2ch2生物力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教案課件

1、2ch2生物力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教案2ch2生物力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教案第二章 生物力學(xué) 本部分主要介紹：生物力學(xué)概論，分子生物力學(xué)，細(xì)胞生物力學(xué)，組織生物力學(xué)，器療力學(xué)，系統(tǒng)力學(xué)，人與環(huán)境生物力學(xué)，以及生物流體力學(xué)等。 第二章 生物力學(xué) 本部分主要介紹：生物力學(xué)概論，分子2ch2生物力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教案2ch2生物力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教案2ch2生物力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教案2ch2生物力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教案二、生物力學(xué)興起的背景和需要 （1）動(dòng)脈粥樣硬化總發(fā)生在動(dòng)脈彎曲、分枝部位（顯然與血流動(dòng)力因素有關(guān)）； （2）癌腫藥物治療效率不高的根源是病灶部位藥物輸運(yùn)的生理障礙； （3）腰背痛等常見(jiàn)病與日常生活工作姿勢(shì)

2、等相關(guān)。 生物力學(xué)的興起是以現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的需要和生物醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展為背景的。認(rèn)識(shí)疾病的需要，生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科發(fā)展的需要，例如：上述現(xiàn)象，需要了解為什么？二、生物力學(xué)興起的背景和需要 （1）動(dòng)脈粥樣硬化總發(fā)生在三、生物力學(xué)所涉及的主題 （一）以人（高等哺乳動(dòng)物）的生命運(yùn)動(dòng)為核心的生物力學(xué)生物力學(xué)的主體。背景與目標(biāo)：醫(yī)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、體育、人-機(jī)工效等。該主題包括如下內(nèi)容。三、生物力學(xué)所涉及的主題 （一）以人（高等哺乳動(dòng) 骨和軟骨； 軟組織（韌帶、腱、皮膚、血管等）； 肌肉力學(xué)（骨胳機(jī)、心肌、平滑肌）； 血液流變學(xué)（全血、血漿、血細(xì)胞、凝血、血栓等）； 血液微流變學(xué)； 臨床血液流變學(xué)； 體液的粘彈性

3、（關(guān)節(jié)滑液、粘液等）； 人工代用材料。1. 活組織的力學(xué)性質(zhì)生物流變學(xué) 骨和軟骨；1. 活組織的力學(xué)性質(zhì)生 器官、組織的功能、應(yīng)用和生長(zhǎng)（骨重建、零應(yīng)力狀態(tài)和殘余應(yīng)力）； 肺力學(xué)； 心臟力學(xué)（人工瓣膜，左心輔助泵）； 顱腦脊柱力學(xué)； 運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)力學(xué)（人工關(guān)節(jié)，假肢） ； 感覺(jué)器官力學(xué)（耳蝸力學(xué)）。2. 器官力學(xué) 器官、組織的功能、應(yīng)用和生長(zhǎng)（骨重建、零應(yīng)力狀態(tài)和殘余 大血管流體力學(xué)； 微循環(huán)力學(xué)； 毛細(xì)血管組織間質(zhì)的物質(zhì)輸運(yùn)； 淋巴流動(dòng)； 組織間質(zhì)液的流動(dòng)； 左心室動(dòng)脈血液相互作用； 肺血流； 冠脈血流動(dòng)力學(xué)； 腎臟內(nèi)部的血循環(huán)； 肝血流； 腦血流。3. 循環(huán)動(dòng)力學(xué) 大血管流體力學(xué)；3. 循環(huán)動(dòng)

