Biomechanika - Základné pojmy a definície

Biomechanika: Základné pojmy a definície

História biomechaniky

• Hippokrates (400-370 p.n.l.): Obnovenie mechanickej funkcie zlomenej kosti.
• Aristoteles (384-322 p.n.l.): Považovaný za praotca biomechaniky.
• Galen (129-216 n.l.): Označil svaly za generátory pohybu.
• Leonardo da Vinci (1452-1519): Popísal mechaniku pohybu ľudského tela a študoval mechaniku šliach. Považovaný za otca biomechaniky.
• Galileo Galilei (1564-1642)
• Giovanni Alfonso Borelli (1608-1679): Otec modernej biomechaniky, zaoberal sa mechanikou kostrových svalov.
• Robert Hook (1635-1703)
• Issac Newton (1642-1727): Popísal 3 pohybové zákony.
• Daniel Bernoulli (1700-1782): Bernoulliho rovnica, zaoberal sa tlakovými a prúdovými vlnami v cievach.
• Leonard Euler (1707-1783)
• Jan Evangelista Purkyně (1787-1869): Otec bioinžinierstva.
• Herman von Helmholtz (1821-1894)
• N. A. Bernstein (1896-1966): Ergonómia a športové aplikácie, založil ruskú biomechanickú školu, vytvoril slovo biomechanika.
• Jaroslav Valenta Hatze (1927)
• 1974: Biomechanika zadefinovaná ako štúdium pohybu živých objektov s využitím poznatkov z mechaniky.

Definícia biomechaniky

• Interdisciplinárny vedný odbor.
• Aplikácia mechanických princípov v štúdiu živých organizmov.
• Disciplína, kde sa uplatňujú anatómia a zákony mechaniky a fyziky na štúdium telesných pohybov a príčin pohybu.
• Využíva poznatky a odborné znalosti z odborov ako morfológia, fyziológia, matematika, fyzika, biofyzika, biokybernetika, technická mechanika, náuka o materiáloch, anatómia, ortopédia, rehabilitácia, strojárstvo, elektronika, psychológia, sociológia a prírodné vedy.
• Interakcia medzi medicínou, fyzikou, biológiou a inžinierstvom.
• Zahŕňa statiku a dynamiku.

Analýza ľudského pohybu

• Pohyb po fyzikálnej stránke: Neustála zmena polohy telesa v priestore vzhľadom na čas a voči referenčnému bodu.
• Pohyb po biologickej stránke: Jedna z najdôležitejších podmienok existencie hmoty a je základným prejavom života organizmu. Je to jedna zo základných životných potrieb človeka. Je výsledkom jeho pohybových možností.

Disciplíny biomechaniky

• Kineziológia: Materská disciplína biomechaniky, zaoberá sa vedeckým štúdiom ľudského pohybu. Skúma pohybové prejavy človeka, ich vývoj, stabilizáciu a regresiu v priebehu života.
• Antropometria: Pridružená disciplína zahrňujúca veľkosť, tvar, hmotnosť segmentov tela a pod. Sústava techník na meranie ľudského tela pre účely antropológie, biomechaniky človeka, ergonómie a kriminalistiky.
• Aplikovaná fyzika: Trenie, odpor pohybu a hybnosť, vzdialenosť, rýchlosť, zrýchlenie a pôsobenie sily.

Mechanika

• Odbor fyziky, zaoberá sa pohybom, silou, skúma zmeny vzájomnej polohy telies a príčiny týchto zmien.
• Statika: Štúdium objektov v pokoji alebo v uniformnom (konštantnom) pohybe.
• Dynamika: Zaoberá sa vplyvom pôsobenia síl na pohyb telies.
• Kinematika: Zaoberá sa vedou o pohybe, študuje zrýchlenie, uhly, pozície a rýchlosti telesných segmentov, ktoré sa vyskytujú v priebehu pohybu.

Rozlišovacie úrovne biomechaniky

• Mikro Biomechanika: Rozoznávanie jednotlivých buniek, medzibunečných komponentov s ich vzájomnou komunikáciou (napr. mechanická interakcia medzi aktínom a myozínom v priebehu svalovej kontrakcie).
• Makro Biomechanika: Rozoznáva orgány, orgánové štruktúry a anatomicky ohraničené tkanivové komponenty a ich vzájomnú mechanickú interakciu (napr. pohyb v lakťovom kĺbe z hľadiska kooperujúcich svalov).

