mkm526 -bİyomekanİk -...

14.02.2016

1

SAKARYAÜNİVERSİTESİ

MKM526 - BİYOMEKANİK

SAKARYA ÜNİVERSİTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ BİYOMEKANİK DERS NOTU

Doç.Dr. Akın Oğuz KAPTI

Biyomekanik = Biyoloji + Mühendislik Mekaniği

Biyomekanik; mekanik prensiplerinin canlı

organizmalara (özellikle insan vücuduna)

uygulanması veya biyolojik sistemlerin mekanik

perspektifinden incelenmesi şeklinde tarif edilebilir.

BiyomekanikSAKARYAÜNİVERSİTESİ

2

SAÜ, MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ, BİYOMEKANİK DERS NOTU

14.02.2016

2

Biyomühendislik; mühendislik metotları ve tekniklerini biyoloji ve tıp problemlerine uygular.

BiyomühendislikSAKARYAÜNİVERSİTESİ

3


Biyoloji

Mühendislik

Tıp

Doku MühendisliğiNöral İmplantlar

DNA Expression Sıraları…

Ortez & ProtezlerDiş implantlarıStentler…

4

BİYOMEDİKAL MÜHENDİSLİĞİ

BiyomedikalAraçlar

RehabilitasyonMühendisliği

Fizyolojik Modelleme

Medikal İnformatik

BiyomekanikBiyoteknoloji

Klinik Mühendisliği

Biyomalzemeler Ergonomi

Biyomedikal MühendisliğiSAKARYAÜNİVERSİTESİ

4


14.02.2016

3

5

BiyomekanikSAKARYAÜNİVERSİTESİ

5

BİYOMEKANİK

ANATOMi

FİZYOLOJİ

ORTOPEDİ

FTR

MEKANİK

SPOR


FİZİKANTRO

POMETRİ

MekanikSAKARYAÜNİVERSİTESİ

6

Mekanik

Akışkanlar Rijit Cisimler Şekil Değ. Katılar

Statik (F=0) Dinamik (F0)

Kinematik Kinetik


14.02.2016

4

7

Antiquity 650 B.C. – 200 A.D.

Middle Ages 200 A.D. – 1450 A.D.

Renaissance 1450 A.D. – 1600 A.D.

Scientific Revolution 1600 A.D. – 1730 A.D.

Enlightenment 1730 A.D. – 1800 A.D.

The Gait Century 1800 A.D. – 1900 A.D.

The Computer Age 1900 A.D. – Present


Biyomekaniğin GelişimiSAKARYAÜNİVERSİTESİ

7

8 SAÜ, MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ, BİYOMEKANİK DERS NOTU

Antiquity (650 B.C. – 200 A.D.)SAKARYAÜNİVERSİTESİ

8

Bilgi ve mitin (efsanenin) ayrışması, mekanik, matematik ve anatomik paradigmaların geliştirilmesi, insan hareketinin ilk biyomekanik analizi.

Pythagoras (570 - 495): All phenomena explained by numbers

Hipprocrates (460 - 370): Scientific method applied to medicine

Aristotle (384 - 322): Wrote “About the Movement of Animals”

Herophilos (335 Kadıköy - 255): Foundation of modern anatomy

Archimedes (287 - 212): Math and mechanics, CofG., buoyancy

Galen (129 Bergama - 216 A.D.): Sports Medicine Doc, “On the Use of Parts”, “On the Movements of Muscles” (Deneysel fizyolojinin kurucusu, hekimlerin babası)

14.02.2016

5

Hipokrat YeminiSAKARYAÜNİVERSİTESİ

9

Hekim Apollon Aesculapions, hygia panacea ve bütün Tanrı ve Tanrıçalar adınaant içerim. Onları tanık ve şahit tutarım ki, bu andımı ve verdiğim sözü gücümkuvvetim yettiği kadar yerine getireceğim. Bu sanatta hocamı, babam gibitanıyacağım, rızkımı onunla paylaşacağım. Paraya ihtiyacı olursa kesemi onunlabölüşeceğim. Öğrenmek istedikleri takdirde onun çocuklarına bu sanatı bir ücretveya senet almaksızın öğreteceğim. Reçetelerin örneklerini, ağızdan bilgilerişifahi malumatı ve başka dersleri evlatlarıma, hocamın çocuklarına ve hekimandı içenlere öğreteceğim. Bunlardan başka bir kimseye öğretmeyeceğim.Gücüm yettiği kadar tedavimi hiç bir vakit kötülük için değil yardım içinkullanacağım. Benden ağı isteyene onu vermeyeceğim gibi, böyle bir harekettarzını bile tavsiye etmeyeceğim. Bunun gibi bir gebe kadına çocuk düşürmesiiçin ilaç vermeyeceğim. Fakat hayatımı, sanatımı tertemiz bir şekildekullanacağım. Bıçağımı mesanesinde taş olan muzdariplerde bilekullanmayacağım. Bunun için yerimi ehline terk edeceğim. Hangi eve girersemgireyim, hastaya yardım için gireceğim. Kasıtlı olan bütün kötülüklerdenkaçınacağım. İster hür ister köle olsun erkek ve kadınların vücudunu kötüyekullanmaktan sakınacağım. Gerek sanatımın icrası sırasında, gerek sanatımındışında insanlarla münasebette iken etrafımda olup bitenleri, görüp işittiklerimi birsır olarak saklayacağım ve kimseye açmayacağım.



