Biomechanika Inżynierska -...

Biomechanika Inżynierska 1

Biomechanika Inżynierska

wykład 1

Instytut Metrologii i Inżynierii BiomedycznejPolitechnika Warszawska

Sprawy organizacyjne

Wykład:

Dr inż. Szymon Cygan● pok. 40● tel. 22-234-86-64● e-mail:

s.cygan@mchtr.pw.edu.pl● Konsultacje:

● wtorki godz.11-13

Wykład i laboratorium:

Mgr inż. Krzysztof Wildner● pok. 408 / 155● tel. ● e-mail:

k.wildner@mchtr.pw.edu.pl● Konsultacje:

● wtorki godz. 10-12

System oceny

● Laboratorium 40% oceny

● Musi być zaliczone (przekroczone 50% punktów)

● Wykład 60% oceny

● Musi być zaliczony (przekroczone 50% punktów)

● Egzamin – test wielokrotnego wyboru, krótkie pytania opisowe,

zadania

● 2 x połówkowy; 2 x w sesji; 1 x we wrześniu

● Ewentualne dodatkowe punkty z prac domowych (?)

Materiały do przedmiotu

● Na stronie Zakładu Inżynierii Biomedycznej (zib.mchtr.pw.edu.pl)

● W dziale Dydaktyka

● W zakładce Przedmioty Obowiązkowe● http://zib.mchtr.pw.edu.pl/?Dydaktyka:Przedmioty_obowi%B1zkowe

Literatura

● „Podstawy Biomechaniki", J. Mrozowski, J. Awrejcewicz, 2004

● „Biomechanika układu ruchu człowieka", T. Bober, J. Zawadzki, 2003

● „Biomechanika narządu ruchu człowieka”, D. Tejszerewska, E. Świtoński, M. Gzik, 2011

● „Biomechanika Inżynierska“, R. Będziński, 1997

● „Bionika ruchu“, Morecki A., Ekiel J., Fidelus K., 1971

● „An introduction to biomechanics” Harold M. Frost, 1971

Wstęp

Czym my się zajmujemy?

Wstęp

Laboratorium Techniki Ultradźwiękowej w Zastosowaniach Medycznych:

● Elastografia i metody obrazowania odkształceń dla echokardiografii

Zespół Biomechaniki:

● Metoda i urządzenie „neuroprotezy“ do przywracania funkcji kończyny górnej utraconych w wyniku uszkodzenia splotu ramiennego

● (Analiza ruchu)

Wstęp

Elastografia

Ultrasound scanner

Interface module

Phantom

Ultrasound probe

Framegrabber

Wstęp

Przesunięcie Przesun

Sygnał oryginalny

Sygnał przesunięty

Wstęp

Obrazowanie odkształceń w echokardiografii

➢ Fantomy (fizyczne modele) serca o znanej geometrii i właściwościach

➢ Stanowisko do symulacji pracy serca (modelu) do obrazowania ultrasonograficznego i MRI.

Vivitro

Wstęp

Obrazowanie odkształceń w echokardiografii

500 1000 1500 2000

-0 .15

-0 .05

Wtrącenie

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Wtrącenie

200 400 600 8 00 1000 1200 1 400 1600 1800

Wstęp

Metoda i model „neuroprotezy“ do przywracania funkcji kończyny górnej utraconych w wyniku uszkodzenia splotu ramiennego

Jednostka centralna-przetwarzanie-

transmitertransmiter

Zasilanie

Wzmacniacz Stymulatortransmiter transmiter

rf1 rf2

Biomechanika

Czym jest BIOMECHANIKA?

Biomechanika

Czym jest BIOMECHANIKA?

Biomechanika

Biomechanika...

- dział fizjologii zajmujący się badaniem ruchów człowieka i zwierząt z punktu widzenia praw fizyki i anatomiczno - fizjologicznych właściwości narządów ruchu (Słownik Języka Polskiego pod redakcją M. Szymczaka PWN 1978)

- nauka o ruchu i mechanizmach ruch ten wywołujących ze szczególnym uwzględnieniem człowieka oraz zwierząt (Problemy Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej, Tom V, "Biomechanika", redaktor M. Nałęcz, Wyd. Komunikacji i Łączności, 1990)

- nauka zajmująca się badaniem mechanicznych właściwości tkanek i narządów oraz ruchem żywych organizmów, jego przyczynami i skutkami z punktu widzenia praw mechaniki (Wielka Internetowa Encyklopedia Multimedialna)

Biomechanika

Biomechanika...

