01.02.08 − биомеханика

Специальность
Приказ Высшей аттестационной комиссии Республики Беларусь от 23 марта 2009 г. № 54
 

I. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ПРОГРАММЫ - МИНИМУМ

Современные тенденции развития науки, связанные с «синтезом» традиционных научных областей знаний, таких как механика, математика, биология и медицина, обуславливают более широкое использование методов механики и математики при решении ряда актуальных задач в современной медицине и биологии. Значение биомеханики для народного хозяйства состоит в разработке и использовании методов механики и направленных механических и физических воздействий на биологические системы, в создании заменителей биологических тканей и искусственных органов, протезировании, выяснении механизмов формирования патологий, разработки методов диагностики, прогнозировании и эффективных методов лечения заболеваний человека и животных. Эти и другие задачи повышают требования к подготовленности аспирантов и соискателей высших учебных заведений в данной области. Создание у аспирантов и соискателей достаточной теоретической базы позволит им быстро включаться в решение актуальных научных и производственных задач.

II. ТРЕБОВАНИЯ К ЗНАНИЯМ, УМЕНИЯМ И НАВЫКАМ АСПИРАНТА (СОИСКАТЕЛЯ)

В результате изучения дисциплины аспирант (соискатель) должен:

1. иметь представление об анатомии человека и элементах общей нормальной физиологии человека и животных.

2. знать:

  • Механику клетки.
  • Состав и механические свойства биологических жидкостей и их искусственных заменителей.
  • Состав, строение и механические свойства биологических тканей и их искусственных заменителей.
  • Математические модели биологических сплошных сред.
  • Основные системы жизнедеятельности человека (сердечно-сосудистая система, дыхательная система, пищеварительный тракт и выделительная система, сенсорные системы) и их простейшие механико-математические модели.
  • Теорию морфогенеза и роста биологических тканей.
  • Двигательный аппарат человека и животных и их механические модели.
  • Искусственные органы и системы человека.

3. с использованием законов механики уметь создавать простейшие механико-математические модели отдельных биологических органов, объектов и систем и их искусственных заменителей.

III. СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

1. Механика клетки

Строение живой клетки. Реологические свойства мембраны и цитоплазмы.

Континуальная модель мембраны.

Пассивный и активный массоперенос через мембрану, механизмы транспортных процессов.

Механочувствительность клеток, барорецепторы.

Механика деления клетки.

Подвижность клеток и одноклеточных организмов. Движение ресничек и жгутиков.

2. Биологические жидкости

Состав и реологические свойства крови и синовиальной жидкости.

Турбулентность и кавитация в потоке крови; модели агрегации эритроцитов.

Деформационно-прочностные свойства эритроцитов. Гемолиз.

Континуальные модели биологических жидкостей.

Формула Стокса, модели Пуазейля и Кессона, резистивные модели.

3. Мягкие ткани

Структура и деформационные свойства стенок кровеносных сосудов, кожи, связок, хряща, паренхимы легкого, тканей глаза. Континуальные модели мягких тканей. Модель Фанга.

Биомеханические аспекты пластической хирургии.

Структура и реологические свойства мышц. Поперечно-полосатые и гладкие мышцы.

Понятие о кинетической теории мышечного сокращения.

Управление мышечным сокращением.

Феноменологические модели мышечной ткани, уравнение Хилла.

4. Твердые ткани

Структура, деформационные и электромеханические свойства костных и зубных тканей.

Континуальные модели твердых тканей.

Структура и фрикционно-механические свойства дентина и эмали зуба.

Адаптационные свойства кости и твердых тканей зуба. Закон Вольфа и его реализации.

Ростовые деформации, остаточные напряжения, накопление и залечивание повреждений в твердых тканях.

Структура и фрикционно-механические свойства суставного хряща.

Механизм аномально низкого трения суставов.

5. Сердечно-сосудистая система

Общая характеристика кровотока и механических явлений в сердечно-сосудистой системе. Механика сердца.

