Biomechanika - egzamin opracowanie PDF

Preview

Summary

Download Biomechanika - egzamin opracowanie PDF

Description

BIOMECHANIKA INŻYNIERSKA – EGZAMIN 13.06.2016 1. Wymień zadania i kierunki badań biomechaniki. Aktualnie najważniejsze kierunki badań w dziedzinie biomechaniki: -eksperymentalna analiza ruchu człowieka -matematyczne modelowanie narządow ruchu organizmow żywych z wykorzystaniem programow obliczeniowych - eksperymentalne wyznaczanie własności mechanicznych tkanek organizmow żywych -analiza naprężeń i odkształceń w programach wspomagających obliczenia inżynierskie -przetwarzanie i analiza obrazow - komputerowe wspomagane projektowania implantow, stabilizatorow, endoprotez itd. - projektowanie robotow i manipulatorow do zastosowań medycznych -inżynierskie wspomaganie procesow medycznych -badanie struktur oraz własności biomateriałow - ergonomia i optymalizacja przestrzeni pracy 2. Omów krótko metody badawcze biomechaniki. Metody badawcze biomechaniki: -eksperymentalne (badanie własności tkanek) -modelowe i komputerowe (ograniczone ze względu na złożoność zagadnień i niemożliwość tworzenia modeli odwzorowujących budowę anatomiczną i warunki fizjologiczne) -modelowe i eksperymentalne W ramach badań dokonuje się: -oceny stanu fizycznego tkanek biologicznych metodami popartymi prawami mechaniki -planowania zabiegow ortopedycznych – oceny skuteczności implantacji stawow a podstawie znajomości dystrybucji naprężeń - badania wad narządow ruchu (nieprawidłowości chodu) za pomocą specjalistycznego sprzętu i kontrola procesu rehabilitacji (system BTS) -oceny motoryczności zawodnikow i skuteczności metod treningowych, udoskonalanie technik Treningowych 3. Wymień i krótko scharakteryzuj działy biomechaniki. a) ogólna – dostarcza metody teoretyczne oraz wyznaczania sił wewnętrznych oraz zewnętrznych działających na układ biologiczny i opisu skutkow, jakie te siły wywołują (rozkład naprężeń w układzie mięśniowo- szkieletowym). Typowe zadania to: wyznaczanie sił rozwijanych przez poszczegolne mięśnie, badanie własności mięśni, ścięgien itd. b) medyczna – stosując wyniki biomechaniki ogolnej w profilaktyce, leczeniu, diagnostyce i rehabilitacji narządow. Przykładowymi zadaniami są: analiza chodu w normie i patologii w celu leczenia osob niepełnosprawnych ruchowo, analiza obciążeń działających na układ szkieletowo – kostny w celu zastosowania odpowiednich implantow. c) sportu – obejmuje zagadnienia zwiększenia wydolności sprawności i zwinności organizmu, doskonalenia techniki ruchu w sporcie, zwiększenia efektywności treningu, projektowania bezpiecznych artykułow i obiektow sportowych. d) inżynierska – ma na celu projektowanie i analizę działania urządzeń technicznych wspomagających organizm żywy z wykorzystaniem zasad jego funkcjonowania. e) pracy- analiza źrodeł i skutkow działania na układ szkieletowo – mięśniowy sił powstałych w trakcie pracy. Ma na celu usprawnienie procesu projektowania przyjaznego środowiska pracy. Uwzględnia skutki natychmiastowe oraz długotrwałe działania sił. 4. Rodzaje ruchliwości w stawach. Ruchliwość (ruchomość) liczba stopni swobody: ruchow prostych, na ktore składają się przemieszczenia i obroty, możliwych do wykonania przez staw. Ruchomość: - bierna – uzyskiwana jest z wykorzystaniem momentu sil zewnętrznych. Bierne struktury połączeń stawowych: to powierzchnie stawowe, więzadła, torebki - czynna – uzyskuje się aktywując moment siły mięśni działających na dany staw - szkieletowa – dotyczy ruchomości po usunięciu tkanek. Dotyczy możliwości ruchu na jaką pozwala wzajemny kształt powierzchni stawowych łączących się kości. Ruchy w stawach:  Toczenie – wzajemne przesuwanie się główki i panewki

