Образовательный стандарт высшего профессионального образования (стр. 1 )

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Саратовский государственный университет

имени »

УТВЕРЖДАЮ

Ректор СГУ, профессор, д. ф.-м. н.,

_________________

«___»_________________2011 года

ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ СТАНДАРТ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

самостоятельно устанавливаемый

ГОУ ВПО «Саратовский государственный университет

имени »

по направлению подготовки

Биомеханика

(квалификация (степень) «бакалавр»)

Саратов 2011

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

На основании статьи 5 125-Ф3 «О высшем и послевузовском профессиональном образовании» (редакция 2009 года) Ученый Совет СГУ, «28» июня 2011 года принял решение:

«Принять образовательный стандарт высшего профессионального образования, самостоятельно устанавливаемый ГОУ ВПО «Саратовский государственный университет имени », по направлению подготовки «Биомеханика», квалификация (степень) «бакалавр».

Нормативные основы для формирования Образовательного стандарта СГУ по направлению подготовки «Биомеханика»

Распоряжение Правительства Российской Федерации от 20 мая 2010 г. .

Приказ Минобрнауки России «Об утверждении Порядка создания и развития инновационной инфраструктуры в сфере образования» от 01.01.01 г. № 000.

Федеральный закон Российской Федерации «Об образовании» от 01.01.01 г. № 3266-1 (в действующей редакции).

Федеральный закон Российской Федерации «О высшем и послевузовском профессиональном образовании» от 01.01.01 г. № 125-ФЗ (в действующей редакции).

Типовое положение об образовательном учреждении высшего профессионального образования (высшем учебном заведении), утвержденное постановлением Правительства Российской Федерации от 01.01.01 г. № 71.

Устав СГУ (в действующей редакции).

Локальные нормативные акты СГУ.

2. НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ БИОМЕХАНИКИ

Современный этап развития науки, технологий и техники характеризуется тем, что наиболее важные, принципиальные и значимые открытия происходят на стыках уже давно сложившихся наук.

Биомеханика является стратегически важной междисциплинарной наукой на стыке механики, математики, физики, биологии и медицины и других наук. Ее главной задачей является интеграция механики в биологию и медицину с целью более полного понимания биологических процессов и развития медицинских технологий.

Биомеханика (от греческого слова «био» - жизнь и «механика» - орудие) – раздел механики, изучающий на основе идей и методов теоретической механики и механики сплошных сред механические свойства биологических тканей, сред, объектов и систем и механические явления в них на всех уровнях организации и в различных состояниях.

Состояние исследований в области биомеханики на данный момент позволяет сделать вывод о том, что биомеханика бурно развивается и как фундаментальная, и как прикладная наука. Основными направлениями биомеханических исследований являются изучение механических свойств и структуры биологических тканей, сред, объектов и систем; изучение напряжений и деформаций в клетках, тканях и органах; кинематика и динамика движений биологических сред, объектов и систем на макро, микро и наноуровнях; изучение механических аспектов процессов роста биологических сред, объектов и систем; создание заменителей тканей и органов; разработка методов влияния на процессы в живых системах и др.

Научно-методический аппарат биомеханики

Объект исследования: организм, органы, живые ткани, клетки, биологические системы и среды.

Этапы исследования.

1. Изучение морфологии организма, анатомии органа, гистологии ткани, а также структуры и ультраструктуры (микроскопической структуры живой ткани, клетки) материалов с целью определения геометрических параметров исследуемого объекта.

2. Исследование механических свойства биологических объектов.

Сложность подобных исследований обусловлена трудностью выделения тканей для изучения, малостью размеров доступных образцов, а также сложностью сохранения ткани в нормальном состоянии. Более того, биологические ткани часто подвержены большим деформациям, диаграмма напряжений для них нелинейна и зависит от способа осуществления нагружения. Нелинейность уравнений состояния делают их решение довольно сложной задачей.

3. Построение системы разрешающих уравнений, задание граничных и начальных условий.

Основным методом при решении задач биомеханики является моделирование. При моделировании используются:

- фундаментальные законы механики и физики (закон сохранения массы, закон сохранения момента движения, закон сохранения энергии, уравнения Максвелла и т. д.);

- уравнения состояния материалов.