4、力學(xué) 上呼吸道流體力學(xué)； 氣管樹(shù)內(nèi)氣流的阻力及其分布； 末梢支氣管內(nèi)的對(duì)流擴(kuò)散； 氣血交換； 高頻、低潮氣量呼吸術(shù)。4. 呼吸力學(xué) 上呼吸道流體力學(xué)；4. 呼吸力學(xué) 蠕動(dòng)流； 可癟管流動(dòng)。5. 泌尿流動(dòng) 心血管系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)； 呼吸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)； 體液平衡系統(tǒng)分析。 6. 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué) 蠕動(dòng)流；5. 泌尿流動(dòng) 心血管系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)；6. 系統(tǒng)動(dòng) 體育運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)。 7. 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué) 職業(yè)生物力學(xué)； 人-機(jī)工效學(xué)。 8.人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)生物力學(xué) 體育運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)。 7. 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué) 職業(yè)生物力學(xué)； 細(xì)胞膜的力學(xué)性質(zhì)； 原生質(zhì)流動(dòng)； 應(yīng)力對(duì)細(xì)胞形態(tài)、生長(zhǎng)、功能的影響。 9. 細(xì)胞力學(xué) 器官的組織沖擊損傷的

5、機(jī)理和耐限； 軟組織的創(chuàng)傷和愈合； 骨折及其愈合。10.創(chuàng)傷力學(xué) 細(xì)胞膜的力學(xué)性質(zhì)；9. 細(xì)胞力學(xué) 器官的組織沖擊損傷的 （二）綠色植物生物力學(xué)具有很大的吸引力，但目前做得不多。 背景與目標(biāo)：農(nóng)業(yè)及農(nóng)業(yè)工程、生存環(huán)境工程等。 該主題包括如下內(nèi)容。 （二）綠色植物生物力學(xué)具有很大的吸引力，但目2. 植物組織和機(jī)體的力學(xué)性質(zhì) 3. 聲波對(duì)植物生長(zhǎng)的影響4. 植被流體動(dòng)力學(xué)5. 農(nóng)業(yè)工程中的生物力學(xué)問(wèn)題。 蒸騰流和易位流； 植物的呼吸； 土壤滲流和根系吸收。1. 綠色植物的生理流動(dòng) 2. 植物組織和機(jī)體的力學(xué)性質(zhì) 蒸騰流和易位流；1. （三）生物技術(shù)和生物化學(xué)工程中的流體力學(xué)問(wèn)題正在崛起。 背景與目

6、標(biāo)：從實(shí)驗(yàn)室（生物技術(shù)）到產(chǎn)業(yè)（生物化學(xué)工程）的?；?、放大，生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行的優(yōu)化，高效的分離，純化技術(shù)，生物處理過(guò)程的自動(dòng)控制和在線檢測(cè)，空間制藥等等。 該主題包括如下內(nèi)容。 （三）生物技術(shù)和生物化學(xué)工程中的流體力學(xué)問(wèn)題1. 生物反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)，傳質(zhì)和傳熱；2. 應(yīng)力對(duì)細(xì)胞、微生物生長(zhǎng)和功能的影響；3. 生物制品分離過(guò)程中的流體力學(xué)問(wèn)題；4. 流動(dòng)應(yīng)力對(duì)生物大分子結(jié)構(gòu)和功能的影響。 1. 生物反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)，傳質(zhì)和傳熱； （四）動(dòng)物的運(yùn)動(dòng) 背景與目標(biāo)：仿生工程技術(shù)，生物學(xué)中一些理論問(wèn)題的定量分析等。 該主題包括如下內(nèi)容。1. 鳥類和昆蟲的飛行；2. 水生動(dòng)物的游泳力學(xué)（泳動(dòng)模式的進(jìn)化和

