Biomekanika: Aplikasi Fisika Kedokteran

Ilustrasi fisika kedokteran

Pada dasarnya, dunia ini tersusun atas sistem-sistem yang sudah sangat teratur. Sistem yang teratur tersebut dapat dijelaskan oleh hukum-hukum sains yang selama ini Anda pelajari di bangku sekolah. Mulai dari konsep bagaimana sebuah benda pasti jatuh ke bumi karena ditarik oleh gravitasi sampai bagaimana sinar X dapat membantu dokter mendiagnosis penyakit yang diderita oleh pasiennya. Itulah sekelumit contoh yang bisa Anda ambil terkait dengan aplikasi biologi dan fisika kedokteran. Salah satu bentuk penerapan ilmu fisika dalam lingkup kedokteran adalah ilmu biomekanika.

Fisika Kedokteran: Biomekanika sebagai Irisan Biologi dan Mekanika

Secara sederhana, biomekanika dapat didefisikan sebagai keilmuan yang membahas mengenai penerapan konsep-konsep mekanika dalam menjelaskan hukum-hukum biologi dan kedokteran. Hukum-hukum utama mekanika yang sering digunakan dalam biomekanika adalah hukum Newton. Hukum Newton menjadi pondasi awal yang perlu dikuasai dalam membahas Biomekanika. Dalam hukum Newton dibahas bahwa suatu benda akan terus bergerak atau diam jika tanpa diberi percepatan atau pelambatan terhadap benda tersebut (hukum Newton I tentang kelembaman).

Hukum Newton II menjelaskan bahwa gaya yang didapat atau diberikan oleh benda berbanding lurus dengan besarnya percepatan yang yang dikenai atau dialami oleh benda. Sementara itu, hukum Newton III menjelaskan bahwa bila suatu benda dikenai gaya, maka sebenarnya benda tersebut akan melawan aksi gaya yang dikenakan terhadapnya. Ketiga hukum Newton tersebut dielaborasi ke dalam sistem biologi dalam konsep-konsep biomekanika.

Salah satu yang bisa menjelaskan hal ini adalah besarnya ketahanan suatu sendi yang dimiliki seseorang ketika sedang melakukan aktivitas tertentu, misalnya mengangkat beban. Melalui konsep fisika, kita bisa menghitung berapa momen gaya yang terjadi pada persendian. Akhirnya, momen gaya tersebut dibandingkan dengan nilai momen gaya yang masih bisa dipikul oleh sendi. Pembandingan tersebut akhirnya akan memberikan rekomendasi pada pekerjaan tersebut, apakah pekerjaan tersebut berbahaya atau tidak.

Fisika Kedokteran: Biomekanika dan Kecelakaan Kerja

Aplikasi biomekanika sebenarnya dapat dikembangkan lebih jauh, tidak sekadar menjelaskan hukum fisika dalam sistem biologi. Biomekanika dapat menjadi dasar bagi seorang insinyur dalam mendesain suatu produk atau pekerjaan apakah berbahaya bagi pekerja atau tidak. Selain itu, konsep-konsep biomekanika juga dapat digunakan dalam dunia olahraga untuk meningkatkan performansi atlet secara siginifikan.

Salah satu konsep biomekanika yang sering dibahas dalam desain suatu pekerjaan adalah biomekanika punggung, khususnya pada bagian Lumbar 5 dan Sacrum 1. Bagian tersebut merupakan bagian yang paling riskan terkena risiko pekerjaan. Oleh karena itu, para desainer atau insinyur berusaha keras agar bagian tersebut terpapar seminimal mungkin risiko. Risiko yang sering muncul pada bagian ini adalah low back pain.

Low back pain sebenarnya bisa dihindari dengan memanfaatkan konsep biomekanika pada bagian tersebut. Salah satu yang mungkin bisa dilakukan adalah dengan membagi-bagi beban yang harus diangkat. Dengan pembagian beban tersebut, diharapkan risiko akan menjadi lebih kecil.
Selain itu, dapat pula digunakan alat bantu yang sesuai dengan beban benda. Teknik pengangkatan pun perlu didesain. Hal ini terkait dengan momen gaya yang timbul akibat pengangkatan tersebut kepada tubuh si pengangkat.

Fisika Kedokteran: Kerja Tubuh Manusia menurut Biomekanika

Penerapan biomekanika dalam fisika kedokteran memandang tubuh manusia sebagai sebuah sistem yang terdiri atas penghubung (link) dan sambungan (joint). Setiap penghubung merepresentasikan segmen tubuh tertentu, sedangkan setiap sambungan menggambarkan suatu sendi di tubuh. Ada enam penghubung dalam tubuh manusia, menurut Anderson dan Chaffin. Keenam penghubung tersebut ialah:

Penghubung lengan bawah, dibatasi oleh sambungan siku dan telapak tangan.
Penghubung lengan atas, dibatasi oleh sambungan bahu dan siku.
Penghubung punggung, dibatasi oleh sambungan pinggul dan bahu.
Penghubung paha, dibatasi oleh sambungan lutut dan pinggul.
Penghubung betis, dibatasi oleh sambungan mata kaki dan lutut.
Penghubung kaki, dibatasi oleh sambungan telapak kaki dan mata kaki.

