Biomechanik a

1. Biomechanika Előadó: Kiss Rita MOGI tanszék rita.kiss@mogi.bme.hu

3. Bevezetés, definíciók

4. Alapcsoport-Biológiailag inspirált szerkezetek Biológiailag inspirált mérnöki tudomány egy olyan „új” tudományág, amikor az orvosi, ipari, környezet, anyagtani, gépészeti, építészeti mérnöki területen a biológiai elvek alapján új műszaki megoldásokat hoznak létre. Ez a mérnöki terület összekapcsolja az élettudományokat, a természettudományokat és a mérnöki tudományokat. Célja kettős: egyrészt új mérnöki szerkezetek létrehozása, mérnöki szerkezetek tökéletesítése, másrészt az élet jobb megértése, az életminőség javítása.

5. Csoportok – Magyarországon Bionika (bionics): bio (bios-természet, élet)+nics (technics-technika) orvostudományi területen, a szervek vagy testrészek mechanikus változattal való cseréje, pótlása BIOlógia+elektroNIKA Biomimetika (biomimikri) bio (bios- természet, élet)+mimetika (mimézis –utánzás) az élőlények felépítésének és mechanizmusainak - evolúció által évmilliókig tökéletesített természetes rendszereket lemásolva - mesterséges anyagokban, gépekbenvaló megjelenítése

6. Definíció – Bionika (Biomechanika) Biofizika egyik ága, interdiszciplináris kutatás BIOlógia(Lamarck)+MECHANIKA (Galilei)=Biomechanika (Helmholz): az élőlények mechanikai tulajdonságaival és ezek élettani szerepével foglalkozó tudományág Elemzi mindazokat az anatómiai, élettani, pszichológiai, mechanikai kérdéseket, amelyek a külső és belső mozgások során felvetődnek; • Külső biomechanika:Külső szemlélő által észlehető módon a testeknek az erő hatására a térben és időben történő helyzet és helyváltoztatását vizsgálja; • Belső biomechanika: a szervezetben lezajló mozgásokat, a mozgások megszerveződésének ideg-izom koordinációját, a mozgásmintázatok kialakulását, energetikáját vizsgálja.

7. Történeti áttekintés

8. Őskor Barlangrajzok, ősi perui, ókori görög és egyiptomi kultúrák sziklarajzai a mozgások kétdimenziós ábrázolásai (díszítés, tanítás): • Mozgások megértése • Törések gyógyítása Altimira-barlang

9. Ókor – görögök Hippokratész (Kr.e. 460-437): csonttörések és ficamok kezelése, mechanikus repozíciós korrekciós és rögzítő szerkezet terve. Peri arthón –Az ízületekről Peri agmón –A törésekről Mokhlikon –Az emelőkönyve Hippokratész scammonja (törések repozíciója)

10. Ókor – görögök Arisztotelész (Kr.e. 384-322), akit a kineziológia atyjának tekintünk három fő művében (Az állatok részei, Az állatok mozgása, Az állatok előrehaladása) elemezte az izmok működését, és a különböző állati mozgásokat. Az emberi mozgás vizsgálatakor megállapította, hogy a rotációs mozgásoknak fontos szerepe van a transzlációs, haladó mozgások kialakulásában (az emberi mozgás a rotációs mozgások transzlációs átalakulása). Archimédész(Kr.e. 287-212) meghatározta a vízben lebegő testekkel kapcsolatos hidrosztatikus nyomást, és foglalkozott az emberi test súlypontjának egyszerű meghatározásával. Statikai problémák, emelő elve

11. Ókor – rómaiak Galeneus (131-201), mint a pergemoni gladiátorok orvosa az izmok működését tanulmányozta. Az izmok mozgásáról (De motumusculorum) című művében megkülönböztette az érző és a mozgató idegeket, az agonista és az antagonista izmokat, definiálta a izomtónust, a diarthrosist és a synarthrosit, továbbá a gerincferdülést (scoliosis elnevezés). Scoliosis gyógyítása a bordapúp eltüntetése. Rendszeres boncolás állatokon és embereken. Korrekciós technika – elongatio és derotatio együttes alkalmazása