7、形態(tài)演變）；3. 微生物的運(yùn)動(dòng)；4. 陸生物的運(yùn)動(dòng)。 由上可見(jiàn)，生物力學(xué)的內(nèi)容是非常寬、非常廣的。 （四）動(dòng)物的運(yùn)動(dòng) 背景與目標(biāo)：仿生工程技術(shù)2.2 生物力學(xué)的力學(xué)基礎(chǔ)一、運(yùn)動(dòng)和力 對(duì)于生命現(xiàn)象所涉及的以位移為特征的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，即使是細(xì)胞、亞細(xì)胞、組織，仍屬于牛頓力學(xué)的范疇。 牛頓第一定律： 式中，如果則V不變，勻速直線運(yùn)動(dòng)。2.2 生物力學(xué)的力學(xué)基礎(chǔ)一、運(yùn)動(dòng)和力 對(duì)于生命現(xiàn)象牛頓第三定律： 作用力和反作用力大小相等，方向相反。 牛頓第二定律： 式中，如果則V改變，加速度運(yùn)動(dòng)。牛頓第三定律： 作用力和反作用力大小相等，方向相反。 牛頓第二、剛體動(dòng)力學(xué)在生物力學(xué)中的應(yīng)用 剛體動(dòng)力學(xué)基本方程： （剛

8、體：系統(tǒng)內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)之間的距離在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持不變） 式中： m 質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量； a 加速度； -慣量矩(i=j)或慣量積(ij)； 外力的合力； 剛體旋轉(zhuǎn)角速度； 質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于質(zhì)心的向量； 二、剛體動(dòng)力學(xué)在生物力學(xué)中的應(yīng)用 剛體動(dòng)力學(xué)基本方程： （1）用來(lái)研究人在走、跑、跳躍、負(fù)重、操作等運(yùn)動(dòng)過(guò)程中人體整體以及各肢體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以改進(jìn)動(dòng)作，提高效率如體育運(yùn)動(dòng)技術(shù)的優(yōu)化； （2）人在各種姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)、操作等過(guò)程中，各肢體、關(guān)節(jié)的受力情況，是作力學(xué)分析（比如應(yīng)力和應(yīng)變的分布、應(yīng)力和組織生長(zhǎng)的關(guān)系等）的前提，也在衛(wèi)生保健、人工關(guān)節(jié)和人造肢體的研制和設(shè)計(jì)等方面有重要意義。 上述剛體動(dòng)力學(xué)基本方程在生物力學(xué)中是

9、很有用的。 基于上述剛體動(dòng)力學(xué)基本方程的應(yīng)用，可以幫助建立力學(xué)模型。但是，模型的建立往往是十分困難的。例如： （1）用來(lái)研究人在走、跑、跳躍、負(fù)重、操作等運(yùn)動(dòng)過(guò)程 例1：Nachemson和Elfstrom(1970年)用微型壓力傳感器測(cè)量了一個(gè)體重70kg的人，在不同姿態(tài)和操作下腰椎了椎間盤上的載荷和受力問(wèn)題(下頁(yè)表格)。發(fā)現(xiàn)不合理的舉重動(dòng)作，使腰椎的負(fù)荷劇增，達(dá)正常情況2倍以上，而人在大笑時(shí)腰椎所受的力為體重的2倍有余。盡管如此，建立肌肉腱韌帶系統(tǒng)作用的脊柱力學(xué)模型仍很困難。 例1：Nachemson和Elfstrom(19702ch2生物力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教案高性能BioWare Perf

10、ormance系統(tǒng)高性能BioWare Performance系統(tǒng)高性能動(dòng)作分析系統(tǒng)高性能動(dòng)作分析系統(tǒng)姿態(tài)椎間盤載荷姿態(tài)椎間盤載荷仰臥50kg仰臥起床140kg仰臥牽引30kg35kg大笑150kg站立100kg向前彎腰20150kg直坐、背不靠托140kg向前彎腰20,并雙手各負(fù)重10kg215kg步行115kg舉重20公斤，背直膝彎185kg扭轉(zhuǎn)120kg舉重20公斤，背彎膝直390kg側(cè)彎125kg屈膝蹲起練習(xí)210kg咳嗽140kg兩足分開(kāi)屈膝蹲起205kg跳躍140kg俯身拱腰180kg姿態(tài)椎間盤載荷姿態(tài)椎間盤載荷仰臥50kg仰臥起床140kg仰例2： J.P.Panl(1970年)

