Biomechanika inżynierska

103000 - Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych
114000 - Wydział Mechatroniki

BIOME

2

Celem przedmiotu jest zapoznanie studentów z podstawowymi zagadnieniami związanymi z mechaniką organizmów żywych. Zagadnienia te obejmują najważniejsze aspekty funkcjonowania narządu ruchu – fizjologiczne i anatomiczne podłoże ruchu, rozwiązania techniczne stosowane w diagnostyce i terapii narządu ruchu, metody badania i opisu czynności ruchowych, jak również ich modelowania.

Celem przedmiotu jest zapoznanie studentów z podstawowymi zagadnieniami związanymi z mechaniką organizmów żywych. Zagadnienia te obejmują najważniejsze aspekty funkcjonowania narządu ruchu – fizjologiczne i anatomiczne podłoże ruchu, rozwiązania techniczne stosowane w diagnostyce i terapii narządu ruchu, metody badania i opisu czynności ruchowych, jak również ich modelowania.

Treść wykładu

W ramach wykładu studentom przekazywana jest wiedza dotycząca wybranych zagadnień Biomechaniki. Wykład ma charakter podstawowy i obejmuje szeroki zakres zagadnień:

1. Przypomnienie podstawowych pojęć mechaniki. Wprowadzenie podstawowych definicji i pojęć biomechaniki: elementy strukturalne biomechanizmów, łańcuchy biokinematyczne, stopnie swobody i ruchliwość biomechanizmów. Podstawy dynamiki w kontekście aparatu ruchu człowieka.
2. Podstawy modelowania aparatu ruchu: klasyczne modele segmentowe, metody określania/wyznaczania mas, momentów bezwładności i położeń środków ciężkości segmentów ciała.
3. Dźwignie stawowe – rodzaje, podstawowe cechy, sprawność.
4. Modelowanie numeryczne na przykładzie środowiska OpenSim – cele i możliwości modelowania, zasada działania i metodyka pracy z środowiskiem.
5. Szkielet a układ kostny człowieka – rozwój ewolucyjny i osobniczy, wynikająca z niego struktura oraz jej przemiany w ciągu życia człowieka. Budowa i struktura kości oraz jej związek z rozkładem naprężeń. Prawo Wolffa. Proces gojenia złamań.
6. Rodzaje połączeń kości i ich właściwości. Stawy – rodzaje i budowa. Budowa i właściwości chrząstki stawowej. Właściwości i rola mazi stawowej. Biotribologia – mechanizmy biologiczne i mechaniczne obserwowane w połączeniach maziowych. Mechanizmy zużycia stawów. Ścięgna i więzadła – budowa i właściwości.
7. Właściwości mechaniczne wybranych tkanek, metody ich pomiaru, anizotropia, nieliniowość charakterystyk, lepko-sprężystość – tkanki kostnej zbitej, tkanki kostnej gąbczastej, chrząstki, ścięgien, więzadeł.
8. Budowa i charakterystyka wybranych stawów człowieka: staw biodrowy, staw kolanowy. Podstawowe modele służące do wyznaczania obciążeń w tych stawach. Patologie stawu kolanowego.
9. Podstawy mechaniki kręgosłupa – budowa, współdziałanie struktur kostnych, chrzęstnych, więzadeł i mięśni. Krzywizny fizjologiczne i patologiczne, ruchliwość kręgosłupa. Stabilność kręgosłupa. Podstawowe modele obciążeniowe – model Stotte’a, model Schultza, modelowanie MES. Zwyrodnienia kręgosłupa.
10. Fizjologiczne i anatomiczne podstawy funkcjonowania struktur nerwowo – mięśniowych.
11. Sterowanie czynnością ruchową w warunkach naturalnych. Elektromiografia i elektroneurografia. Sterowanie ruchem przy pomocy funkcjonalnej elektrostymulacji.
12. Przegląd metod badania ruchu dla potrzeb biomechaniki i medycyny ze szczególnym uwzględnieniem metod optycznych, pomiarów sił reakcji i wykorzystaniem elektromiografii w badaniu ruchu. Nowoczesne systemy do badania ruchu łączące wiele modalności. Rejestracja danych na potrzeby modelowania. Kalorymetria i badania wysiłkowe.
13. Analiza chodu – podstawowe pojęcia, systematyka i znaczenie.
14. Oddziaływanie wibracji na ciało człowieka.
15. Wybrane elementy inżynierii rehabilitacji ruchowej – orotozy i protezy. Klasyfikacja i funkcje poszczególnych ortoz. Protezy – historia, systematyka, zasady projektowania (ograniczenia), wymagania techniczne, ze szczególnym uwzględnieniem połączeń proteza-ciało. Omówienie procesu projektowania leja protezowego kończyny dolnej. Przegląd i omówienie sposobu działania dostępnych elementów standardowych protez kończyny dolnej.
16. Przykład procesu projektowania mioprotezy kończyny górnej wykorzystujący wiedzę uzyskaną w toku przedmiotu Biomechanika Inżynierska.

