Biomehānikas izpētes objekts ir cilvēks un cilvēka organisma struktūras un sistēmas, kas atrodas līdzsvara stāvoklī vai kustībā un uz kurām iedarbojas iekšējie un ārējie spēki. Medicīniskā biomehānika pēta cilvēka dzīvības norišu mehāniskos pamatus, iemeslus un sekas. Kā medicīnas prakses un zinātnes joma veidojusies daudzu simtu un tūkstošu gadu laikā, bet kā patstāvīga zinātnes apakšnozare nostiprinājusies 20. gs.
medicīniskā biomehānika
medicīnas zinātnes apakšnozare, kas pēta normālu un patoloģiski izmainītu cilvēka šūnu, audu un bioloģisko sistēmu mehāniskās īpašības, to līdzsvara un kustību likumsakarības, kā arī audu, orgānu un organisma mijiedarbību ar mehānismiem
Saistītie šķirkļi
Nozares un apakšnozares
medicīna
- anatomija
- anestezioloģija, reanimatoloģija, intensīvā terapija
- attīstības ģenētika
- dzemdniecība
- embrioloģija
- epidemioloģija
- ginekoloģija
- histoloģija
- infektoloģija
- internā medicīna
- kinezioloģija
- ķirurģija
- medicīniskā biomehānika
- neiroloģija
- onkoloģija
- otorinolaringoloģija
- plastiskā anatomija
- reprodukcijas medicīna
- sporta medicīna
- teratoloģija
- topogrāfiskā anatomija
- zobārstniecība
Satura rādītājs
Teorētiskā un praktiskā nozīme
Cilvēka bioloģisko sistēmu mehānisko īpašību izpēte nepieciešama cilvēka normālas funkcionēšanas izpratnei. Medicīnisko biomehāniku pielieto slimību profilaksē, diagnostikā, ārstēšanā un rehabilitācijā, kā arī jaunu ārstniecības metožu un tehnoloģiju attīstībā. Tās nozīme pieaug reizē ar implantējamu konstrukciju (endoprotēžu) un reģeneratīvās medicīnas ieviešanu, kas prasa izpratni par mijiedarbību starp dzīvajiem audiem un implantiem.
Vieta zinātnes klasifikācijā. Galvenie sastāvelementi
Medicīniskā biomehānika ir biomehānikas daļa, kas saistīta ar cilvēku. Medicīniskā biomehānika ir viena no medicīnas bāzes zinātnēm. Tās sastāvdaļas ir biostatika, biokinemātika, biodinamika (t. sk. hemodinamika), biokonstrukcijas, “cilvēks-mašīna” ergonomiskās sistēmas, biomehānikas tehnoloģijas un mākslīgās konstrukcijas.
Fundamentāli pētījumi tiek veikti bioloģisko sistēmu (balsta-kustību aparāta, sirds-asinsvadu, elpošanas, gremošanas, reproduktīvās, nervu sistēmas, urīnizvadsistēmas, redzes un dzirdes, bioloģisko šķidrumu, cieto un mīksto audu) uzbūves un funkcionēšanas mehānikā; cilvēka un dzīvnieku biomehānikas sistēmu salīdzinošajā izpētē jeb salīdzinošajā biomehānikā; kinezioloģijā jeb cilvēka kinētikā; biotriboloģijā (zinātnē par locītavu vai to mākslīgo aizvietotāju virsmu mijiedarbību, t. sk. berzi, eļļošanos, nodilumu); šūnu, membrānu, bioloģisko šķiedru un molekulārajā biomehānikā; audu funkcionālajā rekonstrukcijā, t. sk. reģeneratīvās medicīnas biomehānikā; dentālajā jeb zobu biomehānikā, kas ietver zobu un mutes dobuma audu, zobu protēžu, implantu, ortodontijas, košļāšanas un žokļu mehāniku; sirds un asinsvadu sistēmas biomehānikā, kas ietver sirds, tās vārstuļu un kambaru, kā arī asinsvadu aizstājēju mehāniku; elpošanas biomehānikā; traumu un ievainojošo faktoru biomehānikā, t. sk. sistēmas “cilvēks-mašīna” dinamikā; ortopēdiskajā biomehānikā, kas ietver locītavu, kaulu, skrimšļu, saišu un cīpslu aizstājēju (endoprotēžu) mehāniku; rehabilitācijas biomehānikā, t. sk. gaitas biomehānikas analīzē, protēžu un ortožu mehānikā.
