1 Biomechanika- Mozgáselemzés Kiss Rita M. MTA doktor Budapest, 2014 Előadás-vázlat a BSc hallgatók.

Az előadások a következő témára: "1 Biomechanika- Mozgáselemzés Kiss Rita M. MTA doktor Budapest, 2014 Előadás-vázlat a BSc hallgatók."— Előadás másolata:

1 1 Biomechanika- Mozgáselemzés Kiss Rita M. MTA doktor rikiss@mail.bme.hu Budapest, 2014 Előadás-vázlat a BSc hallgatók

2 Adminisztráció Zárthelyi dolgozat időpontja: 12. hét Feladat: Esszé Előadás (13. és 14. hét)

3 Bevezetés, definíciók 3

4 Alapcsoport-Biológiailag inspirált mérnöki tudomány 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: új mérnöki szerkezetek létrehozása, mérnöki szerkezetek tökéletesítése, az élet jobb megértése, az életminőség javítása.

5 Új??? Györfi András: Ikaros repülése Leonardo: Tanulmányok a repülőgép és madarak repüléséről (kb. 100 tábla) Zöller F: Leonardo összes festménye és rajza, Taschen

6 Szinonimák - elnevezések „Nagy kavar” Bionika (bionics):bio (bios-természet, élet)+nics (technics-technika) JE Steel 1960 német nyelvterület: a teljes tudományterületre általában: élet jobb megértése, életminőség javítása (pl. orvostudományhoz kapcsolódó kutatások, a szervek vagy testrészek mechanikus változattal való cseréje, pótlása) Biomimetika (biomimikri) bio (bios- természet, élet)+mimetika (mimézis –utánzás) az élőlények felépítésének és mechanizmusainak - evolúció által évmilliókig tökéletesített természetes rendszereket lemásolva - mesterséges anyagokban, gépekben való megjelenítése

7 Csoportosítás Nachtigall W: Bionik alapján (német!) Antropobionika – Az emberek mozgásának tanulmányozása Neurobionika – Agy és gerincvelő információ továbbítás és feldolgozás tanulmányozása, pótlása Eljárásbionika – Biológiai folyamatok vizsgálata (fotószintézis-víz+hidrogén) Konstrukciós bionika – Biológiai konstrukciós elemek elemzése, másolása (szerkezetek tökéletesítése, építészet, gépészeti szerkezetek) Strukturális bionika – Biológiai struktúraelemek elemzése, másolása (bogács-tépőzár, moszat-fordított tetőszerkezet) Eszközbionika – Biológiai eszközök, technikák elemzése, másolása (konstrukciós és strukturális bionika) (farokuszony-hajócsavar) Mozgásbionika (Anyagbionika) – Az áramlási viszonyok és a felületi kialakítás összefüggésének vizsgálata, a folyadékokban és levegőben való mozgás közben. (cápabőr, lótusz levél, víztaszító anyagok) Szenzorbionika – Az ingerek érzékelésének vizsgálatával (denevér-tolatóradar) Infobionika – Ingerátvitel tanulmányozása (idegrendszeri továbbítás, bio-nano készülékek) Fejlődésbionika – Az evolúciós folyamatok tanulmányozása (komplex rendszerek matematikai megfogalmazása) Klímabionika – Biológiai hőérzékelés, állati építmények (termeszvárak) Molekuláris bionika – Molekulákvizsgálata (mikoelektonika, naotechnológia, speciális anyagok)

8 Csoportosítás (hazai-PPTE) Életminőség javítása Bionika (antropobionika, neurobionika, infobionika?) Természet másolása Biomimetika (eljárásbionika, konstrukciós bionika, strukturális bionika, eszközbionika, mozgásbionika (Anyagbionika), szenzorbionika, infobionika) Egyéb (Építészeti bionika) Konstrukciós, strukturális bionika?? Klimabionika

9 Definíció –Biomechanika Biofizika egyik ága, interdiszciplináris kutatás Mechanika (Galilei)+Biológia (Lamarck)=Biomechanika (Helmholz): az élőlények mechanikai tulajdonságaival és ezek élettani szerepével foglalkozó tudományág Webster: A biológiai speciálisan az izomaktivitásnak mechanikai alapjai és tanulmányozza az ezzel kapcsolatos törvényeket és összefüggéseket; Dorland: Élő szervezetekre alkalmazott mechanikai törvények különösen az emberi test helyváltoztatására; Nigg: Az élő rendszerek szerkezetét és működését a mechanika ismeretanyagának és módszereinek felhasználásával vizsgáló tudomány.