jest nauką badającą siły zewnętrzne działające na struktury biologiczne i współdziałające z nimi siły wewnętrzne oraz efekty wywołane przez te siły (B. Nigg, W. Herzog, "Biomechanics", 1994)

jest nauką, która bada struktury i funkcje systemów biologicznych przy użyciu wiedzy i metod mechaniki ("Podstawy Biomechaniki", J. Mrozowski, J. Awrejcewicz, 2004)

jest to mechanika zastosowana do biologii ("Biomechanics. Mechanical properties of living tissues", Y. Fung, Springer, 1981)

jest nauką zajmującą się działaniem wewnętrznych i zewnętrznych sił na ciało - strukturę biologiczną istot żywych oraz skutkami tych działań ("Biomechanika układu ruchu człowieka", T. Bober, J. Zawadzki, 2003)

Biomechanika

Biomechanika Inżynierska obejmuje studiowanie i modelowanie ruchu;

techniki pomiarowe, manipulację i lokomocję człowieka, zwierząt i owadów,

badania postaw, własności mechanicznych i elektrycznych mięśni, tkanki

łącznej, ścięgien biologicznych, własności mechanicznych i regulacyjnych

układu szkieletowo-mięśniowego.

(wg. Biomechanika Inżynierska, R. Będzińskiego za A. Moreckim)

Wstęp

Do czego taka Biomechanika może się przydać?

Wstęp

Height: 50–100 meters Weight: 100–60,000 tons

Length: 150-400 mmWeight: 50-70 g

Height: 50–100 meters Weight: 100–60,000 tons

- mało wiarygodne dane internetowe -

Wstęp

Założenia:

Długość: 200 mmWaga: 60 g

Założenia:

Wysokość: 75 mWaga: 10'000 ton

Wstęp

Nacisk na stopę:

F = mg = 0,6 N

Masa: m = 60 gPrzysp.: g=10m/s2

Nacisk na stopę:

F = mg = 1 * 108N

Masa: m = 10000 tonPrzysp.: g=10m/s2

Wstęp

Nacisk na stopę:

F = 0,6 N

L = 2 cmD = 2 mm

Nacisk na stopę:

F = mg = 108N

L = 20 mD = 2 m

Kość piszczelowa

Wstęp

Nacisk na stopę:

F = 0,6 NA = 3,14 * 10-6 m2

Ciśnienie:P = 0,12 MPa

Nacisk na stopę:

F = mg = 108NA = 3,14 m2

Ciśnienie:P = 32 MPa

Wstęp

Ciśnienie w kości:

P = 0,12 MPa

Ciśnienie w kości:

P = 32 MPa

Wytrzymałość kości korowej człowieka (lity fragment kości udowej):

Pmax = 100 MPa

Wstęp

Wytrzymałość kości korowej człowieka (lity fragment kości udowej):

Pmax = 100 MPa

Wstęp

Co z tego wynika?

Wstęp

Co z tego wynika?

Czy mrówka powiększona do naszych rozmiarów byłaby taka silna?

Mechanika

Dział fizyki zajmujący się opisem ruchu i odkształceń ciał materialnych lub ich części na skutek ich wzajemnych oddziaływań oraz badający stan równowagi między nimi.

Mechanika

➢ Statyka - dział mechaniki zajmujący się równowagą układów sił. Podstawowym problemem jest znajdowanie położenia równowagi w danej sytuacji początkowej

➢ Kinematyka - dział mechaniki zajmujący się badaniem geometrycznych właściwości ruchu ciał bez uwzględniania ich cech fizycznych (np. masy) i działających na nie sił.

➢ Dynamika - dział mechaniki zajmujący się ruchem ciał materialnych pod działaniem sił.

➢ (Statyka)

➢ Kinetyka - jest działem dynamiki, który określa prawa zachowania się ciał fizycznych, znajdujących się w ruchu pod wpływem niezrównoważonego układu sił.

Mechanika

➢ Zadanie proste

➢ Zadanie odwrotne

Q ΣQ=ms" ∫∫ s

Siły momenty

Opis ruchu Przemieszczenia

Qms"=ΣQs d 2

Siły momenty

Opis ruchuPrzemieszczenia

Mechanikaprzypomnienie

Stopień swobody?

Stopień swobody - w fizyce minimalna liczba niezależnych zmiennych opisujących jednoznacznie stan (modelu) układu fizycznego, w termodynamice liczba niezależnych zmiennych stanu, które można zmieniać nie powodując zmiany stanu (rodzaju i liczby faz).

W praktyce stopień swobody określa liczba zmiennych układu, które można zmieniać, bez automatycznego powodowania zmian pozostałych zmiennych.