Строится система разрешающих уравнений, представляющая основу математической модели исследуемых объекта и процессов. Проводятся необходимые исследования для задания граничных и начальных условий.

4. Решение системы уравнений.

Решается система с начальными и граничными условиями – аналитически, численно или же решение ищется экспериментально.

Проводится экспериментальное исследование с целью проверки полученного решения.

На основе полученных экспериментальных данных корректируется построенная математическая модель, и снова решается поставленная задача для достижения соответствия рассчитываемых параметров эмпирическим.

5. Приложение полученных результатов.

Апробированная модель обеспечивает прогнозирование поведения подобных систем (организмы, органы, живые ткани, клетки, биологические системы и среды) при различных внешних воздействиях.

В соответствии с принятой во всем мире классификацией наука биомеханика делится на разделы:

· биомеханика органов и систем человека;

· биомеханика тканей и биологических жидкостей;

· клеточная биомеханика;

· молекулярная биомеханика;

· материалы, оборудование, устройства и методы.

Биомеханика органов и систем человека изучает не только функционирование различные систем человека (сердце, легкие, позвоночник и др.) с механической точки зрения в норме и под влиянием всевозможных факторов, но и возможности восстановления функционирования исследуемого органа, включая пересадку органов, лечение травм и др. В биомеханику органов и систем человека входят:

- механика дыхания;

- ортопедическая биомеханика;

- стоматологическая биомеханика;

- биомеханика глаза;

- биомеханика сердечно-сосудистой системы;

- биомеханика опорно-двигательного аппарата;

- репродуктивная биомеханика;

- биомеханика травмы;

- искусственные органы;

- 3D моделирование органов и систем человека в режиме реального времени;

- виртуальная операция;

- диагностика и планирование оперативного вмешательства;

- и др.

Биомеханика тканей и биологических жидкостей изучает биологические материалы и жидкости, их свойства, взаимодействие и системы регулирования на макроуровне. Изучение механики тканей позволяет понять их функциональную роль при нормальных условиях и при патологических состояниях. Изучение гемодинамики позволяет понять процессы, приводящие к развитию патологии в артериях и венах. Данное направление исследований включает в себя как обязательную экспериментальную часть, так и масштабные теоретические исследования. В биомеханику тканей и биологических жидкостей входят:

- биомеханика связок, сухожилий и мышц;

- биомеханика костной ткани;

- биомеханика мягких тканей;

- механика роста биологических тканей;

- гемодинамика;

- биомеханика биологических жидкостей;

- транскапиллярный обмен;

- доставка и освобождение лекарств;

- регенерация тканей;

- биоматериалы;

- скаффолдовая инженерия;

- клеточная тканевая инженерия;

- математическое моделирование скаффолдов и биодеградирующих материалов;

- и др.

Клеточная биомеханика изучает процессы функционирования клетки и структурную организацию клетки с механической точки зрения. В частности, как образуются клетки, как они воспринимают механическое воздействие (растягивающие и сжимающие силы, касательное напряжение и гидростатическое давление), как отвечают на него. В клеточную биомеханику входят:

- клеточная механика;

- биореология и микроциркуляция;

- механика цитоскелета;

- миграция клеток;

- биомеханика межклеточного взаимодействия;

- механика мембран;

- механонанобиология (морфомеханика);

- и др.

Молекулярная биомеханика изучает механические свойства тканей, органов и организмов на микро и наноуровнях. Только применение теоретических, численных и экспериментальных методов исследования, таких как математическое моделирование, методов статистической механики, молекулярной динамики, многоклеточного моделирования, возможностей атомно-силовой микроскопии, оптических пинцетов, наноотпечатков и других методов исследования позволяет достичь существенных результатов в молекулярной биомеханике. Одновременное рассмотрение поведения биологических объектов с точки зрения химии и механики позволяют понять физиологические условия, вызывающие заболевания, этиологию болезни, а так же развитие болезни, проявляющееся в разрушении структуры и берущее свое начало на молекулярном уровне. В молекулярную биомеханику входят:

- механика ДНК;

- механика протеинов;

- механика биоинспирированного протеина;

- механика гликопротеинов;

- наномеханика и наномедицина;

- и др.

