Методические основы биомеханических исследований.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Им. Н.Э.Баумана

ФАКУЛЬТЕТ «БИОМЕДИЦИНСКАЯ ТЕХНИКА»

_____КАФЕДРА «БИОМЕДИЦИНСКИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ»_____________

«УТВЕРЖДАЮ»

Зав. кафедрой БМТ-1

Д.т.н., профессор

И.Н. Спиридонов

Г.

МЕТОДИЧЕСКИЕ Указания

К выполнению лабораторной работы

Изучение методов и оборудования для механического испытания различных материалов

по дисциплине

«Конструкционные и биоматериалы»

МОСКВА 2014г.

Методические указания составил д.т.н., профессор: Г.В. Саврасов

Методические указания рассмотрены и одобрены

методической комиссией кафедры БМТ1

Председатель методической комиссии: _____________________ В.А. Карпухин “_____”_____________ 2014 г.

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Цель работы: методы и технические средства для механических испытаний конструкционных и биоматериалов

Задачи работы: изучить основные положения разработки методов испытания различных материалов и принципов структурного построения технических средств, предназначенных для испытания материалов различного происхождения.

Краткие теоретические сведения:

В современной медицине для оценки состоянии биологи­ческого объекта применяются различные методы получении и обработки информации, формирования информативных по­казателей и алгоритмов принятия решений. При этом всегда необходимо оценить соответствие полученных количествен­ных и качественных характеристик действительному состо­янию объекта исследований. Важным является метрологиче­ское обеспечение этих исследований, связанное с повышением точности и достоверности получаемых измерений.

Сложность биологического объекта, несовершенство ме­тодов исследования и математического аппарата не позволя­ют, чаше всего, адекватно оценить особенности его поведе­ния при различных условиях. Поэтому биологический объ­ект необходимо характеризовать с более общих методологических позиций, в качестве которых может быть использован системный подход.

При проведении биомеханических исследований исполь­зуется большой арсенал методов и средств, предназначенных для изучения органических и неорганических материалов. Результаты измерения биомеханических показателей, отра­жающих состояние биологического объекта, представляются в численном или графическом виде.

Многообразие решаемых задач часто затрудняет прове­дение испытаний на лабораторном оборудовании и вынужда­ет исследователей разрабатывать специальные воздействующие и измерительные системы. А это, в свою очередь приводит к неоднородности информации об одном и том же биологическом объекте по результатам измерений разных авторов. Поэтому особую важность приобретают вопросы унификации биомеханических методик и эффективного использования стандартных измерительных и воздействующих систем, зарекомендовавших себя в других областях как универсальные и точные. Эффективность данных систем определяется тем, насколько точно будут согласованы биологические и техни­ческие звенья, обеспечена единая информационная среда, в которой происходит взаимодействие разнородных звеньев и соблюдается принцип адекватности при выборе средств воз­действия.

На принципе системного подхода основан испытательный комплекс для биомеханических исследований, благодаря универсальности регистрирующего блока системы обеспечи­вающий методическое единство при решении технологиче­ских задач медицины.

Базовый вариант (см. рис. 1, а) позволяет проводить биомеханические исследования с применением традиционных методов механического испытания материалов. В смешанном варианте (см. рис. 1, 6) биологический объект (БО) исследо­вания одновременно испытывает механическое воздействие со стороны внутренней и внешней воздействующих систем, каждая из которых содержит в своем составе блоки воздей­ствия (БВ) и управления (БУ). Функциональная связь при вспомогательном варианте осуществляется автономной си­стемой, состоящей из управляющего и воздействующего бло­ков, с обеспечением обратной связи по общей линии измери­тельной системы испытательного комплекса.

Рис.1. Структурное построение испытательного комплекса.

С системных позиций испытательный комплекс представляет собой биотехническую систему эргатического типа [1].

Наличие в системе исследователя (И) является необходимым условием ее нормального функционирования. Исследователь в структуре комплекса выполняет функция управляющего звена опосредованного воздействия на биологический объект. Через исследователя замыкается обратная связь преобразова­ния информации в случае отсутствия таковой между систе­мой анализа информации (САИ), блоком регистрация (БР) и системой оптического слежения (СОС) за биологическим объектом (БО).