Suboblasti biomechaniky

• Biomechanika kvapalín a plynov: Odpor kvapalín a plynov, trenie, laminárne a turbulentné prúdenie. Plávanie, potápanie, prúdenie telesných kvapalín. Cyklistika, lietanie, tlak.
• Biomechanika pevných telies: Kinetika, kinematika. Sily, momenty, rýchlosť, zrýchlenie, trajektória, kmitanie.
• Aplikovaná biomechanika: Zameraná na určitú aplikačnú sféru ľudskej činnosti - biomechanika práce, lekárska ortopedická, klinická, forenzná, inžinierska, biomechanika športu, atď.

Biomechanické problémy

• Mechanika procesu termoregulácie
• Mechanika kostí
• Kostrovo-svalová biomechanika
• Biohydrodynamické problémy
• Biotermodynamické problémy
• Mechanika dýchacieho systému
• Kardiovaskulárna biomechanika
• Mechanika prúdenia krvi

Prečo študovať biomechaniku?

• Pochopenie a využitie síl pôsobiacich na ľudské telo.
• Manipulácia a riadenie týchto síl pri liečbe, v rehabilitácii, pri prevencii zranení.
• Šport.
• Animácie.
• Antropológia.
• Kriminalistika.
• Návrh a výroba zariadení a pomôcok pre účely medicíny.
• Protézy, ortézy, epitézy.
• Rehabilitačné zariadenia.
• Športové pomôcky.
• Ergonómia.

Analýza a syntéza

• Základné a najčastejšie používané vedecké metódy.
  • Analýza (z gréckeho slova Anal - rozloženie nejakého komplexu na časti) - z metodologického hľadiska v zmysle metód na získavanie nových poznatkov, alebo metódy výkladu poznatkov.
• Kvantitatívna analýza:
  • Vykonáva sa pomocou meracích prístrojov a nástrojov.
  • Zahŕňa meranie biomechanických premenných a zvyčajne vyžaduje výpočtovú techniku na vykonanie objemných numerických výpočtov.
• Kvalitatívna analýza:
  • Definovaná ako systematické sledovanie a introspektívny úsudok kvality ľudského pohybu za účelom poskytnutia najvhodnejšieho zásahu pre zlepšenie výkonu.
  • Ide o pozorovacie dohady, domnienky a predpoklady.
• Analýza v kvantitatívnych i kvalitatívnych súvislostiach znamená identifikáciu faktorov, ktoré ovplyvňujú výkon ľudského pohybu, ktorý je potom interpretovaný (syntéza, hodnotenie), pri použití informácií.
• Kvantitatívne dáta: KOĽKO A V AKEJ SILNEJ SÚVISLOSTI
• Kvalitatívne dáta: PREČO A AKÝM SPÔSOBOM

Dáta

• Kvantitatívne: Numerické.
• Kvalitatívne: Opisné.

Kvalitatívna analýza - kroky

1. Príprava/Popis: Vymedziť cieľ a kľúčové znaky v priebehu pohybu.
2. Hodnotenie/Pozorovanie: Plán pre základné otázky: Koho budeme pozorovať? Za akých podmienok budeme pozorovať? Kde budeme pozorovať? Na čo zameriame pozorovanie?
3. Diagnóza: Identifikácia a hodnotenie chýb.
4. Intervencia: Inštrukcie/Intervencia môže byť okamžitá vo forme spätnej väzby, ktorá by mala byť čo najzrozumiteľnejšia. Intervencia predstavuje dlhotrvajúci zásah do techniky pohybu.

• Metódy spracovania kvalitatívnych údajov: fixácia kvalitatívnych údajov – audio/video záznam, pozorovanie a rozhovor.