12. Leonardo da Vinci és kora Da Vinci (1452-1519): Rendszeres boncolást végzett (Galénosz óta először!), ami alapján, elemezte az izmok csontokon való tapadásának modellezésétés a művészi, de tudományos alaposságú ábráin – Emberi ábrák (De figura Humana) – a csontokat és az izmokat betűjelzéssel látta el. A csípőízület és a vállízület gömbcsuklóval történő modellezése is a nevéhez fűződik. Az emberi test arányairól készült rajza talán a leghíresebb biomechanikaiábra. Megjegyzések az emberi testről című munkájában az emberi mozgásokat ezen belül a járást, az állatok mozgását ezen belül a repülést a mechanika törvényei alapján elemzi. Emberi gerinc első komplex 3D modellje is a nevéhez fűződik. „A mechanika tudománya a legnemesebb és mindenek felett a leghasznosabb, látnivalón minden élőtest általa végzi mozgásait”

13. Leonardo da Vinci és kora Veselius (1514-1564) a brüsszeli anatómus: az emberi szervezet funkcionális anatómiáját foglalja össze Az emberi test felépítése (De Humani CorporisFabrica) című munkájában. Híres tévedése a medence statikailag hibás ábrázolása. 2014: Anatómia éve – 500 éve született Veselius

14. Benedetti (1530-1590) Gerinc esetén elemzi a csavarás és nyújtás kapcsolatát A kar mozgásállapotainak vizsgálata Diversarumspeculationummathematicarumatphysicarumliber: De mechanicis (Biomechanikai témák) Ábrák Benedetti munkáiból

15. Galileo Galilei (1564-1642) A „mechanika” szó bevezetése Pulzusszám mérése ingával Fizikai események matematikai leírása (kineziológia vizsgálatokhoz) A kísérleti ellenőrzések fontosságának Vízi és szárazföldi élőlények mozgásának összevetése Mérethatás Discorsi e dimonstrazionimatematiche, intorno a duenuovescienze („Két új tudomány”)

16. Harvey (1578-1657) 1628-ban bizonyította, hogy a vér kering, és a kamra egy irányba löki a vérmennyiséget (Pulzus mérése ingával), vérkeringés modern leírása De MotuCordis Munkájának folytatója/befejezője: Malpighi, aki a hajszál-erek hálózatának és szerepének felismerése mellett foglalkozott embriológiával, mikroszkópos vizsgálatokkal, elméleti orvoslástannal (!)

17. Felvilágosodás kora Descartes (1596-1651) Az emberi szervezet és a foetus képződéséről (TractusHomine et FormationeFoetus) című művében kijelenti, hogy az állati és emberi szervezet Isten alkotta gép, ezért a mechanika módszereivel tanulmányozható. Kísérletek hiánya miatt élettani tévedések. Koordinátarendszer Descartes szellemében

18. Felvilágosodás kora Borelli (1608-1679), a biomechanika atyja (Borelli-díj). Az állatok mozgásáról (De MotuAnimalium) című könyve az első biomechanikai indíttatású könyv, amelyben geometriai módszerekkel elemezi az állatok mozgását, szemléletes ábrákon mutatja be izmok működését. Elsőként végzett méréseket az emberi test tömegközéppontjának meg-határozására (mérleg-elv) és a munkavégző ember mechanikai elemzésére

19. Felvilágosodás kora • Griamaldi (1618-1661) az izomkontrakciók során keletkező hangjelenségekről számolt be (Physicomathesis de lumine, coloribus, et iride, aliisque annexis), Cronne (1633-1684) az agy és az izmok közötti jeladást vizsgálta (De RationeMotusMusculorum). Stensen (1648-1686) lefektette az izom működésének mechanikai alapjait, és bizonyította, hogy a szív egy izom (ElementorumMyologiaeSpecium) (geológiai kutatások). • Newton (1642-1727) A természet filozofiájának matematikai principiuma (Principamathematicaphilosophiaenaturalis) című művében megteremtette a dinamika, és a mozgásvizsgálatok alapjait. Paralellogramma módszerrel számította a mozgást létrehozó erők vektoriális összegét. • Bernoulli (1667-1748), Euler (1707-1783), Coulomb (1736-1806) a XVIII. században próbálkoztak a maximális és az optimális emberi munka mennyiségének megadásával az erő, a sebesség, az idő függvényében. Euler bevezette a kritikus terhelés fogalmát, ahol a gerincoszlop stabilitását elveszti és összeomlik. • A XVIII. században folytatódtak az izom működésével foglalkozó kutatások. Keill (1674-1719) megállapította, hogy az izomkontrakció során az izom rövidül, Whytt (1714-1766) bizonyította, hogy az izmokat elektromossággal ingerelni lehet. Hunter (1728-1793) összegyűjtötte és szintetizálta az eddigi izomélettani kutatások eredményeit. Galvani (1737-1798) a híres békacomb kísérletein bizonyította, hogy légköri elektromosság hatására az izmok kontrakciója létrejön. Tapasztalatait a Kommentár az elektromosság izommozgásra gyakorolt hatásáról (De ViribusElectricitatisinmotumuscularicommentarius) című munkájában foglalta össze.

