1 Człowiek w systemie transportowymWykład 13

2 BIOMECHANIKA, czyli mechanika układów żywych, jest interdyscyplinarną nauką o przyczynach i skutkach działania sił zewnętrznych i wewnętrznych na układy biologiczne, (np. na człowieka, zwierzę, owada, roślinę.)

3 Główne działy biomechaniki:biomechanika ogólna biomechanika medyczna biomechanika sportu biomechanika inżynierska biomechanika pracy

4 Biomechanika ogólna Zajmuje się wyznaczaniem sił zewnętrznych i sił wewnętrznych działających na układ biologiczny (np. na ciało człowieka) oraz skutków, jakie te siły wywołują (np. ruch segmentów ciała, ruch płynów biologicznych w organizmie, rozkład obciążeń w układzie mięśniowo-szkieletowym i zmiany w tkankach poddanych działaniu sił).

5 Typowymi zadaniami biomechaniki są np.:wyznaczanie sił rozwijanych przez poszczególne mięśnie w trakcie wykonywania danego ruchu ciała (tzw. zagadnienie współdziałania mięśni), badanie własności materiałów biologicznych ( mięśni, ścięgien, kości, chrząstek i innych), wyznaczanie przebiegu procesu adaptacji funkcjonalnej tkanek kości poddanej obciążeniu (tzw. remodeling). Zadania te często dotyczą sterowania procesami w organizmie (np. sterowania ruchem ciała, sterowania wzrostem tkanek) i są wtedy wspólne dla biomechaniki i biocybernetyki.

6 Biomechanika medyczna, polega na stosowaniu wyników badań biomechaniki ogólnej w profilaktyce, diagnostyce, leczeniu i rehabilitacji narządów (głównie narządu ruchu) człowieka.

7 Typowymi zadaniami biomechaniki medycznej są np.:analiza chodu (norma i patologia) w celu leczenia i rehabilitacji osób niepełnosprawnych ruchowo, analiza przepływu krwi przez naturalne zastawki serca w celu prawidłowego zaprojektowania zastawek sztucznych, analiza obciążeń działających na układ kość-implant w celu dobrania odpowiedniego dla danego pacjenta implantu (np. sztucznego stawu ) i zaprojektowania zabiegu jego wszczepienia. Wiele zagadnień biomechaniki medycznej łączy ją z bioinżynierią, a szczególnie z inżynierią ortopedyczną (projektowanie implantów, protez i aparatów ortopedycznych).

8 Biomechanika inżynierska, w której stosuje się zasady biomechaniki ogólnej do analizy i projektowania urządzeń technicznych, np. manipulatorów medycznych, robotów, maszyn kroczących oraz mikrorobotów. W zakresie wykorzystania w technice zasad budowy i działania organizmów żywych biomechanika inżynierska ma obszar wspólny z bioniką.

9 Biomechanika pracy - jej przedmiotem jest rozpatrywanie przyczyn i skutków obciążeń układu mięśniowo-szkieletowego, wynikających z pracy fizycznej. Biomechanika pracy odgrywa istotną rolę przy projektowaniu procesów i stanowisk pracy bezpiecznych dla zdrowia człowieka. Uwzględnia się tu natychmiastowe (np. uderzenie) i skumulowane w czasie (np. działanie drgań) skutki działania sił występujących w procesie pracy.

10 Biomechanika zderzeń (jako składowa biomechaniki pracy) pozwala na ocenę skutków i projektowanie sposobów zapobiegania obrażeniom ciała człowieka w trakcie uderzeń powstałych zarówno w procesie pracy (np. upadek z wysokości), jak i podczas wypadków drogowych. Biomechanika pracy, wraz z fizjologią i psychologią, tworzy fundament współczesnej ergonomii.

11 Typowe metody biomechaniki pracy fizycznej obejmują:badanie struktury i funkcji układu mięśniowo-szkieletowego, traktowanego jako aparat pracy ( w tym także wybrane problemy z zakresu anatomii i antropometrii), miernictwo parametrów biomechanicznych (sił i momentów sił działających na ciało człowieka, przemieszczeń, prędkości i przyspieszeń segmentów ciała podczas pracy) i elektrycznych (elektromiografia),

12 klasyfikację rodzajów pracy fizycznej i ruchów roboczych.modelowanie matematyczne i symulację komputerową procesu pracy, sposoby oceny wydolności organizmu człowieka przy wykonywaniu typowych prac (np. przenoszenie ciężarów, pracy operatora sprzętu mechanicznego lub komputera), klasyfikację rodzajów pracy fizycznej i ruchów roboczych.