11、測(cè)量了水平步行時(shí)人的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的平均載荷隨著步長(zhǎng)身高比的變化，發(fā)現(xiàn)步行時(shí)髖、膝關(guān)節(jié)所承受的載荷要比人的體重大得多（由于相關(guān)肌群的收縮作用）。可見(jiàn)，由于肌肉的收縮作用，在建立力學(xué)模型時(shí)，復(fù)雜性提高了很多。例2： J.P.Panl(1970年)測(cè)量了水平步行時(shí)人的髖三、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)基本知識(shí) 剛體實(shí)質(zhì)上不存在，在外力作用下，物體形狀總會(huì)發(fā)生變化。 連續(xù)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的描述： （1）Lagrange方法： 三、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)基本知識(shí) 剛體實(shí)質(zhì)上不存在，在外力作用下（2）Euler方法： 速度和加速度由2部分組成。（此法常用）速度： 當(dāng)?shù)厮俣龋?空間速度變化： 加速度： 當(dāng)?shù)丶铀俣龋?遷移加速度： （2）E

12、uler方法： 速度和加速度由2部分組成。（此法常四、生物流體力學(xué)基礎(chǔ) 例：新陳代謝運(yùn)動(dòng)的基本單元是細(xì)胞。 “嘴”、“肛門”-不斷吸取同化作用所需的原料。不斷排除異化作用的廢物?！澳c胃”、“血管”-依靠生物體內(nèi)不同層次、不同系統(tǒng)的流體運(yùn)動(dòng)來(lái)維持的?！凹?xì)胞”-細(xì)胞質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和通過(guò)細(xì)胞膜的物質(zhì)輸運(yùn)，為細(xì)胞的代謝活動(dòng)創(chuàng)造了穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。 呼吸系統(tǒng)吸O2消化系統(tǒng)攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)送到各器官、組織泌尿系統(tǒng)排廢物呼吸系統(tǒng)排廢氣。N.Winner(維納)說(shuō)：“生命系統(tǒng)維持其穩(wěn)態(tài)的條件是相當(dāng)苛刻的?！鄙鲜錾\(yùn)動(dòng)的維持，是和生物體內(nèi)部體液的流動(dòng)密切相關(guān)。四、生物流體力學(xué)基礎(chǔ) 例：新陳代謝運(yùn)動(dòng)的基本單元是細(xì)胞

13、顯然，要了解生命現(xiàn)象的規(guī)律，必須掌握流動(dòng)過(guò)程的規(guī)律，特別是生命體內(nèi)體液的流動(dòng)規(guī)律。人體重量其它60%是液體36%的體液存在于細(xì)胞之中45%為血液11.5%分布于組織細(xì)胞間質(zhì)中 顯然，要了解生命現(xiàn)象的規(guī)律，必須掌握流動(dòng)過(guò)程的（一）生理流動(dòng)的不同層次 1. 細(xì)胞和亞細(xì)胞層次；包括：原生質(zhì)流動(dòng)（細(xì)胞內(nèi)各種生化過(guò)程）； 細(xì)胞膜的流動(dòng)性和力學(xué)行為； 細(xì)胞膜的輸運(yùn)過(guò)程； 應(yīng)力對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)、形態(tài)、功能和超微結(jié)構(gòu)的影響。2. 組織層次；包括：（1）穿過(guò)毛細(xì)血管壁的流體運(yùn)動(dòng)； （2）組織間質(zhì)內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)； （3）淋巴流動(dòng)； （4）組織分泌液的流動(dòng)。（一）生理流動(dòng)的不同層次 1. 細(xì)胞和亞細(xì)胞層次；2. 組織3.