20. 1800 évek elejétől napjainkig • A biomechanika szakosodása: MOZGÁSVIZSGÁLAT • Ugrásszerű és széleskörű fejlődés: LEGFONTOSABB EREDMÉNYEK CSOPORTOSÍTVA

21. Testtömegközéppont meghatározása • Ernst Heinrich Weber (1795-1878), Wilhelm Eduard Weber (1804-1891) és Eduard Friedrich Wilhelm Weber (1806-1871) Új módszert dolgoztak ki a test tömegközéppontjának számításra. Megállapították, hogy a tömegközéppont a járás közben függőleges irányban mozog. Izomműködés és a csontrendszer együttes szerepe a járásban (Die Mechanik der MenschlichenGerverkzeuge). • Harless (1820-1862) hullák boncolásával meghatározta egyes testszegmentumok tömegközéppontjának helyét. • Fisher (1861-1917) Harless munkájának továbbfejlesztéseként megadták az egyes testszegmentumok és az egész test tömegközéppontját, definiálták az emberi test három fősíkját. (Braune is) • Fick (1886-1939): Álló és fekvő testhelyzetben testközéppont különbsége • Dempster (1905-1965) megismételte Braune és Fisher kísérleteit, tetemek vizsgálata alapján megadta egyes testszegmentumok térfogatát, sűrűségét, tömegközéppontját és inerciáját.

22. Mozgáselemzés eszközei és eredményei • Ernst Heinrich Weber (1795-1878), Wilhelm Eduard Weber (1804-1891) és Eduard Friedrich Wilhelm Weber (1806-1871) Az emberi mozgásrendszer mechanikája (Die Mechanik der menschlichenGewerkzeuge) című munkájukban megalapozták az izomműködés mechanikai elemzését. • De Bois Reymond (1818-1896) mozgás közben mérte az izmok elektromos potenciálváltozását, létrehozta az elektromiográfiás (EMG) vizsgálatokat, elektrofiziológia megalapítója (ResearchesonAnimalElectricity). • Daguerre (1787-1851) 1837-ben fedezte fel a fényképezést, amely lehetővé tette a mozgások pontos rögzítését.

23. Braune (1831-1892) Tömegközéppont meghatározása (Über den Schwerpunkt des menschlichenKörpers mit Rücksichtauf die Ausrüstung des deutschenInfanteristen) Modern járásanalízis, A járás és az izmok kapcsolata (Der Gang des Menschen)

24. Marey (1830-1904) Mozgó emberek és állatok mozgása közben készített fotók, mozgássorozatok elemzése Járáselemzés Támaszfázisban az erőmérés Kronofotográfia (flexibilis film) Vérkeringés mérése Physiologiemédicale de la circulation du sang La Machineanimale. Locomotionterrestre et aérienne

25. Muybridge (1831-1904) Marey kortársaként sorozatfényképezéssel az állatok és az emberek mozgását elemzi. Megállapításait Az állatok mozgása (AnimalLocomotion), Állatok mozgásban (AnimalsinLocomotion) műveiben foglalja össze. A leghíresebb megállapítása, hogy a ló vágtázása közben van egy pillanat, amikor egyik lába sem éri a földet (STANFORD).

26. Erőmérő rendszerek Maray pontszerű mérés Carlet (1845-1892): már a talp különböző részein méri az erőt (eloszlás mérés), és oszcillációt is mér

27. További kutatások Mosso (1848-1910): Az első ergograph létrehozása(izomműködés kineziológiai vizsgálataihoz). Amar ( 1879-1935): Végtagpótló protézisek fejlesztése háborús sérülteknek, a komplex protézisek fejlesztésének új korszaka, továbbá az erő-és mozgáselemzés kidolgozása protéziseknél. Steindler (1878-1959): A XX. század közepéig összegyűlt biomechanikai-kineziológiai ismeretek rendszerezése, az új életkörülmények okozta változások hatása Pauwels (1885-1980): Az izmok/inak szerepe a csontrendszerben keletkező feszültségek csökkentésében

28. Anatómia

29. Definíció Az anatómia a test felépítését tárgyaló ÉS rendszerező tudomány Felosztása: • mozgásrendszer (csontváz- és izomrendszer) • keringési szervek rendszere • zsigeri rendszer (emésztő-, légző-, kiválasztórendszer, nemi szervek) • szabályozó rendszer (ideg- és mirigyrendszer) • érzékszervek

