Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги / Экспериментальные методы в биомеханике

..pdf

Скачиваний:

Добавлен:

20.11.2023

Размер:

29.7 Mб

Скачать

☆

1 / 401 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В БИОМЕХАНИКЕ

Под редакцией Ю.И. Няшина и Р.М. Подгайца

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского государственного технического университета

2008

УДК 531/ 539:61612.76(075.8) ББК 28.707я73

Э41

Авторы:

Ю.И. Няшин, Р.М. Подгаец, В.Д. Тютюнщикова, Ю.В. Акулич, И.К. Березин, А.А. Киченко, В.Н. Ковров, О.Б. Наймарк, О.А. Плехов, А.В. Сотин, В.М. Тверье, Н.С. Шабрыкина

Рецензенты:

д-р мед. наук, профессор Г.Г. Фрейнд (Пермская государственная медицинская академия имени академика Е.А. Вагнера);

д-р техн. наук, профессор А.И. Цаплин (Пермский государственный технический университет)

Экспериментальные методы в биомеханике: учеб. пособие / Э41 под ред. Ю.И. Няшина, Р.М. Подгайца. – Пермь: Изд-во Перм.

гос. техн. ун-та, 2008. – 400 с.

ISBN 978-5-398-00121-1

Издание посвящено методам эспериментального исследования живых систем, и в первую очередь организма человека. Оно основано на курсах физики, биомеханики и физиологии. Дается общая характеристика экспериментальных методов исследования физиологических систем. Рассмотрены методы исследования отдельных систем и тканей организма человека – сердечнососудистой системы, опорно-двигательного аппарата, центральной нервной системы, крови и костной ткани. Подробно обсуждаются физические основы рассматриваемых экспериментальных методов.

Предназначено для студентов и аспирантов, изучающих вопросы теоретического и экспериментального исследования живых систем.

УДК 531/ 539:61612.76(075.8) ББК 28.707я73

Издано в рамках приоритетного национального проекта «Образование» по программе Пермского государственного технического университета «Создание инновационной системы формирования профессиональных компетенций кадров и центра инновационного развития региона на базе многопрофильного технического университета»

ISBN 978-5-398-00121-1	© ГОУ ВПО
	«Пермский государственный
	технический университет», 2008

ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ.............................................................................	9
ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................	10
Глава 1
Исследование биологических процессов..................................	15
1.1. Природа биоэлектрических явлений......................................	15
1.2. Области применения электрофизиологических
исследований. Основные характеристики биосигналов.......	18
1.3. Усилители, электростимуляторы, электроды и датчики......	20
1.4. Микроэлектродное и макроэлектродное исследования
биоэлектрической активности ................................................	22
1.5. Контрольные вопросы.............................................................	25
Список литературы к главе 1. ........................................................	25
Глава 2
Лучевые методы исследований и эндоскопия.........................	26
2.1. История лучевой диагностики................................................	26
2.2. Рентгенологические методы исследования...........................	27
2.2.1. История открытия .........................................................	27
2.2.2. Получение рентгеновских лучей, их биологическое
действие, регистрация, области применения..............	29
2.2.3. Виды рентгеновских исследований.............................	32
2.3. Компьютерная томография.....................................................	34
2.3.1. Принцип компьютерной томографии..........................	34
2.3.2. Поколения компьютерных томографов.......................	35
2.3.3. Спиральная томография................................................	37
2.3.4. Этапы томографии ........................................................	38
2.3.5. Проведение томографического исследования............	39
2.4. Радионуклидные методы исследования.................................	40
2.4.1. Радиометрия...................................................................	41
2.4.2. Радиография...................................................................	42
2.4.3. Сканирование ................................................................	43
2.4.4. Сцинтиграфия................................................................	44
2.4.5. Области применения радиоизотопных
исследований.................................................................	45
2.4.6. Радиоизотопные методы томографии..........................	46

