ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ БИОМЕХАНИКИ. БИОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КАК ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ
Биомеханика является разделом естественных наук, изучающим механические свойства живых тканей, отдельных органов и систем или организма в целом, а также происходящие в них механические явления.
К задачам инженерной биомеханики относят: создание моделей элементов организма с целью их замещения (протезирования), создание роботизированных систем, замещающих человека при выполнении высокоточных операций.
Методами биомеханики являются: опытные методы (испытания материалов, измерение параметров движения и т. д.), моделирование (в том числе кибернетическое моделирование движений).
СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Существующее формализованное представление о биологической системе, как о биохимической машине с кибернетическим управлением, не в полной мере характеризует особенности, отличающие ее от неживых систем.
Основополагающими отличительными положениями для живых систем являются:
- 1) свойство самовоспроизведения;
- 2) наличие метаболизма (обмена веществ);
- 3) сложная иерархическая организация с сильными взаимными внутренними связями между всеми составляющими.
Методология установления взаимосвязей в живой системе основывается на системном анализе.
Выделяют следующие характерные особенности биологической системы как объекта исследования.
- 1. Высокая морфологическая и функциональная сложность (многообразие и подвижность связей и функций, а следовательно, большое количество возможных состояний системы).
- 2. Характер отклика биологической системы в ответ на раздражители даже одинаковой модальности носит вероятностный характер. При исследовании высших биологических систем особую роль играют психофизиологические факторы, существенно искажающие результаты. Точный учет воздействующих факторов и результатов их воздействия на биологическую систему не представляется возможным.
- 3. Для биосистем характерна качественная неоднородность (в рамках одной функциональной системы слаженно работают разнородные подсистемы (разного пространственного масштаба, с разными постоянными времени, с качественно различными управляющими сигналами: химическими, физическими, информационными)).
- 4. Патологические явления через рецепторную систему влияют на функции высших уровней, что, в свою очередь, влияет на функции подсистем. Все это в результате затрудняет интерпретацию экспериментальных результатов.
- 5. Целесообразным для биологической системы является проведение исследований in vivo (в естественных условиях жизнеобеспечения).
- 6. Адаптация организма к внешним воздействиям (поддержание постоянства гомеостаза) затрудняет проведение исследований, по причине ее зависимости от внутреннего состояния организма. При этом взаимодействия между его элементами носят нелинейный характер [3,4,13].
Для обработки результатов исследований биологических систем широко применяются методы математической статистики с обработкой больших массивов статистических данных, полученных при исследовании характеристик биологического материала.
В связи с указанными особенностями живых организмов важной задачей инженерной биомеханики при создании средств протезирования биологических тканей является подбор материалов и проектирование конструкции с учетом механических и химических характеристик тканей, контактирующих с имплантатом. Только тогда искусственный компонент не будет отторгнут организмом и сможет длительное время выполнять свою функцию в составе организма. Рассмотрению методов решения этой задачи и посвящено настоящее учебное пособие.