Материалы, оборудование, устройства и методы. Данное направление исследований в биомеханике объединяет направления, которые могут использоваться в биомеханике или же использовать ее как инструмент для работы. Сюда также включаются разделы, относящиеся к биомедицинскому инжинирингу: распознавание биосигналов, биоинформатика, компьютерная биология, биоматериалы, биомедицинское оборудование, распознавание медицинских изображений, медицинское роботостроение, разработка нейронных сетей и так далее. В раздел биомеханики, посвященный разработке и созданию материалов, оборудования, устройств, компьютерных технологий биомедицинского назначения входят:

- биомедицинское оборудование и распознавание сигналов;

- разработка оборудования;

- компьютерные методы;

- компьютеризированная хирургия и биомедицинские роботы;

- распознавание биомедицинских изображений и оптика;

- нейронная инженерия;

- компьютерная биология;

- и др.

Фундаментальные исследования в биомеханике включают в себя не только хирургию, протезирование, поиск материалов для имплантатов и искусственных конечностей, но также и возможности лечения на клеточном и молекулярном уровнях, инженерию хрящевых, костных и сухожильных тканей и др. В долгосрочной перспективе актуальной задачей, стоящей перед биомеханикой, является задача наиболее полного понимания физиологии. Методология и стандарты механики, разработанные в эпоху индустриального развития общества, могут быть адаптированы для решения проблем медицинской науки и технологии. Системный анализ, реология биологических тканей, перенос вещества через мембраны, микроциркуляция, то есть основы биомеханики, становятся неотделимой частью медицины.

Биомеханические исследования представляют не только теоретический, но и большой практический интерес для разных областей знаний: физиологии труда и спорта, робототехники, медицины и т. д. Фактически, без участия биомеханики не обходится ни одно достижение в биологии и медицине.

Биомеханика, казалось, имеет мало общего с молекулярной биологией, но некоторые исследования привели в итоге к пониманию механизмов образования, функционирования и синтеза молекул.

Хирургия не имела тесной связи с механикой до тех пор, пока не было выяснено, что восстановление и выздоровление пациента зависит от напряжений и деформаций в тканях. Биомеханические исследования делают возможным проведение так называемых «виртуальных операций». Индивидуальная компьютерная модель позволяет выявить и оценить особенности анатомического строения, изучение аномалий, проведение предоперационной подготовки пациента, разработать оптимальный метод хирургического вмешательства, позволяет дать рекомендации оперирующему хирургу. Биомеханика также помогает решать проблемы связанные с послеоперационной реабилитацией.

Биомеханика помогает решать клинические проблемы сердечно-сосудистой системы, с ее помощью разрабатываются протезы клапанов сердца, устройства помощи работы сердца, аппараты искусственного кровообращения и др. Биомеханика играет важную роль в развитии технологий пересадки сердца и его замены искусственными аппаратами. Ряд биомеханических показателей состояния кровообращения (напряженно-деформированное состояние и гемодинамика) учитываются при диагностике и определении показаний к операциям на сердце, кровеносных сосудах и др.

Последние десятилетия XX столетия и нынешнее время названы представителями Всемирной организации здравоохранения «травматической эпидемией». Причинами формирования данного понятия служат возросшее число природных и техногенных катастроф, дорожно-транспортных происшествий, широкое внедрение достижений научно-технического прогресса в обеспечение быта рядовых граждан. Все перечисленное приводит к значительному проценту пострадавших с различного рода травмами опорно-двигательной системы, часто сочетающихся с повреждениями других систем. Так как большинство людей, пострадавших в автомобильных авариях и других катастрофах, являются молодыми, то очевиден значительный социально-экономический ущерб. Это вызвало мощное развитие биомеханики травматологии и ортопедии и реабилитационной биомеханики. Результаты изучения механических свойств костей, суставов, связок, мышц и других тканей позволяют объяснить механизмы действия повреждающих факторов и разработать методики предупреждения травм. Не менее важны биомеханические исследования для протезирования. Они являются основой конструирования протезно-ортопедических изделий, например, протезов тазобедренных суставов, коленных суставов и др. Многие биомеханические характеристики опорно-двигательного аппарата используются при проектировании различных технических систем, например, автоматов-манипуляторов, роботов и др.