Основу испытательного комплекса составляет универ­сальная машина INSTRON3365, обеспечивающая большие возможности яри испытании по различным схемам нагру­жения. Для всех вариантов комплекса общим техническим эвеном является высокочувствительная измерительная систе­ма с датчиком нагрузки (Д) и блоком регистрации нагрузки, приложенной к биологическому объекту. Блок регистрация состоит из электронного и записывающего устройств реги­страции нагрузки. Результаты испытаний фиксируются за­писывающим устройством на бумажной ленте в виде диа­граммы. Записывающее устройство регистрирует изменения нагрузки в зависимости от положения траверсы или време­ни нагружения. Протяжка бумаги может не зависеть от пе­ремещения траверсы. Нагружение БО осуществляется БВ непосредственно через согласующий блок (СБ). Режим воз­действия задается БУ.

Важное функциональное назначение имеет согласующий блок, находящийся в непосредственном взаимодействии с БО и обеспечивающий неразрывность связи в едином контуре управления испытательного комплекса. Конструктивное ре­шение СБ зависит от целей, достигаемых при том или ином методе биомеханических испытаний. В базовом и смешанном вариантах комплекса используется как стандартная оснаст­ка, входящая в состав машины INSTRON3365, так и специ­альная, причем в смешанном варианте дополнительный СБ устанавливают не только со стороны внутренней воздействующейсистемы, но и внешней. Во вспомогательной структуре комплекса (см. рис. 1, в) СБ обеспечивает связь с БО лишь со стороны внешней воздействующей системы.

Формально биологический объект в данных условиях представляет собой депо анализируемых биомеханических параметров. Объект испытаний вне организма неизбеж­но претерпевает изменения, обусловленные изменением его физиологического состояния, нарушением физиологических связей с поддерживающими его состояние системами орга­низма. Поэтому задачи биомеханики могут быть удовлетво­рительно решены лишь с позиций компромисса взаимосвя­занных биологических и технических проблем. Значитель­ную роль в обеспечении данного компромисса играет этап подготовки биологического объекта к испытаниям, включа­ющий условия хранения, изготовление и оценку геометриче­ских параметров образцов БО в исходном состоянии.

Подготовку к испытаниям проводят с применением спе­циальных технических средств для вырезки образцов. Образ­цы изготавливают в форме сегмента органов или пластин из материала органов. Например, при изучении биомехани­ки кровеносных сосудов в зависимости от схемы нагружения и поставленных задач используются трубчатые и плос­кие образцы. Плоские образцы вырезают из стенки крове­носного сосуда шаблоном, профиль режущей части которого, чаще всего имеет форму прямоугольника или двухсторонней лопатки.

Геометрические параметры образцов могут быть опре­делены с помощью стандартных механических или оптиче­ских измерительных систем, обеспечивающих погрешность показаний не более 0, 01 мм. Точность измерения образцов из мягких биотканей при применении механических систем сни­жается из-за вероятности деформации материала образца в процессе измерении. Деформация исключена при измерении с помощью электромеханического измерителя, снабженного звуковым генератором, который срабатывает в момент кон­такта головки индикатора с поверхностью образца. Принцип действия звуковой сигнализации основан на электропровод­ности биологических тканей.

Выбор метода испытаний биотканей обусловлен как осо­бенностями структурного и конструктивного характера ор­ганов, так их функциональным назначением. Упруго-де-формативные и прочностные характеристики биологических материалов главным образом оцениваются при испытании на растяжение, которое является традиционным методом био­механики материалов. Для решения технологических задач медицины при изучении физико-механических свойств биоматериалов и органов используют разнообразные методы ис­пытаний, в том числе на раздир, сжатие и сдвиг.

На рис.2. представлена общая схема методов экспериментальных исследований.

Одна группа методов предназначена для испытаний собственно биологического материала, другая – для изучения процессов взаимодействия биоматериала с инструментом. Вторая группа методов моделирует некоторые виды хирургических операций.

Рис.2. Общая схема методов экспериментальной биомеханики.