رشته بیومکانیک در واقع کاربرد تحلیل‌ها و مباحث حوزه مکانیک در علوم بیولوژیکی و زیستی است. اکثر کارهای روزمره ما توسط محققان رشته بیومکانیک مورد تحلیل و بررسی قرار می‌گیرند؛ مانند نحوه درست نشستن، نحوه راه رفتن و… . در این مقاله از تریتا قصد داریم به معرفی رشته بیومکانیک و شاخه‌های مختلف آن بپردازیم. با ما همراه باشید.
رشته بیومکانیک
در این علم در واقع رفتارها و مسائل مربوط به ارگان‌های زنده از دید مکانیکی بررسی می شوند. به عنوان مثال در علم مکانیک مبحثی به نام اصول شکست در جامدات وجود دارد که در آن در مورد چگونگی شکست و گسیختگی مواد جامد و سازه‌ها بحث می‌شود. از همین اصول برای توجیه و بررسی انواع شکست در استخوان‌ها استفاده می‌شود. یا همچنین در علم مکانیک در مورد تحلیل دینامیکی و سینماتیکی حرکت یک سازه متحرک بحث می شود که از همین موضوعات در بررسی تحلیل حرکت راه رفتن و یا سایر حرکات استفاده می‌شود که در بیومکانیک تحلیل حرکت و بیومکانیک ورزشی می‌گنجد.
از مهم‌ترین دستاوردهای این گرایش می‌توان به ساخت اعضای مصنوعی بدن انسان از جمله قلب مصنوعی، لوازم پزشکی، پروتزها، ایمپلنت‌ها و اورتزها اشاره نمود که تاثیر بسزایی در زندگی بشر داشته است. استفاده از علم به خصوص در سال‌های جاری در زمینه تولید تجهیزات حوزه سلامت (که در ادامه به آن اشاره می‌کنیم) توانسته درآمد و بازار بسیار خوبی به خود جذب کند .
واژه شناسی
واژه بیومکانیک در دنیای علم، برگرفته از دو واژه یونانی “bio” به معنای زیست و “mechanics” به معنای ابزار گرفته شده است.
تاریخچه علم بیومکانیک
اگر به تاریخچه علم بیومکانیک نگاهی بیندازیم، می‌بینیم که چندان هم با رشته جدیدی در عرصه تاریخ مواجه نیستیم. جالب است بدانید که برای نخستین بار ارسطو در قرن ۱۴ پیش از میلاد قصد داشته تا با استفاده از تحلیل‌های هندسی، کارکرد ماهیچه‌ها را در حرکت حیوانات بررسی کند. حدود ۲۰۰۰ سال بعد یعنی در قرن ۱۵- ۱۶ پس از میلاد، لئوناردو داوینچی در نقاشی‌های آناتومیکی معروفش، مکانیک ایستادن، راه رفتن و پریدن را تشریح کرد و حدود ۱۰۰ سال بعد اولین تلاش‌ها برای آنالیز ریاضی کارکرد‌های فیزیولوژیکی توسط گالیله انجام گرفت.
اما پدر مکانیک سیالات زیستی (biofluid) مدرن را ویلیام هاروی (۱۶۵۷-۱۵۷۸ م.) می‌دانند. وی در زمینه تعریف آناتومیکی سیرکولاسیون خون در بدن تلاش‌های گسترده‌ای انجام داد و همچنین آلفونسو بورلی را به دلیل فعالیت‌های بسیار در زمینه تفسیر و توضیح نیروهای تولید شده توسط ماهیچه‌ها، نقش استخوان‌ها به عنوان محور و ارتباط تنگاتنگ سیستم استخوانی با ماهیچه‌ها، پدر علم مکانیک جامدات زیستی (biosolid) می‌نامند. توجه شما را به عکس روبرو جلب می‌کنیم. عکسی که مشاهده می‌کنید، صفحه‌ای از کتاب آلفونسو بورلی می‌باشد.