Panjang setiap penghubung pada manusia bisa diukur berdasarkan persentase tinggi badannya, begitu juga berat penghubung bisa dihitung berdasarkan persentase berat badan. Setiap penghubung memiliki pusat massa. Pusat massa ini letaknya ditentukan berdasarkan persentase standar panjang penghubung setiap segmen tubuh berotasi di area sambungan. Perhitungan ini merupakan bentuk mekanika yang mengacu pada hukum Newton.

Prinsip-prinsip biomekanika di bidang kesehatan tubuh manusia ini dimanfaatkan untuk menentukan gaya mekanik di tubuh serta gaya otot yang dibutuhkan dalam mengimbangi berbagai gaya yang terjadi. Biomekanika secara umum bermanfaat dalam mempelajari interaksi fisik antara mesin, material, dan peralatan dengan pekerja. Dalam bidang kesehatan dan kedokteran, biomekanika ini bertujuan memperkecil munculnya keluhan sistem kerangka otot, sehingga tercipta peningkatan dalam produktivitas kerja otot.

Untuk menghindari munculnya keluhan sistem kerangka otot, dibutuhkan perancangan postur kerja yang ergonomis. Misalnya ketika sedang berjalan, pasang postur yang seimbang agar kedua kaki dapat berbagi beban menopang berat tubuh guna menciptakan gerakan berpindah (melangkah) yang baik dan aman bagi otot. Prinsip ini pun digunakan pada orang-orang pemakai alat bantu gerak pada kakinya, sehingga terlihat bahwa alat bantu gerak tersebut berusaha selalu menyeimbangkan gerak langkah pemakainya agar nyaman dan aman dipakai.

Fisika Kedokteran: Menerapkan Analisa Gaya dalam Biomekanika Kedokteran

Prinsip-prinsip mengenai gaya dapat diterapkan di bidang kesehatan tubuh, dalam hal ini dalam ilmu biomekanika kedokteran. Setidaknya, ada dua penerapan analisa gaya tersebut, yakni terkait kesehatan tulang belakang dan penggunaan traksi saat terapi. Dalam kesempatan ini, mari bahas kesehatan tulang belakang dan kaitannya dengan penerapan biomekanika kedokteran.

Sebagai salah satu bagian penting penopang postur tubuh, punggung bekerja tanpa henti selama 24 jam sehari. Bahkan ketika kita tidur, punggung bertugas sedemikian rupa agar postur tubuh tetap terjaga. Tulang punggung terdiri dari 24 tulang belakang, yang satu sama lain dipisahkan bantalan tulang rawan. Serangkaian tulang belakang ini menciptakan bentuk 3 lengkungan alamiah serupa huruf S.

Lengkung yang terletak paling atas adalah segmen servikal, kemudian disambung ke bawah dengan segmen toraks, sampai segmen lumbar. Semuanya tersusun dari leher sampai punggung bawah. Di antara ketiga lengkung tersebut, lengkung lumbar yang memiliki fungsi menopang berat tubuh dan gerakannya. Sebuah survei yang dilaksanakan oleh lembaga asal Inggris menyebutkan bahwa 32% penduduk dunia menghabiskan waktu selama lebih dari 10 jam setiap harinya dalam posisi duduk di depan meja kerja. Beberapa di antaranya bahkan kembali duduk tegak saat menghabiskan waktu di rumah.

Posisi duduk tegak seperti itu (dengan kemiringan 90°) sebenarnya tidak baik bagi tulang punggung. Pasalnya, posisi ini menyebabkan sendi belakang bergerak sehingga tercipta ketidakseimbangan posisi tubuh. Akibatnya, tulang punggung harus bekerja lebih keras. Jika hendak duduk, idealnya duduklah dengan posisi santai (bersandar dengan kemiringan 135°). Pada posisi ini tulang punggung akan melengkung alamiah-sebagaimana seharusnya-sehingga kerjanya tidak terlalu berat.

Banyak manfaat yang bisa didapatkan dari posisi duduk santai. Dengan kemiringan tersebut, tulang belakang berada pada bentuk lengkung yang seharusnya, sehingga sirkulasi darah pada bagian bawah tubuh semakin lancar. Kelancaran sirkulasi darah ini berpengaruh pada terhindarnya seseorang dari gangguan selulit, penggumpalan darah di kaki, dan varises. Posisi duduk santai ini juga baik untuk mengurangi rasa lelah di area kaki ketika duduk, karena tubuh sangat rileks sehingga ketegangan otot terhindarkan.

Itulah informasi seputar biomekanika sebagai bentuk ilmu fisika kedokteran. Dengan adanya biomekanika yang menerapkan analisis gaya, kerja otot dapat lebih dimaksimalkan sehingga tidak mudah terjadi cedera atau keluhan pada otot-otot manusia.