Адгезия форменных элементов крови к поверхности сосудов.

Подходы к моделированию кровотока в ветвящемся русле. Гидродинамическая теория течения крови.

Пульсирующее и винтовое движение крови в жестких и деформируемых сосудах. Теория пульсовой волны; нелинейные эффекты. Измерение артериального давления методом Короткова.

Движение крови в венах и сосудах малого круга.

Понятие о сосудистом тонусе; авторегуляция просвета сосудов и эффект Бейлиса, реакция сосудистой стенки на сдвиговые напряжения. Движение крови в капиллярах: деформации эритроцитов, модель Лайтхилла.

Массообмен между кровью и окружающими тканями; модель Крога. Осмотические явления; формула Старлинга.

Постановки задач о массообмене в тканях и органах. Уравнение теплообмена в тканях, его приложения в практических задачах.

6. Дыхательная система

Общая характеристика механических явлений в дыхательных органах человека и млекопитающих. Простейшие математические модели в механике дыхания.

Понятие о механике речеобразования.

7. Пищеварительный тракт и выделительная система

Строение и механические свойства органов пищеварения.

Перистальтический механизм транспорта и перемешивания в органах пищеварения.

Механизм функционирования мочевыделительной системы.

8. Биомеханика органа зрения

Биомеханика глаза. Аккомодация.

Простейшие модели теории оболочек и пластин в офтальмологии.

Механизмы отслойки сосудистой оболочки глаза. Напряженно-деформированное состояние наружной оболочки глаза при циркляже. Линейная модель вакуум-синдрома.

Модель эписклерального пломбирования глаза.

Математическая модель развития глаукомы

9. Биомеханика слуха

Функционирование органов слуха и равновесия.

Биомеханика среднего уха. Простейшие теории мембран, пластин и оболочек в моделировании среднего уха.

Отосклероз и его влияние на механизм звукопроведения в среднем ухе человека.

Математическая постановка задачи о распространении волн в улитке. Модель движения жидкости в полукружных каналах.

10.  Рост и морфогенез

Морфогенез. Принципы построения моделей растущих тканей и органов.

Модели типа Тьюринга. Кинетика клеточного деления, массоперенос и рост в опухолевых тканях.

11. Двигательный аппарат

Общие представления о локомоциях. Принципы организации движений. Синергии.

Движения человека. Моделирование тела человека многозвенным механизмом.

Взаимодействие органов двигательного аппарата с опорой. Биомеханика стопы.

Анализ импульсного и вибрационного воздействия на человека.

Оптимизация спортивных упражнений и физиотерапевтических процедур.

12. Коллективные явления

Движение совокупностей взаимодействующих организмов. Случайные блуждания и хемотаксис у одноклеточных. Целенаправленные коллективные движения.

13. Искусственные органы и системы

Искусственные клетки и мембраны.

Механические свойства материалов для медицины (металлы, керамика, полимеры и эластомеры). Заменители биологических жидкостей.

Протезирование опорно-двигательного аппарата. Существующие конструкции эндопротезов.

Шовный материал для хирургии. Эксплантаты.

Протезы кровеносных сосудов, клапанов и желудочков сердца, искусственное сердце.

Протезирование среднего уха. Математическая модель хирургически реконструированного среднего уха при тимпанопластике.

Оптимизация протезов зубочелюстной системы и техники ортодонтического лечения.

Аппараты искусственного дыхания, оксигенаторы искусственной почки и другие искусственные массообменные системы.

