バイオメカニクス
生物システムの力学の研究

語源

バイオメカニクスは、生物全体から臓器、細胞、細胞小器官、さらにはタンパク質に至るまで、あらゆるレベルの生物システムの機械的側面の構造、機能、運動を力学の方法を用いて研究する分野です[1]。[2]バイオメカニクスは生物物理学の一分野です。

17 世紀のバイオメカニクス (ジョヴァンニ アルフォンソ ボレッリのDe Motu Animalium )の最初の著作の 1 ページ

語源

「バイオメカニクス」（1899年）という言葉と、それに関連する「バイオメカニカル」（1856年）という言葉は、古代ギリシャ語のβίος bios「生命」とμηχανική, mēchan​​ikē「力学」に由来し、生体の機械的原理、特にその動きと構造を指しています。[3]

サブフィールド

生体流体力学

赤血球

生体流体力学（または生体流体力学）は、生物体内または生物周囲の気体と液体の両方の流体の流れを研究する学問です。よく研究される液体生体流体の問題は、ヒトの心血管系における血流です。血流はナビエ・ストークス方程式によってモデル化できます。生体内の 全血は非圧縮性ニュートン流体であると仮定されています。この仮定は、細動脈内の順方向の流れを考えると当てはまりません。微視的スケールでは、個々の赤血球の影響が大きくなり、全血を連続体としてモデル化することはできません。血管の直径が赤血球の直径よりわずかに大きい場合、ファーレウス・リンドキスト効果が発生し、壁面せん断応力が減少します。しかし、血管の直径がさらに小さくなると、赤血球は血管を押し通さなければならず、多くの場合、一列に並んでしか通過できません。この場合、逆ファーレウス・リンドキスト効果が発生し、壁面せん断応力が増加します。[要出典]

気体生体流体の問題の一例として、ヒトの呼吸が挙げられます。昆虫の呼吸器系は、改良されたマイクロ流体デバイスの設計に着想を得るため、研究されてきました。 [4]

バイオトライボロジー

バイオトライボロジーは、生物系、特に股関節や膝関節などの人間の関節における摩擦、摩耗、潤滑の研究です。 [5] [6]一般的に、これらのプロセスは接触力学とトライボロジーの文脈で研究されます

バイオトライボロジーのさらなる側面には、組織工学軟骨の評価など、運動中に2つの表面が接触、すなわち互いに擦れ合うことによって生じる表面下の損傷の分析が含まれます。[7]

比較バイオメカニクス

水面を飛び越えるヒゲペンギン

比較バイオメカニクスは、バイオメカニクスをヒト以外の生物に応用する学問であり、人類学のようにヒトへのより深い洞察を得るため、あるいは生物自体の機能、生態、適応を研究するために用いられます。研究対象として一般的なのは動物の運動と摂食です。これらは生物の適応度と密接に関連しており、高い機械的負荷がかかるためです。動物の運動には、走る、跳躍する、飛ぶなど、様々な形態があります。運動には、摩擦、抗力、慣性、重力を克服するためのエネルギーが必要ですが、どの要因が優勢であるかは環境によって異なります。[要出典]

比較バイオメカニクスは、生態学、神経生物学、発生生物学、動物行動学、古生物学など、多くの分野と重複しています。比較バイオメカニクスは、医学（マウスやラットなどの一般的なモデル生物に関して）だけでなく、工学的問題の解決策を自然に求めるバイオミメティクスの分野でも応用されています。[要出典]

計算バイオメカニクス

計算バイオメカニクスとは、有限要素法などの工学計算ツールを生物システムの力学研究に応用することです。計算モデルとシミュレーションは、実験的に検証するのが難しいパラメータ間の関係を予測したり、より関連性の高い実験を設計して実験の時間とコストを削減したりするために使用されます。有限要素解析を用いた力学モデリングは、例えば植物細胞の成長の実験観察を解釈し、それらがどのように分化するかを理解するために使用されてきました。[8]医学においては、過去10年間で有限要素法は生体内外科評価の確立された代替手段となっています。計算バイオメカニクスの主な利点の1つは、倫理的制約を受けることなく、解剖学的構造の内的反応を決定できることにあります。[9]これにより、有限要素モデリング（またはその他の離散化手法）はバイオメカニクスのいくつかの分野で広く普及するようになり、いくつかのプロジェクトではオープンソースの理念を採用しています（例：BioSpine）。[10]

計算バイオメカニクスは、手術計画、手術支援、そしてトレーニングに用いられる外科手術シミュレーションにおいて不可欠な要素です。この場合、数値（離散化）手法を用いて、力、熱・質量移動、電気・磁気刺激といった境界条件に対するシステムの応答を可能な限り高速に計算します。