Исследования в области биомеханики физических упражнений и спортивных движений способствуют раскрытию основ спортивного мастерства и разработке научно обоснованной системы тренировки. Изучение движений человека даёт возможность оценить экономичность того или иного варианта движений и совершенствовать их структуру.

Основной проблемой современной России остается достаточно низкие уровень и качество жизни населения. Эти два показателя непосредственно зависят от социально-экономического развития страны, благосостояния населения, качества ранней диагностики заболеваний, доступности медицинской помощи, смертности от отдельных, наиболее социально значимых заболеваний, развития системы здравоохранения в целом. Это определяет основную задачу, стоящую перед российским здравоохранением в XXI веке, – совершенствование медицинской помощи населению. Комплексный подход к решению данной задачи включает в себя расширение профилактических мероприятий, повышение качества диагностики и лечения. Это становится возможным за счет повсеместного внедрения в медицинскую практику методов прогнозирования естественного течения заболевания и оптимизации как консервативных, так и оперативных способов лечения, разработку новых методов лечения, проведение комплексной реабилитации больных. Все это не возможно без применения междисциплинарного подхода, без привлечения к решению данных проблем специалистов других научных направлений, в частности специалистов-биомехаников.

Решения многих актуальных задач биологии и медицины, найденные с применением аппарата биомеханики, используются при разработке методов защиты человека от внешних механических воздействий, для диагностики механического состояния биологических тканей, систем и органов, для прогнозирования и оптимизации оперативного вмешательства, для создания заменителей тканей и органов, для разработки методов влияния на процессы в живых организмах, для создания методов анализа и коррекции естественных, спортивных и трудовых движений и др.

Все вышеперечисленное подтверждает практическую значимость исследований в данном направлении.

Проведение полноценных научных исследований в области биомеханики, направленных на разработку адекватной модели биомеханического процесса или биологического объекта (системы), на создание и разработку оборудования и приборов медицинского назначения, невозможно без наличия у исследователя (ученого, инженера, специалиста) достаточных знаний в области биологии, физиологии и медицины, и, следовательно, невозможно специалистами, владеющим только физико-математическим аппаратом. Поэтому в настоящее время особенно актуальным является вопрос подготовки специалистов, обладающих одновременно знаниями о строении и функционировании биологических объектов, о механических процессах, протекающих в таких объектах, и о возможностях, способах и методах аналитического и компьютерного моделирования, математического и численного анализа экспериментальных данных и построенных математических и компьютерных моделей. Именно такими специалистами являются биомеханики.

3. ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ ОТКРЫТИЯ НАПРАВЛЕНИЯ ПОДГОТОВКИ «БИОМЕХАНИКА» (КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ) «БАКАЛАВР») В СГУ

На механико-математическом факультете СГУ новое учебно-научное направление «Биомеханика» стало активно развиваться под руководством профессора с 1989 года. – лауреат Государственной премии Российской Федерации в области науки и техники, член Российского национального комитета по теоретической и прикладной механике. Благодаря энергичной и целеустремленной деятельности профессора налажено тесное сотрудничество СГУ с Научным центром сердечно-сосудистой хирургии им. (НЦССХ) (Москва), Саратовским государственным медицинским университетом, Саратовским центром термических поражений, ФГБУ «Саратовский научно-исследовательский институт кардиологии Министерства здравоохранения и социального развития России», Первым московским государственным медицинским университетом имени , ФГБУ «Саратовский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии» Минздравсоцразвития России, Пермским государственным техническим университетом, Институтом ИиФ УрО РАН (Екатеринбург), Институтом проблем механики имени РАН, Южным федеральным университетом, НИИ механики Московского государственного университета имени , ».