14、循環(huán)系統(tǒng)層次；（以心臟為核心是生物流體力學(xué)的研究主題） 包括：（1）心臟血液動(dòng)力學(xué)； （2）大血管流體動(dòng)力學(xué)； （3）以微循環(huán)為核心的器官血流動(dòng)力學(xué)； （4）微循環(huán)流體動(dòng)力學(xué)； （5）心血管系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。 3. 循環(huán)系統(tǒng)層次；4. 呼吸系統(tǒng)內(nèi)的氣體運(yùn)動(dòng)； 包括：（1）呼吸道內(nèi)的空氣流動(dòng)； （2）小支氣管里氣體的對(duì)流和擴(kuò)散； （3）肺泡和毛細(xì)支氣管在氣-血界面上的物質(zhì)交換； （4）呼吸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。5. 泌尿系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)； 包括：（1）毛細(xì)血管-腎小球、腎小管之間的流體運(yùn)動(dòng)； （2）輸尿管內(nèi)的蠕動(dòng)流。6. 消化系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)（胃、腸蠕動(dòng)等）；7. 體液的平衡（酸堿離子濃度等的平衡）。 4. 呼吸系統(tǒng)內(nèi)

15、的氣體運(yùn)動(dòng)；（二）流體力學(xué)的基本原理 質(zhì)量定恒定律： 流入的流體=流出的流體動(dòng)量守恒定律： 密度流動(dòng)加速度壓力梯度流體剪應(yīng)力的空間變化率（散度）單位體積流體所受之重力。能量守恒定律： 進(jìn)口壓力任意截面（X）上的壓力 密度比重（x處與進(jìn)口處的高度差）密度（從進(jìn)口到x處流體內(nèi)能的變化率）從進(jìn)口到x處的摩擦損失。 三大守恒定律（應(yīng)用到流體力學(xué)）：（二）流體力學(xué)的基本原理 質(zhì)量定恒定律：三大守恒定律（應(yīng)用到（三）流體力學(xué)的基本方程 （1）連續(xù)方程： （2）運(yùn)動(dòng)方程 ： 若流體不可壓縮且均質(zhì)，連續(xù)性方程為：（上式是簡(jiǎn)化的方程，實(shí)際上獲得它是據(jù)質(zhì)量守恒有積分等推導(dǎo)。） -應(yīng)力張量 P -流體密度 -單位質(zhì)

16、量流動(dòng)所受的體積力 （該式來(lái)自于較復(fù)雜的推導(dǎo)，包括高等數(shù)學(xué)、流體力學(xué)等。） （三）流體力學(xué)的基本方程 （1）連續(xù)方程： （2）運(yùn)動(dòng)方程 （3）能量方程 ： E單位質(zhì)量流體的內(nèi)能； Q單位時(shí)間內(nèi)單位體積流體從外界接受的熱量； k介質(zhì)熱傳導(dǎo)系數(shù)； T絕對(duì)溫度。 （該式來(lái)自于較復(fù)雜的推導(dǎo)，包括高等數(shù)學(xué)、流體力學(xué)等。） 上述三個(gè)方程中，應(yīng)用于實(shí)際的生理流動(dòng)問(wèn)題時(shí)太復(fù)雜，需簡(jiǎn)化。 如何簡(jiǎn)化？要結(jié)合生物學(xué)、生理學(xué)和解剖學(xué)的知識(shí)。 所以，生物流體力學(xué)有自己獨(dú)特的方法學(xué)體系，而不是流體力學(xué)在生命現(xiàn)象中的簡(jiǎn)單應(yīng)用。（3）能量方程 ： E單位質(zhì)量流體的內(nèi)能；（該式來(lái)自于較2.3 活組織的力學(xué)性質(zhì) 生物組織一般分為

