Biomekanika, Fisika dalam kedokteran

Mekanika adalah salah satu cabang ilmu dari bidang ilmu fisika yang mempelajari gerakan dan perubahan bentuk suatu materi yang diakibatkan oleh gangguan mekanik yang disebut gaya. Mekanika adalah cabang ilmu yang tertua dari semua cabang ilmu dalam fisika. Tersebutlah nama-nama seperti Archimides (287-212 SM), Galileo Galilei (1564-1642), dan Issac Newton (1642-1727) yang merupakan peletak dasar bidang ilmu ini. Galileo adalah peletak dasar analisa dan eksperimen dalam ilmu dinamika. Sedangkan Newton merangkum gejala-gejala dalam dinamika dalam hukum-hukum gerak dan gravitasi. Mekanika teknik atau disebut juga dengan mekanika terapan adalah ilmu yang mempelajari peneraapan dari prinsip-prinpsip mekanika. Mekanika terapan mempelajari analisis dan disain dari sistem mekanik.

          Biomekanika didefinisikan sebagai bidang ilmu aplikasi mekanika pada system biologi. Biomekanika merupakan kombinasi antara disiplin ilmu mekanika terapan dan ilmu-ilmu biologi dan fisiologi. Biomekanika menyangkut tubuh manusia dan hampir semua tubuh mahluk hidup. Dalam biomekanika prinsip-prinsip mekanika dipakai dalam penyusunan konsep, analisis, disain dan pengembangan peralatan dan sistem dalam biologi dan kedoteran.

          Pada dasarnya biomekanika adalah cabang ilmu yang relatif baru dan sedang berkembang secara dinamis. Akan tetapi sebenarnya bidang ilmu sudah eksis sejak abad ke lima belas masehi ketika Leonardo Da Vinci (1452-1519) membuat catatan akan siginikansi mekanika dalam penelitian-penelitian biologi yang dia lakukan. Kontribusi dari para peneliti dalam bidang ilmu biologi, kedokteran, ilmu-ilmu dasar, dan teknik mewarnai perkembangan biomekanika akhir-akhir ini.

Gerak dan Gaya

Gaya adalah sebuah konsep yang digunakan untuk menerangkan interaksi fisik dari obyek dengan sekelilingnya. Gaya dalam fisika didefinisikan sebagai kuantitas yang dapat menyebabka perubahan dari state dari suate benda sehingga terjadi percepatan pada benda itu.

Gerakan Tubuh Manusia

Filosof Yunani Aristotle (384-322 SM) adalah orang yang pertama kali melakukan studi secara sistematik terhadap gerakan tubuh manusia. Banyak prinsip yang mendeskripsikan aksi dan karakteristik gemometri dari otot. Walaupun penemuan Aristotle untuk menerangkan gerakan banyak mengandung kontradiksi, usaha awal yang telah ia ristis menjado pondasi bagi studi berikutnya seperti Galen (131-201), Galileo (1564-1643), Borelli (1608-1679), Newton (1642-1727), dan Marey (1830-1904). Studi dari para filosof dan ilmuwan tersebut telah mengakibatkan kita bisa membuktikan bahwa gerakan tubuh manusia merupakan konsekuensi dari interkasi anatara otot dan gaya yang diakibatkan oleh lingkungan sekitar tubuh manusia.

          Seperi yang ditulis oleh Aristotle bahwa bianatang yang berjalan membuat posisisnya berubah dengan menekan apa yang ada dibawahnya. Pernayataan ini menekankan bahwa dalam studi gerakan harus menekankan pada (Higgins, 1985):

•  Pengkarateran interaksi fisik anatara hewan (manusia) dan lingkungan sekitar.
•  Menetukan cara hewan (manusia) mengorganisasikan interkasi fisik tersebut.