13 Typowe metody i zastosowania biomechaniki pracy

14 Rodzaje urazów przy pracy fizycznej

15 Siły działające w sposób nagły są na ogół siłami zewnętrznymi względem ciała człowieka i występują przeważnie podczas zdarzeń o charakterze wypadku przy pracy. Siły o ciągłym charakterze działania występują w trakcie typowego procesu pracy. Mogą one należeć do zewnętrznych (np. ciężar trzymany w rękach, siła oddziaływania dźwigni na rękę, siła między stopą a podłożem) lub wewnętrznych (np. siły rozwijane przez mięśnie i poprzez ścięgna przykładane do kości, siły reakcji – oddziaływanie kości na kość – w stawach, ściskające dyski międzykręgowe) względem ciała człowieka. Ich skutki dla zdrowia pracownika uwidaczniają się niekiedy dopiero po wielu latach pracy.

16 Choroby narządu ruchu powstają także u pracowników, którzy nie wykonują pracy fizycznej, np.:operator komputera, piloci samolotów myśliwskich Siły bezwładności są wynikiem przyspieszeń działających na ciało człowieka i na podnoszone lub przenoszone przez niego obiekty (drgania siedziska, narzędzi ręcznych, gwałtowne hamowanie, akrobacje lotnicze).

17 Analiza statyczna sił działających na przedramię

18 Siłami wewnętrznymi w analizowanym układzie są:wypadkowa siła mięśniowa F siła reakcji w stawie R. F jest kilku- lub kilkunastokrotnie większa od ciężaru trzymanego w ręce R jest kilku- lub kilkunastokrotnie większa od Gz

19 Zjawisko kumulowania się skutków działania sił wewnętrznych ilustruje przykład na rysunku, dotyczący analizy obciążeń działających na krążek międzykręgowy (dysk) L5/S1 przy podnoszeniu ciężaru trzymanego w rękach.

20

21

22 Metody doświadczalne – bezpośredni pomiar sił (ograniczone zastosowanie w biomechanice pracy).Pomiar sił zewnętrznych działających na elementy ciała człowieka w procesie pracy (dynamometr – siły działające na kończyny górne, platforma dynamometryczna – siły reakcji między stopami i podłożem). Pomiar sił wewnętrznych wymaga naruszania powłok ciała człowieka, np. w celu pomiaru ciśnienia w dysku międzykręgowym stosuje się wkłuwany czujnik.

23 Najczęściej metody doświadczalne stosowane są do:pomiaru sił zewnętrznych o charakterze udarowym działających na człowieka (np. podczas zderzenia samochodu – manekiny) do pośredniego szacowania sił wewnętrznych – elektromiografia (elektrody zewnętrzne lub wkłuwane – rejestracja potencjałów elektrycznych, towarzyszących skurczom mięśni szkieletowych), rejestracja trajektorii (czyli torów w funkcji czasu), wybranych i zaznaczonych za pomocą tzw. markerów, punktów ciała człowieka podczas badanej czynności roboczej (wyznaczanie sił wewnętrznych).

24 Metody teoretyczne służą do wyznaczania sił wewnętrznychMetody teoretyczne służą do wyznaczania sił wewnętrznych. Podstawowe narzędzia to modelowanie matematyczne i symulacja komputerowa.

25 Typowy schemat postępowania podczas symulacjiIdealizacja, prognozowanie i weryfikacja to główne zadania badacza.

26 We współczesnym modelowaniu, w biomechanice stosuje się dwa typy modeli fizycznych:modele fizyczne o parametrach skupionych (np. masa, sztywność, dane materiałowe), modele fizyczne o parametrach rozłożonych Ad1. układ ruchu człowieka (lub jego część, np. jedną kończynę rozpatruje się jako układ wieloczłonowy, czyli biomechanizm zbudowany z członów sztywnych połączonych przegubami (stawy) i napędzanych siłami rozwijanymi przez mięśnie (lub zespoły mięśni).

27 Przykłady wieloczłonowych modeli fizycznych ciała człowieka(w zależności od rozpatrywanego zadania dobiera się odpowiedni model)

28 Dla danego modelu wieloczłonowego wyprowadza się, stosując zasady mechaniki, równania ruchu, które mają postać równań różniczkowych zwyczajnych lub różniczkowo-algebraicznych (narzędzie – pakiety numeryczne).