17、硬組織（骨、牙等）、軟組織和體液三大類。 一、骨的力學(xué)性質(zhì) 與工程材料相近，可用材料試驗(yàn)機(jī)研究其力學(xué)性質(zhì)。 可見(jiàn)：（1）干骨變脆（無(wú)塑性變形）；（2）骨的應(yīng)變很小，0.0040.012；（3）在比例極限以下，密質(zhì)骨可以看作是胡克彈性體： ，E為楊氏模量。 關(guān)于骨的力學(xué)性質(zhì)，很多人都做過(guò)實(shí)驗(yàn)。所有實(shí)驗(yàn)都表明： 骨的強(qiáng)度因物種、年齡、性別、骨的部位、載荷方向、應(yīng)變率而異。 圖手畫2.3 活組織的力學(xué)性質(zhì) 生物組織一般分為硬組織（骨、二、軟組織的力學(xué)性質(zhì) 從內(nèi)臟到皮膚，大部分屬于軟組織。以下以舉例的方式來(lái)說(shuō)明軟組織力學(xué)性質(zhì)的一般特點(diǎn)： 例1：例2：圖手畫圖手畫A：軟組織力學(xué)性質(zhì)的共同性： 在生理范圍

18、內(nèi)，各種軟組織都有應(yīng)力應(yīng)變滯后環(huán)、應(yīng)力松馳和蠕變現(xiàn)象，因而都是粘彈性材料，而且是高度非線性的。小結(jié)：二、軟組織的力學(xué)性質(zhì) 從內(nèi)臟到皮膚，大部分屬于軟組織。例1：B：軟組織力學(xué)性質(zhì)的區(qū)別： 在無(wú)損傷條件下的各軟組織的最大應(yīng)變各不相同。超出各自的應(yīng)變范圍，組織將屈服而被破壞。例如： 在生理范圍內(nèi)：腸系膜的應(yīng)變可達(dá)100-200%； 輸尿管可伸長(zhǎng)60%； 靜息心肌可伸長(zhǎng)約15%； 動(dòng)脈和靜脈血管達(dá)60%； 肌腱則為2-3%。 B：軟組織力學(xué)性質(zhì)的區(qū)別：例如：三、血管的力學(xué)性質(zhì) （一）動(dòng)脈血管的力學(xué)性質(zhì) 目前：一維拉伸實(shí)驗(yàn)和準(zhǔn)線性粘彈性本構(gòu)關(guān)系”、“二維擬彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系”有一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但尚無(wú)規(guī)律性

19、結(jié)論，因?yàn)楫?dāng)選擇參數(shù)多時(shí)，模型任意性大，而選擇的參數(shù)少時(shí)，無(wú)明顯物理意義，易誤入歧途。（二）靜脈血管的力學(xué)性質(zhì) 類同于動(dòng)脈血管的認(rèn)識(shí)。（三）微血管的力學(xué)性質(zhì) 微動(dòng)脈、微靜脈的力學(xué)性質(zhì)極其復(fù)雜。目前知之甚少。因具體器官、組織而相異性很大。三、血管的力學(xué)性質(zhì) （一）動(dòng)脈血管的力學(xué)性質(zhì)（二）靜脈血管的四、關(guān)節(jié)軟骨的力學(xué)性質(zhì) 關(guān)節(jié)軟骨是由少量細(xì)胞，固相基質(zhì)和間質(zhì)液（主要是水占75%）組成的。 亦是多孔復(fù)合材料，（膠原纖維65%+蛋白聚糖25%+糖蛋白10%）。 在應(yīng)力作用下，液體可在基質(zhì)中流出或流進(jìn)，因此軟骨的力學(xué)性質(zhì)隨基質(zhì)內(nèi)液體含量的多少而變化。另外，環(huán)境化學(xué)條件（液體中的離子濃度等）對(duì)關(guān)節(jié)軟骨的力

20、學(xué)性質(zhì)也有影響。五、生物流體的力學(xué)性質(zhì) 研究最多的是血液血液流變學(xué)。 四、關(guān)節(jié)軟骨的力學(xué)性質(zhì) 關(guān)節(jié)軟骨是由少量細(xì)胞，2.4 肌肉力學(xué)基礎(chǔ) 已作了多方面的探索，但總的說(shuō)來(lái)沒(méi)有什么新突破，進(jìn)展也不盡如人意。參考書中（生物力學(xué)導(dǎo)論）介紹了骨骼肌、心肌和平滑肌的力學(xué)性質(zhì)方面的研究結(jié)果。 自學(xué)2.4 肌肉力學(xué)基礎(chǔ) 已作了多方面的探索，但總2.5 血液流變學(xué)導(dǎo)論 人血是細(xì)胞在電解質(zhì)和非電解質(zhì)水溶液中的懸浮液體。 紅細(xì)胞：含量5106個(gè)/mm3，比重1.10，58m， 雙凹餅狀。 白細(xì)胞：含量5000-8000個(gè)/mm3 ，直徑大于紅細(xì)胞， 約10m 血小板：含量約2.5-3105個(gè)/mm3 ，24m，鐵餅

