Biomehaanika printsiibid

BIOMEHAANIKA PRINTSIIBID Biomehaanika printsiibid Jaan Ereline TÜ spordibioloogia ja füsioteraapia instituut - Biomehaanika jaotus. - Massi jagunemine inimkehas. - Liikumisaparaadi deformatsioonid. - Luukangid. - Inimese liigutustegevuse biomehaaniline analüüs: 1) biomehaanilised karakteristikud, 2) inimese kehale mõjuvate jõudude liigitus. Töötervishoiuspetsialistide täiendkoolitus, 4. septemberil 2014, Tartu, Dorpat Biomehaanika on teadusharu, mis uurib mehaanilise liikumise nähtusi bioloogilistes süsteemides (kudedes, organites ja organismis). Füüsika Bioloogia Biomehaanika on biofüüsika haru. Biomehaanika on bioloogia ja füüsika piirteadus: - uurimisobjektilt (elusorganism ja selle struktuurid) kuulub ta bioloogia valdkonda - uurimismeetoditelt kuulub aga mehaanika valdkonda. Mehaanika Matemaatika Antropomeetria Anatoomia Füsioloogia Biomehaanika Kinesioloogia Inimese liikumisaparaadi ja liigutustegevuse üldisi printsiipe uurib inimese liigutustegevuse biomehaanika. Biomehaanika jaotus rakendusvaldkondade ja uuringute väljundi järgi. Inseneribiomehaanika. Ergonoomiline biomehaanika. Meditsiinibiomehaanika. Spordibiomehaanika. Inimese liikumisaparaadi biomehaanika (ingl. biomechanics of the human locomotor system) Inimese liikumine toimub liikumisaparaadi abil, mille moodustavad luud, nende ühendused ning lihased (s.o. luude ja lihaste süsteem). Liikumisaparaadi ehitust uurib anatoomia, talitlust füsioloogia ja lihastes toimuvaid energeetilisi protsesse aga biokeemia. Liikumisaparaadi kui töömasina uurimisega tegeleb biomehaanika, vaadates liikumisaparaati mudelina biomehaanilise süsteemina. 1

Inimese liikumisaparaadi biomehaanika Biomehaanilise süsteemina käsitletav liikumisaparaat koosneb liigeste abil seonduvatest kehasegmentidest, mis moodustavad biokinemaatilisi paare ja ahelaid. Biokinemaatilised paarid. 1. Translatsioonipaarid. 2. Rotatsioonipaarid. 3. Kruvipaarid. Inimese liigutustegevuse biomehaanika Inimese liigutustegevuse biomehaanika (ingl. Biomechanics of Human Movements) uurib inimese liikumisaparaadi ja liigutustegevuse biomehaanilisi üldisi seaduspärasusi. Biokinemaatilised ahelad. 1. Avatud. 2. Suletud. 2 tõus+astmesügavus = 63 cm Inimese liigutustegevuse biomehaanika Liikumisaparaadi biomehaanika Liigutustegevuse biomehaanika Inseneribiomehaanika Inseneribiomehaanika (ingl. biomechanical engineering) on tihedalt seotud biooonikaga, uurides bioloogiliste objektide ehitusprintsiipide kasutamise võimalusi inimesele vajalike tehniliste vahendite (robotid, manipulaatorid jt.) valmistamisel. Fm V Ergonoomiline biomehaanika Ergonoomiline biomehaanika (ingl. occupational biomechanics) uurib üldiselt operaatori (töötaja) lihasnärviaparaadis ja tugiliikumisaparaadis tekkivad pinged erinevate töövõtete kasutamisel tööprotsessis ning kasutatavate seadmete ning materjalide mehaanilist koostoimet töövõime tõstmise ja ülekoormuste vältimiseks. Ergonoomiline biomehaanika KÄSITSITÖÖ LIIGID Kandmine Lükkamine Käed Kirjutamisemisel tõstmisel de vajutatud Trükki- Raskuse Pedaali- Lõdves- ripuvad lõdvalt tamisel asendis Tõstmine Tõmbamine Hoidmine 2

