F7PMF1EAB - Experimentální a aplikovaná biomechanika

Výklad je zaměřen především na studium pohybu a s ním a z něho vyplývajícího zatížení pohybového aparátu. Témata jsou představena vždy na praktických příkladech v přímé souvislosti se zaměřením studijního programu studentů. Výstupem přednášek je přehled studentů o způsobech matematického popisu pohybu a schopnost jednoduché úlohy analyticky řešit. Studenti touto cestou získávají představu o zatěžování segmentů a kloubů lidského těla při pohybových aktivitách jak pasivních, tak aktivních se zapojením svalové složky. Cvičení jsou vedena praktickým způsobem, kdy si každý ze studentů realizuje vlastní měření, ze kterého získá data k následnému zpracování. Student se tak názornou cestou seznámí s významem a použitím zásadních pojmů z oblastí návrhu a realizace experimentu a zpracování, vyhodnocení a interpretace dat. Protože výstupem cvičení jsou stručné výzkumné zprávy, osvojí si studenti rovněž základní přístupy k návrhu experimentu a k psaní textů tohoto typu.

Studenti by po absolvování tohoto předmětu měli mít poměrně konkrétní představu o způsobech i hodnotách zatížení segmentů kosterně svalového aparátu člověka při různých posturálních i pohybových aktivitách, měly by být schopni koncipovat návrh vlastních experimentů a tuto schopnost si uvědomit a uplatnit v procesech diferenciální diagnostiky a práce s pacientem. Naposled zmíněným efektem je získání přehledu, jaké technologie jsou v oboru k dispozici nejen pro realizaci projektů jejich semestrálních a závěrečných prací, ale i pro použití v klinické praxi jako prostředek pro doplňování anamnestických údajů o pacientech či monitoring dopadu jejich terapeutických intervencí.

Forma ověření studijních výsledků: písemná zkouška.

Požadavky na studenty: minimálně 70% účast na laboratorních cvičeních.

Přednášky jsou vedeny formou kombinující v první části frontální výuku s řízenou diskusí se studenty na probírané téma v druhé části hodiny. Interakce se studenty je používána jako prostředek k udržení pozornosti i jako prostředek okamžité zpětné vazby pro učitele o pochopení vykládané látky studenty.

Nedílnou součástí souboru přednáškových hodin je prezentace vyložené látky na praktických úlohách s přímou vazbou k orientaci studijního programu studentů jsou probírány situace, se kterými se mohli setkat na svých praxích, nebo které byly vykládány z pohledu jiného předmětu nebo oboru. Cílem je poodhalit studentům důležité souvislosti jednotlivých aspektů jejich budoucí odborné práce. V těchto hodinách se studenti zapojují již zcela aktivně, když každý z nich přispěje nějakým krokem k popisu řešeného problému.

Hlavní témata přednášek:

1.Role a uplatnění biomechaniky ve fyzioterapii. Newtonovy zákony. Síla a moment síly.

2.Matematické a fyzikální metody v biomechanice. Newtonovy pohybové rovnice. Setrvačný účinek.

3.Lineární a vektorová algebra. Newtonovy pohybové rovnice.

4.Metoda uvolnění tělesa pro výpočet reakčních sil.

5.Prezentace uplatnění prostředků z bodů 1 až 4 na praktických úlohách.

6.Základy teorií pružnosti a pevnosti v biomechanice, způsoby namáhání. Mechanické napětí.

7.Objemové a průřezové charakteristiky. Antropometrie.

8.Analýzy najatosti. Souvislost s mechanickou energií. Pojem deformační energie.

9.Reologie tkání. Tkáně a tkáňové náhrady, biomateriály.

10.Biomechanika komponent svalově kosterního systému (kosti, svaly, šlachy, vazy, chrupavky).

11.Prezentace uplatnění prostředků z bodů 6 až 8 na praktických příkladech.

12.Experiment v biomechanice: tenzometrie, elektromyografie, systémy pro kinematickou analýzu (MoCap), systémy pro analýzu zatížení dynamometrie.

13.Experiment v biomechanice: biomechanické charakteristiky vybraných posturální a pohybových schémat (stoj, dřep, chůze, běh, skoky, stabilometrie).

14.Experiment v biomechanice: biomechanické charakteristiky poranění. Vztah biomechaniky k ergonomii. Související legislativa.

Cvičení, na kterých probíhají výpočty zadaných úloh, jsou řešena podobně jako přednáškové hodiny s prezentací vyložené látky na praktických úlohách s tím, že součástí hodiny jsou úlohy řešené studenty samostatně, které jsou následně do detailu vyřešené učitelem v průběhu společné diskuse o způsobu řešení.

Cvičení, na kterých probíhají měření, jsou koncipována tak, aby každý student získal svoje data pro zpracování. V úvodní části hodiny proběhne společná diskuse o nastavení experimentu (studenti jsou seznámeni s pojmem design of experiment), po které následuje praktická část, kterou realizují studenti zcela sami (pouze pod dohledem obsluhy laboratoře a učitele). V závěrečné fázi hodiny proběhne diskuse o zpracování dat, které studenti provedou v rámci individuální přípravy na příští hodinu. V úvodní části příští hodiny probíhá prezentace výstupů jednotlivých studentů, případně týmů, pokud jsou získávána data vyžadující vzájemnou spolupráci jednotlivých studentů. V druhé části této hodiny probíhá společná diskuse nad výsledky a vyučující prezentuje možnosti dalšího souhrnného zpracování prezentovaných dat, aby ukázal, jak probíhají rozsáhlé studie hledající trendové ukazatele zkoumaných fenoménů.

Hlavní témata laboratorních cvičení:

1.Jednoduché úlohy na uplatnění Newtonových zákonů.

2.Práce s vektory.

3.Jednoduché úlohy k pochopení praktického uplatnění metody uvolňování.

4.Jednoduché úlohy k pochopení uplatnění pohybových rovnic.

5.Práce s pohybovými rovnicemi pro osamocené segmenty.

6.Práce s pohybovými rovnicemi pro soustavy segmentů.

7.Uplatnění výstupů výpočtů pohybových rovnic na studium mechanické napjatosti v segmentech těla.

8.Měření síly a momentu síly.

9.Trhací zkouška vzorků vybraných materiálů.

10.Prezentace výstupů experimentů ze cvičení 7 a 8.

11.Měření kontaktních sil využitím dynamometrických desek stabilometrie, statické a dynamické měření.

12.Prezentace výstupů měření ze cvičení 11 a společný souhrn výsledků.

13.Návštěva laboratoří za účelem prezentace dostupných technologií (MoCap systémy, detekce kontaktních tlaků, EMG).

14.Návštěva laboratoří za účelem prezentace dostupných technologií (detekce vlastností tkání a materiálů: mikroskopie a AFM).

Cílem předmětu je upevnit a prohloubit znalosti studentů z oblasti biomechaniky člověka a prostřednictvím cvičení a částečně interaktivních přednášek zprostředkovat studentům kontakt s prostředky pro realizaci experimentu v biomechanice.

Povinná literatura:

ČAPEK, Lukáš, Petr HÁJEK a Petr HENYŠ. Biomechanika člověka. Praha: Grada Publishing, 2018. ISBN 978-80-271-0367-6.

MOHAMMADI, Soheil. Multiscale biomechanics: theory and applications. Hoboken, NJ, USA: John Wiley, 2023. ISBN 978-1-119-03369-1.

UCHIDA, Thomas K. a DELP, Scott. Biomechanics of movement: the science of sports, robotics, and rehabilitation. Ilustroval David DELP. Cambridge, Massachusetts: The MIT Press, 2020. ISBN 9780262359191.

HALL, Susan J. Basic biomechanics. Eighth edition. New York, NY: McGraw-Hill Education, 2019. ISBN 978-1-260-08554-9.

Doporučená literatura:

JANDOVÁ, Soňa. Technika a biomechanika sjezdového lyžování. Charles University in Prague, Karolinum Press, 2024. ISBN 9788024658292.

KUTÍLEK, Patrik a Adam ŽIŽKA. Vybrané kapitoly z experimentální biomechaniky. V Praze: České vysoké učení technické, 2012. ISBN 978-80-01-04993-8.

Frontiers in orthopedic biomechanics. Editor Cheng-Kung CHENG, editor Savio L-Y WOO. Singapore: Springer, 2020. ISBN 9789811531590

SEDLÁČEK, Radek. Metodiky experimentálního ověřování biomechanických vlastností zdravotnických protředků: Methodologies for experimental verification of biomechanical properties of medical devices. V Praze: České vysoké učení technické v Praze, 2023. ISBN 978-80-01-07163-2.

• Navazující magisterský studijní program Aplikovaná fyzioterapie (povinný předmět)