Middle Ages (200 A.D. – 1450 A.D.)SAKARYAÜNİVERSİTESİ

10

Spiritüalizmin ağırlık kazandığı ve felsefi kavramların üretildiği çağ.

İslam bilginleri, antik çağ eserlerini korudular ve Arapça’ya tercüme ettiler.

Anatomi ve fizyoloji ile ilgili çalışmalar yapıldı. Hareket ile ilgili çalışmalar ise bu dönemde ilgi çekmedi ve teşvikedilmedi.

Grek ve Roma sanatında insan hareketlerinin sanatsal betimlemeleri yapıldı.

14.02.2016

6


Renaissance (1450 A.D. – 1600 A.D.)SAKARYAÜNİVERSİTESİ

11

Bilimsel çalışmalar canlandı, modern anatomi ve fizyolojinin temelleri atıldı, kaslar ve hareket biçimleri incelendi.

Leonardo da Vinci (1452 - 1519): Kemik, kas, sinirsistemi anatomisi çalışmaları yaptı. Ayakta durma, yokuşyukarı/aşağı yürüme, oturma durumundan kalkma, zıplama hareketlerini inceledi. Yürüme sırasında insanvücudunun mekaniğini tanımladı.

Andreas Versalius (1514 - 1564): Harekete ait kasfonksiyonlarını açıkladı, insan incelemelerini savundu.


Scientific Revolution (1600 A.D. – 1730 A.D.)SAKARYAÜNİVERSİTESİ

12

Entellektüel özgürlük yüksek düzeyde itibar kazandı, deney yapma bilimsel metodun temeli haline geldi.

Galileo Galilei (1564 - 1642): İnsanın atlama hareketini, atın yürümesini, kemiğin yapısını inceledi.

William Harvey (1578 - 1657): Kan dolaşımını tasvir etti.

Rene Descartes (1596 - 1650): “Filozofinin Babası”; Kartezyen koordinat sistemini buldu.

Giovanni Alfonso Borelli (1608 - 1679): “Biyomekaniğin Babası”;“Canlı Hareketi Üzerine” eserini yazdı, yürüme, koşma, atlama, ve kas kasılmalarını tasvir etmek üzere geometriyi kullandı. Üzerine bir insanyatırarılmış rijit bir platformun, denge noktası bulunana kadar pozisyonunu değiştirerek tüm vücudun kütle merkezini tespit etti.

Isaac Newton (1642 - 1727): Hareket kanunları ve çekim kanununu ortaya koydu. Deney ve teori arasında bağ kurdu.

14.02.2016

7


Enlightenment (1730 A.D. – 1800 A.D.)SAKARYAÜNİVERSİTESİ

13

Nicholas Andry (1658 Lyon - 1742): Ortopedi, kas dengesizlikleri, iskelet çarpılmaları üzerinde çalıştı.

Leonhard Euler (1707 Basel - 1783): Uygulamalı matematiğin gelişimi.

Albrect von Haller (1708 Bern - 1777): Kasların uyarılması ve kasılması üzerinde çalıştı.

Joseph Louis Lagrange (1736 Torino - 1813): Uygula-malı matematiğin gelişimi.

14

Eduard Muybridge (1830 London - 1904): Sinematografinin “Babası”Hareket analizi, 1878’de 1/1000 enstantane hızına ulaşmıştır.

The Gait Century (1800 A.D. – 1900 A.D.)SAKARYAÜNİVERSİTESİ

14


14.02.2016

8

15

Eduard Weber (1804 - 1891) & Brothers: Yürüme araçlarının mekaniği üzerine hipotezler

Emil Du Bois-Reymond (1818 Berlin - 1896): Sinir eylem potansiyeli kavramını tanımladı. Kuvvet, momentum ve enerjiilişkisini kurdu. Kas fonksiyonunu biyokimyasal ve elektriksel olgu ile ilişkilendirdi.

Etienne Jules Marey (1830 - 1904): İlk yürüme laboratuarı, kuvvet plakası, sinematografi, senkronize edilmiş hareket ve kuvvet.