2.5. Магнитно-резонансный метод исследования........................	47
2.6. Ультразвуковой метод исследования.....................................	49
2.6.1. История развития учения об ультразвуке...................	50
2.6.2. Принцип метода ............................................................	53
2.6.3. Составляющие системы ультразвуковой
диагностики...................................................................	54
2.6.4. Режимы ультразвукового исследования......................	56
2.7. Инфракрасная термография....................................................	63
2.7.1. Физические основы метода..........................................	64
2.7.2. Применение процедуры инфракрасной термографии
в медицине.....................................................................	67
2.7.3. Требования к условиям проведения инфракрасного
сканирования.................................................................	69
2.7.4. Особенности проведения процедуры
инфракрасной термографии.........................................	70
2.7.5. Интерпретация термографической информации........	72
2.8. Эндоскопия...............................................................................	73
2.9. Контрольные вопросы.............................................................	77
Список литературы к главе 2 .........................................................	78
Глава 3
Методы исследования сердечно-сосудистой системы............	81
3.1. Строение и функционирование сердца..................................	81
3.2. Электрокардиография..............................................................	85
3.2.1. История изучения биотоков сердца.............................	85
3.2.2. Электрофизиологические процессы в миокарде........	88
3.2.3. Теоретические основы электрокардиографии............	89
3.2.4. Электрокардиографическая аппаратура......................	90
3.2.5. Отведения ЭКГ..............................................................	92
3.2.6. Условия регистрации ЭКГ............................................	96
3.2.7. Характеристика электрокардиограммы.......................	97
3.2.8. Функциональные пробы...............................................	100
3.3. Определение электрической оси сердца................................	101
3.4. Тоны сердца и способы их регистрации................................	104
3.4.1. Метод аускультации......................................................	104
3.4.2. Метод фонокардиографии (ФКГ) ................................	104
3.5. Апекскардиография (АКГ)......................................................	110

3.6. Эхокардиография.....................................................................	113
3.7. Показатели гемодинамики и методы их измерения..............	118
3.7.1. Функциональная классификация сосудов...................	118
3.7.2. Артериальное давление и его измерение ....................	119
3.7.3. Сфигмография ...............................................................	121
3.7.4. Флебография..................................................................	126
3.7.5. Реография.......................................................................	127
3.7.6. Реовазография................................................................	137
3.8. Контрольные вопросы.............................................................	139
Список литературы к главе 3 .........................................................	140
Глава 4
Исследование системы микроциркуляции..............................	142
4.1. Строение и функционирование системы
микроциркуляции.....................................................................	142
4.1.1. Строение микроциркуляторного русла.......................	143
4.1.2. Течение крови в кровеносном капилляре....................	147
4.1.3. Транскапиллярный обмен веществ..............................	148
4.2. Экспериментальные методы исследования
микроциркуляции.....................................................................	149
4.3. Контрольные вопросы.............................................................	156
Список литературы к главе 4. ........................................................	157
Глава 5
Вискозиметрия крови...................................................................	160
5.1. Введение в реометрию.............................................................	160
5.1.1. Материальные функции................................................	162
5.1.2. Неньютоновские и аномально вязкие жидкости ........	163
5.2. Методы вискозиметрии...........................................................	166
5.2.1. Ротационный метод вискозиметрии
(вискозиметр Куэтта) .....................................................	166
5.2.2. Метод капиллярной вискозиметрии............................	171
5.2.3. Метод падающего шарика............................................	172
5.2.4. Вибрационный метод вискозиметрии .........................	173
5.3. Исследование упругого поведения крови как вязкоупругой
жидкости...................................................................................	175
5.3.1. Свойства и функции клеток крови...............................	175