Zakres laboratorium

W trakcie Laboratorium Biomechaniki Inżynierskiej studenci poznają w praktyce wybrane objęte treścią wykładu. Laboratorium prowadzone jest w postaci 5 ćwiczeń trwających 3 godz. każde. Zagadnienia objęte programem laboratorium:

• Studenci zapoznają się z techniką wykonywania badań elektromiograficznych przy pomocy elektrod powierzchniowych. Poznają urządzenia stosowane w elektromiografii, wyznaczają podstawowe parametry wolitywnego sygnału elektromiograficznego mające znaczenie dla konstrukcji wzmacniaczy EMG. Doświadczalnie poznają związek pomiędzy siłą rozwijaną przez mięsień a parametrami sygnału EMG.
• Studenci poznają urządzenia do elektrostymulacji funkcjonalnej oraz badają parametry sygnałów stymulacyjnych. Poznają podstawowe punkty stymulacji.
• Studenci poznają metody pomiaru sił rozwijanych przez mięśnie szkieletowe. Poznają w praktyce zasady wykonywania pomiarów siły mięśniowej stosowanych w rehabilitacji. Poznają budowę wykorzystywanych urządzeń, metody ich kalibracji oraz wyznaczają ich dokładność.
• Studenci poznają metody pomiaru i rejestracji sił interakcji z otoczeniem w przypadku wybranych czynności ruchowych pod kątem ich wykorzystania w procesie modelowania biomechanicznego.
• Przez własne doświadczenie studenci poznają zasady prowadzenia analizy chodu z wykorzystaniem dwuwymiarowej optycznej metody rejestracji ruchu. Wyznaczają podstawowe parametry cyklu chodu oraz określają niedokładności metody pomiarowej.
• Przez praktyczny kontakt z środowiskiem i wykonanie przykładowego, prostego modelowania studenci poznają podstawy numerycznego modelowania biomechanicznego w środowisku OpenSim.

Literatura

1. Będziński R., „Biomechanika Inżynierska: zagadnienia wybrane“, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 1997.
2. Bober T., Zawadzki J., „Biomechanika układu ruchu człowieka", Wydawnictwo BK, 2003.
3. Hausmanowa-Petrusewicz I., "Elektromiografia kliniczna", PZWL Warszawa, 1983.
4. Konturek St.J., "Fizjologia człowieka", Elsevier Urban & Partner Wrocław, 2007.
5. Merletti R., Parker A., "Electromyography - physiology, engineering and noninvasive applications", IEEE Press 2004.
6. Mrozowski J., Awrejcewicz J. „Podstawy Biomechaniki", 2004.
7. Paśniczek R., "Wybrane urządzenia wspomagające i fizykoterapeutyczne w rehabilitacji porażeń ośrodkowego układu nerwowego i amputacjach kończyn", Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej Warszawa, 1998.
8. Perry J., "Gait Analysis: Normal and Pathological Function", SLACK Incorporated 2010.
9. Tejszerska D., Świtoński E., Gzik M., „Biomechanika narządu ruchu człowieka”, Instytut Technologii Eksploatacji, 2011.
10. Whittle M., "Gait analysis - an introduction", Butterworth Heinemann Elsevier 2007.
11. White: "Clinical Biomechanics of the Spine", J. P. Lippincott Company, Philadelphia, 1990.

Oprogramowanie:

• OpenSim [http://opensim.stanford.edu/]
• MS Excel lub LibreOffice Calc lub Arkusz kalkulacyjny Google

Zajęcia wykładowe: egzamin końcowy weryfikujący wiedzę studentów. Test wielokrotnego wyboru z pytaniami otwartymi.

Zajęcia laboratoryjne: Przed przystąpieniem do zajęć laboratoryjnych student zobowiązany jest zapoznać się z wiadomościami dotyczącymi zajęć, które będą weryfikowane przed przystąpieniem do ćwiczeń. Spis literatury pomocny do przygotowania się do zajęć znajduje się w instrukcjach do ćwiczeń. Z każdego ćwiczenia należy opracować zespołowe sprawozdanie, które będzie oceniane przez prowadzącego zajęcia.

Ocena końcowa: na ocenę końcową z przedmiotu składają się punkty z laboratorium (z wagą 40%) i z egzaminu (60%).

