensywność odpowiednich reakcji chemicznych. Natomiast wywołane zmianami naprężenia efekty piezoelektryczne powodują przyciąganie lub odpychanie jonów wapnia i innych pierwiastków, a w konsekwencji - ich przegrupowanie.
1