Liczba stopni swobody w mechanice klasycznej:

Liczba niezależnych ruchów, jakie ciało jest w stanie zrealizować w przestrzeni.

Swobodne ciało sztywne ma ......... stopni swobody.

Ciała odkształcalne mogą mieć większą liczbę stopni swobody.

➢ Model dyskretny: ciała o skończonej liczbie stopni swobody,➢ Model ciągły: ciała o nieskończonej liczbie stopni swobody.

Każdą trajektorię ciała materialnego można rozłożyć na sumę prostych ruchów – wynikających z stopni swobody.

Ciało materialne (np. człon mechanizmu) połączone z drugim traci pewną liczbę stopni swobody.

- to ile stopni traci zależy od klasy połączenia

Jeżeli układ składa się z dwóch ciał (podukładów) o odpowiednio n1 i n2 stopniach swobody, oraz między tymi ciałami występuje w więzów, to układ taki ma: n1+n2 - w stopni swobody.

Przemieszczenie (displacement)

d = Δx0

Odkształcenie (strain)

=x1−x2

ϵ=limΔ LLL→0

Naprężenie (stress)

s – wektor naprężeńn – wektor normalny do powierzchni Aσ – naprężenia normalneτ – wektor naprężeń ścinających

F s=limFA

Prawo Hooke'a – odkształcenie ciała pod wpływem działającej na nie siły jest wprost proporcjonalne do tej siły, ale....

E – moduł Younga (moduł odkształcalności liniowej, moduł (współczynnik) sprężystości podłużnej)

σ=E⋅ϵ σ

Przemieszczenie - pole wektorowe, przyporządkowujące każdemu punktowi ciała wektor przemieszczenia

d = Δx0

u= R1− R0

R – wektor położeniaΩ – zbiór punktów ciałaP – wszystkie punkty przestrzeni

Pole wektorowe

Pole wektorowe przemieszczeń

u⃗=R⃗1− R⃗0

u= R1− R0

Odkształcenia

-ε+ε

Odkształcenia

+ε-ε

Odkształcenia

+γ-γ

Odkształcenia 3D

u= R1− R0

Odkształcenia 3D

u⃗=[u x , u y , uz ]u⃗

ϵx=δu xδ x

ϵ y=δu yδ y

ϵz=δuzδ z

Odkształcenia 3D

u⃗=[u x , u y , uz ]u⃗

δuxδ y

Odkształcenia 3D

u⃗=[u x , u y , uz ]u⃗

γxy=σ u xσ y

+σ u yσ x

γxz=σ uxσ z

+σ u zσ x

γ yz=σ u yσ z

+σ uzσ y

Przemieszczenia 3D

Odkształcenia 3D

u⃗=[u x , u y , uz ]u⃗

ϵx ,ϵy ,ϵz , γxy ,γxz ,γ yz

Przemieszczenia 3D

Odkształcenia 3D- tensor odkształceń

u⃗=[u x , u y , uz ]u⃗

ϵx ,γ xy2,γxz2

γxy2,ϵy ,

γ yz2

γ xz2,γ yz2,ϵz

Odkształcenia

ϵx ,γxy2,γ xz2

γ xy2,ϵy ,

γ yz2

γ xz2,γ yz2,ϵz

[http://en.wikipedia.org/wiki/File:2D_geometric_strain.svg]

Odkształcenia

ϵx ,γxy2,γ xz2

γ xy2,ϵy ,

γ yz2

γ xz2,γ yz2,ϵz

γxy=σ u xσ y

+σ u yσ x [http://en.wikipedia.org/wiki/File:2D_geometric_strain.svg]

Odkształcenia

ϵx ,γxy2,γ xz2

γ xy2,ϵy ,

γ yz2

γ xz2,γ yz2,ϵz

β≈σ u xσ y

Dla małych kątów β, gdy tgβ ≈ β [http://en.wikipedia.org/wiki/File:2D_geometric_strain.svg]

Odkształcenia główne (principal strain)

ϵx ' ,0 ,0

0 ,ϵy ' ,0

0 ,0 ,ϵz '

Odkształcenia główne (principal strain)

[„An introduction to biomechanics” Harold M. Frost, 1971]

Naprężenia

- naprężenia dla danej powierzchni przekroju

Uniezależniony od wybranego przekroju – tensor naprężeń:

σ x , τxy , τxz

τ xy ,σ y , τ yz

τ xz , τ yz ,σ z

Biomechanika

Podstawowe pojęcia Biomechaniki

● Człon

● Półpara swobodna

● Para kinematyczna

● Ruchliwość pary kinematycznej

● Klasa pary kinematycznej

● Łańcuch kinematyczny

● Biomechanizm

Biomechanika

● Człon – sztywny, nieodkształcalny

element mechanizmu.