Galvenās teorijas
Medicīniskā biomehānika pamatojas uz to, ka cilvēka ķermenis veidots no dažādu veidu un izmēra biokonstrukcijām (šķiedrām, šūnām, cietajiem un mīkstajiem audiem, orgāniem) un biošķidrumiem (asinīm, limfas, smadzeņu šķidruma), kas pakļauti iekšējo un ārējo spēku iedarbībai. Šīs biokonstrukcijas un biošķidrumi nodrošina mehānisko slodžu pārnesi un var atrasties līdzsvara stāvoklī vai kustībā.
Bioloģisko audu un orgānu mehānisko īpašību neviendabīgums raksturo bioloģisko sistēmu un organisma adaptācijas spējas iekšējās un ārējās vides mehāniskajām iedarbībām. Mehāniskajiem spēkiem ir būtiska nozīme embrija un augļa attīstībā (izraisot adhēziju, kompresiju, spriegumu šūnās u. c.). Šūnu membrānu elastīgo īpašību izmaiņas daudzu slimību gadījumos ir vadošais patoģenētiskais mehānisms (piemēram, eritrocītiem malārijas gadījumā).
Pētniecības metodes
Pētniecības metodes iedala: 1) metodes mehāniskā spēka izraisīto efektu pētīšanai; 2) metodes biokonstrukciju un biošķidrumu uzbūves/sastāva, fizikāli ķīmisko un elektromagnētisko īpašību izpētei; 3) matemātiskās un datormodelēšanas metodes.
Mehāniskā spēka izraisīto efektu pētīšanai biomehāniskos parametrus var noteikt gan dzīvam organismam vai tā daļām (in vivo), gan izolētiem orgāniem, audiem vai šūnām (in vitro). In vivo izmeklēšanas metodes ir, piemēram, arteriālā asinsspiediena vai acu spiediena noteikšana. Asins plūsmas izpētei sirdī un asinsvados izmanto ultraskaņas, magnētiskās rezonanses un rentgenstaru iekārtas. Skeleta muskuļu spēka mērīšanai izmanto analogos un digitālos dinamometrus. Gaitas izpēti veic ar speciālu celiņu aprīkotās laboratorijās, kurās iespējams fiksēt gan soli raksturojošos parametrus, gan pie ķermeņa virsmas piestiprinātu marķieru pārvietošanās trajektoriju trīsdimensiju telpā. Slodzes sadalījumu uz pēdas plantārās virsmas pēta ar digitalizētu atbalsta platformu palīdzību. In vitro ar destruktīvām un nedestruktīvām metodēm (izmantojot mehāniskās slogošanas un citas iekārtas) pēta bioloģisko šķiedru, šūnu, membrānu, cieto un mīksto audu, izolētu orgānu reoloģiskos, stiprības-deformācijas, cietības, stingrības un citus rādītājus.
Metodes biokonstrukciju un biošķidrumu uzbūves/sastāva, fizikāli ķīmisko un elektromagnētisko īpašību izpētei (piemēram, gaismas vai elektronmikroskopija, šķidruma hromatogrāfija) nodrošina pētījumiem nepieciešamo informāciju un veido izpratni par attiecīgā objekta kustību un mehāniskajām īpašībām.
Matemātiskās un datormodelēšanas metodes, piemēram, galīgo elementu metode, ļauj modelēt organisma audu un orgānu iespējamo funkcionēšanu mehāniskas slodzes ietekmē, kā arī izvērtēt endoprotēžu vai protēžu un ortožu mijiedarbību ar apkārtējiem audiem vai ķermeņa daļām.