連続体バイオメカニクス

生体材料および生体液の力学的解析は、通常、連続体力学の概念に基づいて行われます。この仮定は、対象とする長さスケールが材料の微細構造の詳細のオーダーに近づくと崩れます。生体材料の最も注目すべき特徴の1つは、その階層構造です。言い換えれば、これらの材料の機械的特性は、分子レベルから組織や臓器レベルに至るまで、複数のレベルで発生する物理現象に依存しています。[要出典]

生体材料は硬組織と軟組織の2つのグループに分類されます。硬組織（木材、貝殻、骨など）の機械的変形は、線形弾性理論を用いて解析できます。一方、軟組織（皮膚、腱、筋肉、軟骨など）は通常、大きな変形を受けるため、その解析は有限ひずみ理論とコンピュータシミュレーションに依存します。連続体バイオメカニクスへの関心は、医療シミュレーションの開発におけるリアリズムの必要性によって高まっています。[11] : 568 

ニューロメカニクス

ニューロメカニクスは、生体力学的なアプローチを用いて、脳と神経系がどのように相互作用して身体を制御するかをより深く理解します。運動課題中、運動単位は特定の動きを実行するために一連の筋肉を活性化しますが、これは運動適応と学習によって修正することができます。近年、モーションキャプチャツールと神経記録を組み合わせることで、ニューロメカニクスの実験が可能になりました

植物バイオメカニクス

バイオメカニクスの原理を植物、植物器官、細胞に応用することは、植物バイオメカニクスという分野に発展しました。[12]植物へのバイオメカニクスの応用は、環境ストレスに対する作物の回復力の研究[13]から、細胞や組織のレベルでの発達や形態形成まで多岐にわたり、メカノバイオロジー[ 8]と重なります

スポーツバイオメカニクス

スポーツバイオメカニクスでは、運動能力への理解を深め、スポーツ傷害の軽減を図るため、力学の法則を人間の運動に適用します。人体やクリケットバット、ホッケースティック、やり投げなどのスポーツ用具の動作を理解するために、機械物理学の科学的原理を応用することに重点を置いています。機械工学（例：ひずみゲージ）、電気工学（例：デジタルフィルタリング）、コンピュータサイエンス（例：数値解析）、歩行分析（例：フォースプラットフォーム）、臨床神経生理学（例：表面筋電図）の要素は、スポーツバイオメカニクスでよく用いられる手法です。[14]

スポーツにおけるバイオメカニクスとは、特定のタスク、スキル、またはテクニックを実行する際の身体の筋肉、関節、骨格の働きを指します。スポーツスキルに関連するバイオメカニクスを理解することは、スポーツパフォーマンス、リハビリテーション、怪我の予防、そしてスポーツの習熟度に最も大きな影響を与えます。マイケル・イェシス博士が指摘したように、最高のアスリートとは、自分のスキルを最もよく実行できるアスリートであると言えるでしょう。[15]

血管バイオメカニクス

血管バイオメカニクスの主なテーマは、血管組織の機械的挙動の記述です

心血管疾患が世界中で主要な死因であることはよく知られています。[16]人体における血管系は、血圧を維持し、血流と化学物質の交換を可能にする主要な構成要素です。これらの複雑な組織の機械的特性を研究することで、心血管疾患の理解を深め、個別化医療を大幅に向上させる可能性が高まります。

血管組織は不均質であり、強い非線形挙動を示します。一般的に、この研究は複雑な形状、複雑な荷重条件、そして材料特性を伴います。これらのメカニズムを正しく記述するには、生理学と生物学的相互作用の研究が不可欠です。そのため、血管壁の力学と血行動態を、それらの相互作用を含めて研究する必要があります。

血管壁は継続的な進化を遂げる動的構造であるという前提も必要です。この進化は、壁面せん断応力や生化学的シグナル伝達など、組織が置かれる化学的・機械的環境に直接従います。

免疫力学

免疫力学という新興分​​野は、免疫細胞の機械的特性とその機能的関連性の解明に焦点を当てています。免疫細胞の力学は、音響力分光法や光ピンセットといっ​​た様々な力学分光法を用いて解析することができ、これらの測定は生理的条件（例えば温度）下で行うことができます。[17]さらに、免疫細胞の力学と免疫代謝および免疫シグナル伝達との関連性を研究することも可能です。「免疫力学」という用語は、免疫細胞メカノバイオロジーまたは細胞メカノ免疫学と互換的に使用されることがあります。