В 2003 создана учебная лаборатория математического моделирования в биомеханике кафедры математической теории упругости и биомеханики СГУ. В 2009 году лаборатория вошла в состав нового структурного подразделения СГУ – образовательно-научного института наноструктур и биосистем (ОНИ НСиБС). Образовательно-научный институт наноструктур и биосистем – это междисциплинарный институт, в котором работают специалисты в области биомеханики, математики, наномеханики, биологии, медицины, химии, клеточной инженерии, вычислительного эксперимента и высокопроизводительных вычислений. Направления научной деятельности ОНИ НСиБС:

• разработка и создание тканеинженерных конструкций для регенеративной хирургии на основе биосовместимых полимерных пленок и клеточных каркасов;

• использование микро - и нанокапсул для создания систем адресной доставки биологически активных веществ;

• создание и исследование свойств нанокомпозитных материалов с объемной морфологией;

• математическое моделирование функционирования биологических систем и прогнозирование результатов оперативных вмешательств.

Институт располагает всем необходимым современным оборудованием для проведения исследований в области биомеханики: экспериментальными машинами, позволяющими исследовать биологические ткани на растяжение, сжатие, кручение; специальными устройствами, позволяющими моделировать и исследовать кровоток с физиологической пульсацией; оборудованием для работы с клеточными культурами; оборудованием для создания скаффолдов для регенеративной медицины; вычислительным кластером, предназначенным для проведения высокопроизводительных численных расчетов, а также лицензионными программными комплексами, позволяющими обрабатывать данные компьютерных и магнитно-резонансных томограмм, строить точные трехмерные модели биологических объектов и моделировать биомеханические процессы.

В области биомеханики исследования проводятся по следующим направлениям:

1. Изучение механических свойств и структуры мягких и твердых биологических тканей, отдельных органов и систем.

2. Изучение движения биологических жидкостей, напряжений и деформаций в тканях и органах.

3. Изучение механики опорно-двигательной системы.

4. Изучение механических основ и проявлений процессов роста, развития и адаптации биологических объектов.

5. Создание заменителей тканей.

Направление биомеханики в институте поддерживают отделы биомеханики, компьютерного инжиниринга, клеточной инженерии, наномеханики, электроформования, молекулярной биологии, которые совместно работают над решением задач биомеханики сердечно-сосудистой системы, опорно-двигательного аппарата, дыхательной и мочевыводящей систем, регенеративной медицины. Постановка данных задач обеспечивается практической деятельностью медицинских работников, с которыми специалисты-биомеханики находятся в постоянном контакте. Такое важное сотрудничество необходимо для того, чтобы результаты биомеханических исследований имели непосредственное практическое применение в области медицины.

Научное руководство по направлению биомеханика осуществляют ведущие ученые механико-математического факультета и ОНИ НСиБС СГУ: профессор кафедры математической теории упругости и биомеханики, доктор физико-математических наук Коссович Л. Ю., профессор, доктор физико-математических наук Вильде М. В., доцент кафедры математической теории упругости и биомеханики, кандидат физико-математических наук Кириллова И. В., доцент кафедры математической теории упругости, кандидат физико-математических наук Гуляев Ю. П., начальник отдела электроформования полимеров ОНИ НСиБС СГУ, PhD , профессор, доктор медицинских наук, начальник отдела клеточной инженерии Островский Н. В., доктор медицинских наук, старший научный сотрудник отдела биомеханики ОНИ НСиБС СГУ

За время функционирования лаборатории и института разработаны математические методы оптимизации хирургического лечения расстройств мозгового кровообращения (операция эндартерэктомии на бифуркации сонной артерии, хирургическая коррекция основных видов патологических извитостей сонных артерий, аневризмы артерий) и ишемической болезни сердца, патологий тонкой кишки у новорожденных. Проведен поиск оптимального материала для улучшения результатов пластики артерий и левого желудочка сердца. Изучены механические свойства, гемодинамика и механическое поведение бифуркаций сонных артерий в норме, при патологии и после реконструктивного вмешательства, артерий виллизиева круга, коронарных артерий. Разработаны вычислительно-информационные технологии компьютерного моделирования на параллельных вычислительных комплексах травматологических и операционных процессов на бедренной кости человека. Проведенные исследования обеспечивают возможность использования полученных результатов при разработке средств и методик диагностирования и лечения в клинической практике, а так же возможность использования для планирования хирургических операций.