Christian Wilhelm Braune (1831 Leipzig - 1892) & Otto Fisher(1861 Leipzig - 1917): Yürüyüş analizi, matematiksel analiz, lightsuits.


The Gait Century (1800 A.D. – 1900 A.D.)SAKARYAÜNİVERSİTESİ

15

16

Archibald Vivian Hill (1886 Bristol -1977): Kasın yapısı ve fonksiyonunu inceledi, elektriksel aktivitesi niceliksel olarak belirledi, Hill Muscle Model’i oluşturdu.


Son Yüzyılda Önemli Kişiler ve OlaylarSAKARYAÜNİVERSİTESİ

16

14.02.2016

9

17

Elftman: Kuvvet plakaları kullanıldı

Basmajian: EMG teknikleri geliştirildi ve kas fonksiyonları daha iyi anlaşıldı

Winter: Yürüyüş analizi için hassas deney teknikleri geliştirildi

Sutherland: Çocuklarda yürüme gelişmesi üzerine çalışmalar yapıldı, CP’nin yürüme üzerindeki etkisi incelendi.



17

18

Gage, Sutherland, Perry: Ortopedik bozuklukların cerrahi tedavisine yürüyüş analizinin entegre edilmesi.

Nigg, Cavanagh, Bates: Koşmanın biyomekanik değerlendirilmesi.

Greaves: Video İşlemcisi, mikro bilgisayarların ve video teknolojisinin gelişmesi, hassasiyetinin artması.



18

14.02.2016

10

19

Biyomekanik özgül bir disiplin haline geldi ve klinik bir araç olarak kullanılmaya başlandı.

Profesyonel biyomekanik ve yürüyüş organizasyonlarıoluştu.

1967’de, Zürih’te ilk ISB Toplantısı gerçekleştirildi.



19

20

1967 Zurich, Switzerland1969 Eindhoven, Netherlands1971 Rome, Italy1973 Penn State University, USA1975 Jyväskylä, Finland1977 Copenhagen, Denmark1979 Warsaw, Poland1981 Nagoya, Japan1983 Waterloo, Canada1985 Umea, Sweden1987 Amsterdam, Netherlands1989 Los Angeles, USA1991 Perth, Australia



20

1993 Paris, France1995 Jyväskylä, Finland1997 Tokyo, Japan1999 Calgary, Canada2001 Zurich, Switzerland2003 Dunedin, New Zealand2005 Cleveland, USA2007 Taipei, Taiwan2009 Cape Town, South Africa2011 Brussels, Belgium2013 Natal, Brazil2015 Glasgow, Scotland2017 Brisbane, Australia (XXVI)

14.02.2016

11

Dersin AmaçlarıSAKARYAÜNİVERSİTESİ

21


İnsan hareketinin temelini teşkil eden biyomekanik prensiplerin icelenmesi.

Normal ve patolojik insan hareketlerinin kinematik, kinetik ve elektromiyografik karaketeristiklerinin incelenmesi.

Seçilmiş patolojik şartların yürüyüş üzerindeki etkilerinin icelenmesi.

İnsan yürüyüşünün analizinde kullanılan teknik işlemlerin icelenmesi.

Dersin KonularıSAKARYAÜNİVERSİTESİ

22

Terminoloji

Anatomi, eklem hareketleri, antropometri

Hareket (yürüme) analizi (normal&patolojik)

Yumuşak doku biyomekaniği (kas vb.)

Sert doku biyomekaniği (kemik vb.)

Spor biyomekaniği

Ortez ve protez tasarımları

Modelleme-simülasyon çalışmaları

Akışkanlar mekaniği (kan akışı, yüzme)SAÜ, MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ, BİYOMEKANİK DERS NOTU

14.02.2016

12

Biyomekanik Modellerde Çözüm YaklaşımlarıSAKARYAÜNİVERSİTESİ

23

Ders kapsamında, biyomekanik modellerde uygulanacak çözüm yaklaşımları şunlardır:

Vektörel mekanik yaklaşımı

Analitik mekanik yaklaşımı

İmpuls-momentum yaklaşımı


Yapısal Biyolojik MalzemelerSAKARYAÜNİVERSİTESİ

24

Sert Dokular: Kemik, mine tabakası, dentin

Yumuşak Dokular: Kıkırdak, tendon, ligament, damar sistemi, deri, organlar.

Sıvılar: Kan, eklem sıvısı.

İmplant Kullanımı Sorunlar: Enfeksiyon, emilim, inflamasyon, reddetme.


14.02.2016

13

Biyomalzeme UygulamalarıSAKARYAÜNİVERSİTESİ

25

Ortopedi: Yapay kalça protezi, dizler, omuzlar, bilekler, iki omur arasındaki disk, fracture fixation, bone grafts.