  

Ślizganie – punkt znajdujący się na główce ma kontakt z punktem na panewce Śrubowy Obrotowy – oś obrotu znajduje się na główce

Fizjologiczne czynniki ograniczające zakres ruchu w stawach:  Przerost mięśni  Spadek elastyczności mięśni  Spadek elastyczności więzadeł  Ograniczony zakres skracania się bądź rozciągania mięśni 5. Omów podział stawów ze względu na budowę. Ze względu na budowę stawy dzieli się na: - proste – zbudowane z dwoch kości (staw biodrowy) - złożone (staw kolanowy) 6. Budowa mięśnia szkieletowego. Budowa mięśnia – układ setek lub tysięcy włokien połączonych tkanką łączną (kolagenową). Liczba włokien w organizmie wynosi około 250 mln. Włokna mogą mieć do 30 cm długości, średnica wynosi 0.05-0.15mm. Włokno składa się z - błony - kilku jąder komorkowych (zawierają geny) - licznych mitochondriow - pływające w płynie komórki produkujące ATP (adezynotrifosforan), ktora powoduje kurczenie mięśnia - miofybryli – włokien białkowych biegnących wzdłuż włokna o średnicy około 1-2 mikrometry. Zbudowane są one z miofilamentow grubszych i cienkich zachodzących na siebie teleskopowo. Miofilamenty grube wciągają za pomocą wypustkow miofilamenty cienkie podczas skurczu mięśnia. Włokna mięśniowe podzielone są poprzecznymi błonami (prążkami Z) na około 10 tyś krotszych odcinkow tzw. sarkometrow zbudowanych z około 1 mln miofilamentow. Mięsnie szkieletowe dzielą się na obłe, pierzaste, płaskie, okrężne i inne. Niektóre mięśnie mają kilka części głow i dzieli się je na aktony. 7. Co to jest akton? Jest to część całość lub zespoł mięśni o jednakowym lub bardzo zbliżonym przebiegu włokien co w efekcie daje mu możliwość wykonywania samodzielnej jednakowej funkcji względem osi stawu, nad ktorym przebiega. Jeżeli wiele mięśni wykonuje ten sam ruch, mowi się o zespole aktonow wspołpracujących (synergistycznych). Możliwa jest także sytuacja odwrotna, kiedy jeden mięsień posiada wiele głow wykonujących wiele funkcji (jak np. m naramienny), co daje wiele aktonow w jednym mięśniu. Każdy akton może aktywnie działać tylko w jednym kierunku (w tym ktorym się kurczy). Wobec tego, każda para biokinematyczna (staw) o jednym stopniu swobody (kierunku ruchu) potrzebuje dwoch aktonow: jednego, ktory będzie zginał (przywodził, odwracał), oraz drugiego, rozwijającego przeciwny moment siły, ktory będzie prostował (odpowiednio), odwodził nawracał. Akton oznacza tę część mięśnia, w ktorej włokna są tak usytuowane, że rozwijają siłę w określonym kierunku, co jest rownoznaczne rozwijaniu momentu względem jednej osi w danym stawie, np. mięśnie dwugłowy (bicepes) , trojgłowy (triceps). W organizmie człowieka jeden stopień swobody jest obsługiwany wieloma aktonami, a jeden akton obsługuje wiele stopi swobody, przebiegając nad więcej niż jednym stopniem swobody. Mniej więcej jeden akton obsługuje trzy stawy, a jeden staw jest obsługiwany trzema aktonami. Na podstawie liczby stopni swobody w stawach można okazać, że jeden akton obsługuje 3,8 stopnia swobody, a jeden stopień swobody jest obsługiwany przez średnio 8,4 aktonow. 8. Od czego zależy siła rozwijana przez mięsień? Regulacja siły rozwijanej przez mięsień:  - liczba pobudzonych jednostek

