Biomekanika

Besoko muskulu batek egin behar duen indarraren kalkulatzeko, sistema mekanikoa barra zurrun bat bezala sinplifikatu.

Biomekanika egitura eta funtzio biologikoak ikuspegi mekaniko batetik aztertzean datza, hau da, kanpoko indarrek organismo bizidunen mugimenduari eta egiturari nola eragiten dieten aztertzen du. Biomekanikak organismoen maila makroskopikokoa aztertzen du, eta ez da mekanobiologiarekin nahastu behar, kanpoko indarrek zelula-prozesuen gain (bereizketa zelularra esaterako) duten eragina aztertzen duen zientzia.

Biomekanikaren oinarria izaki bizidunek eta objektu bizigabeek jasaten dituzten lege fisikoak berdina direla onartzea da. Hala ere, kontuan hartu beharra dago izaki bizidunak sistema oso konplexu eta dinamikoak direla, eta artifizialki garatu ezin izan diren ezaugarriak dituztela. Sistema konplexu horiek ebatzi ahal izateko gaur egun ordenagailuez baliatzen gara, sortutako algoritmoek hainbat orduren premia izan dezakete sistemak ebazteko, baina azkenean emaitza lortzen dugu. Teknologia hauen aurretik existitzen zen irtenbide bakarra, eskuineko irudian ikusten den bezala, sistema sinplifikatzea zen.

Etimologia

"Biomekanika" hitza antzinako grekotik dator, βίος “bizi” eta μηχανική “mekanika” organismo bizidunen printzipio mekanikoen azterketari erreferentzia egiteko, bereziki haien higidurari eta egiturari.

Historia

Biomekanikako lehen lanetako baten orrialdea (Giovanni Alfonso Borelliren De Motu Animalium).

Egiptoko inperioan, K.a. 1700-1600 inguruan, muskuluen anatomiari eta mugimenduari buruzko ideia primitiboei buruzko oharrak zituzten antzinako pergaminoak idatzi ziren, sarritan baltsamamenduaren artearekin lotuak. Geroago, Hipokratesek, K.a. 400 urte inguruan, artikulazioetako lesioak konpontzeko tresna paregabeak asmatu zituen eta gutxi gorabehera K.a. 350ean, Aristotelesek, bere "De Motu Animalium" liburuan (Animalien mugimenduari buruzkoa), animalien gorputza sistema mekaniko gisa definitu zuen, muskuluen ekintzak deskribatuz eta lehendabiziko aldiz analisi geometriko bat eginez.

Leonardo Da Vincik eta Galileok biomekanika modernizatzeko lehen urrats garrantzitsuetako batzuk eman zituzten ere, haien aurkikuntza zientifikoko eremuetan aurrera eginez. Da Vinci izan zen gizaki bat aro modernoan disekzionatu zuen lehena, gure hezurren kokapenari, muskuluak horiekin konektatuta dauden moduari eta horiek mugitzen dituzten mekanismoei buruzko azalpen berriak emanez. Galileo, bestalde, mekanika modernoaren aita da, medikuntza eta mekanika ikasi zuen, eta izaki bizidunen mekanikaren ikerketa deskribatzen duten lehen idazlanetako bat idatzi zuen 1638an.

1679an, Giovanni Alfonso Borellik izaki bizidunen biomekanikari buruzko lehen lana idatzi zuen, "De Motu Animalium", Aristotelesen liburuaren izena hartuz. Borellik mugimendu espezifikoak zirriborratu zituen barne indarrekin (garaiko ezagutzak kontuan hartuta), eskuineko irudian ikusten den bezala.

Wilhelm eta Eduard Weber izan ziren, 1836an, giza lokomozioari buruzko lehen ikerketa zientifiko espezifikoa egin zutenak. Higidura gizakientzat eta animalientzat prozesu sinplea izatetik urrun dagoela frogatzen hasi ziren. Adibidez, gizakiek ibiltzea, berez, oso ekintza konplexua da, 200 hezur eta 300 muskulu eskeletiko baino gehiago erabiltzen dituena. Wilhelmek eta Eduardek gizakien grabitate-zentroa mugimendu moten eta intentsitatearen aldaketak adierazten dituen funtsezko puntua dela aurkitu zuten.