Meditsiinibiomehaanika Meditsiinibiomehaanika (ingl. biomechanical medicine) käsitleb proteesiehituse, traumatoloogia, ortopeedia, füsioteraapia, biomaterjalide jt. probleeme MASSI JAGUNEMINE INIMESE KEHAS Inimese liigutustegevuse biomehaanilisel analüüsil tuleb arvestada massi jagunemisega kehas, kuna sellest sõltuvad nii kogu keha kui ka kehaosade liikumise iseärasused rakendatud jõudude mõjul. Massi jagunemist inimese kehas iseloomustavad: 1. keha mass ja kaal, 2. kehaosade massid ja kaalud, 3. kehaosade raskuskeskmed, 4. keha raskuskese. Keha mass ja kaal. Keha mass on aine hulga mõõt. Mass on füüsikaline suurus, mis väljendab keha kahte omadust: 1) mass väljendab keha inertsi kulgeval liikumisel ehk võimet säilitada oma liikumise kiirust, 2) mass väljendab keha võimet tõmmata ligi teisi kehi ehk osaleda gravitatsioonilises vastastikmõjus. Ühik (kg) Keha kaal P on jõud, millega keha mõjutab alust või riputusvahendit. P = m g (N) Kui keha koos alusega liigub kiirendusega üles või alla (näiteks liftis), siis võib keha kaal raskusjõust tunduvalt erineda. G raskusjõud, R toereaktsioon, P keha kaal. G R P Keha kaal P. Tsentripetaal- ehk kesktõmbekiirendus a tp = V 2 /r. Kui a tp on g st n korda suurem V 2 /r = ng, siis lenduri keha kaal P = m(g+ng) = mg (n+1). Seega kaal suurenes n+1 korda võrreldes paigalolekuga! Ftp Ftf Ftp tsentripetaaljõud Ftf tsentrifugaaljõud r kõverusraadius Keha mass ja kaal. Kulgliikumisel on keha inertsimõõduks mass, pöörleval liikumisel ümber liikumatu telje aga inertsimoment I. I = m r 2 (kg m 2 ) Sagitaaltelg 120-150 Frontaaltelg Frontaaltelg Pikitelg 110-130 40-50 10 12 Pikitelg 20 25 Väike iertsimoment Suur pöölemiskiirus Suur inertsimoment Väike pöörlemiskiirus Kehaosade massid ja kaalud. Kehaosade massid iseloomustavad massi jagunemist kehaosade vahel Kehaosa mass m i ja kaal P i leitakse järgmisel kujul m i = μ i m (kg) P i = m i g (N) m i - kehaosa mass μ i - vastava kehaosa suhteline mass m - keha mass Obrazov, 1988. Pea koos kaelaga 6,9% (0,069) Kere ülaosa 16,0% (0,16) Õlavars 2,7% (0,027) Kere keskosa 16,3% (0,163) Küünarvars 1,6% (0,016) Kere alaosa 11,2% (0,112) Kere 42,7% (0,427) Labakäsi 0,6% (0,006) Reis 14,2% (0,142) Säär 4,3% (0,043) Labajalg 1,4% (0,014) 3