 - częstotliwość pobudzania (od 0 do 50Hz, przy ktorych wystąpi pełen skurcz)  -synchroniczność pobudzania Siła mięśnia zależy od:  - budowy mięśnia  -przekroju poprzecznego fizjologicznego (rożnica między mięśniem obłym a pierzastym)  - masy ciała  -długości mięśnia 9. Omów podział stawów ze względu na wykonywane ruchy. Ze względu na wykonywane ruchy rozrożnia się: - stawy zawiasowe: zginanie, prostowanie (łokciowy, kolanowy) - stawy obrotowe: obrot wokoł własnej osi (kręgi szyjne) - stawy kuliste: ruchy złożone (biodrowy, ramienny) - siodełkowe: ruchy złożone (podstawa kciuka) Rysunek. Podział stawow człowieka ze względu na podobieństwo do par kinematycznych spotykanych w technice. 10. Jakie zagadnienia obejmuje biotribiologia? Biotribologia zajmuje się badaniem i opisem:  - oporow ruchu w naturalnych i sztucznych stawach człowieka oraz innych organizmow żywych  - procesow smarowania oraz zużycia stawow  - własności materiałow stosowanych na endoprotezy Opracowuje metodykę badań rożnych elementow układu kostnego. Węzłami tarcia ślizgowego w organizmie człowieka są na przykład stawy biodrowe, łokciowe, kolanowe. Zachodzi sprzężenie wartości oddziaływań sił w mięśniach i w układzie kostnoszkieletowym na parametry eksploatacyjne pracy stawow człowieka w aspekcie biomechaniki, a w szczegolności kinetyki ruchu. Tymi zależnościami zajmuje się właśnie biotribologia. 11. Budowa i własności mechaniczne kości . Tkanka kostna jest rodzajem biologicznego materiału kompozytowego zbudowanego z : -43% hydroksyapatyt (fosforan wapnia) -36% kolagen( głowne białko tkanki łącznej o bardzo wysokiej odpornści na rozciąganie. Stanowi głowny składnik ścięgien. Jest odpowiedzialny za elastyczność skory.) -14% woda -substancje uzupełniające: mukopolisacharydy (śluzowielocukrowce) Podstawową cechą kości decydującą o jej własnościach jest porowatość. 90% materiału kostnego zawiera kość korowa (zbita). Kość gąbczasta (beleczkowa)zawiera 80-90 % porow wypełnionych szpikiem. Tkanka jest wypełniona naczyniami krwionośnymi. W tkance znajdują się osteoblasty (komorki kościotworcze) oraz osteoklasty (kościogubne) Związek między gęstością kości korowej a wytrzymałością oraz modułem E: σ= 60ρ2 [MPa], ρ [g/cm3], E=2,195 ρ3 [GPa] Gęstość kości korowej 1,85c/cm3, gąbczastej 0,9g/cm3 Tkanka kostna jest ciałem lepkosprężystym, ktore można modelować jako materiał między materiałem rozciągliwym a kruchym. W modelach strukturalnych zakłada się, że kość jest dwufazowym kompozytem, w ktorym wartość modułu sprężystości zależy liniowo lub nieliniowo od udziału objętościowego faz.