انواع شاخه‌ها و مسائل موجود در رشته بیومکانیک
معرفی رشته بیومکانیک سیالات زیستی
یکی از شاخه‌های علم مکانیک، تحلیل رفتار انواع سیالات در سیستم‌های مختلف است. در علم بیومکانیک از همین اصول در بررسی سیالات زیستی که در بدن جریان دارند مانند خون و یا هوای درون ریه‌ها، استفاده می‌شود.
در بیومکانیک سیالات زیستی با تحلیل جریان خون در سیستم قلبی-عروقی می‌توان به بررسی عوامل پاتوبیولوژیکی موثر پرداخت و راهکارهایی برای کنترل بیماری‌های گسترده قلبی-عروقی و یا ساخت وسایل درمانی درون رگی مانند استنت پیدا کرد. همچنین می‌توان به بررسی مکانیزم‌های پراهمیت انتقال حرارت و یا انتقال جرم در ارگان‌های زیستی مانند انتقال چربی خون پرداخت و حوزه‌های انتقال دارو و یا سرما و گرما درمانی مثل جراحی با استفاده از سرما و التیام درد با استفاده از حرارت را تحت پوشش در آورد.
همچنین در این شاخه از بیومکانیک رفتار و حرکات سیالات زیستی دیگری همچون اسید معده و یا مایع مغزی و جریان‌های هوایی در سیستم تنفسی پرداخته می‌شود. استفاده از این شاخه علم بیومکانیک در ساخت ابزار‌هایی مانند دریچه مصنوعی قلب، استنت رگی، رگ مصنوعی، اسپیرومتر ،سیستم‌های دارورسانی و… و همچنین درمان بیماری‌هایی چون نارسایی‌های ریوی، موانع جریان درون رگی خون، اختلالات در عملکرد انقباض و انبساط قلب بسیار مفید می‌باشد.
معرفی رشته بیومکانیک تحلیل و آنالیز حرکت
در علم مکانیک با به کار بردن یافته‌های دینامیکی و سینماتیکی می‌توان حرکت انواع سازه‌های متحرک مانند دوچرخه را بررسی کرد. در بیومکانیک تحلیل و آنالیز حرکت از همین اصول و یافته‌ها در بررسی انواع حرکت و موقعیت‌ها در انسان و جانوران مانند راه رفتن و یا بلند شدن و ایستادن استفاده می‌شود.
بیومکانیک تحلیل و آنالیز حرکت علم بسیار مهمی در ساخت اعضای مصنوعی و بیورباتیک و ارگونومی و همچنین رفع ایرادات و نارسایی‌های حرکتی می‌باشد.
معرفی رشته بیومکانیک در ورزش
بیومکانیک در ورزش را می‌توان تعمیم‌یافته بیومکانیک آنالیز و تحلیل حرکت در فعالیت‌های ورزشی دانست.
بیومکانیک ورزشی در واقع تحلیل حرکات ورزشی به منظور کاهش آسیب‌ها و خطرات و بهبود کیفیت انجام حرکات ورزشی است. در بیومکانیک ورزشی حرکات ورزشی با استدلال‌های مکانیکی بررسی می‌شوند. اصول بیومکانیک در ورزش را می‌توان بر پایه عملکرد سیستم اسکلتی و عضلانی و عملکرد مفصل‌ها دانست.
استفاده از این شاخه علم بیومکانیک در ساخت وسایل ورزشی همچون وسایل بدنسازی و تجهیزات الکترومکانیکی ورزشی و تجهیزات تربیت بدنی و همچنین در توانبخشی و درمان ورزشکاران آسیب دیده و در کمک به ورزشکاران برای بالا بردن سطح توانایی و مهارت ورزشی و به خصوص در طراحی تمرینات ورزشی و مقاومتی مانند حرکات اصلاحی می‌تواند بسیار کارا باشد.