Biomekanikaren azterketak erritmo bizian egiten ari dira aurrera, teknologia berriei esker. Kamerak gero eta aurreratuagoak dira, eta ordenagailuek higidurak identifikatu eta kalkuluak aldi berean egiteko gaitasuna dute, baita segundo batzuen ostean patroiak edo konparazioak erakusteko ere. Gauza horiek guztiek era askotara lagundu diote gizarteari, eta, gaur egun, hainbat eremutan eragina dute gure eguneroko bizitzan.

Biomekanikaren aplikazioak arlo desberdinetan

Kirola

Biomekanika akrobazia estatiko bat aztertzen.

Gorputzak nola mugitzen diren eta barruko eta kanpoko indarrek jarduera bat egiteko nola jokatzen duten aztertzeak interes handia piztu du kirolaren munduan. Hurrengoak dira kirol munduan gehien erabiltzen diren biomekanikaren aplikazioak:

• Kirol-teknika aztertu. Korrika, salto edo igeri egiteko bezalako diziplinetan hobetzeko. Higiduraren zinematika eta zinetika aztertuz, hobetu daitezkeen alderdi espezifikoak identifika daitezke, hala nola gorputzaren posizioa, artikulazioen lerrokadura edo mugimenduen eraginkortasuna.
• Errendimendua optimizatu. Higiduraren mekanika nola hobetu, potentzia maximizatu eta giharretako nekea nola minimizatu uler daiteke, eta horrek errendimendu atletiko hobea lortzen laguntzen du.
• Lesioen prebentzioa. Kargaren eta higiduraren zehar gorputzari aplikatutako indarren analisiaren bidez, lesioen probabilitatea areagotu dezaketen arrisku-faktore biomekanikoak identifika daitezke. Horri esker, prebentzio-estrategiak ezar daitezke, hala nola teknika zuzentzea eta ekipamenduan aldaketak egitea, lesioak izateko arriskua murrizteko.
• Kirol-ekipamendua diseinatu. Adibidez oinetakoak, arropa eta babes-ekipamendua. Higiduraren bitartean ekipamenduak gorputzarekin nola elkarreragiten duen ulertzean, kirolariaren errendimendua, erosotasuna eta segurtasuna hobetuko duten produktuak diseina daitezke.

Errehabilitazio fisikoa

Indarrak neurtzen dituen eskailera, pisua hobeto orekatzeko.

Biomekanika hainbat modutan erabiltzen da lesioak errehabilitatzeko, baina beti errekuperazio-prozesua optimizatzea dute helburu. Hurrengoak dira errehabilitaziorako gehien erabiltzen diren biomekanikaren aplikazioak:

• Higidura azterketu. Honen barruan zinematika, zinetika eta muskuluen aktibazioaren ebaluaketa sartzen da, berreskurapenari kaltetu diezaioketen gabeziak edo desorekak identifikatzeko. Informazio horrekin, ariketa pertsonalizatuen programak diseinatu daitezke, eta mugimendu-teknika egokitu funtzionaltasuna hobetzeko.
• Errehabilitazioaren karga eta estresa ebaluatu. Horretarako mindutako artikulazioetan, muskuluetan eta ehunetan eragiten duten indarrak eta presioak neurtu. Datu horiekin, ariketaren karga optimoa zehaztu daiteke, eta progresio mailakatuko jarraibideak ezarri, berriz lesionatzeko arriskua minimizatzeko eta berreskurapen segurua sustatzeko.
• Lesioak errehabilitatzen laguntzen duten laguntza-gailuak diseinatu. Ortesiak eta protesiak izan daiteke. Hauek paziente bakoitzaren beharrizan indibidualetara egokitzen dira, eta higiduraren biomekanika hobetzeko, egitura-euskarria emateko eta errekuperazio egokia sustatzeko diseinatuta daude.

Ergonomia ez zaintzeagatik ordenagailuen erabilerak sortzen dituen estres puntuak.