Īsa vēsture
Par pirmo biomehāniķi uzskata senēģiptiešu ārstu, inženieri un valsts darbinieku Imhotepu (ɪmˈhoʊtɛp), kas 27. gs. p. m. ē. pētījis mugurkaula lūzumu veidošanās mehāniku. 1. gs. romiešu rakstnieks Auls Kornēlijs Celzs (Aulus Cornelius Celsus) sarakstīja enciklopēdiju (saglabājusies tikai daļa “Medicīna”, De Medicina), kurā apkopoja Senajā Grieķijā un Romā uzkrātās klīniskās biomehānikas pamatzināšanas. Grieķu izcelsmes Romas ārsts Galēns (Γαληνός) vairākus gadsimtus bija autoritāte medicīnā un medicīniskajā biomehānikā. Viņš sarakstījis darbus par asinsrites, elpošanas, nervu sistēmas un balsta kustību aparāta funkcionēšanu. K. Galēns ir autors pirmajai grāmatai kinezioloģijā “Par muskuļu kustībām” (De Motu Musculorum).
Viduslaikos medicīniskās biomehānikas attīstība notika lēni, tomēr to raksturo vairāku izcilu personību veikums: persiešu ārsta un filozofa Avicennas (Avicenna) pētījumi gandrīz visos medicīniskās biomehānikas virzienos; arābu ārsta Ibn al Na-fīsa (ابن النفيس) atklājumi asins plūsmas pastāvēšanai plaušās. Pilnu asins cirkulācijas procesu aprakstīja angļu ārsts Viljams Hārvijs (William Harvey) 1628. gadā.
Modernās medicīniskās biomehānikas pamatlicējs ir itāļu fiziologs, fiziķis un matemātiķis Džovanni Borelli (Giovanni Alfonso Borelli) ar darbu “Par dzīvnieku kustībām” (De Motu Animalium, I daļa 1680. gadā Romā, II – 1685. gadā Neapolē). Pateicoties vācu fiziķim Georgam Parotam (Georg Friedrich Parrot), kurš bija Tērbatas Universitātes (krievu Императорский Дерптский университет, vācu Universität Dorpat) pirmais rektors (1802–1826), tika izstrādātas un aizstāvētas vairākas doktora disertācijas par asins plūsmas mehāniku, iekšējo orgānu kinemātiku, muskuļu biomehāniku un biofiziku, smadzeņu biomehāniku un psihobiomehāniku, kā arī veikti pētījumi par kaulu biomehāniku un zoobiomehāniku. 19. gs. pirmajā pusē eksperimentālus pētījumus gaitas analīzē veica brāļi Vilhelms Vēbers (Wilhelm Eduard Weber), Ernsts Vēbers (Ernst Heinrich Weber) un Eduards Vēbers (Eduard Friedrich Weber). Viņi pierādīja, ka iešanu veido kāju un roku svārstveida kustības smaguma spēka ietekmē. 19. gs. beigās reizē ar fotogrāfijas attīstību radās iespēja fiksēt, pierakstīt un analizēt cilvēka un dzīvnieku kustības attēlos. Fundamentālus un revolucionārus darbus šajā jomā veica angļu fotogrāfs Edvards Maibridžs (Eadweard Muybridge) un franču fiziologs un izgudrotājs Etjēns Žils Marē (Etienne-Jules Marey). Vācu ārsts Jūliuss Volfs (Julius Wolff ) pētīja mehānisko spriegumu kaulā un tā ietekmi uz kaula augšanu vai reģenerāciju, formulējot kaulu remodelācijas jeb Volfa likumu (1892). Zviedru ārsts, ortopēds Gustavs Zanders (Jonas Gustaf Wilhelm Zander) 1865. gadā Stokholmā nodibināja Medicīnas mehānisko institūtu (Medico-mekaniska institutet) un radīja mehanoterapiju ar balsta kustību aparāta un lokomotorās sistēmas rehabilitācijas iekārtām, kas iemantoja pasaules slavu un tiek izmantotas vēl mūsdienās. Darba kustību un gaitas biomehānikā klasiski ir krievu biomehāniķa un neirofiziologa Nikolaja Bernšteina (Никола́й Алексaндрович Бернштeйн) darbi (izstrādāti 20. gs. 20. un 30. gados, izdoti pēc Otrā pasaules kara). Latviešu izcelsmes pedagogs, lidotājs, psihotehniķis un biomehāniķis Rūdolfs Jānis Drillis 20. gs. 20.–30. gados Psihotehnikas laboratorijā Rīgā un 50.–60. gados Ņujorkas Universitātē (New York University) veica nozīmīgus atklājumus ergometriskajā un ergonomikas biomedicīnā, normālas cilvēka kustību un gaitas biomedicīnā, psihobiomehānikā, kā arī sporta un agrobiomehānikā. Latvijas Traumatoloģijas un ortopēdijas zinātniskās pētniecības institūtā Haralda Jansona vadībā 20. gs. 70.–80. gados tika radīts klasteris, kurā bija pārstāvētas gaitas, balsta kustību aparāta, endoprotezēšanas, sirds-asinsvadu un acs medicīniskās biomehānikas jomas. Tika noformulēts, ka audu un orgānu adaptācijas spējas mehāniskajām slodzēm ir tieši proporcionālas biomehānisko īpašību neviendabībai attiecīgajās bioloģiskajās struktūrās.