Dengan kerangka seperti ini maka gerakan tubuh system biologis dapat diakui sebagai hasil interaksi system biologis dengan lingkungan sekelilingnya.  Beberapa faktor berikut turut menentukan interaksi tersebut:

• Stuktur dari lingkunngan (bentuk dan stabilitas).
• Medan dari gaya (arah relatif terhadap gravitasi, kecepatan gerakan).
• Stuktur dari sistem (susunan tulang, aktifitas otot, sususan segment dari tubuh, ukuran, integrasi motorik yang dibutuhkan untuk mendukung postur).
• Peranan dari keadaan psikologis (level keatifan, motivasi).
• Bentuk gerakan yang akan dikerjakan (kerangka dari organisasi dari gerakan).

Higgins menyatakan bahwa gerakan adalah bagian yang tak terpisahkan dengan struktur yang mendukungnya dan lingkungan yang mendefinisikannya.

Goniometri

Istilah goniometri berasal dari bahasa Yunani, gonia yang berarti sudut dan metros yang mempunyai makna maengukur. Sedangkan geniometer adalah alat untuk mengukur sudut. Gonimetri berhubungan dengan pengukuran sudut yang dibentuk oleh sgement dari organ tubuh manusia yang dihubungkan oleh sendi. Dalam prakteknya pengukuran sudut dari sendi, dilakukan dengan melekatkan gonio meter pada sgement-segment yang diukur sudutnya. Goniometer dapat digunkan untuk mengukur sudut pada suatu posisi tertentu maupun seacra kontinyu dalam melakukan suatu gerakan.

Pemodelan

Dibutuhkan asumsi-asumsi tertentu untuk membuat penyederhanaan dari sebuah sistem yang kompleks sehingga penyelesaian analitis bisa dicapai. Sebuah model yang lengkap memperhitungkan efek-efek dari keseluruhan bagian penyususn sistem secara detail. Akan tetapi model yang lengkap dan detail sulit diwujudkan dan bila dapat akan sulit menghasilkan solusi dari masalah yang akan diselesaikan.        Tidak selalu mungkin untuk memodelkan system secara lengkap dan bahkan kadang-kadang tidak perlu untuk menyertakan setial detail dari sistem dalam analisis. Sebagai contoh adalah pada hampir semua gerakan tubuh manusia, banyak kelompok otot (muscle) yang terlibat untuk menggerakkan organ-organ tubuh. Akan tetapi untuk keperluan analisis gaya yang terlibat pada sendi dan otot pada suatu gerakan tertentu, pendekatan yang terbaik adalah dengan memprediksi kelompok otot yang mana yang paling aktif dan mengabaikan kelompok otot-otot yang lain.

          Secara umum, pemodelan suatu sistem selalu diawali dengan model yang sederhana. Dari model sederhana ini berangsur-angsur kompleksitasnya ditingkatkan sejalan dengan pemahaman karakterstik system dan dari pengamatan terhdapa model sederhana tersebut. Peneliti dapat merancang model yang cukup sederhana untuk dianalisa sehingga menujukkan fenomena yang diteliti dalam  batas-batas kepuasan tertentu. Dari pengetahuan akan sistem yang dimodelkan sistem sederhana terseebut kemudian disempurnakan. Makin banyak belajar, makin banyak pula yang dipahami dari sistem dan lebih detail pula analisis yang dapat dilakukan.

          Pemodelan gerakan tubuh manusia dapat digolongkan berdasarkan pendekatan yang diambil:

• Pendekatan teori yang menggunkan basis pengetahuan dalam  bidang fisiologi, mekanika, dan robotika untuk merancang persamaan matematika yang mengepresikan gerakan tubuh manusia. Selanjutnya gait dapat dipelajari dengan simulasi menggunakan model tersebut dan hasilnya dibandingkan dengan data asli yang diukur dari manusia.
• Pengukuran gait secara langsung mendapatkan model yang representatif menggambarkan hibungan antar variabel dalam gerakan tubuh manusia.

Kedua pendekatan ini akan bertemu, utamanya bila sebuah studi gerakan tubuh manusia diarahkan pada aplikasi tertentu, misalnya analysa patologi maupun rehabilitasi dari suatu kelumpuhan tertentu.