معرفی رشته بیومکانیک شغلی
انسان همواره در طول عمرش به فعالیت‌های بسیار متنوعی می‌پردازد که هر کدام حرکات خاص خود را دارند. از این رو در علم بیومکانیک بحثی مطرح می‌شود که چگونه می‌توانیم این امکان را فراهم کنیم تا افراد فعالیت‌های زندگیشان را در آسایش و به دور از آسیب‌ها و سختی‌ها انجام بدهند و به حداکثر بازده کاری خود برسند.(همانند بحثی که در بیومکانیک ورزشی مطرح می‌شد)
به عنوان مثال رانندگانی که در خودروهای ماشین سنگین و ترانزیتی کار می‌کنند نیاز به این دارند که صندلی و سیستم تعلیق ماشینشان به گونه‌ای طراحی شود که به مفاصل و استخوان‌های کمری و بالاتنه آن‌ها و همچنین به چشمشان آسیب و فشار جدی وارد نشود. یا مثلا فردی که در طول روز چندین ساعت را در پشت یک میز و به حالت نشسته به سر می‌برد به یک صندلی طبی یا یک پشتی طبی نیاز دارد.
این بخش از بیومکانیک در بحث ارگونومی و طراحی لوازم زندگی و شغلی و همچنین رفع مشکلات جسمانی که در اثر فعالیت‌های شغلی ایجاد شده است، کاربرد بسزایی دارد.
معرفی رشته بیومکانیک توانبخشی
از مهم‌ترین موضوعات موثر در سلامت انسان، سلامت دستگاه اسکلتی عضلانی می‌باشد. هرگونه اختلال در هر بخش از این دستگاه سایر نقاط بدن را نیز متاثر نموده و در بلند مدت سبب ایجاد مشکلات جدی‌تری در افراد می‌شود. اختلالاتی اعم از اختلالات کف پا، زانو و ستون فقرات از مهم‌ترین مسائل به شمار می‌روند. بیماری‌های عصبی که بر عملکرد سیستم عضلانی و حرکت انسان تاثیر می‌گذارند مانند ام‌اس یا پارکینسون هم از جمله اختلالاتی می‌باشند که دنیای علم همواره تلاش کرده است برای درمان و یا بهبود این اختلالات راه حل‌هایی بیابد.
در بیومکانیک توانبخشی با به کار بردن تحلیل‌های مکانیکی و استفاده از ابزارها و تجهیزاتی همچون ابزارهای فیزیوتراپی و ثبت سیگنال EMG و دستگاه FES به دنبال بهبود این اختلالات هستند.
علاوه بر کاربرد بیومکانیک توانبخشی در بهبود این اختلالات، در ساخت تجهیزاتی همچون ویلچر و ربات‌های توانبخشی و قاشق مخصوص کنترل لرزش دست و وسایل فیزیوتراپی و… هم کاربرد بسیار زیادی دارد.
معرفی رشته بیومکانیک سلولی و مولکولی یا مکانوبیولوژی
در بیومکانیک می‌توانیم تمرکز خودمان را در مقیاس سلولی بگذاریم. این ایده در مکانوبیولوژی مطرح می‌شود. در مکانوبیولوژی به فرایندهای بین سلولی و کنش و واکنش سلول‌ها در این فرایندها و عوامل مکانیکی موثر بر شکل‌دهی سلول‌ها می‌پردازند.
با استفاده از این تحلیل‌ها می‌توان با مدلسازی مکانیزم‌های رشد و ترمیم و بازسازی بافت‌های زنده را مورد بررسی قرار داد. به عنوان نحوه و فرایند جوش خوردن دو قسمت استخوان ترک خورده را می‌توان مورد بررسی قرار داد. حال با استفاده از این داده‌ها می‌توان راهکارهایی برای ترمیم مناسب بافت‌ها ارائه داد.
معرفی رشته بیومکانیک بافت نرم و سخت
همواره در علم مکانیک مطالعه رفتار انواع مواد تحت عوامل مکانیکی همچون نیرو و گشتاورها بسیار اهمیت دارد. بررسی این رفتار به ما در طراحی و ساخت و تعمیر انواع سازه‌ها کمک زیادی می‌کند. یکی از کاربردهای این مطالعه در بررسی بافت‌های بدن می‌باشد که در آن از همین الگوهای مکانیکی استفاده می‌شود. این کار در بیومکانیک بافت‌های نرم و سخت انجام می‌شود.
هدف این شاخه که در اواخر قرن بیستم پایه‌گذاری شده است، مطالعه و تهیه مدل‌های ایده‌آل از ماکرومولکول‌ها و ساختار سلولی است که منجر به درک بهتر پدیده‌های درون یاخته‌ای و همچنین فهم عمیق‌تر مکانیزم تأثیر عملکرد ناصحیح آن‌ها در بروز حالات بیماری می‌شود. به علاوه این مدل‌ها سبب ارزیابی موثرتر فرضیه‌ها و نظریه‌های درمانی می‌گردد. از جمله اهداف دیگر این شاخه، مطالعه و مدلسازی ساختار سلول و فرایند بازیابی جراحات در بافت‌های آسیب‌دیده به منظور ارائه روش‌های درمانی بهینه‌تر جهت تقلیل و رفع ضایعات بافتی و همچنین تولید نمونه‌های مصنوعی برای جایگزینی آن‌هاست.
به این منظور علل و مکانیزم‌های تبدیل سلول‌های بنیادی به بافت‌ها و ارگان‌های مختلف بررسی و با استفاده از مدل‌های بدست آمده، بافت‌های آسیب دیده ترمیم یا در خارج از بدن به صورت مصنوعی تولید می‌شود. از جمله این بافت‌ها و ارگان‌ها می‌توان به استخوان، غضروف (بافت‌های سخت) و کبد، پانکراس، پوست و رگ‌های خونی (بافت‌های نرم) اشاره کرد. یکی از پرطرفدارترین موضوعات این شاخه از رشته بیومکانیک در واقع بیومکانیک ارتوپدی می‌باشد که مربوط به تحلیل‌های حوزه سیستم اسکلتی و عضلانی است. استفاده از بیومکانیک بافت در ساخت ابزاری همچون ایمپلنت‌ها و پروتزها و پودرهای استخوانی و بافت مصنوعی و یا رفع مشکلاتی همچون سایش‌های استخوانی و شکستگی و درد‌های مربوط به سیستم اسکلتی و حرکتی و یا کشت بافت مصنوعی برای جایگزینی با بافت ناسالم بسیار پرکاربرد است.
معرفی رشته بیومکانیک صدمه و آسیب
افرادی که با مفهوم دینامیک و مکانیک ضربه و تکانه آشنا هستند می‌دانند که بررسی تکانه اصل ضربه در بررسی خرابی سازه‌ها بسیار اهمیت دارد. بررسی این اصول در مورد سلامتی بدن به خصوص سیستم اسکلتی بسیار مهم است. در بیومکانیک صدمه رابطه بین نیروها و ضربات وارد بر بدن و آسیب‌های وارد شده بر اندام بررسی می‌شود. مانند شکستگی پای یک فوتبالیست در اثر ضرباتی که ممکن است در هنگام مسابقه به پای او وارد شود.
از کاربردهای این شاخه از بیومکانیک می‌توان به بررسی آسیب‌های شخصی و نحوه و دلیل مرگ و آسیب‌های جنایی اشاره کرد.
کاربرد تصویربرداری در علم بیومکانیک
یک مهندس بیومکانیک باید بتواند از طریق تحلیل تصویرهای پزشکی گرفته شده با دستگاه‌های مختلف بافت یا اندام مورد نظر را مدلسازی کند. در این راستا از تعدادی نرم افزار هم استفاده می‌شود که در ادامه به آن‌ها اشاره می‌کنیم.
نرم افزارهای مورد استفاده در علم بیومکانیک
متلب(Matlab)
سالیدورکس(Solidworks)
کتیا(Catia)
آباکوس(Abaqus)
انسیس(Ansys)
کامسول(Comsol)
انی‌بادی(Anybody)
میمیکس(Mimics)
اوپن سیم(Opensim)
ادینا(Adina)
هایپرمش(Hypermesh)
رشته بیومکانیک در دانشگاه‌ها
رشته بیومکانیک در واقع یکی از شاخه‌های مهندسی پزشکی است. افرادی که تمایل دارند در این رشته در مقطع کارشناسی تحصیل کنند، باید در ابتدا با عنوان رشته مهندسی پزشکی وارد شده و سپس بعد از حدود ۳ ترم گرایش بیومکانیک را انتخاب کنند.
اما در مقطع تحصیلات تکمیلی رشته بیومکانیک از ابتدا به صورت تخصصی ارائه می‌شود.
البته دانشجویانی که در رشته مهندسی مکانیک هم تحصیل می‌کنند، می‌توانند در این زمینه مطالعات و پژوهش‌هایی داشته باشند.
دروس مشترک گرایش‌های مختلف مهندسی پزشکی
ریاضی عمومی
معادلات دیفرانسیل
فیزیک عمومی
برنامه‌نویسی کامپیوتر
آمار حیاتی و احتمالات
محاسبات عددی
استاتیک و مقاومت مصالح در مهندسی پزشکی
ریاضیات مهندسی
مقدمه‌ای بر مهندسی پزشکی زیستی
تجهیزات عمومی بیمارستان‌ها و کیلینیک‌های پزشکی و کارگاه تجهیزات
مدارهای الکتریکی
الکترونیک۱
مدارهای منطقی
بهداشت عمومی
اصول توانبخشی وسایل و دستگاه‌ها
اصول و کلیات مدیریت
اصول سیستم‌های رادیولوژی و رادیوتراپی
فیزیولوژی
آناتومی
فیزیک پزشکی
زبان تخصصی مهندسی پزشکی
کارورزی
پروژه
دروس تخصصی اجباری رشته بیومکانیک در مقطع کارشناسی
دینامیک در مهندسی پزشکی
مقاومت مصالح در مهندسی پزشکی
مکانیک سیالات
مبانی بیومکانیک ۱
طراحی اجزا
استاتیک
ترمودینامیک در مهندسی پزشکی
نقشه کشی صنعتی ۱
توانبخشی
آزمایشگاه خواص بیولوژیکی
دروس تخصصی اختیاری رشته بیومکانیک
ارتعاشات
بیومکانیک استخوان و صدمات استخوانی
آزمایشگاه توانبخشی
نقشه کشی صنعتی ۲
مبانی بیومکانیک ۲(بیومکانیک سیالات زیستی)
کنترل اتوماتیک
مقدمه ای بر رباتیک
ارتز و پروتز
ارگونومی و مهندسی عوامل انسانی
آزمایشگاه مکانیک سیالات
آزمایشگاه مقاومت مصالح
کارگاه ماشین ابزار و تراشکاری
آشنایی با روش‌های اجزاء محدود در بیومکانیک
بیومکانیک بافت
مبانی مهندسی توانبخشی
انتقال جرم و حرارت در سامانه های حیاتی
بیومکانیک دندان و ارتودنسی
بیومکانیک راه رفتن
کینزیولوژی
دانشگاه‌های مطرح دنیا در زمینه رشته بیومکانیک
دانشگاه‌های ماساچوست، برکلی، کارولینای جنوبی، جانزهاپکینز و پنسیلوانیا در امریکا
دانشگاه‌های آکسفورد، کمبریج، بریستول، امپریال کالج لندن، شفیلد یونایتد در انگلیس
دانشگاه‌های ETH و EPFL در سوییس
دانشگاه‌های مادرید، کاتالونیا، سارگوسا، گرانادا و سویا اسپانیا
دانشگاه‌های آیندهوون، توئنته، اوترخت و ماستریخت در هلند
دانشگاه آلبورگ در دانمارک
دانشگاه‌های پلی تکنیک پاریس و سنت‌اتین در فرانسه
دانشگاه‌های پادووا و کالابریا ایتالیا
دانشگاه ورشو لهستان
دانشگاه‌های پورتو و لیسبون پرتغال
دانشگاه‌های استکهلم و لوند سوئد
دانشگاه‌های مونترال و اتاوا کانادا
دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلی تکنیک تهران) در ایران
دانشگاه‌های اولو و تورکو فنلاند
دانشگاه‌های برلین، هامبورگ، آخن و رستوگ در آلمان
دانشگاه پاتراس در یونان
دانشگاه‌های استانبول، آنکارا و ازمیر ترکیه
دانشگاهيهای خنت، کاتولیک لون و بروکسل در بلژیک
منبع: Sciencedirect