Biomechanika

● Człon

● Półpara swobodna – człon

przystosowany do połączenia z

Biomechanika

● Człon

● Półpara

● Para kinematyczna – ruchome

połączenie dwóch półpar

swobodnych (członów)

Biomechanika

● Człon

● Półpara

– liczba stopni swobody jednego z

członów względem drugiego,

unieruchomionego

Biomechanika

● Człon

● Klasa pary kinematycznej – liczba

stopni swobody utraconych przez jeden

z członów (względem drugiego) w

wyniku połączenia.

Biomechanika

● Człon

● Łańcuch kinematyczny – spójna struktura

zbudowana z członów połączonych w pary

kinematyczne. (ł. biokinematyczny)

Biomechanika

● Człon

● Łańcuch kinematyczny

● Biomechanizm – łańcuch biokinematyczny zdolny

do przekazania ruchu kinematycznie określonego.

Biomechanika

Giovanni Alfonso Borelli, „De Motu Animalium”, 1680

Biomechanika

Ruchliwość łańcucha biokinematycznego:

W – ruchliwość łańcucha kinematycznego

n – liczba ruchomych członów (bez podstawy)

i – klasa pary kinematycznej

Pi – liczba par i-tej klasy.

W=6n−∑i=3

P i⋅i

Biomechanika

Przykład:

Jaka jest ruchliwość palca wskazującego przyjmując rękę jako

nieruchomą podstawę?

Biomechanika

Łańcuch kinematyczny otwarty:

● łańcuch o konfiguracji szeregowej, którego ogniwa nie tworzą

struktur zamkniętych.

Łańcuch kinematyczny zamknięty:

● Łańcuch w którym występują połączenia ruchów między

wszystkimi członami, co oznacza, że brakuje w nim członu o

wolnej końcówce

Biomechanika

Łańcuch kinematyczny otwarty:

Biomechanika

Łańcuch kinematyczny zamknięty:

Biomechanika

Układ ruchu człowieka

uznajemy za biomechanizm,

ponieważ posiada człony

sztywne (kości) oraz

połączenia ruchome (stawy).

Biomechanika

Schemat strukturalny biernego układu ruchu człowieka – łańcuch biokinematyczny względem nieruchomej podstawy: czaszki.

●144 człony ruchome

●143 pary kinematyczne:

● 29 par III klasy (3 st. sw.)

● 33 pary IV klasy (2 st. sw.)

● 81 par V klasy (1 st. sw.)

Biomechanika

Stawy w układzie ruchu człowieka tworzą obrotowe pary kinematyczne, zatem ich ruchliwość może wynosić

najwyżej trzy stopnie swobody

Biomechanika

Schemat strukturalny kończyny górnej człowieka:

●22 ruchome człony (wzgl. Łopatki)

● 1 para III klasy

● 6 par klasy IV

● 15 par klasy V

Biomechanika

Jaka jest ruchliwość kończyny górnej człowieka?

Biomechanika

Jaka jest ruchliwość kończyny górnej człowieka?

●22 ruchome człony (wzgl. Łopatki)

● 1 para III klasy

● 6 par klasy IV

● 15 par klasy V Mor

W=6n−∑i=3

P i⋅i

Biomechanika

Jaka jest ruchomość całego układu ruchu człowieka (względem czaszki)?

Biomechanika

Jaka jest ruchomość całego układu ruchu człowieka (względem czaszki)?

●144 człony ruchome

● 29 par III klasy (3 st. sw.)

● 33 pary IV klasy (2 st. sw.)

● 81 par V klasy (1 st. sw.)

W=6n−∑i=3

Pi⋅i=6⋅144−3⋅294⋅335⋅81=240

Biomechanika Inżynierska -...

Documents

Transcript of Biomechanika Inżynierska -...