Основная литература

  1. Александер Р. Биомеханика. М.: Мир, 1970.
  2. Арсеньев Д.Г., Аранов В.Ю., Бауэр С.М. и др. Математические модели и компьютерное моделирование в биомеханике: Учеб. пособие (под ред. А.В. Зинковского и В.А. Пальмова): СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2004.
  3. Гидродинамика кровообращения. М.: Мир, 1971.
  4. Волькенштейн М.В. Общая биофизика. М.: Наука, 1978.
  5. Регирер С.А. Лекции по биологической механике. Ч. 1. М.: Изд.-во МГУ, 1980.
  6. Бауэр С.М., Зимин Б.А., Товстик П.Е. Простейшие модели теории оболочек и пластин в офтальмологии. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2000.
  7. Бранков Г. Основы биомеханики. М.: Мир, 1981.
  8. Механика кровообращения / К. Каро, Т. Педли, Р. Шротер, У. Сид. М.: Мир, 1981.
  9. Гурфинкель В.С., Левик Ю.С. Скелетная мышца: структура и функция. М.: Наука, 1985.
  10. Березовский В.А., Колотилов Н.Н. Биофизические характеристики тканей человека. Справочник. Киев: Наук.думка, 1990.
  11. Бегун П.И., Шукейло Ю.А. Биомеханика. СПб: Политехника, 2000.
  12. Дубровский В.И., Федорова В.Н. Биомеханика. М.: Владоспресс, 2003.
  13. Шилько С.В., Плескачевский Ю.М. Механика адаптивных композитов и биоматериалов // Материалы, технологии, инструмент.– 2003.– № 4.– C. 5–16.
  14. Чигарев А.В., Михасев Г.И. Биомеханика, Мн., 2004.
  15. Современные проблемы биомеханики. Т. 1–15. Рига; т. 7. Н. Новгород; т. 8–10. М., 1983–2008.

Дополнительная литература

  1. Бернштейн Н.А. Очерки по физиологии движений и физиологии активности. М.: Медицина, 1966.
  2. Бегун П.И. Гибкие элементы медицинских систем. СПб.: Политехника, 2002.
  3. Патури Ф. Растения – гениальные инженеры природы. М.: Прогресс, 1979.
  4. Ивенс И., Скейлак Р. Механика и термодинамика биологических мембран. М.: Мир, 1982.
  5. Шмидт-Ниельсен К. Физиология животных. Приспособление и среда. Кн. 1, 2. М.: Мир, 1982.
  6. Марри Д. Нелинейные дифференциальные уравнения в биологии: Лекции о моделях. М.: Мир, 1983.
  7. Педли Т. Гидродинамика крупных кровеносных сосудов. М.: Мир, 1983.
  8. Регирер С.А. Квазиодномерная теория перистальтических течений // Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа. 1984. № 5. C. 89—97.
  9. Романовский Ю.М., Степанова Н.В., Чернавский Д.С. Математическая биофизика. М.: Наука, 1984.
  10. Физиология человека. Т. 1–4. М.: Мир, 1985,1986.
  11. Богданов К.Ю. Физик в гостях у биолога. М.: Наука, 1986.
  12. Биомеханика: проблемы и исследования. Рига: Зинатне, 1988.
  13. Проблемы прочности в биомеханике. М.: Высш. школа, 1988.
  14. Глазер Р. Очерк основ биомеханики. М.: Мир, 1988.
  15. Образцов И.Ф., Ханин М.А. Оптимальные биомеханические системы. М.: Медицина, 1989.
  16. Беленький В.Е., Куропаткин Г.В. Диалог травматолога с биомехаником. М.: Солид, 1996.
  17. Плескачевский Ю.М., Чигарев А.В., Шилько С.В. Биологические и технические системы – конкуренция и синтез // Механика машин, механизмов и материалов.– 2007.– Т. 1, № 1.– С. 78–89.
  18. Михасев Г.И., Фирсов М.А., Ситников В.П. Моделирование свободных колебаний звукопроводящей системы реконструированного среднего уха // Российский журнал биомеханики. – 2005. – Т.9, №1. – С.52-62.
  19. Покатилов А.Е. Биомеханика взаимодействия спортсмена с упругой опорой. Мн.: Изд. центр БГУ, 2006.