Kość jest materiałem anizotropowym. Moduł Younga w kierunku podłużnym jest 2 razy większy niż poprzecznym a wytrzymałość na rozciąganie jest 2,5 raza większa. Tkanka kostna jako kompozyt warstwy zbitej i gąbczastej osiąga wytrzymałości: rozciąganie 20-30 MPa, zginanie 50,5 - 118 MPa. Moduł Younga wynosi 138 - 194 * 103 MPa. Wartość modułu Younga zmienia się z wiekiem. Wartość modułu zmienia się rownież wzdłuż kości. Z wiekiem zmienia się lokalizacja ekstremalnych wartości modułu E. Maksymalne wartości znajdują się w narożach ale w kolejnych latach innych. Wytrzymałość zmniejsza się z wiekiem. Zmniejsza się wskaźnik korowo-trzonowy WTK definiowany jako iloraz grubości kory do grubości trzonu mierzony w połowie długości kości. WKT = 77,8 - 0,54 (T - wiek w latach) Wraz z tym wskaźnikiem maleje wytrzymałość kości. Przy doborze materiałow na implantow należy uwzglęnić dynamiczne właściwości kości: E' - dynamiczny moduł sprężystości, związany ze zdolnością do odwracalnej akumulacji energii. E'' - dynamiczny moduł dyssypacji związany ze zdolnością ciała do nieodwracalnego rozpraszaia energii w jednym cyklu obciążenia. Iloraz tych wielkości to wspołczynnik tarcia wewnętrznego. Moduł te zależą od częstotliwości odkształcenia. Kości wykazują podobieństwa do tworzyw sztucznych: Moduł akumulacji wzrasta ze wzrostem częstotliwości. Wspołczynnik tarcia wewnętrznego powinien osiągać wartości: 0,04 dla niskich częstotliwości 2 1/s 0,015 dla średnich częstotliwości 10 1/s 0,059 dla wysokich częstotliwości 600 1/s 12. Rodzaje modeli opisujących własności mechaniczne kości. kelvina-voigta ciało nie wydłuża się od razu po przyłożeniu naprężenia tylko po jakimś czasie maxwella odkształcenie pojawia się od razu, po chwili znika Tkanka kostna to materiał lepkosprężysty, ktory można modelować jako materiał między rozciągliwym a kruchym. W modelach strukturalnych zakłada się, że kość jest 2-fazowym kompozytem, w ktorym wartość modułu sprężystości zależy liniowo lub nieliniowo od udziału objętościowego faz. Modele: - kość jako mat. izotropowy: E = 1000 MPa, v=0,3 - kość jako mat. transwersalnie (poprzecznie) izotropowy - kość jako mat. ortotropowy - kość jako mat. poprzecznie ortotropowy Ortotropowość – własności mat. zmieniają się w kier. prostopadłych, nie pokrywających się z osiami głownymi przyjętego ukł. wsp. Izotropowość – własności nie zależne od kierunku 13. Własności i funkcje chrząstki stawowej. Chrząstka występuje w dwoch formach: -żebrowa -stawowa stanowi powierzchnię nośną stawow i zawiera (wagowo): 75% wody 25% tkanka stała - 60-65% kolagenu - 10 -15% molekuł polisacharydowych, ktore z kolagenem tworzą masę wchłaniającą wodą dzięki czemu spełnia rolę łożyska ślizgowego do przenoszenia dużych obciążeń Podczas obciążania i odciążania stawu przetłaczana jest przez niego maź stawowa, co zapewnia smarowanie oraz odżywianie chrząstki. Moduł Younga chrząstki wynosi około 30MPa. Chrząstka stawowa pokrywa powierzchnie stawowe kości (panewki i głowki stawowe) i charakteryzuje się niezwykłą gładkością i wytrzymałością. Tkanka chrzęstna ma strukturę warstwową, jest porowata i przepuszcza płyny oraz substancje odżywcze. Prawidłowy stan chrząstki stawowej odgrywa podstawową rolę dla sprawnego funkcjonowania stawu. Umożliwia swobodny ruch stawu, absorbuje przeciążenia,