Pašreizējais attīstības stāvoklis
Mūsdienās medicīniskā biomehānika specializējusies makrobiomehānikā un mikrobiomehānikā. Makrobiomehānika tradicionāli pēta organisma, tā daļu un orgānu mehānisko parametru funkcionēšanu (piemēram, gaitas, slodzes sadalījumu uz pēdas plantāro virsmu vai sirds vārstuļu darbības analīzi). Tās pētījumu aktualitāti nosaka jaunu endoprotēžu, eksoprotēžu un ortožu radīšana un pielietošana. Makrobiomehānika nodrošina iespēju izpētīt un novērtēt jauno tehnoloģiju summāro efektu, t. i., cik efektīvi tās aizvieto dabisko audu un orgānu funkciju, kas savukārt ietekmē pacienta labsajūtu un dzīves kvalitāti.
Mikrobiomehānika nodarbojas ar šūnu membrānu, organoīdu, ģenētiskā aparāta, šūnu dalīšanās procesa, kolagēna un elastīgo šķiedru, muskuļu šķiedru, izolētu osteonu, nervu, galvas un muguras smadzeņu traktu, kapilāru, alveolu, nefrona struktūrelementu, iekšējās auss labirintu u. c. mikroskopisku objektu funkcionēšanas izpēti iekšēju un ārēju mehānisku spēku iedarbības rezultātā. Mikrobiomehānika izmanto mikro datortomogrāfiju, lāzerus u. c. tehnoloģijas. Mikrobiomehānika ir svarīga medicīniskās ģenētikas, embrioloģijas, patoloģijas un farmakoterapijas daļa. Jaunu implantējamu un ārēji lietojamu mehānismu radīšanā aizvien plašāk izmanto matemātiskās un datormodelēšanas sistēmas. Mūsdienās viens no apakšnozares lielākajiem izaicinājumiem ir tās starpdisciplinaritāte. Pētījumu īstenošanā, iegūto rezultātu analīzē un tehnoloģiskajā pārnesē iesaistīti ne tikai ārsti, bet arī inženieri, fiziķi, matemātiķi, ķīmiķi, biologi, materiālu pētnieki, tehnologi, antropologi un citu nozaru speciālisti, kuru sadarbību ierobežo atšķirīgā terminoloģija, organizatoriskā, finanšu resursu un zinātniskās ekspertīzes nošķirtība.
