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%).