30. Emberi test felosztása fej nyak törzs (mellkas, has, medence) végtagok (felső, alsó) alsó végtag (nem láb): comb, lábszár, láb felső végtag (néha kar): felkar, alkar, kéz

31. Anatómiai síkok Az emberi testet két, közelítően szimmetrikus félre osztja a nyílirányú középsík (saggitális). Minden ezzel párhuzamos síkot, ugyancsak nyílirányúnak mondunk. Bal-jobb oldal

32. Anatómiai síkok Homlokirányú (frontális) sík merőleges az előzőre. Elöl-hátul

33. Anatómiai síkok Mindkét előző síkra és a test hossztengelyére is merőleges a haránt-irányú, vagy horizontális, azaz vízszintes sík. Alul-felül

34. Csontvázrendszer Emberben 206 csont (egyeseknél több borda van) A testsúly 10%-a Funkció: • szervezet szilárd váza • létfontosságú szervek védelme • üregbe zárja a vöröscsontvelőt (vérképzés)

36. Csontok osztályozása Csöves csontot (hosszú és rövid), amik főleg a végtagokon fordulnak elő. Nevüket a csont középső csőszerű darabjáról kapták. E csontok két vége rendszerint vaskosabb és nem egységes üreget, hanem soküregű szivacsos csontállományt tartalmaz. Hosszú csöves csont Rövid csöves csont

37. Csontok osztályozása A lapos csontokra jellemző, hogy két vékony tömör csontréteg közötti teret szivacsos csontállomány tölti ki, mely az élet végéig megmaradó vörös csontvelővel telt. Köbös vagy szabálytalan alakú csontok, rendszerint szabálytalan, de a tér három síkjában közel azonos méretű csontok. Vékony tömör kéregből és az állományuk javarészét kitevő szivacsos csontból állnak. Ilyenek a kéz-, és lábtő csontok, amelyek sárga csontvelőt, és a csigolyák, melyek vörös csontvelőt tartalmaznak. Labyrinthus, vagy légtartalmú csontok, főleg a koponyában fordulnak elő. Vékony csontlemezekből állószabályos felépítésű csontok, melyek főleg az arckoponya nyálkahártyával bélelt üregrendszerét veszik körül.

38. Csontok alkotó elemei • szerves állomány (rugalmasság) • szervetlen állomány (szilárdság) • a két állomány aránya az élet folyamán változik • osteoblastok (csontépítő sejtek) • osteoclastok (csontfaló sejtek) 4x szilárdabb, mint a beton

39. Csont felépítése

41. Csonthártya = periosteum • Védelem • Idegi & vérellátás • Vastagságbeli növekedés • Gyógyulás Csontvelő = medullaossium • Vörös csontvelő: rövid, lapos, szabálytalan alakú, hosszú csöves csontokban, feladata a vérképzés • Sárga csontvelő hosszú csöves csontok közepében = velőűr zsírszövet

42. Csontgerendák

43. Csontgerendák

44. Ízülettan – csontok összekötései folytonos • kötőszövetes (koponyacsontok)

45. Ízülettan – csontok összekötései folytonos • kötőszövetes (koponyacsontok) • porcos (csigolyák)

46. Ízülettan – csontok összekötései folytonos • kötőszövetes (koponyacsontok) • porcos (csigolyák) • csontos (keresztcsont)

47. Ízülettan – megszakított összeköttetés - ízület • Ízület (articulatio) részei: • Ízületi fej: mértani idomhoz hasonló • Ízületi árok: fej benyomata • Ízfelszínek: porccal borított felszín (különböző alakú) • ízületi tok (külső rostos réteg, belső, synovialis hártya termeli az ízületi folyadék) • ízületi szalag = ligamentum: rugalmas kötőszövet (stabilitás + izmok tónusa) • Ízületi nedv = synovia: olajoz

48. Ízületek osztályozása függ az ízfelszín alakjától, valamint az ízületi tok és szalagok állapotától mozgás szerint: • hajlítás = flexio – feszítés = extensio • közelítés = adductio – távolítás = abductio • forgó/rotatio

49. Ízületek osztályozása alak szerint csúszó-gördülő (térd) gömb (váll, csípő)-három tengelyű szabad ízület henger (könyök) ellipszoid vagy tojás (csukló) (kéttengelyű) nyereg (hüvelyk) (egytengelyű)

50. Izomtan Az izom a mozgás aktív szerve