Kehaosade raskuskeskmed. Raskuskese on punkt kehas, mida läbib keha osakestele mõjuvate raskusjõudude resultandi mõjusirge keha igasuguse asendi korral. Raskuskese ühtib massikeskmega, kui keha asub gravitatsiooniväljas. Massikese on punkt kehas, mis iseloomustab kogu keha massi keskmist asukohta. Kehaosa raskuskeskme määramiseks korrutatakse kehaosa pikkus antud kehaosa raskuskeskme raadiusega. Pea koos kaelaga Õlavars Küünarvars Labakäsi Reis Säär Keha raskuskese (KRK). KRK on kõige üldisemaks massi jagunemist iseloomustavaks näitajaks kehas. Algasendis asub inimese KRK umbes II sakraallüli (S2) kõrgusel lülisambakanalis. Soost täiskasvanud naistel paikneb KRK umbes 2% madalamal kui meestel. Vanusest lastel paikneb KRK kõrgemal kui täiskasvanutel. Kehaasendist teatud kehaasendite korral paikneb KRK väljaspool keha. Treenitusest lihaste hüpertroofia põhjustab KRK paiknemises muutusi. KRK Labajalg Keha raskuskese (KRK). KRK paiknemisest sõltub ka keha tasakaal Elutegevuse käigus mõjuvad inimese liikumisaparaadile pidevalt mitmesugused jõud (koormused), mis põhjustavad luude, lihaste, sidemete ja kõõluste deformatsioone. Deformatsioon on keha kuju ja ruumala muutus rakendatud koormuste mõjul. Deformatsioone põhjustavad. Keha ja kehaosade ning väliste kehade raskusjõud Keha ja kehaosade inertsijõud (liikumisel) Lihaste kontraktsioonijõud Toereaktsioonid Elastset deformatsiooni, kui see kaob pärast koormuse mõju lakkamist. Plastset deformatsiooni, kui see ei kao pärast koormuse mõju lakkamist tekib jääkdeformatsioon Kehade elastsus avaldub nende suhteliselt väikeste deformatsioonide korral, suurte koormuste korral järgneb elastsele alati plastne deformatsioon ja lõpuks keha purunemine. Kõõluse/ sidemete tõmbe diagramm. Staatiliste koormuste väärtus, suund ja rakenduskoht on ajas muutumatud, reeglina on need koormused väikesed ning inimese poolt hästi prognoositavad. Dünaamiliste koormuste väärtus, suund ja rakenduskoht on ajas kiirelt muutuvad, põhjustades inertsijõudusid, mis võivad olla mõnikord väga suured. Dünaamilised koormused on inimese poolt halvasti prognoositavad. 4

Deformatsiooni liigid. Tõmme Surve Paine Põige Vääne Asend 4 Asend3 Asend 2 Asend 1 Põlveliigeses sääreluu eesmisele osale mõjuvad survekoormused Lülisambale (L3-L4) mõjuvad survekoormused, sõltuvakt keha massist Lülisambale mõjuvad survekoormused 5

Lülisambale mõjuvad survekoormused Lülisambale mõjuvad survekoormused Sobivaim asend kestvaks (8-tunniseks) istumiseks. Lülisambale mõjuvad survekoormused sõltuvalt rühist Pantogramm Psaromatis M.X. 5 Steps to Freedom from Debilitating Back Pain, 2009. Lülisamba kõveruste arvuline määramine. C7 seitsmes kaelalüli; S1 esimene sakraallüli; K - rinnaküfoosi nurk; L - nimmelordoosi nurk; RL - ristluunurk. Biomehaanika seisukohalt talitlevad luud kangidena Kang on liikumatu tugipunkti või telje ümber pöörelda võiv jäik keha, millele rakendub vähemalt kaks jõudu. Kangi elemendid: - pöörlemistelg - toimejõud (F) - takistusjõud (R) - jõuõlg pöörlemistelje ja jõu mõjusirge vaheline kaugus (ristlõik) Pöörlemistelgedeks liigeseteljed Toimejõuks lihaste kontraktsioonijõud Takistusjõuks raskusjõud ja/või antagonistlihaste pinge 6

I liiki luukang (tasakaalukang) II liiki luukang (jõukang) III liiki luukang (kiiruskang) Kangi tasakaal ja liikumine Kangi tasakaal ja liikumine Kangi tasakaal ja liikumine Kehale mõjuvad jõumomendid koos inertsijõumomendiga moodustavad igal ajahetkel tasakaalustava jõumomentide süsteemi. (D Alembert i printsiip) 7