Galvenās pētniecības iestādes
Cīrihes Federālā tehnoloģiju institūta (Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich) Biomehānikas institūts (Institute for Biomechanics) Šveicē pēta dabiskos un ar bioinženierijas metodēm radītos muskuloskeletālās sistēmas audus un orgānus no makromēroga līdz mikromērogam. Katalonijas Bioinženierijas institūts (Institut de Bioenginyeria de Catalunya) Spānijā pēta audu fizikālo īpašību un bioloģisko procesu mijiedarbību, tās ietekmi uz orgānu biomehānisko funkcionalitāti; nodarbojas ar mugurkaula biomehānikas pētījumiem un biomehānisko procesu matemātisko analīzi. Eindhovenas Tehniskās universitātes (Technische Universiteit Eindhoven) Biomedicīniskās inženierijas fakultātē (Faculteit Biomedische Technologie) Nīderlandē tiek veikti pētījumi šūnu un audu mikrobiomehānikā. Ricoli Ortopēdijas institūts (Istituto Ortopedico Rizzoli) Itālijā veic pētījumus ortopēdiskajā biomehānikā, gaitas analīzē un endoprotežēšnas biomehānikā. Juliusa Volfa Biomehānikas un muskuloskeletālās reģenerācijas institūts (Julius Wolff Institut für Biomechanik und Muskuloskeletale Regeneration) Berlīnē pēta audu reģenerācijas un muskuloskeletālās sistēmas biomehāniku. Kornela Universitātes (Cornell University) Biomehānikas programmā (Biomechanical Mechanics) ASV notiek pētījumi kustību biodinamikā. Stenforda Universitātes (Stanford University) Bioinženierijas departaments (Department of Bioengineering) ASV veic pētījumus sirds un asinsvadu sistēmas biomehānikā. Raša Universitātes Medicīnas centra (Rush University Medical Center) Ortopēdiskās ķirurģijas departaments (Department of Orthopedic Surgery) ASV veic pētījumus ortopēdiskajā biomehānikā, t. sk. endoprotezēšanas un sporta biomehānikā.
Nozīmīgākie periodiskie izdevumi
Medicīniskās biomehānikas pētījumi tiek publicēti žurnālos Clinical Biomechanics (kopš 1986. gada, Elsevier), Journal of Applied Biomechanics (kopš 1985. gada, International Society of Biomechanics), Journal of Biomechanics (kopš 1968. gada, Elsevier), American Journal of Physiology (kopš 1898, American Physiological Society), Heart and Circulatory Physiology (kopš 1977. gada, American Physiological Society), Journal of Bone and Joint Surgery (kopš 1889, The Journal of Bone and Joint Surgery, Inc.) un citos.
Ievērojamākie mūsdienu pētnieki
Amerikāņu ortopēds un ķirurgs Faršids Guilaks (Farshid Guilak) veicis plašus pētījumus balsta-kustību aparāta biomehānikā un audu inženierijā. Itāļu zinātnieks Aurēlio Kapoco (Aurelio Cappozzo) veicis fundamentālus pētījumus kustību un gaitas analīzē, sporta biomehānikā, ergonomikā, kā arī biomedicīniskajā inženierijā. Nīderlandiešu zinātnieks Franks Gaisens (Frank Gijsen) veicis pētījumus par asinsvadu un to aizstājēju biomehāniku, 3D printēšanas iespējām orgānu aizstājēju radīšanā. Beļģu zinātnieks Hanss van Osterveiks (Hans Van Oosterwyck) matemātiski modelējis kaulaudu un asinsvadu reģenerāciju un pētījis to mijiedarbību ar implantiem. Jaunzēlandiešu zinātnieks Pīters Hanters (Peter Hunter) matemātiski modelējis audu un orgānu sistēmas, t. sk. izmantojot galīgo elementu metodes. Japāņu zinātnieks Masaki Sato (Masaaki Sato) pētījis asinsvadu un citu šūnu eksperimentālo mikrobiomehāniku. Austrāliešu zinātnieks Endrjū Kresvels (Andrew Cresswell), Starptautiskās Biomehānikas biedrības (International Society of Biomechanics) prezidents, veicis pētījumus neirofizioloģijā un neiromehānikā, kā arī cilvēka kustību biomehānikā. Amerikāņu zinātnieks Pols Devita (Paul DeVita), Amerikas Biomehānikas biedrības (The American Society of Biomechanics) prezidents, veicis plašus pētījumus lokomotorās sistēmas biomehānikā (normā un patoloģijā), kā arī rehabilitācijas un sporta biomehānikā.