10 Definíció 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.

11 Biomechanikához kapcsolódó társterületek Zoológia Ortopédia Sporttudományok Kineziológia – emberi mozgás tanulmányozásax Biomechatronika (mérnöki terület) Méréstechnika Biomérnöki tudományok (környezetvédelem, vegyészet) 11

12 Biomechanikai tanulmányok I. Állatok járási mintáinak tanulmányozása Szabályozott sebességek mellett a lépésszám és lépéstávolság vizsgálata Eredmény: Kisebb testű állatoknak hatékonyabb a futás, mint a nagyobb testű állatoknak Probléma: Hogyan vegyünk rá egy állatot, hogy futógépen fusson? Szabadon mozgás megfelelő-e? 12

13 Biomechanikai tanulmányok II. A gravitáció hatása az emberi testre Probléma: Asztronauták már pár napos űrutazás után is izomerő és izomtömeg csökkenés, ér- és immunrendszeri változások, csontsűrűség és csontszilárdság csökkenés és jelentősen veszítettek a csontjaik sűrűségéből és erősségéből (1 hónap alatt 1,5% veszteség) Hosszú távú űrutazások során a fenti problémák kiküszöbölése Megoldások: Terhelés alatti futógép használata Az izmok elektromos stimulálása ??? Csontritkulás kezeléshez használható megoldások 13

14 Biomechanikai tanulmányok III. Idős emberek (65 év felett) gyakoribb elesése Mozgás megismétlési pontatlanság csökkenése Hirtelen irányváltozás hatása Egyensúlyozó képesség változása Ízületi protézisek és egyéb implantátumok (fogászati, sztent, stb.) tervezése Anyagválasztás Alak meghatározása Gyártás Protézisek tervezése Alsó végtagi protézisek tervezése energiavisszanyeréssel Felső végtagi protézisek, fogás problémája Ergonómia/Munkahelyi biomechanika Alsó derékfájdalom oka legtöbbször a helytelen pozitúra tárgyak emelése közben Bútorok/autóülések tervezése Sporteszközök fejlesztése Anyag, alak tervezés Mechanikai tanulmányok (légcsatorna tesztek, sítervezés-talpnyomás vizsgálat) Sportolók technikájának csiszolása a jobb eredmények eléréséhez Sportsérülések előfordulásának csökkentése Leggyakoribbak a térdsérülések – Sportághoz illő cipők fejlesztése Rehabilitáció 14

15 Mozgások jellemzése Minőségi (qualitatív) leírás (a minőség nem paraméteres – nem numerikus – leírása): jó rossz hosszú nehéz csavart Hajlított (ez egy jó ugrás) Mennyiségi (quantitatív) leírás (minőség numerikus leírása): 6 méter 3 perc 54 kg 51° elfordulás (ez egy 9,34 cm –es ugrás)

16 11 pontos szabály használatával 1) Probléma megértése 2)Rendelkezésre álló információk/adatok listázása – célszerű szimbólumok használata 3)Meghatározandó/számítandó adatok listázása 4)Adatok ábrázolása diagramon 5)Egyenletek és formulák meghatározása a probléma megoldásához 6)2.-és 3. pontok összekapcsolása a formulák/egyenletek segítségével 7)Ha a rendelkezésre adatok nem használhatóak a probléma más oldalról való megközelítése 8)Adatok behelyettesítése 9)Megoldás 10)Kiértékelés 11)Eredmények mértékhelyes közlése 16