Mehaaniline liikumine Keha mehaaniliseks liikumine kujutab antud keha asukoha muutumist ruumis teiste kehade suhtes aja jooksul. Keha mehaanilise liikumise uurimine tähendab asukoha kindlaksmääramist aja jooksul. Et määrata liikuva keha asukohta, peab oskama liikumist matemaatiliselt kirjeldada, s.o. leida mehaanilist liikumist iseloomustavate suuruste vahelist seost. Sama kehtib ka biomehaanikas, kus inimese keha liikumist iseloomustavate suuruste biomehaaniliste karakteristikute alusel määratakse keha ja selle osade asukoht suvalisel ajahetkel vaadeldavas taustsüsteemis. Mehaaniline liikumine Elusas kehas (organismis) ilmneb mehaaniline liikumine kahel kujul: - keha ja selle osade liikumisena ruumis, - keha ja selle osade deformatsioonina. Inimese liigutustegevusel toimuv keha ja selle osade mehaaniline liikumine tekib välisjõudude (raskusjõu, keha kaalu, hõõrdejõu, toereaktsiooni, väliste kehade elastsusjõu, väliste kehade inertsijõu, keskkonna takistusjõu) ning aktiivse sisejõu (lihaste kontraktsioonijõu) koosmõju tulemusena. Mehaaniline liikumine Mehaanika üldiste seaduste rakendamisel elusate kehade uurimisel tuleb arvestada ka nende bioloogilisi iseärasusi, eelkõige liikumisaparaadi muutlikkust: vananemist, treeningu spetsiifikat, liikumisvaegust, mille tulemusena tekib organismi ja elundite funktsionaalse võimekuse langus. Eristatakse kahte liiki biomehaanilist analüüsi: - kvalitatiivne biomehaaniline analüüs uurimismeetodina kasutatakse vaatlust. - kvantitatiivset biomehaanilist analüüsi kasutatakse eksperimentaalseid uurimismeetodeid. Eristatakse järgmisi kvantitatiivse biomehaanilise analüüsi liike: - kinemaatiline analüüs - dünaamiline (kineetiline) analüüs - elektromüograafiline analüüs Biomehaanilistel uuringutel eristatakse kolme järjestikust etappi: 1) biomehaaniliste karakteristikute registreerimine, 2) tulemuste statistiline töötlus, 3) tulemuste analüüs. Biomehaanikas kasutatakse keha ja selle osade liikumise uurimisel abstraktsioone. Sõltuvalt liikumistingimustest ja püstitatud ülesandest käsitletakse biomehaanikas inimese keha: - punktmassina, - jäiga kehana, - mehaanilise süsteemina. Punktmass on keha, mille mõõtmed võib antud liikumistingimustes arvestamata jätta. Biomehaanikas võrdsustatakse inimese keha punktmassiga juhul, kui keha nihe liikumisel on palju suurem võrreldes selle mõõtmetega ja kui ei uurita kehaosade vastastikust ümberpaiknemist, samuti keha pöörlemist. Tavaliselt võrdsustatakse sel juhul inimese kogu keha liikumine KRK liikumisega. Kehaosa liikumise uurimisel võrdsustatakse punktmassiga selle kehaosa raskuskese. 8

Jäigaks kehaks nimetatakse keha, mille deformatsioonid võib antud liikumistingimustes jätta arvesse võtmata. Biomehaanikas võrdsustatakse inimese keha jäiga kehaga juhul, kui võib jätta arvestamata tema lülide (kehaosade) nihked ja kudede deformatsioonid ning kui on oluline arvestada ainult keha mõõtmeid. Biomehaanikas vaadeldakse inimese keha mehaanilise süsteemina, kui on oluline uurida kehaosade liikumise iseärasusi ja nende omavahelisi suhteid. Mehaanilise süsteemi igal osal on mõõtmed ja mass. Jäik keha säilitab alati oma geomeetrilise kuju. Jäiga kehana vaadeldakse inimese keha pöörlemise uurimisel püsivas asendis, samuti keha tasakaalu uurimisel. Kinemaatiline analüüs. Kinemaatiline analüüs seisneb liigutustegevuse välise pildi uurimises. Selgitatakse, millistest liigutustest ja liikumisfaasidest üks või teine motoorne tegevus koosneb ning millises järjekorras liigutusi sooritatakse. Põhineb liigutustegevuse kinemaatiliste: 1) ruumiliste, 2) ajaliste, 3) ajalis-ruumiliste. karakteristikute registreerimisel. Kinemaatiline analüüs võimaldab hinnata. Patsientide motoorse puude suurust ja iseärasusi (täpsustada diagnoosi). Rakendatud ravivõtete efektiivsust nii kliinilises meditsiinis (neuroloogias, traumatoloogias) kui ka taastusravis (füsioteraapias). Proteeside kasutamise efektiivsust. Kinemaatiline analüüs. Kinemaatiline analüüs. Ruumilised karakteristikud: 1) koordinaadid, 2) trajektoor, 3) nihe. Ajalised karakteristikud: 1) ajamoment, 2) liikumise kestus, 3) liigutuste tempo (sagedus), 4) liikumise rütm (tsüklogramm). Filmi- ja videotehnika. (kolme dimensionaalne (3D) liigutustegevuse biomehaanilise analüüsi seadmed) Aktselerograafia. Ruumilis-ajalised karakteristikud: 1) kiirus, (kulgliikumisel) 2) kiirendus, 3) nurkkiirus, (pöörlemisel) 4) nurkkiirendus. Goniograafia. 9