29 Wprowadzony model matematyczny umożliwia rozwiązanie dwóch podstawowych typów zadań:A. znając przebiegi w czasie sił rozwijanych przez mięśnie i sił zewnętrznych oraz masy i momenty bezwładności członów, można wyznaczyć przebiegi w czasie (trajektorie) przemieszczeń dowolnej liczby wybranych punktów ciała człowieka,

30 B. Znając z badań doświadczalnych trajektorie wybranych punktów układu (dany ruch) oraz masy i momenty bezwładności członów, a także siły zewnętrzne wynikające z procesu pracy, można – rozwiązując równania ruchu – wyznaczyć przebiegi w czasie sił mięśniowych, które ten ruch wywołały oraz sił reakcji w stawach. (zarówno siły, jak i przemieszczenia punktów w czasie są wielkościami wektorowymi) W biomechanice pracy prawie zawsze mamy rozwiązanie B.

31 Trudności: dany ruch (npTrudności: dany ruch (np. zginanie w stawie łokciowym) jest skutkiem jednoczesnego działania kilku lub kilkunastu mięśni (tzw. zagadnienie współdziałania mięśni). Zatem w modelu matematycznym danego zadania liczba niewiadomych sił mięśniowych jest większa niż liczba równań. Taki układ ma nieskończenie wiele rozwiązań. Dwa sposoby postępowania: redukcja liczby niewiadomych (zakładając, że niewiadomymi są nie siły rozwijane przez poszczególne mięśnie, lecz momenty wypadkowe sił rozwijanych przez grupy mięśni względem osi obrotów w stawach – jednoznaczne rozwiązanie,

32 2. Szacując siły rozwijane przez poszczególne mięśnie należy spośród nieskończenie wielu rozwiązań wybrać ten zestaw sił mięśniowych spełniających układ równań modelu, który spełnia jakieś dodatkowe kryterium (poszukiwanie rozwiązania metodą optymalizacji, np. działanie mięśni zgodne z minimalizacją wydatkowanej energii). Modelowanie układu ruchu człowieka za pomocą układu wieloczłonowego jest sposobem dominującym – przetworzenie na pakiet oprogramowania (łatwy w użyciu).

33

34 Model fizyczny ciała człowieka typu wieloczłonowego, zastosowany w pakiecie3D SSPP (Three Dimensional Static Strenght Prediction Program) Model składa się z 12 sztywnych członów (części ciała: górna część tułowia wraz z głową, dolna część tułowia, ramiona, przedramiona z dłońmi, uda, podudzia, stopy) połączonych przegubami (stawy).

35 !!! Przeznaczenie programu:Analiza istniejących lub projektowanie nowych stanowisk pracy w warunkach statycznych

36 Modele wieloczłonowe do analizy obciążenia układu mięśniowo-szkieletowego człowieka w warunakch pracy statycznej wykorzystywane są również w: fińskim pakiecie ErgoSHAPE i kanadyjskim WATBAK. Brak jest wyspecjalizowanych i równie rozpowszechnionych pakietów tego typu do analizy biomechaniczno-ergonomicznej układu ruchu człowieka w warunkach dynamicznych (ruchy szybkie, nie można pominąć sił bezwładności).

37 Pakiety ogólnego przeznaczenia, stosowane głównie do analizy metodą wieloczłonowych układów mechanicznych (maszyn, robotów) zawierają programy umożliwiające analizę biomechaniczną, np. program ANDROID (LIFEMODE) w ramach znanego i rozpowszechnionego pakietu ADAMS. Obecnie analiza dynamiczna stosowana jest głównie do szacowania sił zewnętrznych, działających na ciało człowieka i sił reakcji w stawach podczas wypadków samochodowych, motocyklowych, lotniczych, kolejowych, itp. (Najpopularniejsze pakiety oprogramowania to: MADYMO, PAM-SAFE)

38

39 Modele fizyczne o parametrach rozłożonychDokładne odwzorowanie geometrii ciała lub fragmentu ciała człowieka (np. tułowia, segmentu ruchowego kręgosłupa) za pomocą bardzo dużej liczby elementów. Są tzw. elementy skończone (stąd nazwa Metoda Elementów Skończonych, w skrócie MES), którym można przypisać – w zależności od potrzeby, czyli od celu rozwiązywanego zadania – określone właściwości geometryczne, materiałowe i inne.

40 Opis matematyczny – złożony (od kilkuset do kilkunastu tysięcy równań – zależnie od wielkości modelowanego fragmentu ciała, których wygenerowanie i rozwiązanie możliwe jest jedynie za pomocą specjalnych metod komputerowych). Możliwości: wyznaczenie sił zewnętrznych, określenie rozkładów naprężeń i odkształceń w układzie mięśniowo-szkieletowym człowieka.