17 Példa Feladat: Baseball meccs közben az alapvonal futó játékosnak 15 m-t kell megtennie a 3. bázis eléréséhez, míg az ellenfél elkapójának10 m-t kell megtennie eddig. Az alapvonal futó játékos sebessége 9 m/s míg az ellenfele sebessége 5 m/s. Melyik játékos ér hamarabb az alapvonalra? Olvasd el a problémát alaposan. A rendelkezésre álló adatokat rendezése Alapvonal futó játékos sebessége – 9 m/s távolsága a 3. bázistól – 15 m Elkapó játékos sebessége 5 m/s távolsága a 3. bázistól – 10 m 17

18 Példa 18

19 Példa 19

20 Történeti áttekintés 20

21 Őskor Barlangrajzok, ősi perui, ókori görög és egyiptomi kultúrák szikla-rajzai a mozgások kétdimenziós ábrázolásai (díszítés, tanítás): Mozgások megértése Törések gyógyítása Altimira-barlang

22 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)

23 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

24 Ókor – rómaiak Galeneus (131-201), mint a pergemoni gladiátorok orvosa az izmok működését tanulmányozta. Az izmok mozgásáról (De motu musculorum) 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

25 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 biomechanikai ábra. 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”

26 Veselius (1514-1564) a brüsszeli anatómus: az emberi szervezet funkcionális anatómiáját foglalja össze Az emberi test felépítése (De Humani Corporis Fabrica) című munkájában. Híres tévedése a medence statikailag hibás ábrázolása. Leonardo da Vinci és kora

27 Benedetti (1530-1590) Ábrák Benedetti munkáiból Gerinc esetén elemzi a csavarás és nyújtás kapcsolatát A kar mozgásállapotainak vizsgálata Diversarum speculationum mathematicarum at physicarum liber: De mechanicis (Biomechanikai témák)

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

29 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 (!)

30 Felvilágosodás kora Descartes (1596-1651) Az emberi szervezet és a foetus képződéséről (Tractus Homine et Formatione Foetus) 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

31 Felvilágosodás kora Borelli (1608-1679), a biomechanika atyja (Borelli-díj). Az állatok mozgásáról (De Motu Animalium) 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

32 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 (Elementorum Myologiae Specium) (geológiai kutatások). Newton (1642-1727) A természet filozofiájának matematikai principiuma (Principa mathematica philosophiae naturalis) 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 Viribus Electricitatis in motu musculari commentarius) című munkájában foglalta össze.

33 1800 évek elejétől napjainkig A biomechanika szakosodása: MOZGÁSVIZSGÁLAT Ugrásszerű és széleskörű fejlődés: LEGFONTOSABB EREDMÉNYEK CSOPORTOSÍTVA

34 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 Menschlichen Gerverkzeuge). 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.

35 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 menschlichen Gewerkzeuge) 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 (Researches on Animal Electricity). Daguerre (1787-1851) 1837-ben fedezte fel a fényképezést, amely lehetővé tette a mozgások pontos rögzítését.

36 Braune (1831-1892) Tömegközéppont meghatározása (Über den Schwerpunkt des menschlichen Körpers mit Rücksicht auf die Ausrüstung des deutschen Infanteristen) Modern járásanalízis, A járás és az izmok kapcsolata (Der Gang des Menschen)

37 Marey (1830-1904) Mozgó emberek és állatok mozgása közben készített fotók, mozgássorozatok elemzése Járáselemzés Támaszfázisban az erőmérés Kronofotográfia (flexibilis film) Vérkeringés mérése Physiologie médicale de la circulation du sang La Machine animale. Locomotion terrestre et aérienne

38 Muybridge (1831-1904) Marey kortársaként sorozatfényképezés- sel az állatok és az emberek mozgását elemzi. Megállapításait Az állatok mozgása (Animal Locomotion), Állatok mozgásban (Animals in Locomotion) műveiben foglalja össze. A leghíresebb megállapítása, hogy a ló vágtázása közben van egy pillanat, amikor egyik lába sem éri a földet (STANFORD).

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

40 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

41 Összefoglalás Alapfogalmak Történelmi áttekintés