Kvalitatívna analýza - metódy výskumu

1. Individuálny hĺbkový rozhovor: Hĺbková - psychologická explorácia. Voľný rozhovor uskutočnený na základe exploračnej schémy. Cieľom je odhaliť často hlboko zakorenené príčiny určitých názorov alebo určitého chovania, ktoré si respondent často krát sám neuvedomuje. Využívané asociácie. Sledovanie útekov od tém, ktoré môžu sledovať dôležité motivačné zábrany. Sledovanie verbálnej produkcie skúmanej osoby, ale doplňuje ju o poznatky z chovania osobnosti ako celku, predovšetkým jej mimiky.
2. Skupinový rozhovor – focus group: Neštruktúrované voľné interview - riadený rozhovor so skupinou (6-10 účastníkov) vhodne vybraných osôb, tak, aby sa účastníci nie len podieľali na odpovediach, ale aby sa vzájomne konfrontovali. Vytvára sa vzájomná interakcia, ktorá simuluje proces vytvárania verejnej mienky. Vybraná skupina musí byť dostatočne homogénna, aby umožňovala interakciu medzi jej účastníkmi. Skupinu môžu tvoriť osoby, ktoré sa poznajú, tak aj osoby, ktoré sa stretnú náhodou. Riadenie rozhovoru vyžaduje rovnako pripravený scenár, v ktorom sú stanovené hlavné problémy, resp. hypotézy a smer ich rozvíjania. Oproti individuálnemu rozhovoru je skupinový rozhovor podnetnejší z hľadiska vytvárania nových myšlienok.
3. Projektívne techniky: Dopĺňajú prvé dve metódy.

Kvantitatívna analýza

• Potrebná pri zisťovaní početností, frekvencie výskytu zistených poznatkov alebo ich intenzity, pomocou štatistických metód. Touto analýzou sa zisťuje dôležitosť určitých údajov, stupeň závislosti, medzi určitými faktmi a pod.
• Metódy: Spoločenský prieskum, Experiment, Oficiálne štatistiky, Štrukturálne pozorovanie.
  • Spoločenský prieskum: Náhodný výber vzorky, meranie premenných, Reprezentatívne testovanie hypotéz.
  • Experiment: Experimentálny podnet, „kontrolná skupina“, Presné meranie.
  • Oficiálne štatistiky: Analýza zozbieraných dát, Veľké súbory dát.
  • Štrukturálne pozorovanie: Podľa vopred zvoleného plánu, Spoľahlivosť pozorovania.

Dotazník

• Základný nástroj, ktorý sa k zberu primárnych informácií používa najčastejšie. Veľmi pružný, ponúka široké možnosti, ako pokladať otázky. Zostavenie dotazníku je náročnou fázou výskumu. Musí byť profesionálne pripravený, prehľadne usporiadaný a vyskúšaný, než sa uplatní vo veľkej miere. Pri príprave dotazníku musí odborník dôkladne zvoliť typ otázky, formuláciu otázky a ich následnosť.
• Pred formuláciou dotazníku musíme:
  1. Poznať účel a cieľ výskumu
  2. Vedieť podstatu informácie, ktorú hľadáme
  3. Vypracovať zoznam informácií, ktoré musia byť zistené
  4. Určiť administráciu – (mail, telefón, rozhovor)
  5. Stanoviť podstatných respondentov (kto to je?)
  6. Spracovať koncept plánu analýzy

Porovnanie kvalitatívneho a kvantitatívneho výskumu

Znaky analýzy

Analýza pohybu

• Kvantitatívna:
  • Výstupom sú číselné hodnoty
  • Potrebné materiálne vybavenie, ktoré umožní meranie s čo najmenšou chybou
  • Rozdelenie kvantitatívnych metód vychádza z charakteru meranej veličiny:
    • Meraný parameter sila - metódy dynamické
    • Pohyb bez ohľadu na príčinu (sila) - metódy kinematické.
  • Medzi kinematické metódy patrí:
    • Goniometria (elektrogoniometria).
    • Akcelerometria – umožňuje meranie zrýchlenia.
    • Stroboskopia – vytvára pohybovú sekvenciu na jednom filmovom políčku.
    • Systémy pracujúci na elektromagnetickom princípe.
    • Systémy využívajúce akustické senzory.
    • Optoelektrické systémy.
    • Kinematografická (videografická) vyšetrovacia metóda.
• Kvalitatívna:
  • Popisujeme a hodnotíme pohyb (napr. slovne).
  • Bez merania konkrétnych fyzikálnych veličín.
  • Záleží na odbornej úrovni pozorovateľa, na jeho skúsenostiach a znalostiach o sledovanom pohybe.
  • Menšie nároky sú kladené na technické a prístrojové zabezpečenie.
  • Subjektívne hodnotenie.