5.3.2. Измерение разности нормальных напряжений...........	177
5.4. Измерение свойств при периодическом деформировании...	179
5.5. Контрольные вопросы.............................................................	180
Список литературы к главе 5 .........................................................	180
Глава 6
Экспериментальные методы биомеханики костной ткани..	182
6.1. Виды и состав костной ткани..................................................	182
6.2. Гистологический метод определения структуры
костной ткани...........................................................................	186
6.3. Определение плотности костной ткани in vitro.....................	189
6.4. Определение плотности костной ткани in vivo......................	191
6.4.1. Рентгенологические методы.........................................	191
6.4.2. Ультразвуковые методы...............................................	198
6.5. Определение механических свойств костной ткани
in vivo.........................................................................................	202
6.6. Определение механических свойств костной ткани
in vitro........................................................................................	202
6.6.1. Роль биологических факторов .....................................	203
6.6.2. Экспериментальное оборудование для механических
испытаний костной ткани.............................................	205
6.6.3. Экспериментальное определение разрушающих каса-
тельных напряжений для сырой губчатой костной ткани верх-
ней части головки бедра.........................................................	210
6.6.4. Методика статических испытаний плотной кости.....	216
6.7. Контрольные вопросы.............................................................	228
Список литературы к главе 6. ........................................................	229
Глава 7
Современные методы исследования и описания структуры
костной ткани человека...............................................................	233
7.1. Закон Вольфа............................................................................	233
7.2. Способы описания структуры.................................................	244
7.3. О кривых и поверхностях второго
порядка......................................................................................	264
7.4. Некоторые необходимые сведения из тензорного
исчисления................................................................................	268

7.5. Тензор структуры для трабекулярной костной ткани,
его построение и свойства.......................................................	276
7.6. Реализация стереологических исследований
в программе Image Tool ...........................................................	294
7.7. Результаты исследований........................................................	300
7.8. Контрольные вопросы.............................................................	309
Список литературы к главе 7 .........................................................	310
Глава 8
Методы исследования скелетных мышц..................................	317
8.1. Структурно-функциональная характеристика
скелетных мышц......................................................................	317
8.1.1 Характеристика сократительного аппарата мышцы ...	318
8.1.2. Виды мышечных сокращений......................................	319
8.1.3. Моторные элементы мышцы........................................	320
8.1.4. Механизм мышечного сокращения .............................	321
8.2. Характеристика методов изучения скелетных мышц ..........	322
8.2.1. Динамометрия и эргография........................................	322
8.2.2. Электромиография........................................................	323
8.3. Контрольные вопросы.............................................................	332
Список литературы к главе 8 .........................................................	333
Глава 9
Методы анализа движений человека........................................	335
9.1. Методы анализа походки человека ........................................	335
9.2. Подометрия...............................................................................	337
9.3. Гониометрия.............................................................................	340
9.4. Ихнометрия ..............................................................................	343
9.5. Пододинамометрия..................................................................	346
9.6. Видеорегистрация....................................................................	348
9.7. Исследование биопотенциалов мышц....................................	351
9.8. Контрольные вопросы.............................................................	355
Список литературы к главе 9 .........................................................	355
Глава 10
Методы исследования респираторной системы .....................	357
10.1. Структура и функция дыхательной системы..............	357
10.1.1. Значение легких в физиологических процессах......	359

10.1.2. Вентиляция легких ....................................................	359
10.2. Биомеханика вдоха и выдоха................................................	360
10.2.1. Биомеханика вдоха.....................................................	360
10.2.2. Биомеханика выдоха .................................................	363
10.2.3. Типы дыхания ............................................................	364
10.3. Показатели дыхательной системы........................................	365
10.3.1. Легочные объемы.......................................................	365
10.3.2. Легочные емкости......................................................	365
10.3.3. Показатели вентиляции легких.................................	366
10.4. Спирометрия и спирография.................................................	367
10.4.1. Традиционная техника спирографического
исследования...............................................................	368
10.4.2. Компьютерная спирография......................................	372
10.4.3. Оценка результатов исследования ...........................	376
10.5. Лучевая диагностика органов дыхания................................	377
10.5.1. Рентгенологическое исследование ...........................	378
10.5.2. Компьютерная томография грудной клетки............	379
10.5.3. Пульмоносцинтиграфия грудной клетки.................	380
10.5.4. Магниторезонансная томография.............................	380
10.5.5. Эндоскопическое обследование................................	381
10.6. Контрольные вопросы ..........................................................	382
Список литературы к главе 10 .......................................................	382
Глава 11
Методы исследования центральной нервной системы .........	385
11.1. Строение и функции отделов ЦНС ......................................	385
11.1.1. Спинной мозг..............................................................	385
11.1.2. Головной мозг.............................................................	385
11.2. Методы исследования головного мозга...............................	388
11.2.1. Электроэнцефалография............................................	388
11.2.2. Стереотаксический метод исследования..................	390
11.2.3. Исследование структур и функций мозга
с помощью анализа изображений.............................	393
11.2.4. Реоэнцефалография.....................................................	395
11.3. Контрольные вопросы...........................................................	396
Список литературы к главе 11 .......................................................	397