114000 - Wydział Mechatroniki
114000 - Wydział Mechatroniki

114000 - Wydział Mechatroniki
114000 - Wydział Mechatroniki

114000 - Wydział Mechatroniki

114000 - Wydział Mechatroniki

114000 - Wydział Mechatroniki

Celem przedmiotu jest zapoznanie studentów z podstawowymi zagadnieniami związanymi z mechaniką organizmów żywych, własnościami mechanicznymi tkanek i metodologią ich badania. Studenci zapoznają się również z fizjologicznymi podstawami funkcjonowania struktur nerwowo mięśniowych oraz sposobami sterowania czynnością mięśni w warunkach naturalnych oraz z wykorzystaniem funkcjonalnej stymulacji elektrycznej. Poznają też modele strukturalne i funkcjonalne układu ruchu człowieka oraz metody wyznaczania reakcji w wyniku zadanych bodźców obciążeń, a także istniejące rozwiązania konstrukcyjne urządzeń stosowanych w terapii i rehabilitacji narządu ruchu.

1. Wprowadzenie: podstawowe pojęcia biomechaniki i definicje: elementy strukturalne biomechanizmów, łańcuchy biokinematyczne, stopnie swobody i ruchliwość biomechanizmów.

2. Statyka aparatu ruchu: budowa oraz mechaniczne i fizyczne właściwości struktur kostno-stawowych człowieka. Podstawy wytrzymałości materiałów tkankowych. Metodologia badania własności mechanicznych tkanek. Parametry postawy ciała postawa prawidłowa i patologiczna.

3. Kinematyka aparatu ruchu: modele stosowane do opisu kinematyki narządu ruchu; wyznaczanie ruchliwości poszczególnych stawów; metody opisu, rejestracji i analizy ruchu człowieka.

4. Dynamika aparatu ruchu: fizjologia układu nerwowo - mięśniowego; modele wykorzystywane do obliczania obciążeń przenoszonych przez poszczególne elementy aparatu ruchu; metody wyznaczania siły mięśniowej oraz obciążeń w stawach.

5. Budowa i biomechanika kręgosłupa: budowa kręgosłupa i jego własności mechaniczne; modele obciążeń kręgosłupa; stany patologiczne.

6. Biomechanika urazów: biomechaniczne aspekty przeciążania struktur tkankowych; mechanizmy urazów; zdolności adaptacyjne organizmu; zjawisko remodelingu.

7. Wprowadzenie do inżynierii rehabilitacyjnej: wymagania stawiane urządzeniom rehabilitacyjnym z uwagi na bezpieczeństwo pacjenta.

8. Urządzenia mechaniczne i mechaniczno-elektroniczne stosowane w rehabilitacji: ortozy i protezy kończyn dolnych i górnych, bioprotezy; funkcjonalna elektrostymulacja.

9. Fizjologiczne podstawy funkcjonowania struktur nerwowo – mięśniowych

10. Sterowanie czynnością ruchową w warunkach naturalnych oraz z wykorzystaniem funkcjonalnej stymulacji elektrycznej.

11. Analiza, ocena ruchu i chodu człowieka: problematyka analizy ruchu człowieka (funkcji lokomocyjnych), urządzenia pomiarowe do badania chodu; analiza poszczególnych faz chodu i reakcji podłoża; pomiar energii wydatkowanej w trakcie chodu.

1. Hausmanowa - Petrusewicz I., "Elektromiografia kliniczna",PZWL Warszawa, 1983

2. Konturek St. J., "Fizjologia człowieka",Elsevier Urban & PartnerWrocław, 2007

3. Merletti R., Parker A., "Electromyography - physiology, engineering and noninvasive applications",IEEE Press 2004

4. Morecki A., Fidelus K., Ekiel J., "Bionika ruchu",PWN

5. Paśniczek R., "Wybrane urządzenia wspomagające i fizykoterapeutyczne w rehabilitacji porażeń ośrodkowego układu nerwowego i amputacjach kończyn",Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej Warszawa, 1998.

6. Perry J., "Gait Analysis: Normal and Pathological Function",SLACK Incorporated 2010.

7. Whittle M., "Gait analysis - an introduction",Butterworth Heinemann Elcevier 2007

8. A. White: "Clinical Biomechanics of the Spine", J. P. Lippincott Company, Philadelphia, 1990

9. „Podstawy Biomechaniki", J. Mrozowski, J. Awrejcewicz, 2004

10. „Biomechanika układu ruchu człowieka", T. Bober, J. Zawadzki, 2003

11. „Biomechanika Inżynierska“, R. Będziński, 1997

Zajęcia zostały przygotowane i będą przeprowadzone z wykorzystaniem technologii informacyjno-komunikacyjnych (ICT) oraz multimedialnych treści dydaktycznych.

114000 - Wydział Mechatroniki

114000 - Wydział Mechatroniki

114000 - Wydział Mechatroniki

114000 - Wydział Mechatroniki

114000 - Wydział Mechatroniki

114000 - Wydział Mechatroniki

114000 - Wydział Mechatroniki