Биомеханика - это изучение механики сплошных сред (то есть изучения нагрузок, движения, напряжения и деформации твердых тел и жидкостей) биологических систем и механических воздействий на движение, размер, форму и структуру тела. Механическое воздействие на биологические системы может быть обнаружено на нескольких уровнях, от молекулярного и клеточного, вплоть до уровня ткани, органа и системы.
Изучение биомеханики человека варьируется от внутренней работы клетки, механических свойств мягких и твердых тканей до развития и движения нервно-мышечной системы тела. Молекулярная биомеханика относится к изучению того, как механические силы и деформации влияют на конформацию, связывание, реакцию, функцию и транспортировку биомолекул, таких как ДНК, РНК. И как механобиохимия взаимодействует в биомолекулярных двигателях и потоках ионных каналов. Клеточная биомеханика занимается изучением того, как клетки воспринимают механические силы или деформации, и превращает их в биологические реакции, особенно для изучения того, как механические силы влияют на рост клеток, дифференциация, движение, сигнальная трансдукция , секреция и транспорт белка, экспрессия и регуляция генов. На свойства живых тканей влияют приложенные нагрузки и деформации, а биомеханика тканей в основном связана с ростом и ремоделированием тканей в ответ на прикладные механические раздражители. Например, эффекты повышенного кровяного давления на механике артериальной стенки и поведении кардиомиоцитов в сердце с инфарктом сердца широко рассматривались как случаи, в которых живая ткань реконструируется как прямое следствие прикладных нагрузок.
Законы Вольфа гласят, что внутренняя архитектура губчатой кости и наружной кортикальной кости у здорового человека или животного он будет приспосабливаться к нагрузкам на кости, и со временем они будут приспосабливаться, чтобы стать сильнее, чтобы противостоять этому типу нагрузки. Обратное также верно. Если нагрузка на кость уменьшается, она становится слабее из-за оборота и отсутствия стимула для продолжения ремоделирования, необходимого для поддержания костной массы.
На уровне системы, механические факторы также влияют на вид, производительность и функции опорно-двигательного аппарата. Человеческое движение достигается за счет сложного и скоординированного механического взаимодействия между костями, мышцами, связками и суставами в опорно - двигательном аппарате под контролем нервной системы. Мышцы генерируют растягивающие силы и прикладывают моменты в суставах с короткими рычажными рычагами, чтобы обеспечить статическую и динамическую устойчивость тела под действием гравитационных и других нагрузок при регулярном точном контроле конечности.
Любая травма или повреждение какого - либо из отдельных элементов костно - мышечной системы изменят механическое взаимодействие и станет причиной деградации, нестабильности или инвалидности движения. С другой стороны, правильная модификация, манипулирование и контроль механической среды могут помочь предотвратить травмы, исправить ненормальность, а также ускорить выздоровление и реабилитацию. Следовательно, понимание биомеханики и нагрузки каждого элемента полезно для изучения этиологии заболевания, принятия решений о лечении и оценки эффектов лечения. Однако из-за этических соображений и технологических ограничений прямое измерение сил, передаваемых в организме человека, возможно только в исключительных обстоятельствах, например, через инструментальные имплантаты.
Еще одной проблемой является избыточный характер костно - мышечной системы. В организме человека больше суставов и мышц, чем необходимо для выполнения наших повседневных двигательных задач. Поэтому определенная задача может быть достигнута более чем одной костно - мышечной стратегией. Тем не менее, этот компенсационный механизм имеет важное значение для борьбы с последствиями травм или болезней опорно - двигательного аппарата.
В настоящее время сочетание неинвазивных измерений движения, таких как положение сегментов и нагрузка на силоизмерительные приборы, с анатомическим моделированием на основе компьютерной графики является полезным подходом для оценки этих нагрузок. В этом подходе важно объединить методы анализа движения и медицинской визуализации. Они включают измерение движения человека и внешних нагрузок, разработку трехмерных биомеханических моделей на основе компьютерной графики, расчет внутренних сил и проверку результатов. Проверенная трехмерная компьютерная биомеханическая модель может затем применяться для моделирования различных движений и хирургических процедур. Запись электромиограммы (ЭМГ) активных мышц может в дальнейшем использоваться для понимания мышечной активности во время движения человека.
Однако разработка точного и неинвазивного метода измерения внутренней силы в организме человека для клинических и других целей все еще остается большой проблемой в области биомеханики человека и анализа движения.