41 Zalety metody MES: łatwość modelowania przestrzennej budowy zarówno całego układu mięśniowo-szkieletowego człowieka, jak i jego elementów (kości, kręgów, żeber, krążków międzykręgowych, mięśni, ścięgien), możliwość badania statyki, dynamiki i stabilności układu mięśniowo-szkieletowego w różnych sytuacjach życiowych (norma, patologia, praca, sport),

42 możliwość stosowania w modelu różnych kryteriów optymalizacyjnych, modelujących prawa stosowane przez centralny układ nerwowy przy sterowaniu pracą mięśni (ważne przy rozwiązywaniu zadania współdziałania mięśni), łatwość wprowadzania zmian parametrów geometrycznych i materiałowych modelu.

43 Specyficzne własności układu mięśniowo-szkieletowego:własności mechaniczne kości, więzadeł i mięśni są anizotropowe, a głównie kierunki sztywności (np. kierunek włókien mięśniowych) zmieniają swoją orientację w przestrzeni parametry sztywnościowe kości, takie jak moduły Younga (10000 – MN/m2 ), są znacznie większe od odpowiednich parametrów dysków, mięśni i więzadeł (0,4 – 160 MN/m2 ), co powoduje, że końcowy układ równań, opisujący układ kostno-mięśniowy, jest źle uwarunkowany (utrudnione rozwiązanie numeryczne)

44 napięcie w mięśniach jest wywołane nie tylko przez zmianę odległości między przyczepami, lecz głównie przez skurcz w kierunku włókien mięśniowych, powodowany pobudzeniem generowanym przez układ nerwowy jądra miażdżyste dysków międzykręgowych oraz – w przybliżeniu – jama brzuszna są obszarami prawie nieściśliwymi stawy (kończyn, międzykręgowe, klatki piersiowej) stanowią istotne ograniczenia ruchów względnych kości długich, kręgów i żeber występujące w układzie ciśnienia w jądrach miażdżystych dysków międzykręgowych, w jamie brzusznej oraz w klatce piersiowej mają charakter niezachowawczy (kierunki sił zależą od odkształceń).

45 Podstawowe przeszkody w tworzeniu modeli MES ciała człowieka to:bardzo złożona budowa anatomiczna ciała, brak wiarygodnych, potrzebnych do modelowania danych o właściwościach materiałów biologicznych (tkanek), a także duży rozrzut tych wartości. MADYMO, PAM-SAFE – pakiety zawierające pierwsze modele MES fragmentów ciała na potrzeby biomechaniki zderzeń

46 Biomechanika pracy fizycznej – metoda ErgoMES do oceny obciążenia układu ruchu w procesie pracy (CIOP, Politechnika Warszawska). W budowie modelu mięśniowo-szkieletowego całego ciała uwzględniono: wszystkie składowe dynamiczne obciążeń układu ruchu człowieka (siły bezwładności, tłumienie) w trakcie symulacji dowolnych ruchów (np. czynności roboczych w trakcie pracy fizycznej w pełnym zakresie kątów obrotów w stawach).

47 Model fizyczny układu szkieletowego:45 elementów sztywnych, modelujących te części ciała człowieka, które są znacznie sztywniejsze (np. kości), bądź zakłada się, że są znacznie sztywniejsze (np. segmenty kręgosłupa, stopy, dłonie), od innych elementów (mięśni, ścięgien, dysków między sztywnymi segmentami kręgosłupa) człony sztywne połączone między sobą specjalnymi elementami typu „sprężyna – tłumik o sześciu składowych”

48 Model fizyczny układu mięśniowego z 250 specjalnych elementów.W modelu matematycznym mięśni uwzględniono zależność siły rozwijanej przez każdy z mięśni od jego długości i od prędkości skurczu.

49 każdy z tych elementów składa się z sześciu podzespołów, zbudowanych z działających równolegle sprężyny i tłumika: 3 podzespołów liniowych, działających w trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach oraz 3 podzespołów skrętnych (kątowych), działających wokół osi obrotu odpowiadających tym kierunkom sztywności sprężyn tak dobrane, że umożliwiają tylko takie ruchy względne, które są zgodne z fizjologicznymi zakresami ruchów w stawach

50

51 Model układu mięśniowo-szkieletowego człowieka w kolejnych chwilach t (widok z boku) w trakcie czynności wykonywanej z ciężarem 100N, trzymanym w rękach (ruch symetryczny względem płaszczyzny strzałkowej).

52

53

54 Metodą symulacji komputerowej można także rozwiązywać zadania projektowania i optymalizacji przestrzeni pracy.