Ergonomia

Biomekanikak giza gorputzak lanaren eskaera fisikoei nola erantzuten dien eta lesio-arriskuak nola minimiza daitezkeen ulertzeko ezagutza zientifikoak eta analisi-teknikak ematen ditu. Ergonomiak ezagutza horiek erabiltzen ditu lantokiak, tresnak eta lan-sistemak diseinatzeko eta egokitzeko, karga fisikoak murrizteko eta langilearen erosotasuna, efikazia, errendimendua eta segurtasuna optimizatzeko, nekea eta estresa minimizatzen den aldi berean. Pisu asko altxatu behar duten lanpostuetan adibidez, exoeskeletoak erabiltzea onuragarria izan daiteke, eta hauek fabrikatzeko biomekanika hartu behar da kontuan.

Gailu medikoen diseinua

Femur fraktura batentzako diseinatutako inplantea.

Biomekanikak inplante, protesi kirurgiko eta gailu ortopedikoak diseinatzeko balio du. Pertsona baten gabeziaren edo arazoaren analisi biomekanikotik abiatuta, diseinu mekanikoa eta fabrikazio-materialen eta -prozesuen hautaketa lantzen dira. Horretaz aparte, osasun-produktuei aplikatu beharreko araudia eta produktuaren eskalatze industrialerako aukerak kontuan hartu behar dira hauek diseinatzerako orduan. Gaur egun erabiltzen ari diren inplante asko biodegradagarriak dira. Honek hezurraren eta beste ehunen birsorkuntza ahalbidetzen du, degradazioa gertatzen den heinean, baina horretarako ehunek eta inplanteak konbinaturik dituzten propietate mekanikoak konstante mantendu behar dira.

Kotxe istripu bateko indarrak neurtzen.

Auzitegi-ikerketak

Biomekanika gertaera traumatikoetan gizakiok jasandako lesioak aztertzeko eta ulertzeko erabiltzen da, hala nola zirkulazio-istripuak edo erasoak. Gertakari batean inplikatutako indarrak berreraikitzeko eta ulertzeko balio du, eta hori funtsezkoa izan daiteke lesioaren edo heriotzaren kausa zehazteko. Horrela, kotxe fabrikatzaileek bidaiarien segurtasun-sistemak hobetu ahal izan dituzte, hala nola airbag-ak hedatzeko moduaren hobekuntzak eta segurtasun-uhalek gorputzaren inguruan nola lotzen dituzten.

Gainera, eraso batean parte hartzen duten lekukoen testigantzak baliozkotzeko edo ezeztatzeko erabil daitezke. Ebidentzia biomekanikoak pertsonen adierazpenak babesten edo zalantzan jartzen dituzten datu objektibo eta zientifikoak eman ditzake, gertakari baten atzean egia argitzen lagunduz.

Biomekanika konputazionala

Giza tibiaren analisi konputazionala

Biomekanika konputazionala sistema biomekaniko konplexuen ordenagailuen bidezko simulazioa da. Normalean, portaera zinematikoak simulatzeko hainbat solido-eredu erabiltzen dira, eta ehunen eta elementu biologikoen deformazio- eta erresistentzia-propietateak simulatzeko elementu finituen metodoak.

Medikuntzan, azken hamarkadan, elementu finituen metodo hauek in vivo ebaluazio kirurgikoaren alternatiba sendotua bihurtu da. Biomekanika konputazionalaren abantaila nagusietako bat anatomia baten erantzun endoanatomikoa zehazteko duen gaitasuna da, eztabaida etikoei lotuta egon gabe. Biomekanika konputazionala simulazio kirurgikoaren funtsezko osagaia da, eta plangintza, asistentzia eta prestakuntza kirurgikorako erabiltzen da. Honetarako, zenbakizko metodoak (diskretizazioak) erabiltzen dira sistema batek inguru-baldintzei ematen dien erantzuna ahalik eta azkarren kalkulatzeko, hala nola indarrei, beroaren eta masaren transferentziari eta estimulu elektriko eta magnetikoei.

Kanpo estekak

• Datuak: Q193378
• Multimedia: Biomechanics / Q193378