Laboratorium MATLA - zib.mchtr.pw.edu.plzib.mchtr.pw.edu.pl/downloads/Przedmioty/MTL/Cw_5.pdf · Laboratorium MATLA/MTL Rysunek 2: Okno GUIDE Quick Start Rysunek 3: Okno edytora Layout

Analiza porównawcza wysokości, masy ciała i wsk. BMI ... · Podstawowe cechy somatyczne, tj. wysokość i masa ciała, a także należna masa ciała (BMI) są bezpośrednimi pozytywnymi

結果用紙の見方BMI(縦軸)と体脂肪率(横軸)から体格を評価 BMI（Body Mass Index）＝体格指数 肥満を判断する基準の1つ。 （BMI＝体重kg÷身長m÷身長m）

Wydanie 2 I BIOMECHANIKA Nanda ESTETYKA ORTODONCJI I BIOMECHANIKA … · ESTETYKA I BIOMECHANIKA W ORTODONCJI Wydanie 2 ... ruchu zębów • Rozdział 7: ... mowa i ochrona struktur

Biomechanika Układu Ruchu Człowieka T Bober J Zawadzki

awf.wroc.plawf.wroc.pl/files_mce/NAUKA/Postepowania_habilitacyjne/Wydzial_WF... · Polskie hasla przedmiotowe: Biomechanika sportu * Sport osób niepelnosprawnych * Plywanie * Analiza

Biomechanika Inżynierska - zib.mchtr.pw.edu.plzib.mchtr.pw.edu.pl/downloads/Przedmioty/BMI/Biomechanika-wyklad-3... · Dla kończyny górnej: łokciowy (ulnaris) ... W. sprężysty

第2章 幼児肥満の判定法 1. BMI (カウプ指数）6 第2章 幼児肥満の判定法 1. BMI (カウプ指数） I 乳幼児期の標準的なBMIの推移 BMI（Body Mass Index）は体重（kg）÷身長（m）2

BMI ICOPAL Sp. z o.o. - Światowy Ekspert Hydroizolacji

WIELOSPECJALISTYCZNY KURS MEDYCYNY MANUALNEJmsp-pakt.med.pl/data/uploads/program-kursu-wkmm-wrzesie-2014.pdf · Biomechanika odcinka szyjnego kręgosłupa ... Biomechanika odcinka

Staw biodrowy - budowa, funkcje, modelowanie Choroby i ...etacar.put.poznan.pl/jacek.buskiewicz/dydaktyka/bi/Konspekt_Biome... · Biomechanika inżynierska. Staw biodrowy - J. Buśkiewicz

Bez tytułu slajdu - ortopedialindleya.wum.edu.plortopedialindleya.wum.edu.pl/system/files/schorzenia_i_urazy... · Krążek międzykręgowy - biomechanika . Krążek międzykręgowy

HUBUNGAN BODY MASS INDEX (BMI) TERHADAP KADAR … · Body Mass Index (BMI) dengan kadar kolesterol total dalam darah pada populasi dewasa di Dusun Tanjung, Desa Banjaroyo, Kecamatan

ę ąca ę ż ę ś ą ż ę ęż ś ę ęś ż ęż ą ę ś ą ś ą ń ż · BIOMECHANIKA Biomechanika – od grec. słowa mechane - narz ędzie, jest to dyscyplina naukowa, zajmuj

METODYKA TRENINGOWA AMS mgr Mateusz Stachurski · biomechanika ruchu miĘŚnia piersiowego ... krĘgosŁupa 3. martwy ciĄg : wersja klasyczna , sumo , na ...

WIBROAKUSTYCZNYM - immunitet.org · Biomechanika dolnego odcinka kręgosłupa Rozważając biomechanikę kręgosłupa warto wpierw omówić zagadnienie segmentu ruchowego będącego

1 Biomechanika – mechanika organizmów żywych w ...etacar.put.poznan.pl/jacek.buskiewicz/dydaktyka/bi/Konspekt_IB_W01… · Podstawy Konstrukcji w Protetyce, J. Buśkiewicz 6 Rysunek.

Anatomia prawidłowa człowieka Wykłady – przedmioty ...osw.olsztyn.pl/pliki/2014/06/sylabusy_lic_stacj_2013_2015.pdf · A11 Rodzaje połączeń kości. A12 Biomechanika połączeń.

SPECJALNOŚĆ: BIOMECHATRONIKA - polsl.pl · kręgosłupa Modelowanie w ... Biomechanika inżynierska w sporcie Biomechanika w implantologii WYBRANE PRZEDMIOTY INŻYNIERSKIE WSPOMAGANIE

BMI UNIT-3

結果用紙の見方BMI(縦軸)と体脂肪率(横軸)から体格を評価 BMI（Body Mass Index）＝体格指数肥満を判断する基準の1つ。（BMI＝体重kg÷身長m÷身長m）

第2章幼児肥満の判定法 1. BMI (カウプ指数）6 第2章幼児肥満の判定法 1. BMI (カウプ指数） I 乳幼児期の標準的なBMIの推移 BMI（Body Mass Index）は体重（kg）÷身長（m）2