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.