Kadiyovasküler: Kalp kapakçıkları, balonlar, cateterler, canlı doku nakli, stent.

Dişçilik: Mine tabakası, dolgu, protezler, orthodonti.

Cerrahi: Sabitleyiciler, kafa kemiği eklemi.


Yürüme (Hareket) AnaliziSAKARYAÜNİVERSİTESİ

26

İnsan alt ekstremitesi eklem ve uzuvlarının (ve diğer organların) yürüme, merdiven çıkma/inme, engel atlama vb. aktivitelerde mekanik analizi.


14.02.2016

14

Yürüme (Hareket) AnaliziSAKARYAÜNİVERSİTESİ

27

Yürüyüş analizi, şu alanlarda önemli bir değerlendirme aracı olarak kullanılmaktadır:

Alt ekstremite düzensizliklerinin teşhisinde,

Operasyondan önce karar verme aşamasında,

Operasyon öncesi ve sonrası yürüyüş parametrelerinin karşılaştırılmasında,

İmplant protez mafsal yerleştirme operasyonlarının değerlendirilmesinde,

Harici protezlerin performans testlerinde,

Spor biyomekaniğinde


28

İnsan hareketlerin kinematiği, dinamiği ve kas-iskelet sistemini oluşturan kemikler ve kaslar gibi bileşenlerin anatomisi, fizyolojisi ve mekanik özellikleri ile ilgili pek çok deneysel çalışma yürütülmüş ve önemli ölçüde bilgi birikimi sağlanmış durumdadır.

Hareket anormallikleri olan bireylerin tedavisi amacıyla, tedavi öncesi ve sonrası dönemlerde, hareketin kinematiği, dinamiği ve hareket paternleri konularında binlerce hasta üzerinde çalışmalar yapılmıştır.


Kas-İskelet Sistemi SimülasyonlarıSAKARYAÜNİVERSİTESİ

28

14.02.2016

15

29

Ancak, sadece deneysel çalışmalar yapılarak kas kuvvetleri veya eklem reaksiyon kuvvetleri gibi önemli değişkenler ölçülememekte ve kas aktiviteleri ile hareketler arasında sebep-sonuç ilişkisi tam olarak kurulamamaktadır.

Bu nedenle, kas kuvveti ve eklem momenti gibi deneysel olarak ölçülemeyen kas-iskelet sistemi değişkenleri hakkında tahminler yapılabilmesi, anormal hareketlerin sebeplerinin belirlenmesi, bu hareketlerin düzeltilmesinde bilimsel bir temel oluşturulması ve uygulanacak tedavi yaklaşımlarının muhtemel sonuçlarının önceden görülebilmesi için deneysel veriyle desteklenmiş teorik bir çerçeveye ihtiyaç vardır.



29

30

Bu kazanımları getirecek böyle bir çerçeve, kas-iskelet sistemi bileşenlerinin anatomisini tanımlayan modellerle ve çok eklemli hareketlerin kinematik ve dinamiğini tanımlayan dinamik simülasyonlarla sağlanabilir.

Bu model ve dinamik simülasyonlarla kas kuvvetleri, eklem momentleri ve vücut hareket paternleri arasındaki sebep-sonuç ilişkileri belirlenebilir.



30

14.02.2016

16



31

32

Kas-iskelet sistemi hareketlerinin dinamik simülasyonları şu alanlarda kullanılmaktadır:

● Karmaşık hareket paternlerinin belirlenmesi, ölçülemeyen kuvvet ve momentlerin (kas kuvveti, eklem momenti) belirlenmesi

● Sporcuların performans analizlerinin yapılması,



32

14.02.2016

17

33

● Ergonomik ve emniyetli araç tasarımları yapılması



33

34

● Hareket anormalliklerinin sebeplerinin daha iyi anlaşılması ve tedavi yaklaşımları geliştirilmesi



34

14.02.2016

18

35

● Animasyonlar oluşturulması



35



36

14.02.2016

19

KAYNAKLARSAKARYAÜNİVERSİTESİ

37

[1] Günay, D., Biyomekaniğe Giriş.

[2] Armstrong, C., Human Locomotion (KINE 6/8300) Ders Notu, Toledo University.

[3] Arıncı, K., 1977. Sobotta İnsan Anatomisi Atlası. Urban & Schwarzenberg, München-Wien-Baltimore.

[4] Odar, İ.V., 1980. Anatomi Ders Kitabı. Elif Matbaacılık, Erzurum.

[5] www.simtk.org

[6] Kaptı, A.O., İnsan Alt Ekstremitesinin İncelenmesi ve Aktif Diz Üstü Protezi Tasarımı, Doktora Tezi, İTÜ, FBE, Makine Müh. Konstrüksiyon ve İmalat Programı, 2001.


mkm526 -bİyomekanİk -...

Documents