Биомеханика исследует законы механики, применимые к живым системам, включая органы, ткани и клетки. Основными понятиями являются сила, напряжение, деформация, упругость, вязкость, сопротивление и податливость. На макроуровне биомеханика рассматривает движение тела, на микроуровне — поведение клеточных структур под действием механических факторов.
Различные ткани организма обладают отличающимися механическими характеристиками, зависящими от их структуры, состава и функционального назначения. В медицинской физике выделяют следующие типы тканей по механическим свойствам:
Для описания поведения тканей применяются классические физико-механические параметры:
Зависимость между напряжением и деформацией в упругих тканях описывается законом Гука:
σ = E · ε, где E — модуль упругости или модуль Юнга.
Для тканей с вязкими свойствами вводятся более сложные модели, включая элементы Вейссенберга, Кельвина-Фойгта, Максвелла.
Модуль Юнга — важная характеристика, показывающая жёсткость материала. У разных тканей организма он значительно варьирует:
Понимание этих характеристик важно для диагностики, протезирования, хирургии и разработки биосовместимых материалов.
Ткани часто демонстрируют вискоэластичность — сочетание упругих и вязких свойств. Под действием постоянной нагрузки такие материалы не только деформируются, но и проявляют временную зависимость от деформации (релаксация, ползучесть).
Для описания этих явлений используются модели, объединяющие элементы с пружинами (упругость) и демпферами (вязкость).
Костная ткань — один из наиболее исследованных объектов биомеханики. Это композитный материал, сочетающий жёсткость и лёгкость. Структурно состоит из коллагеновых волокон и кристаллов гидроксиапатита, что обуславливает её анизотропные свойства.
Кость адаптируется к нагрузкам (закон Вольфа), изменяя свою плотность в ответ на механические воздействия. Это объясняет эффективность физиотерапии и лечебной физкультуры при остеопорозе и переломах.
Кость испытывает:
Хрящевые ткани характеризуются высокой степенью деформируемости и способностью восстанавливаться после сжатия. Основная функция суставного хряща — распределение давления и снижение трения между костями.
Хрящ — это пороупругое вещество, в котором важную роль играет межклеточный матрикс, насыщенный водой. При нагрузке вода выдавливается из матрикса, обеспечивая амортизацию, а при снятии — возвращается, восстанавливая форму.
Суставы также демонстрируют сложное поведение:
Мышцы — активные элементы, способные генерировать силу в ответ на стимул. Биомеханика мышц исследует их сокращение, утомление, силу тяги, а также кинематику и кинетику движения.
Физиологически сила мышц зависит от:
Изометрическое сокращение — изменение напряжения без изменения длины, изотоническое сокращение — изменение длины при постоянной нагрузке.
Моделирование мышц опирается на уравнения Хилла, учитывающие скорость, силу и растяжимость.
Кожа — это упруго-вязкая оболочка, способная растягиваться, сжиматься и возвращаться к исходному состоянию. Она обладает нелинейными характеристиками: при малых деформациях — высокая податливость, при больших — резкое возрастание сопротивления.
Показатели прочности и упругости кожи зависят от возраста, гидратации, наличия коллагена и состояния подкожной клетчатки. Эти свойства важны в дерматологии, пластической хирургии, при разработке кожных трансплантатов и сенсоров.
Сосуды демонстрируют выраженные вискоэластические свойства. Стенки артерий состоят из коллагеновых, эластиновых волокон и гладкомышечных клеток. При пульсовой нагрузке сосуды способны растягиваться и сокращаться, обеспечивая устойчивость кровотока.
Основные характеристики сосудов:
В модели гемодинамики используются уравнения Навье–Стокса, учитывающие вязкость крови, сужение просвета сосудов и нелинейность потока.
Биомеханика является неотъемлемой частью современной медицинской физики, интегрируя физические принципы в диагностику, лечение и научные разработки в медицине.