バイオメカニクスの他の応用分野としては、

歴史

古代

アリストテレスは動物解剖学の研究により、最初のバイオメカニクス研究者とみなすことができます。動物の運動に関する最初の著書『動物の運動について』を著しました。 [ 18 ]彼は動物の体を機械システムと見なし、行動を想像することと実際に行動することの生理学的な違いなどの疑問を追求しました。[19]別の著作『動物の各部について』では、尿管がどのように蠕動運動を利用して腎臓から膀胱に尿を運ぶかを正確に記述しました。[11] : 2 

ローマ帝国の台頭とともに、哲学よりも技術が重視されるようになり、バイオメカニクスが台頭しました。マルクス・アウレリウス帝の医師であったガレノス（129年 - 210年）は、有名な著書『人体各部の機能について』を著しました。これはその後1400年間、世界標準の医学書となりました。[20]

ルネッサンス

次の主要なバイオメカニクスは、1490年代、レオナルド・ダ・ヴィンチによる人体解剖学とバイオメカニクスの研究まで登場しませんでした。彼は科学と力学に対する深い理解を持っており、力学の文脈で解剖学を研究しました。彼は筋肉の力と動きを分析し、関節の機能を研究しました。これらの研究はバイオメカニクスの領域の研究と考えることができます。レオナルド・ダ・ヴィンチは、力学の文脈で解剖学を研究しました。彼は起始と停止を結ぶ線に沿って作用する筋肉の力を分析し、関節の機能を研究しました。ダ・ヴィンチは、機械においていくつかの動物の特徴を模倣したことでも知られています。例えば、彼は人間が飛ぶ手段を見つけるために鳥の飛行を研究しました。また、当時は馬が主要な機械動力源であったため、馬の筋肉系を研究し、この動物の力を最大限に活用できる機械を設計しました。[21]

1543年、ガレノスの著作『体の機能について』は、当時29歳だったアンドレアス・ヴェサリウスによって批判されました。ヴェサリウスは『人体の構造について』という著作を出版しました。この著作の中で、ヴェサリウスはガレノスが犯した多くの誤りを訂正しましたが、それらの誤りは何世紀にもわたって世界的に受け入れられることはありませんでした。コペルニクスの死とともに、人々を取り巻く世界とその仕組みを理解し、学びたいという新たな欲求が生まれました。彼は臨終の床で『天球の回転について』を出版しました。この著作は科学と物理学に革命をもたらしただけでなく、力学、そして後には生体力学の発展にも大きな影響を与えました。[20]

力学の父であり、嘱託バイオメカニクスでもあったガリレオ・ガリレイは、コペルニクスの死後21年で生まれました。ガリレオは長年の研究活動を通して、バイオメカニクスに関する多くの側面を明らかにしました。例えば、彼は「動物の質量は体の大きさに比例して不釣り合いに増加し、その結果、骨の胴回りも不釣り合いに増加し、単なる大きさではなく荷重負荷に適応する必要がある。骨などの管状構造の曲げ強度は、中空にして直径を大きくすることで、重量に対して相対的に増加する。海洋動物が陸生動物よりも大きくなるのは、水の浮力によって組織の重量が軽減されるためである」ことを発見しました。[20]

ガリレオ・ガリレイは骨の強度に興味を持ち、骨が中空であるのは、最小限の重量で最大限の強度が得られるためだと提唱しました。彼は動物の骨量が体の大きさに比べて不釣り合いに増加していることに注目しました。したがって、骨は単なる大きさではなく、胴回りも不釣り合いに増加する必要があるとしています。これは、管状構造（骨など）の曲げ強度が、その重量に比べてはるかに効率的であるためです。メイソンは、この洞察が生物学的最適化の原理を初めて理解した例の一つであると示唆しています。[21]

17 世紀、デカルトは、人間の身体 (魂は除く) を含むすべての生体システムは、同じ機械的法則に支配された単なる機械であるという哲学体系を提唱しました。この考えは、生体力学の研究を促進し、維持するのに大いに役立ちました。

産業革命

次の主要な生体力学者、ジョヴァンニ・アルフォンソ・ボレッリは、デカルトの機械論を受け入れ、歩行、走行、跳躍、鳥の飛行、魚の遊泳、さらには心臓のピストン運動までを機械的な枠組みの中で研究しました。彼は人間の重心の位置を決定し、吸気量と呼気量を計算・測定し、吸気は筋肉によって駆動され、呼気は組織の弾力性によるものであることを示しました