14. Własności i funkcje więzadeł. Więzadła mają większy niż ścięgna skład elastyny – białka o znacznej odporności na rozciąganie. Dzięki temu mogą one doznawać większych niż ścięgna wydłużeń, jednak mają mniejszą wytrzymałość na rozciąganie. Więzadła pełnią rolę stabilizatorow kości i stawow, np. połączeń między kręgowych kręgosłupa. 15. Własności i funkcje ścięgien; Ścięgna łączące mięśnie do kości składają się z : -wody -kolagenu Włokna kolagenu są ułożone rownomiernie, dzięki czemu redukowane jest rozpraszanie siły na pełzanie i rozluźnianie. Podczas ruchu organizm traci dużo energii na cykliczne przyspieszanie i hamowanie ruchu obrotowego w stawach. Niektore z dużych ścięgien skumulują energię sprężystą w pierwszej części chodu (skoku) i oddają w drugiej. 16. Jakie cechy powinny mieć biomateriały? Wymień przykładowe biomateriały. Biomateriały  grupa materiałów o różnym składzie, budowie i właściwościach  są akceptowane przez organizm ludzki  niektóre z nich łączą się trwale z żywą tkanką lub biorą udział w jej generacji Wyróżniamy biomateriały  metalowe (Stale chromowo-niklowe, Stopy kobaltu, Tytan i jego stopy)  ceramiczne (Al2O3, ZrO2, Bioszkło, Materiały węglowe, Fosforany wapnia)  polimerowe Ciała obce wszczepiane do żywego organizmu muszą być biozgodne i biofunkcyjne  biozgodność to zdolność materiału do wywoływania odpowiedzi gospodarza, zgodnej z przeznaczeniem implantu  charakter odpowiedzi środowiska biologicznego decyduje o biozgodności materiału  bifunkcyjność to zdolność materiału do przejmowania funkcji tkanek i narządów, do leczenia których został zastosowany Biomateriał: – Musi być biokompatybilny (nie może wywoływać reakcji obronnej tkanek); – Może być przy tym neutralny dla organizmu (nie oddziałuje); – Może być bioaktywny (oddziałuje z tkankami: następuje integracja materiału z tkanką). – Może być biodegradowalny (rozkładać się w organiźmie); – Musi mieć odpowiednie właściwości. Np. implant kości nie może być ani słabszy, ani silniejszy niż kość. 17. Budowa i funkcje kręgosłupa. Kręgosłup stanowi ruchomy słup kostny, rozciągający się od podstawy czaszki do dolnego końca tułowia i położony jest w linii pośrodkowej po grzbietowej stronie ciała. Spełnia on zasadnicze funkcje:  ochrony rdzenia kręgowego  umożliwia ruch głowy i tułowia  narząd podpory ciała  główny ustrój nośny układu szkieletowego człowieka Jest to bierna struktura nośna sterowana układem nerwowym za pośrednictwem czynnych mięśni szkieletowych. Wyprostowana sylwetka wyróżnia człowieka spośród innych zwierząt. Schorzenia i urazy mechaniczne są głównie przyczyną zainteresowania biomechaników. Kręgosłup podtrzymuje górna część ciała i jest głownie ściskany. Z tego powodu kręgi są niskie i szerokie: Kręgosłup składa się z 33-34 kręgów:  7 kręgow szyjnych (C1- C7)  12 piersiowych (Th1-Th12)  5 lędźwiowych (L1-L5)  5 krzyżowych (S1-S5)  kości guzicznej (4-5kręgow)

Poszczególne wygięcia kręgosłupa tworzą:  lordozę szyjną  kifozę piersiową  lordozę lędźwiową - Pojawia się po przyjęciu postawy o pionowej przez dziecko o zmienia się najwyraźniej o zależy od postawy wykonywanych czynności  Kifozę krzyżowo-guziczną Zarówno wygięcie lordozy lędźwiowej jak i kąt nachylenia kości krzyżowej decydują w największym stopniu o ukształtowaniu kręgosłupa. Są to cechy budowy ciała na ktore można wpływać przez odpowiednie: - przystosowanie stanowisk pracy, siedzeń w środkach komunikacji, w szkole ,w domu - właściwe odżywianie - ćwiczenia czynne mięśni brzucha i grzbietu - ćwiczenia kończyn dolnych. 18. Budowa i funkcje kręgów. Wyrożniamy kręgi:  prawdziwe (wraz z dyskiem międzykręgowym więzadłami stanowią segment ruchowy)  rzekome. Budowa kręgu prawdziwego: Kręg ma budowę symetryczną. Wyrożniamy w nim trzon, łuk i osadzone na nim wyrostki. Trzony wszystkich kręgow tworzą kolumnę kręgosłupa. Łuk wraz z trzonem ograniczają otwor kręgowy. Na długości całego kręgosłupa otwory te tworzą kanał kręgowy, w ktorym mieści się rdzeń kręgowy. Między sąsiadującymi kręgami, z prawej i lewej strony, w miejscach gdzie łuki odchodzą od trzonow, powstają otwory międzykręgowe dzięki widocznym tu wcięciom kręgowym po stronie gornej i dolnej każdego kręgu. Przez otwory te przechodzą nerwy rdzeniowe i naczynia krwionośne. Od łuku kręgowego odchodzi 7 wyrostkow:  w linii środkowej - skierowany ku tyłowi nieparzysty wyrostek kolczysty,  w kierunku bocznym - parzyste wyrostki poprzeczne  cztery wyrostki stawowe - dwa gorne i dwa dolne służące do połączenia ze sobą sąsiednich kręgow. Powierzchnie stawowe wyrostkow stawowych gornych zwrocone są mniej więcej ku tyłowi, dolnych - ku przodowi. Kręgi szyjne są najmniejsze i najbardziej narażone na urazy Pierwszy, drugi i siodmy mają cechy charakterystyczne 1 Kręg szczytowy ( atlas, dźwigacz) – brak trzonu, brak wyrostkow stawowych, zawiera dołek zębowy 2 kręg obrotowy (axis) – zawiera wyrostek zwany zębem, razem z pierwszym kręgiem odpowiadają za ruchy głowy 7 kręg – zawiera nierozdwojony, długi wyrostek kolczysty, ktory sprawia że jest to pierwszy wyczuwalny kręg Kręgi piersiowe – posiadają powierzchnie stawowe dla głow żebrowych, ich wyrostki kolczyste są coraz dłuższe ku tyłowi i zachodzą na siebie dachowkowato. Kręgi lędźwiowe – charakteryzują się większą proporcją wielkości trzonu do otworu kręgowego i wyrostkow. Nie mają dołkow żebrowych. Kość krzyżowa – stanowi podporę kręgosłupa. Tworzy tylną ścianę miednicy. Połączona jest z kością guziczną. Kości te to kręgi zrośnięte trzonami i łukami kręgowymi. Kręgi od C2 do S1 połączone są tzw. Triadą stawową. Wyrożnia się trzy głowne kolumny nośne: trzony oraz prawe i lewe stawy międzykręgowe. Segment ruchowy to dwa sąsiednie więzy. Są one stabilizowane systemem więzadeł stawowych 19. Budowa i funkcje krążków międzykręgowych. Krążek międzykręgowy. Składa się z trzech elementow:

- płytek chrzęstnych - pierścienia włoknistego - jądra miażdżystego Człowiek ma 23 krążki. Łączą one powierzchnie trzonow sąsiednich kręgow. Pierścień włoknisty otacza niemalże nie ściśliwie jądro miażdżyste. Zewnętrzne warstwy są podatne, wewnętrzne coraz sztywniejsze i bardziej wytrzymałe. Wysokość i szerokość w odcinku lędźwiowym jest około dwukrotnie większa niż w odcinku szyjnym. Krążki pełnią funkcje: -zapewniają stabilność kręgosłupa -tłumią drgania -umożliwiają względny ruch przyległych kręgow Krążek międzykręgowy pełni jednocześnie funkcję amortyzatora kręgosłupa i zapewnia mu ruchomość (jak łożysko ślizgowe). Umożliwia zgięcie, prostowanie, ruchy boczne i obrotowe kręgosłupa. Dzięki dyskom kręgi nie ocierają się o siebie. Wraz z wiekiem ulegają degeneracji przyczyniając się do schorzeń zwyrodnieniowych kręgosłupa 20. Budowa i funkcje stawów międzykręgowych i więzadeł. Funkcje:  - stabilizują położenie kręgow prawdziwych  - umożliwiają ruch w zakresie bezpiecznych dla rdzenia i nerwow obwodowych Pracują podczas rozciągania. Więzadła można podzielić na:  -krotkie (działają na dwa kręgi, łączą kręgi z żebrami i kośćmi miedniczymi)  -długie (przechodzą przez całą długość kręgosłupa) Wyrostki stawowe dolne i gorne kręgow tworzą stawy międzykręgowe. Wraz z krażkiem i więzadłami stanowią system podparcia kręgosłupa w kształcie trojkąta rownoramiennego. Rożnego rodzaju ruchy powodują asymetrię rozkłądu obciążenia. Torebki stawowe cienkie i wiotkie ale są silnie unerwione. 21. Cele opracowywania modeli obciążeniowych kręgosłupa.  - analiza warunkow pracy kręgosłupa  -ocena mechanizmow stanow przeciążeń  -ocena stanu wspołpracy stabilizator – tkanka  -prowadzenie badań i symulowanie warunkow niebezpiecznych dla pacjenta i trudnych do analizy Modele są w mniejszym lub większym stopniu uproszczone. Oddanie wszystkich zależności, elementow budowy ...