Kinemaatiline analüüs võimaldab hinnata. Nurga muutus põlveliigeses ja hüppeliigeses frontaaltelje suhtes kõnnil. Dünaamiline analüüs. Dünaamiline (kineetiline) analüüs seisneb liikumise tekke ja selle põhjuste selgitamises rakendatud jõudude mõjul, samuti liigutustegevuse energeetiliste aspektide ja tasakaalutingimuste uurimises. Põhineb liigutustegevuse dünaamiliste (inertsiaalsete, jõu- ja energeetiliste) karakteristikute registreerimisel. Dünaamiline analüüs. Liigutustegevuse dünaamiline analüüs võimaldab hinnata: Lihaste kontraktsioonijõu ja välisjõudude rakendumise efektiivsust liigutustegevuse erinevates faasides. Energeetilisi kulutusi liigutustegevustel. Mehaanilist ökonoomsust liigutustegevustel. Dünaamilised karakteristikud. Dünaamilised karakteristikud jaotatakse alljärgnevalt: - inertsiaalsed karakteristikud - jõukarakteristikud - kombineeritud karakteristikud - energeetilised karakteristikud Liigutustegevuse dünaamilisel analüüsil kasutatavad põhilised uurimismeetodid: Dünamomeetria ja dünamograafia Ergomeetria Dünaamilised karakteristikud. Jõukarakteristikud Kulgliikumisel: - jõud F - jõuimpulss I Pöörlemisel: - jõumoment M - jõumomendi impulss Mi Jõud F Jõud on kehade liikumisoleku muutumist või nende deformatsiooni põhjustava vastastikuse mehaanilise mõju mõõt kulgliikumisel. Kombineeritud karakteristikud - impulss ehk liikumishulk (kulgliikumisel) K - impulsimoment ehk liikumishulga moment (pöörlemisel) Km - jõugradient G Energeetilised karakteristikud - mehaaniline töö A - võimsus N - mehaaniline energia E - mehaaniline kasutegur η (20 30%) 10

Jõumoment M Pöörleva keha liikumise muutuse põhjuseks ei ole mitte jõud, vaid jõumoment M, mis pöörlemistelje suhtes võrdub jõu F ja jõuõla l F korrutisega: Puusaliigeses tekkiv jõumoment Mpl liikumisel Mehaaniline töö A Mehaaniline töö A on suurus, mis iseloomustab jõu mõju kehale selle teatud nihke puhul antud jõu mõjul. Inimese liikumisaparaat täidab kahte põhifunktsiooni sooritab liigutusi ja säilitab kehaasendeid raskusjõu väljas. Vastavalt sellele eristatakse lihaste: - dünaamilist tööd - staatilist tööd Jõudude vastastikune mõju Kehad mõjutavad teineteist alati vastastikku, s.o. kehad mõjutavad teineteist jõududega Selle tulemusena omandab kumbki keha kiirenduse või deformeerub Jõudude vastastikust mõju iseloomustab Newtoni III seadus: kaks keha mõjutavad teineteist absoluutväärtuselt võrdsete ja vastassuunaliste jõududega: Seega kaasneb iga aktsiooniga võrdne ja vastassuunaline reaktsioon Newtoni III seaduse rakendumine tugipinnal liikumisel Inimese keha poolt tekitatud aktiivne jõud (survejõud) mõjutab tugipinda, põhjustades reaktiivse jõu (toereaktsiooni) tekke, mis mõjutab inimese keha Toereaktsioon Survejõud Tänan tähelepanu eest! 11