ボレッリは、「筋肉系のてこ作用は力ではなく運動を拡大するため、筋肉は運動に抵抗する力よりもはるかに大きな力を生み出さなければならない」ということを初めて理解した人物である。[20]ボレッリは、個人的に親交のあったガリレオの研究の影響を受け、ニュートンが運動の法則を発表するずっと前から、人体の様々な関節における静的平衡を直感的に理解していた。 [22]彼の研究は、多くの新しい発見を成し遂げ、後世の人々が彼の研究と研究を引き継ぐ道を開いたため、バイオメカニクスの歴史において最も重要な研究とみなされることが多い。

ボレリの発見から何年も経ち、バイオメカニクス分野は大きな飛躍を遂げました。その後、ますます多くの科学者が人体とその機能について研究するようになりました。19世紀や20世紀にバイオメカニクス分野で著名な科学者は多くありません。これは、この分野があまりにも広大になり、一つのことを一人の人物に帰属させるにはあまりにも困難になったためです。しかし、この分野は毎年成長を続け、人体に関する新たな発見を続けています。この分野が広く知られるようになったため、過去1世紀の間に多くの機関や研究所が設立され、人々は研究を続けています。1977年にアメリカバイオメカニクス学会が設立されたことで、この分野は成長を続け、多くの新たな発見がなされています。[20]

19世紀、エティエンヌ＝ジュール・マレーは映画撮影法を用いて移動運動を科学的に調査した。彼は初めて地面反力と運動の相関関係を明らかにし、現代の「動作分析」の分野を切り開いた。ドイツでは、エルンスト・ハインリヒ・ウェーバーとヴィルヘルム・エドゥアルト・ウェーバー兄弟が人間の歩行について多くの仮説を立てたが、工学力学の最新の進歩を用いてこの科学を大きく前進させたのはクリスティアン・ヴィルヘルム・ブラウネであった。同時期には、産業革命の要請を受け、フランスとドイツで材料工学力学が盛んになり始めた。鉄道技師カール・クルマンと解剖学者ヘルマン・フォン・マイヤーが人間の大腿骨の応力パターンを同様の形状のクレーンの応力パターンと比較したことで、骨の生体力学が再興した。この発見に触発されたユリウス・ヴォルフは、有名な骨リモデリングのヴォルフの法則を提唱した。[23]

アプリケーション

バイオメカニクスの研究は、細胞の内部構造から四肢の動きと発達、軟部組織[ 7]や骨の機械的特性まで多岐にわたります。バイオメカニクス研究の簡単な例としては、四肢に作用する力、鳥や昆虫の飛行の空気力学、魚の遊泳の流体力学、そして個々の細胞から生物全体に至るまで、あらゆる形態の生命における一般的な運動の調査などが挙げられます。生体組織の生理学的挙動に関する理解が深まるにつれて、研究者は組織工学の分野を進歩させ、がんを含む幅広い病状に対するより良い治療法を開発することができます。[24] [要出典]

バイオメカニクスは、人間の筋骨格系の研究にも応用されています。このような研究では、力覚プラットフォームを用いて人間の地面反力を研究したり、赤外線ビデオグラフィーを用いて人体に取り付けたマーカーの軌跡を捉えて人間の3次元運動を研究したりしています。また、筋電図法を用いて筋の活性化を研究し、外力や外乱に対する筋の反応を調べたりしています。[25]

バイオメカニクスは、整形外科業界で広く利用されており、人体の関節、歯科部品、外部固定具、その他の医療用途の整形外科インプラントの設計に用いられています。バイオトライボロジーは、その中でも非常に重要な分野です。バイオトライボロジーは、整形外科インプラントに使用される生体材料の性能と機能を研究する学問です。バイオトライボロジーは、医療および臨床用途に適した生体材料の設計改善と製造において重要な役割を果たしています。その一例が、組織工学による軟骨です。[7]衝撃として考えられる関節への動的荷重については、エマニュエル・ウィラートが詳細に論じています。[26]

生物力学は工学分野とも密接に関連しており、生物システムの解析には伝統的な工学科学が用いられることが多い。ニュートン力学や材料科学の単純な応用によって、多くの生物システムの力学に正しい近似値を与えることができる。応用力学、特に連続体力学、機構解析、構造解析、運動学、動力学といった機械工学分野は、生物力学の研究において重要な役割を果たしている。[27]

リボソームはタンパク質のダイナミクスを利用する生物学的機械である

通常、生物システムは人間が構築したシステムよりもはるかに複雑です。そのため、ほぼすべての生体力学研究では数値解析手法が適用されます。研究は、モデル化、コンピュータシミュレーション、実験測定といった複数のステップを含む、仮説と検証の反復的なプロセスで行われます。

参照

参考文献

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さらに詳しい情報

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