ПРЕДИСЛОВИЕ

Внаше время существует большое количество монографий

иучебников, посвященных вопросам биомеханики. В зарубежной литературе на английском языке наиболее известны классические монографии Ю. Фанга (Y.C. Fung. Biomechanics. Mechanical Proper-

ties of Living Tissues. – New York: Springer Verlag, 1993; Y.C. Fung.

Biomechanics. Circulation. – New York: Springer Verlag, 1997). В ли-

тературе на русском языке можно отметить две недавно вышедшие работы П.И. Бегуна с соавторами (П.И. Бегун, Ю.В. Шукейло «Биомеханика». СПб: Политехника, 2000; П.И. Бегун, П.Н. Афонин «Моделирование в биомеханике». М.: Высшая школа, 2004). Однако в этих и других аналогичных монографиях и учебниках не всегда достаточно внимания уделяется экспериментальным методам исследования живых объектов и структур. Кроме того, эти книги часто страдают недостатком дидактического представления различных тем, и не включают вопросов и упражнений для студентов.

Данное учебное пособие можно рассматривать как дополнение к учебному пособию Ю.И. Няшина и В.А. Лохова «Основы биомеханики» (Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2007), посвященному постановкам и методам решения краевых задач механики сплошной среды применительно к биомеханике, в частности компьютерным методам решения задач биомеханики. В представленном издании освещены в основном экспериментальные методы биомеханики и физиологии, приведены некоторые результаты экспериментальных исследований авторов в области биомеханики.

Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, аспирантов вузов, изучающих методы теоретического и экспериментального исследования живых систем.

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы слово «междисциплинарный» стало олицетворением продуктивного исследования. Именно к таким наукам относится биомеханика, становящаяся эффективным мостом между классически разъединенными дисциплинами – механикой и биологией. Теоретическая, или компьютерная, биомеханика изучает на основе создаваемых математических моделей механические свойства живых тканей, отдельных органов и систем или организма в целом, а также происходящие в них механические явления. Биомеханика является комплексной наукой, она включает в себя самые разнообразные знания многих наук, таких как физика, химия, анатомия, физиология и др.

Важную роль в появлении математических моделей в биомеханике играют экспериментальные исследования, которые создают фундамент для построения теории и позволяют произвести оценку достоверности получаемых на ее основе результатов. В свою очередь, созданные на основе эксперимента теории ставят новые задачи перед экспериментальной наукой.

Исторически биомеханика считалась разделом физиологии. И в настоящее время проведение биомеханических исследований невозможно без знания строения и функций систем и тканей живых организмов. В связи с этим большое место в данном учебном пособии занимают экспериментальные методы физиологических исследований.

Биомеханика и физиология располагают большим количеством экспериментальных методов изучения функций организма. Наряду с классическими методами в настоящее время широко применяются электрофизиологические, лучевые и другие современные методы.

Появлению их предшествовал общий прогресс физики, химии, радиоэлектроники и вычислительной техники, который привел к созданию мощной усилительной и точной регистрирующей аппаратуры. Комплексное применение этих методов дает возможность изучать как основные закономерности деятельности, так и специфические особенности различных систем организма и их отдельных структурных элементов.

1 / 401 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги