270_panaitescu-liess_radu_-_rezumat_ro.pdf

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCȚII BUCUREȘTI FACULTATEA DE UTILAJ TEHNOLOGIC

Asist. univ. ing. Radu Panaitescu-Liess

TEZĂ DE DOCTORAT - REZUMAT -

MODELAREA BIOMECANICĂ A ORGANISMULUI UMAN SUB ACȚIUNEA VIBRAȚIILOR

Conducător științific: Prof. univ. dr. ing. Cristian PAVEL

București 2013

1

CUPRINS Introducere I.1. Domeniul abordat I.2. Scop și obiective

3 3 3

1. Studiu privind modelele biomecanice asociate organismului uman 1.2. Scurt istoric al conceptului de modelare biomecanică 1.4. Modele biomecanice asociate organismului uman – stadiul actual al cunoașterii la nivel național, european și internațional

3 3

2. Studiu referitor la efectele complexe produse de echipamentele cu acțiune vibrantă asupra organismului uman 2.3. Răspunsul organismului uman sub acțiunea vibrațiilor - stadiul actual al cercetărilor la nivel național, european și internațional 2.3.3. Boala degetelor albe (VWF) 2.3.4. Leziuni ale oaselor și articulațiilor 2.3.5. Afecțiuni ale sistemului muscular 2.3.6. Tulburări neurologice 2.3.8. Efecte benefice ale vibrațiilor asupra organismului uman

4 5 5 5 6 6 6 6

3. Cercetări experimentale privind influența vibrațiilor asupra organismului uman 3.1. Metodele și aparatura utilizate 3.2. Locul, baza materială și condițiile de experimentare 3.2.1. Locul și baza materială 3.2.2. Condiții de experimentare 3.4. Experimente privind mobilitatea articulației cotului 3.4.1. Încercări de referință 3.4.2. Expunerea la vibrații 3.4.3. Încercări după vibrații

7 7 7 7 8 8 8 9 10

5. Calculul modelelor biomecanice asociate cercetărilor experimentale 5.2. Modelul dinamic al sistemului mână-antebraț

10 10

6. Concluzii, contribuții și direcții de cercetare 6.1. Concluzii ale cercetărilor efectuate 6.2. Contribuții originale ale autorului și diseminarea rezultatelor 6.3. Perspective de cercetare

12 12 12 14

7. Lista lucrărilor publicate

14

Bibliografie selectivă

15

Cuvinte-cheie: biomecanică, modele dinamice, vibrații, mobilitate, amortizare, rigiditate, Matlab 2

”Această coincidenţă între modelul matematic și experiment a fost considerată de Einstein ca unica minune din Univers, faptul că natura are aceleași legi de evoluţie ca și cele ale raţiunii umane..” Acad. Radu Voinea1

INTRODUCERE I.1. Domeniul abordat Fragilitatea ființei umane care se manifestă și în cazul expunerii la fenomene vibratorii a condus la cercetări aprofundate în zona determinării și combaterii efectelor negative pe care vibrațiile le au asupra organismului uman. Nici zona efectelor benefice nu a fost neglijată, deși cercetările au fost de mai mică amploare. Totodată, au apărut și standarde care evaluează limitele expunerii omului la vibrații. Dar oamenii, din punct de vedere biologic (și nu numai) sunt entități distincte și răspund în mod diferit în fața agresiunilor mediului înconjurător, în raport cu rezistența lor nativă, cu gradul de sănătate, cu personalitatea și temperamentul lor, etc. Pe de altă parte nu putem realiza întotdeauna determinări experimentale in vivo. Toate aceste constatări, reliefează oportunitatea modelării biomecanice a organismului uman supus acțiunii vibrațiilor. Deși rareori se pot verifica în totalitate rezultatele obținute pe baza unui model cu cele pe care le obținem din determinări pe modelul real, totuși se pot face simulări pe diferite modele pentru identificarea modelului optim. Tocmai din aceste motive, partea I a tezei de doctorat se axează pe două direcții: documentarea cercetărilor în domeniul modelării biomecanice a organismului uman, trecând în revistă elementele de bază folosite în modelare, istoria și stadiul actual al cunoașterii în acest domeniu (capitolul 1) și pe stadiul actual al cunoașterii în domeniul efectelor complexe pe care mijloacele cu acțiune vibrantă le au asupra organismului uman (capitolul 2) [61, 63]. Conținutul celei de-a II –a părți a tezei este focusat, în capitolul 3, asupra cercetărilor experimentale privind influența vibrațiilor asupra organismului uman și anume, cum influențează acestea articulațiile degetelor și încheieturii mâinii, ale coatelor și genunchilor. Capitolul 4 al acestei părți se concentrează – de această dată din perspectiva determinării frecvențelor și pulsațiilor proprii – pe modelele degetului, sistemului mână-antebraț-braț, sistemului mână-antebraț și picior-gambă. Am pornit de la modelele mână – antebraț cu două grade de libertate și mână – antebraț - braț cu trei grade de libertate, continuând analiza asupra unui model cu 4 grade de libertate (mână) și a unor modele cu 6 grade de libertate (mână) și 8 grade de libertate (mână – antebraț - braț). Apoi au fost analizate două modele având 15 (mână), respectiv 17 (mână – antebraț - braț) grade de libertate, iar în capitolul 5, modele ale degetului uman și ale sistemelor mână-antebraț și picior-gambă [62]. Cea de-a III - a parte cuprinde concluziile generale, contribuțiile originale și perspectivele care se deschid în urma cercetărilor efectuate (capitolul 6). De asemenea, în această parte am prezentat și modul de diseminare al rezultatelor obținute (capitolul 7). I.2. Scop și obiective Scopul prezentei teze de doctorat constă în elaborarea unor modele biomecanice, în vederea studierii mai profunde a efectelor pe care vibrațiile mecanice le au asupra organismului uman. Pentru atingerea acestui scop am avut în vedere următoarele obiective: a) Catalogarea informației existente, a stadiului actual al cercetărilor în domeniul de interes în vederea eficientizării muncii de cercetare; b) Conturarea principalelor consecințe periculoase pe care vibrațiile le au asupra organismului uman, precum și a celor mai importante efecte benefice produse de vibrații asupra organismului uman; c) Evaluarea dinamicii corpului uman pentru diverse regimuri de aplicare ale mișcării vibratorii. 1. Studiu privind modelele biomecanice asociate organismului uman 1.2. Scurt istoric al conceptului de modelare biomecanică De-a lungul dezvoltării civilizației umane, s-au pus la punct concepte fundamentale de mecanică elementară. Aceste concepte au fost ulterior dezvoltate și folosite în descrierea cu succes a mișcărilor 1

Discurs de recepție, 6 februarie 2008 (aula Academiei Române)

3

corpului omenesc. Departe de a epuiza subiectul, iată câteva dintre figurile marcante ale istoriei și cronologia câtorva dintre cele mai importante descoperiri și cercetări din acest domeniu [10, 42]:
Leonardo da Vinci (1452-1519) – de la autorul cuvintelor ”Voi dăinui!”, ne-au rămas printre altele, studii cu privire la mecanica și anatomia corpului omenesc, a centrului de greutate, a interacțiunii mușchilor (figura 1.5);
Alfonso Borelli (1608-1679) – este considerat a fi fondatorul biomecanicii moderne. Acest renascentist italian considera oasele ca fiind asemănătoare unor pârghii, ce împreună cu mușchii funcționează după legi matematice. În lucrarea sa ”De Motu Animalium”, Borelli compară animalele cu niște mașini și consideră rezistența aerului sau a apei cauze ale pierderii de forță (figura 1.6);

Figura 1.5 – Anatomia umărului (Biblioteca regală a Castelului Windsor)2



Figura 1.6 – Prima carte de biomecanică: ”De Motu Animalium”3

Wilhelm Roux (1850-1924) – este autorul noțiunii de mecanostructură, cercetând mecanismele oaselor, cartilagiilor și tendoanelor (inspirat fiind și de lucrările inginerului Carl Culmann); Francisc J. Rainer (1874-1944) – a introdus pentru prima dată în România studiul mișcării corpului omenesc. 1.4. Modele biomecanice asociate organismului uman

Primul model biomecanic al corpului uman, utilizat în scopul de a determina impedanța și funcția de răspuns în frecvență pe direcția verticală, a fost realizat de Dieckmann în anul 1957, pe baza unui model Kelvin-Voigt (figura 1.18). [92] z m m k

c

Figura 1.18 - Modelul lui Dieckmann (1957)

Atât anterior, cât și mai ales ulterior acestui an, prin îmbinarea unor modele simple, au existat încercări de dezvoltare a diferitelor modele biomecanice ale sistemului mână-antebraț-braț (acesta fiind cel mai atent studiat). Modele care descriu complet sau parțial mâna sunt și cele realizate de cercetătorul japonez Takahiro Miwa (1964) [55] și de D. Reynolds și W. Soedel (1972), precum și de Suggs și Mishoe (1974) [78] (figura 1.21 - a, b, c).

2 3

http://ro.wikipedia.org/wiki/Fi%C8%99ier:Leonardo23.jpg; http://en.wikipedia.org/wiki/File:Giovanni_Borelli_-_lim_joints_(De_Motu_Animalium).jpg

4

a) Miwa (1964)

b) Reynolds, Soedel (1972)

c) Suggs și Mishoe (1974) Figura 1.21 - Modele care descriu sistemul mână-antebraț-braț4

În anul 1982, Rasmussen dezvoltă o hartă a sistemului mecanic echivalent al organismului uman, cu frecvențele proprii ale diferitelor organe interne (figura 1.26). [83]

Figura 1.26 – Harta sistemului mecanic echivalent al organismului uman (după Rasmussen)

a)

b)

Figura 1.27 – Magheți (1984)

Profesorul Magheți prezintă două modele biomecanice, unul al organismului uman aflat în poziție verticală, sub formă de mase concentrate (figura 1.27-a), iar celălalt al sistemului mână-braț, sub formă de bare articulate (realizat în 1984, figura 1.27-b) [50]. Preocupări în domeniul modelării biomecanice a corpului uman au existat și în cadrul fostei Catedre de Mecanică tehnică și mecanisme (actualul Departament de Tehnologie mecanică) din cadrul U.T.C.B. Astfel, a fost realizat un model dinamic cu șapte grade de libertate cu scopul de a modela interacțiunea dintre un dispozitiv fitness tip Galileo 2000 cu structura osoasă. Acest model este o simplificare a modelului propus de Brüel & Kjaer. [19, 47, 48] 2. Studiu referitor la efectele complexe produse de echipamentele cu acțiune vibrantă asupra organismului uman 2.3. Răspunsul organismului uman sub acțiunea vibrațiilor - stadiul actual al cercetărilor 2.3.3. Boala degetelor albe (VWF) O expunere de lungă durată la aceste noxe tip ”vibrație mecanică” poate conduce la apariția unui sindrom deosebit de periculos și anume, boala degetelor albe – o formă secundară a sindromului

4

Fotografii din arhiva personală

5

Raynaud. Acesta constă în paloare şi răceală la extremităţi, de regulă accelerate la temperaturi scăzute, urmate de îngustarea vaselor de sânge, fenomen ce în timp, netratat, poate provoca chiar cangrene. 2.3.4. Leziuni ale oaselor și articulațiilor Unii cercetători consideră că, diversele afecțiuni sau leziuni ale oaselor și articulațiilor nu sunt cauzate de expunerea la fenomenele vibratorii, ci de munca grea prestată pe o perioadă lungă de timp și de îmbătrânirea subiectului. Totuși, investigațiile medicale au pus în evidență chisturi la nivelul mâinilor și articulațiilor, iar alți cercetători au concluzionat că anumite modificări ale caracteristicilor oaselor de mână, articulațiilor și coatelor, pot fi puse pe seama expunerii prelungite la vibrații. 2.3.5. Afecțiuni ale sistemului muscular Au fost raportate dese cazuri de slăbiciune musculară ale subiecților care lucrează în medii expuse vibrațiilor. Reducerea forței de prindere a sculelor, pentru cei care lucrează în domeniul forestier, poate evolua – în anumite condiții – în deteriorarea nervilor periferici sau la apariția contracturii Dupuytren – tulburare a țesutului fascial care provoacă imposibilitatea extinderii pe deplin a palmei. 2.3.6. Tulburări neurologice Faptul că tulburările neurologice afectau utilizatorii de scule vibratoare (de la câteva procente până la peste 80 %), a condus la definirea unor stadii ale componentelor neurologice ale așa numitului HAV Syndrome5, cel care este responsabil de modificări în percepția senzorială, ce pot conduce la amorțeala permanentă a degetelor, slăbiciune musculară și în unele cazuri, la deget alb (figura 2.14). Stadiul

Semne și simptome

0SN

Expunere - fără simptome - la vibrații

1SN

Amorțeală intermitentă, cu sau fără furnicături

2SN

Amorțeală intermitentă sau persistentă, percepție redusă senzorială

3SN

Amorțeală intermitentă sau persistentă, reducerea sensibilității tactile și/sau a dexterității de manipulare

Figura 2.14 – Scara stadiilor neurosenzoriale pentru sindromul HAV6

2.3.8. Efecte benefice ale vibrațiilor asupra organismului uman Studii privitoare la influența benefică pe care vibrațiile o au asupra metabolismului au fost efectuate chiar înainte de anul 1949, când au fost observate efectele pozitive ale vibrațiilor induse prin intermediul unui pat oscilant, testele fiind realizate pe pacienți imobilizați prin aparate gipsate [44, 96]. De asemenea, s-a observat că, vibrațiile cu frecvențe de 50 Hz și accelerații 10g, aplicate timp de între două și cinci ore pe zi, au condus la creșterea secțiunii musculare și la reducerea cantității de grăsime din țesutul muscular [41, 44]. Observațiile potrivit cărora, vibrațiile aplicate mușchilor și tendoanelor (în combinație cu efortul fizic), provoacă acestora contracții involuntare sunt de mare însemnătate în cazul pacienților cu diferite forme de pareză [31, 38, 43]. Astfel de tehnici au început să fie utilizate atât în neurofiziologie și fizioterapie [11, 43], cât și în pregătirea sportivă în general [43, 59], iar în particular în sporturile unde apar eforturi mari în intervale scurte de timp [43, 95]. Alături de creșterea puterii musculare, exercițiile prin vibrații (VBX) pot influența în sens pozitiv și metabolismul [86]. S-a observat că, în urma testelor efectuate pe 10 subiecți de sex masculin, absorbția specifică de oxigen a crescut cu frecvența vibrațiilor transmise și cu amplitudinea [86]. 5 6

http://www.patient.co.uk/health/hand-arm-vibration-syndrome; Workshop 86 (1987)

6

3. Cercetări experimentale privind influența vibrațiilor asupra organismului uman 3.1. Metodele și aparatura utilizate Aparatura utilizată este produsă de firma MediTouch și este formată din trei componente ergonomice și portabile, distincte: mănuși (HandTutor), proteze pentru coate (ArmTutor) și proteze pentru genunchi (LegTutor). Întregul echipament este asistat de un software specializat (figura 3.1).

Figura 3.1 – Echipamentul utilizat

3.2. Locul, baza materială și condițiile de experimentare 3.2.1. Locul și baza materială Experimentele s-au desfășurat în cadrul Institutului de Cercetare – Dezvoltare – Inovare al Universității ”Transilvania” din Brașov și s-au concentrat pe efectele pe care vibrațiile le au asupra mobilității articulare. Prin intermediul celor trei componente ale sistemului MediTouch – HandTutor, ArmTutor și LegTutor – și ale programului software, au fost preluate și înregistrate deplasările degetelor și articulațiilor mâinilor, ale antebrațelor și ale gambelor picioarelor. Astfel, au fost stocate informații despre 7

intervalele de deplasare (activă și pasivă) – Range of Motion [mm] sau [deg] și frecvențe – Spectrum [cyc/sec]. Vibrațiile au fost generate prin intermediul unui aparat de vibromasaj tip INSPORTLINE, model Rose IN 132. 3.2.2. Condiții de experimentare Experimentele s-au realizat pe un eșantion de patru subiecți. Pentru studiul mobilității articulare a degetelor și încheieturii mâinii au fost folosiți doi subiecți, Subiectul A – sex masculin, 16 ani, stângaci și Subiectul B – sex masculin, 43 ani, dreptaci. Pentru studiul mobilității articulare a coatelor și genunchilor, experimentele au fost realizate pe toți cei patru subiecți: Subiectul A, Subiectul B, Subiectul C – sex masculin, 12 ani și Subiectul D – sex feminin, 39 ani. Toți cei patru subiecți folosesc în activități preponderent piciorul drept. Niciunul dintre subiecți nu a avut probleme medicale cu mâinile, brațele sau picioarele (de exemplu: luxații, entorse, fracturi, etc.) și nu a mai efectuat vreodată exerciții fizice pe aparatură vibratoare. Au fost realizate seturi de măsurători de referință, înainte de expunerea la vibrații și seturi de măsurători după expunerea la vibrații. Toate încercările de referință au fost făcute cu subiecții odihniți, în prima parte a zilei, în aceleași condiții de mediu (temperatură, umiditate, presiune atmosferică, etc.). 3.4. Experimente privind mobilitatea articulației cotului 3.4.1. Încercări de referință Cei patru subiecți au realizat flexii și extensii maxime ale antebrațului iar apoi, flexii și extensii intermediare, pe cât posibil cu aceeași viteză și aceleași deplasări (figura 3.23).

Figura 3.23 – Cei patru subiecți în teste de referință

Antebrațul a executat mișcări de oscilație în jurul articulației cotului, în plan vertical. Au fost înregistrate mișcarea [deg], frecvența mișcării [cyc/sec] a antebrațelor, intervalul maxim de deplasare Max. ROM și frecvența maximă a mișcării - Max. Freq. Energy (figurile 3.25 ÷ 3.32). 8

a1) Încercare de referință – test 1 Figura 3.25 – Subiectul A (încercări de referință – antebraț drept)

a1) Încercare de referință – test 1 Figura 3.27 – Subiectul B (încercări de referință – antebraț drept)

a1) Încercare de referință – test 1 Figura 3.29 – Subiectul C (încercări de referință – antebraț drept)

a1) Încercare de referință – test 1 Figura 3.31 – Subiectul D (încercări de referință – antebraț drept)

3.4.2. Expunerea la vibrații Subiecții A, B, C și D au fost expuși la vibrații în poziția ”în picioare” pe placa vibrantă. Subiecții au purtat încălțăminte astfel: Subiecții B și D – încălțăminte de munte cu talpă Vibram, iar subiecții A și C - pantofi de sport. Programul folosit și timpii de expunere pentru subiectul B, se găsesc în tabelul 3.4:

Programul

P1

Treapta

Frecvența [Hz] 3,92 4,40 4,87 5,23 5,72

2 4 6 8 10

9

Perioada de timp [min] 2 2 2 2 1

Tabel 3.4 Subiect B Total timp [min] 9

3.4.3. Încercări după vibrații Mișcările antebrațelor celor patru subiecți au au fost similare etapei I și anume, flexii și extensii maxime ale antebrațelor, iar apoi, flexii și extensii intermediare. 5. Calculul modelelor biomecanice asociate cercetărilor experimentale 5.2. Modelul dinamic al sistemului mână-antebraț Cercetările experimentale efectuate s-au concentrat pe studierea mobilității articulare. Astfel, subiecții au efectuat mișcări de pendulare (flexii și extensii) ale antebrațelor. Din acest motiv, realizarea unor modele simple, cu un singur grad de libertate, ale acestor părți componente ale corpului uman este pe deplin justificată. Ținând cont de masele totale ale subiecților, precum și de dimensiunile antebrațelor acestora, conform [5], am realizat o estimare a maselor și pozițiilor centrelor de greutate ale mâinilor și antebrațelor (figura 5.16 și tabelul 5.2).

Poziția CG al sistemului mână-antebraț l0 [m]

Masa sistemului mână-antebraț m [kg]

Lungimea sistemului mână-antebraț l [m]

Masa totală [kg]

Subiectul

Figura 5.16 – Estimarea masei și poziției CG ale mâinilor și antebrațelor7 Tabelul 5.2

A

54,9

0,38

1,48

0,19

B

92,0

0,40

2,49

0,20

C

33,7

0,30

0,91

0,15

D

58,8

0,34

1,59

0,17

Pentru verificare am realizat o a doua estimare a masei antebrațului, luând pentru densitățile țesutului moale și ale osului proaspăt valorile de 103 kg/m3, respectiv 1,93.103 kg/m3 conform [39]. Pentru aceasta am considerat antebrațul de forma unui trunchi de con cu următoarele dimensiuni: Subiect A: r1 = 0,024 m, r2 = 0,038 m, h = 0,28 m; Subiect B: r1 = 0,029 m, r2 = 0,046 m, h = 0,29 m; Subiect C: r1 = 0,022 m, r2 = 0,031 m, h = 0,22 m; Subiect D: r1 = 0,025 m, r2 = 0,040 m, h = 0,24 m; Considerând că, oasele antebrațului reprezintă aproximativ 25% din volumul total al antebrațului, rezultă următoarele valori ale maselor antebrațelor: Subiectul A: 1,095 kg Subiectul B: 1,605 kg Subiectul C: 0,603 kg Subiectul D: 0,998 kg

7

conform Astașev, V. K., ș.a. – Vibrații v Tehnike, Tom 6, Mașinostroenie, Moskva, 1981, p. 375;

10

Comparând aceste valori cu cele din tabelul 5.1, se constată că diferențele sunt foarte mici. În simulările ulterioare, am folosit datele din acest tabel, considerându-le mai apropiate de realitate.

y O

i

l0

φ

k

2 l

c

j 1 z Figura 5.17 – Modelul dinamic al sistemului mână-antebraț

În cazul expunerii la vibrații conform experimentelor descrise în paragraful 3.4, scriem ecuația lui Lagrange de speța a II-a: ml 2 1 ϕ&& + c0ϕ& + k 0ϕ + mgl 0 sin ϕ = mω 2 l 2 sin pt (5.61) 3 2 Dacă se consideră problema inversă, din rezultatele experimentale obținute pentru subiectul B (figura 3.38, test 3), rezultă ϕ = ϕ 0 sin ωt ⇒ ϕ = 0,4 ⋅ sin 6,28t . Utilizând datele antropometrice din tabelul 5.2, pentru t=5s și t=10s, știind că, ϕ& = 2,5 ⋅ cos 6,28t și ϕ&& = −15,8 ⋅ sin 6,28t , obținem c0 → 0 N.m.s/rad și k0 = 9,3 N.m/rad. Am repetat această simulare și pentru subiecții A, C și D, obținând următoarele rezultate: - Subiectul A (figura 3.26, test 1, ϕ = 0,55 ⋅ sin 5,65t ): c0 → 0 N.m.s/rad și k0 = 5,3 N.m/rad; - Subiectul C (figura 3.29, test 1, ϕ = 0,41 ⋅ sin 5,02t ): c0 → 0 N.m.s/rad și k0 = 1,0 N.m/rad; - Subiectul D (figura 3.41, test 1, ϕ = 0,65 ⋅ sin 5,65t ): c0 → 0 N.m.s/rad și k0 = 4,6 N.m/rad. Considerând problema directă, prin utilizarea valorilor determinate mai sus pentru c0 și k0 și folosind schema-bloc din figura 5.18, realizată in Simulink, se obține răspunsul sistemului mână-antebraț, pentru fiecare dintre cei patru subiecți (figurile 5.19 ÷ 5.22). Ca și la modelul degetului, pentru aceaste simulări am folosit frecvența de 2 Hz și amplitudinea de 0,015 m, deoarece în jurul acestor valori mânuirea echipamentelor este serios afectată. [60, 97] -3

-3

x 10

4

6

3

4

2

2

1

deplasare [rad]

deplasare [rad]

8

0 -2

0 -1

-4

-2

-6

-3

-8

0

2

4

6

8

10 timp [s]

12

14

16

18

-4

20

Figura 5.19 – Subiectul A

x 10

0

2

4

6

8

10 timp [s]

12

14

16

Figura 5.20 – Subiectul B

11

18

20

-3

0.015

2.5

x 10

2 0.01

1.5 1 deplasare [rad]

deplasare [rad]

0.005

0

-0.005

0.5 0 -0.5 -1 -1.5

-0.01

-2 -0.015

0

2

4

6

8

10 timp [s]

12

14

16

18

-2.5

20

Figura 5.21– Subiectul C

0

2

4

6

8

10 timp [s]

12

14

16

18

20

Figura 5.22 – Subiectul D

6. Concluzii, contribuții și direcții de cercetare 6.1. Concluzii ale cercetărilor efectuate

Cercetările efectuate pentru stabilirea conceptelor de analiză și sinteză a comportamentului uman sub acțiunea vibrațiilor transmise, sunt individualizate și prezentate în mod semnificativ pe grupe de concluzii. Astfel, acestea sunt următoarele: a) Recunoașterea simptomelor unor boli cauzate de fenomenele vibratorii este dificilă, necesitând o abordare complexă, atât din punct de vedere medical, cât și din punctul de vedere al specialiștilor în vibrații; b) Există studii la nivel mondial care au pus în evidență o legătură între fenomenul bolii degetelor albe – VWF și pierderea auzului. Testele realizate pe muncitorii din domeniul forestier au arătat că, vibrațiile sistemului mână-braț nu provoacă agravarea deficiențelor de auz, dar în combinație cu zgomotul, pierderile de auz sunt mai severe decât în cazul expunerii numai la zgomot; d) Cercetările efectuate în prezenta teză au evidențiat necesitatea analizei pe bază de modele fizice, numerice și reologice. Astfel, au fost elaborate modele biomecanice ale degetului, mâinii, sistemului mână-antebraț și picior-gambă; e) Pe baza datelor cazuistice ale comportării organismului uman sub acțiunea vibrațiilor, parte din acestea fiind omogene, iar altă parte eterogene, în cadrul tezei au fost selectate datele certe și semnificative ca fiind parametrii inițiali de intrare în modelele adoptate; f) Stabilirea și fundamentarea conceptului de validare a rezultatelor numerice pe modelele propuse cu caracter ajustabil (versatil), parametrizate; g) Validarea rezultatelor numerice pe baza rezultatelor experimentale variate constituite într-o bază de date. 6.2. Contribuții originale ale autorului și diseminarea rezultatelor

a) Conceperea și utilizarea unor sisteme instrumentale și informatice menite să evalueze influența vibrațiilor asupra organismului uman și/sau asupra părților sale componente. În cadrul experimentelor realizate asupra mâinii, în special din diagramele de mișcare ale degetului mare - deși inițial nu a intrat în sfera scopului și obiectivelor lucrării – a fost pusă în evidență utilizarea în mod nativ a mâinilor celor doi subiecți (dreaptă și stângă). Graficele mișcării degetelor au forme neregulate pentru degetele mâinii drepte (pentru stângaci) și vice-versa. De asemenea, din curbele de mișcare pentru degetele mari, reiese că mișcarea degetului este practic inexistentă, din cauza lipsei de corelație între degetele mâinii care nu este folosită în mod nativ (figurile 6.1 și 6.2).

Figura 6.1 - Subiect A – mână dreaptă

Figura 6.2 - Subiect B – mână stângă

12

În legătură cu mobilitatea articulației genunchiului, trebuie specificat faptul că toți cei patru subiecți folosesc în jocurile de picior (cum ar fi fotbalul), cu precădere piciorul drept. Subiectul B Genunchiul drept al acestui subiect înregistrează o scădere dramatică a mobilității: de la intervalul cuprins între 160 în extensie și 1050 în flexie – înainte de vibrații, la intervalul 370 în extensie și 1060 în flexie – după vibrații. Aceleași constatări, chiar dacă nu așa de evidente, pentru genunchiul stâng: de la intervalul cuprins între 100 în extensie și 1170 în flexie – înainte de vibrații, la intervalul cuprins între 140 în extensie și 1130 în flexie – după vibrații. Mobilitatea articulației genunchiului stâng este mai bună decât cea a genunchiului drept. După expunere, s-a înregistrat o îmbunătățire semnificativă a mobilității articulare a genunchiului stâng față de cel drept, dar pe fondul descreșterii accentuate a mobilității genunchiului drept de care vorbeam. Având în vedere rezultatele obținute în timpul testelor pentru subiectul B, acesta a fost expus la un nou set de vibrații, fără protecția tălpii încălțămintei (conform paragrafului 3.5.3, figura 3.62). Cele trei seturi de măsurători au fost sintetizate în tabelele 6.10 și 6.11: Înainte de vibrații Genunchi drept

Extensie 160

Flexie 1050

Înainte de vibrații Genunchi stâng

Extensie 100

Flexie 1170

Tabelul 6.10 (Subiect B) După vibrații După vibrații test 1 test 2 Extensie Flexie Extensie Flexie 370 1060 180 1010 Tabelul 6.11 (Subiect B) După vibrații După vibrații test 1 test 2 Extensie Flexie Extensie Flexie 140 1130 250 1060

Dacă pentru genunchiul drept, după a doua expunere la vibrații, mobilitatea articulară (în extensie) a revenit aproape de cea inițială, în cazul genunchiului stâng, s-a constatat o scădere continuă (în extensie) a mobilității. De asemenea, în flexie, mobilitatea a continuat să se reducă după cel de-al doilea set de teste. O parte dintre aceste rezultate au fost diseminate în lucrarea 13 din lista de lucrări. b) Conceperea și elaborarea unor modele biomecanice parametrizate, astfel încât să poată reda cu fidelitate comportamentul real al organismului sub acțiunea vibrațiilor. Relativ la modelele biomecanice propuse, așa cum am arătat în prima parte a tezei, deși organismul uman este un sistem complex, el poate fi redus la sisteme mecanice mai simple, compuse din mase și resorturi. Utilizând programul Matlab, am determinat pulsațiile și frecvențele proprii pentru modelele mâinii și sistemului mână-antebraț-braț prezentate în paragraful 1.4. În primul rând, analizând rezultatele rulării, se constată - pentru modelul dinamic al mâinii umane (paragraful 4.4), în care degetul mare s-a constituit într-un model cu trei grade de libertate, iar celelalte degete în modele cu patru grade de libertate - o bună concordanță pentru pulsația și frecvența corpului de masă m15 de care sunt legate toate cele 5 sisteme dinamice. Diseminarea acestor rezultate s-a realizat în lucrările 7, 9 și 10 din lista de lucrări publicate. Pentru modelul cu trei grade de libertate al degetului uman (index), am determinat frecvențele și pulsațiile proprii, utilizând masele estimate ale falangelor subiectului B. Prin aplicarea metodei analizei modale, aceste valori s-au confirmat, în final găsindu-se valorile coeficienților de distribuție și vectorii formelor proprii. În continuare, am realizat două modele ale sistemului mână-antebraț și picior-gambă, adaptate experimentelor efectuate și prezentate în paragrafele 3.4 și 3.5. Pentru ambele modele am realizat simulări prin utilizarea programului Matlab. Pentru modelul sistemului mână-antebraț, am prezentat problema inversă și anume, din rezultatele experimentale obținute pentru subiecții A, B, C și D, cu datele antropometrice din tabelul 5.2, am rezolvat sistemul de ecuații cu necunoscutele c0 și k0, estimând astfel valorile acestor doi coeficienți. Pentru problema directă, utilizând schema bloc realizată în Matlab și valorile obținute pentru c0 și k0, am obținut răspunsul sistemului mână-antebraț φ = φ (t). Pentru sistemul picior-gambă, prin utilizarea programului Matlab am efectuat simulări, din curbele obținute reușind de asemenea estimarea coeficienților c0 și k0 pentru articulația genunchiului subiectului B. c) Contribuțiile personale în analiza comportării organismului uman sub acțiunea vibrațiilor, pe baza modelelor biomecanice cu mai multe grade de libertate și acțiunilor perturbatoare cinematice sau dinamice cu compoziție spectrală în bandă largă, pot fi sintetizate astfel: 13



















Conceperea și realizarea unui sistem de analiză numerică și instrumentală pentru evaluarea influenței vibrațiilor asupra sistemului osteo-articular (degete, mâini, coate, genunchi) folosind instrumenrația virtuală MediTouch; Evidențierea caracteristicilor de mișcare coordonată pentru organismul uman în condiții definite ale activității zilnice, astfel încât să poată fi extrasă, ”citită” mișcarea modală specifică organismului sau părților sale componente; Identificarea și fundamentarea analitică a unor modele biomecanice cu legături reologice menite să asigure analiza mișcărilor pentru următoarele structuri: degete, mână, sistem mână-antebraț și sistem picior-gambă; Conceperea unor modele biomecanice versatile prin amplasarea corespunzătoare pe diverse trasee de acțiune a elementului reologic ”de probă” Kelvin-Voigt, astfel încât răspunsul final al modelului să poată atinge precizia și gradul de fidelitate parametrică; Stabilirea, realizarea și interpretarea măsurărilor instrumentale asupra organismului uman și a părților componente, astfel încât să poată fi asigurată compatibilitatea cu modelele biomecanice adoptate; Determinarea pe baze numerice și experimentale a parametrilor vâsco-elastici pentru articulațiile cotului și genunchiului ca soluții ale problemei inverse. 6.3. Perspective

Teza de doctorat conturează de asemenea și câteva perspective ale continuării cercetărilor în domeniul influenței fenomenelor vibratorii asupra organismului uman și anume:
Modelarea organismului uman și a părților sale componente ținând seama de distribuția parametrică pe lungime, suprafață și volum;
Stabilirea modelelor biomecanice ținând seama de neliniaritățile din legături și de comportamentul neliniar al organelor moi;
Conceperea de modele dinamice sistemice menite să acopere funcționarea instantanee, arborescentă și sincronismul sau defazajul unor mișcări care pot fi integrate într-un model robotic de comportament global.

7. Lista lucrărilor publicate 1. 2.

3.

4.

5. 6. 7. 8. 9.

Panaitescu-Liess, R., Legendi, A., Pavel, C. (2010). Analysis of a mechanical system’s dynamic properties by vibrations measurements - 34rd National Conference on Mechanics of Solids, 16-18 septembrie 2010, Reșița (Analele Universităţii “EFTIMIE MURGU” Reşiţa, anul XVII, nr. 1, 2010, ISSN 1453 – 7397, p. 39-44). Panaitescu-Liess, R. (2010). Aspecte particulare ale influenței fenomenelor vibratorii asupra organismului uman. In al XVI-lea Simpozion Naţional de Utilaje pentru Construcţii, SINUC 2011, Secţia I- Cercetări fundamentale şi aplicative în domeniul ingineriei mecanice. decembrie 2010, Bucureşti, România. CD-ROM Edition, ISBN-978-973100-195-1.; Pavel, C., Legendi, A., Panaitescu-Liess, R. (2011). Optimizing the functional form of a non-linear dynamic absorber attached to a non-linear primary oscillating structure. In Proceedings of the XI-th Symposium Accoustics and Vibration of Mechanical Structure AVMS Timişoara. 26 mai 2011, p. 47-54. Timişoara, România. Editura Politehnica, ISSN 1843-0902 categoria B+. Panaitescu-Liess, R. (2011). Unele considerații asupra modelării matematice a activității ficatului uman. In al XVIIlea Simpozion Naţional de Utilaje pentru Construcţii, SINUC 2011, Secţia I- Cercetări fundamentale şi aplicative în domeniul ingineriei mecanice. 16-17 decembrie 2011, Bucureşti, România. CD-ROM Edition, ISBN-978-973-100195-1. Panaitescu-Liess, R. (2012). Modele biomecanice asociate organismului uman. Stadiul actual al cercetărilor, Raport de cercetare I, februarie 2012; Panaitescu-Liess, R. (2012). Analiza răspunsului dinamic al organismului uman în interacțiune cu fenomenele vibratorii, Raport de cercetare II, septembrie 2012. Baușic, F., Panaitescu-Liess, R. (2012). Modelarea dinamică a mâinii umane. In al XVIII-lea Simpozion Naţional de Utilaje pentru Construcţii, SINUC 2012, Secţia I-Cercetări fundamentale şi aplicative în domeniul ingineriei mecanice, 20-21 decembrie 2012, Bucureşti, România. CD-ROM Edition, ISBN-978-973-100-195-1. Panaitescu-Liess, R. (2013). Efecte complexe produse asupra organismului uman de echipamentele cu acțiune vibrantă, Raport de cercetare III, 2013. Panaitescu-Liess, R., Baușic, F. (2013) A 6 DOF human hand dynamic model. Annual Symposium of the Institute of Solid Mechanics - SISOM 2013, May 21- 22, 2013, Bucharest, Romania. CD-ROM Edition,.

14

10. Baușic, F., Panaitescu-Liess, R. (2013). A 8 DOF hand-arm dynamic model. Annual Symposium of the Institute of Solid Mechanics - SISOM 2013, May 21-22, Bucharest, Romania. CD-ROM Edition. 11. Panaitescu-Liess, R. (2013). Biomechanical Modeling of Human Finger. Proceedings of the XII-th International Symposium „ACOUSTICS AND VIBRATION OF MECHANICAL STRUCTURES” - AVMS-2013, May 23-24, 2013, Timişoara, România. Editura Politehnica, ISSN 1843-0902, B+, publicat in “Applied Mechanics and Materials”, ISSN: 1662-7482, Vol. 430 (2013) pp 217-221, © (2013) Trans Tech Publications, Switzerland; 12. Panaitescu-Liess, R. (2013). Experimental research on the influence of vibration on fingers mobility. Analele Universităţii “EFTIMIE MURGU” Reşiţa Anul XX, nr. 1, 2013, ISSN 1453 – 7397, p. 213-220. 13. Panaitescu-Liess R., Pavel, C., Baușic, F. (2013). Experimental research on the influence of vibration on knee mobility, Analele Universităţii “EFTIMIE MURGU” Reşiţa Anul XX, nr. 1, 2013, ISSN 1453 – 7397, p. 245-252. 14. Panaitescu-Liess, R., Pavel, C. (2013 – acceptat - în curs de apariție). Analysis of dynamic response of the human body as a system with several degrees of freedom from external harmonic perturbations. Romanian Journal of Acoustics and Vibration (RJAV), Volume X, Issue 2, 2013. ISSN 1584-7284. 15. Panaitescu-Liess, R. (2013 – acceptat - în curs de apariție). Experimental research on the influence of vibration on elbow mobility, Buletinul științific al Universității Tehnice de Construcții București.

Bibliografie selectivă [2]

Abrams, C. F.

[3]

Anghelache, D. G.

[4]

Ashton, M. C., Lee, K. Astașev, V. K., ș.a. Baritz, M., Cotoros, D.

[5] [6] [10] [11]

Bedford, A., Fowler, W. Bishop, B.

[16]

Bratu, P.

[17]

Bratu, P.

[19] [31]

Brüel & Kjaer Eklund, G., Hagbarth, K.E. Hagbarth, K.E., Eklund, G. Harris, C. M., Crede, C.E. Hettinger, T.

[38] [39] [41] [42] [43] [44]

Iliescu, A. Issurin, V.B., Tenenbaum,G. Kerschan-Schindl, K., ș.a.

[47]

Legendi, A., Pavel, C., Baușic, F.

[48]

Legendi, A., Pavel, C., Baușic, F.

[50]

Magheți, I., Savu, M. Miwa, T. Nazarov, V., Spivak, G. Panaitescu-Liess, R.

[55] [59] [60]

Modeling the vibration charecteristics of the human hand by the driving point mechanical impedance method, Ph.D. Thesis, North Carolina State University, 1971; Cercetări privind protecția omului la zgomote și vibrații în domeniul tehnologiilor mecanizate pentru construcții, Rezumat Teză de doctorat, Brăila, 2009; A short mesure of the major dimensions of personality, Journal of Personality Assessment, p. 91, 2009; Vibrații v Tehnike, Tom 6, Mașinostroenie, Moskva, 1981, p. 375; Education of Arms’ Users in Dealing with Technological Activities, International Conference on Advancements of Medicine and Health Care through Technology, IFMBE Proceedings Volume 36, 2011, pp 114-119; Engineering Mechanics – Statics, ISBN 0-13-032472-8, Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey, pag. 7; Neurophysiology of motor responses evoked by vibratory stimulation, Physical Therapy, 54, 1273-1282, 1974. Vibrații mecnice. Teorie și aplicații tehnice, ISBN 973-98409-5-7, Editura Impuls, București, 1998; Analiza structurilor elastice. Comportarea la acțiuni statice și dinamice, ISBN 978-9738132-73-3, p. 311-312, Editura Impuls, 2011; Human vibrations, Brüel & Kjaer Sound and Vibrations Measurement, 2003; Normal variability of tonic vibration reflexes in man, Exper imental Neurology, 16, 8092, 1966. Tonic vibration reflex (TVR) in spasticity, Brain Research, 2, 201-203, 1966; Șocuri și vibrații, Volumul III, Editura Tehnică, București, 1969, p. 277; Der Einfluss sinusförmiger Schwingungen auf die Skelettmuskulatur, Int. Z. Angew Physiol, 16, 192-197, 1956; Biomecanica exercițiilor fizice, Editura C.N.E.F.S, București, 1968, pag. 9-14; Acute and residual effects of vibratory stimulation on explosive strength in elite and amateur athletes, Journal of Sports Sciences, 17, 177-182, 1999; Whole-body vibration exercise leads to alterations in muscle blood volume, Clinical Physiology 21, 3, 377-382, 2001; Utilizarea analizei FFT a spectrului de vibraţii ca metodă de predicţie in vivo şi in vitro a defectelor structurii osoase. Cea de-a VI-a Sesiune de Comunicări Ştiinţifice a Catedrei de Mecanică tehnică şi Mecanisme SIMEC, martie 2007, Editura Conspress Bucureşti, ISBN 973-7797-83-3, pag. 129 – 132; Analiza transmisibilităţii vibraţiilor utilizate în scop terapeutic-metoda de investigaţie a structurii osoase. Cea de-a VI-a Sesiune de Comunicări Ştiinţifice a Catedrei de Mecanică tehnică şi Mecanisme SIMEC, martie 2007, Editura Conspress Bucureşti, ISBN 973-7797-83-3, pag. 133 - 136; Vibrații mecanice. Teorie și practică, ISBN 973-648-389-4, Editura BREN, București, 2004; Studies on hand protectors for portablevibrating tools, Industrial Health, 1964; Development of athlete’ s strength abilities by means of biomechanical stimulation method, Theor y and Practice of Physical Culture (Moscow), 12, 37-39, 1987; Biomechanical Modeling of Human Finger. Proceedings of the XII-th International Symposium „ACOUSTICS AND VIBRATION OF MECHANICAL STRUCTURES” -

15

[61]

Panaitescu-Liess, R.

[62]

Panaitescu-Liess, R.

[63]

Panaitescu-Liess, R.

[64]

Panaitescu-Liess, R.

[65]

Panaitescu-Liess, R.

[75]

Pavel, C., Legendi, A., Panaitescu-Liess, R.

[78]

Picu, A., A.

[83]

Rasmussen, G.

[86]

[94]

Rittweger, J., Ehrig, J., Just, K., Mutschelknauss, M., Kirsch, K. A., Felsenberg, D. Truța, A., Arghir, M. Vasilescu, A.

[95]

Vrijens, J.

[96] [97]

Whedon, G. D., Deitrick, J. E., Shorr, E. Wuolijoki, E.

[99]

ISO 2631-1:1997

[100]

ISO 2631-2:2003

[101]

ISO 2631-4:2001

[102]

ISO 2631-5:2004

[110]

SR EN 14253+A1:2008

[113]

Directiva 2002/44/EC

[115] [119] [120]

*** *** ***

[122] [124]

*** ***

[127] [128]

*** ***

[134]

***

[92]

AVMS-2013, May 23-24, 2013, Timişoara, România. Editura Politehnica, ISSN 18430902, B+, published in “Applied Mechanics and Materials”, ISSN: 1662-7482, Vol. 430 (2013), p. 217-221, © (2013) Trans Tech Publications, Switzerland; Modele biomecanice asociate organismului uman. Stadiul actual al cercetărilor – Raport de cercetare I, februarie 2012; Analiza răspunsului dinamic al organismului uman în interactiune cu fenomenele vibratorii, Raport de cercetare II, 21-24, septembrie 2012. Efecte complexe produse asupra organismului uman de echipamentele cu acțiune vibrantă, Raport de cercetare III, p. 17, 2013. Experimental research on the influence of vibration on fingers mobility, Analele Universităţii “EFTIMIE MURGU” Reşiţa Anul XX, nr. 1, 2013, ISSN 1453 – 7397, p. 213-220; Aspecte particulare ale influenței fenomenelor vibratorii asupra organismului uman SINUC 2010; Optimizing the functional form of a non-linear dynamic absorber attached to a non-linear primary oscillating structure. In Proceedings of the XI-th Symposium Accoustics and Vibration of Mechanical Structure AVMS Timişoara. 26 mai 2011, p. 47-54. Timişoara, România. Editura Politehnica, ISSN 1843-0902 categoria B+. Modelarea biomecanică neliniară a dinamicii corpului uman sub acțiunea vibrațiilor transmise – Teză de doctorat, Galați, 2010; Human Body Vibration Exposure and its Measurement, Bruel & Kjaer brochure, 1996, pag. 5; Oxygen Uptake in Whole-Body Vibration Exercise: Influence of Vibration Frequency, Amplitude, and External Load, International Journal of Sports Medicine Int J Sports Med 2002; 23: 428-432; Noțiuni de biomcanica organismului uman în mediu vibrațional, ISBN 978-606-92133-39, Arcadia Media, Cluj-Napoca, 2010, pag. 69; Mecanică teoretică. Cinematica. Curs și aplicații, ISBN 973-8165-42-3, Editura Conspress, Bucureşti, 2003; Basic principles in strength training, International Seminar on Kayak-Canoe Coaching and Sciences (edited by J. Vrijens, J. Verstuyft and D. de Clercq), p. 25-42, Budapest: ICF, 1990. Modification of the effects of immobilization upon metabolic and physiologic functions of normal men by the use of an oscillating bed, Am J Med, 6, p. 684-710, 1949; Effects of simulation tractors vibration on the psycho - physiological and mechanical functions of the driver: comparison of some excitatory frequencies, Work Efficiency Assoc., 1981; Mechanical vibration and shock - Evaluation of human exposure to whole-body vibration - Part 1: General requirements; Mechanical vibration and shock - Evaluation of human exposure to whole-body vibration - Part 2: Vibration in buildings (1 Hz to 80 Hz); Mechanical vibration and shock - Evaluation of human exposure to whole-body vibration - Part 4: Guidelines for the evaluation of the effects of vibration and rotational motion on passenger and crew comfort in fixed-guideway transport systems; Mechanical vibration and shock - Evaluation of human exposure to whole-body vibration - Part 5: Method for evaluation of vibration containing multiple shocks; Vibraţii mecanice. Măsurarea şi calculul efectului asupra sănătăţii al expunerii profesionale la vibraţii transmise întregului corp. Ghid practic; Cerințe minime de sănătate şi siguranţă privind expunerea muncitorilor la riscuri ce decurg din agenţi fizici (vibraţii); http://www.acad.ro/com2008/pag_com08_0206.htm (2011); http://ro.wikipedia.org/wiki/Fi%C8%99ier:Leonardo23.jpg (2011); http://en.wikipedia.org/wiki/File:Giovanni_Borelli__lim_joints_(De_Motu_Animalium).jpg (2011); http://cis01.central.ucv.ro/educatie_fizica - kineto/ suportcurs/ anatomie.pdf (2011); http://zone.ni.com/reference/en-XX/help/372416B-01/svtconcepts/human_vibration (2012); http://www.patient.co.uk/health/hand-arm-vibration-syndrome (2012); http://www.ilo.org/oshenc/part-vi/vibration/item/789-hand-transmitted-vibration (Workshop 86 - 1987) (2012); http://www.insportline.eu (2013);

16