21、狀。一、血液的流變特性 頭號(hào)殺手：心腦血管疾病和惡性腫瘤，其發(fā)生發(fā)展都與血液 流變有關(guān)。其他：休克、糖尿病、燒傷、血液病等，也有血液流變性質(zhì) 的改變。2.5 血液流變學(xué)導(dǎo)論 人血是細(xì)胞在電解質(zhì)和非電解質(zhì)水 1. 血漿的粘度 1963年，Merrill測(cè)量血漿粘度，認(rèn)為是非牛頓流體。 后來(lái)發(fā)現(xiàn)：是血漿與空氣接觸的自由表面上血漿蛋白形成薄膜所致。 因此，血漿是牛頓流體。但其粘度受溫度和血漿成分（尤其血漿中的蛋白質(zhì)）的影響：溫度的影響：厘泊; ; 蛋白質(zhì)濃度（c.g/ml）的影響：經(jīng)驗(yàn)關(guān)系： 式中， 1. 血漿的粘度溫度的影響：厘泊; ; 蛋白質(zhì)濃度（c.g2. 血液的粘性 當(dāng)把血液看作均質(zhì)流體的靜

22、態(tài)流變行為時(shí)， i. 分析大血管（圖）流動(dòng)時(shí)，血液為牛頓流體；用于進(jìn)一步評(píng)價(jià)是合理的； ii. 分析人體內(nèi)的1010根微血管（圖）時(shí)，血管直徑與紅細(xì)胞直徑同量級(jí)，此時(shí)，實(shí)際上已非均質(zhì)流體，至少應(yīng)看作兩相流體。 因此，血液流變的非牛頓特性，主要來(lái)源于紅細(xì)胞，以及它和血液其它組分之間的相互作用。 2. 血液的粘性 因此，血液流變的非牛頓特性，2ch2生物力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教案二、紅細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)和變形 1. 紅細(xì)胞的幾何形狀：58m2. 紅細(xì)胞沉降血沉 ，靜息時(shí)因重力而沉降。 紅細(xì)胞沉降與紅細(xì)胞聚集伴生。3. 紅細(xì)胞的可變形性 （1）紅細(xì)胞聚集血漿生物化學(xué)性質(zhì)改變，是血液流變性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)； （2）

23、紅細(xì)胞可變形性是血液流變性質(zhì)的另一個(gè)重要參數(shù)。 圖-手畫二、紅細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)和變形 1. 紅細(xì)胞的幾何形狀：58m2ch2生物力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教案紅細(xì)胞的功能： 把機(jī)體組織細(xì)胞代謝活動(dòng)所必需的O2輸送到機(jī)體各組織和器官，同時(shí)帶走代謝的產(chǎn)物CO2，并在肺內(nèi)排出CO2，吸取O2，從而使生命活動(dòng)維持。功能的實(shí)現(xiàn)： 紅細(xì)胞必須穿越機(jī)體各組織、器官的毛細(xì)血管。（人體脾臟毛細(xì)血管（圖）直徑3m）。 結(jié)果： 紅細(xì)胞在通過(guò)這些毛細(xì)血管時(shí)形狀必須改變。 （觀察發(fā)現(xiàn)：腸系膜組織的毛細(xì)血管里，紅細(xì)胞從雙凹碟形變?yōu)椤巴闲毙危植可扉L(zhǎng)比達(dá)200%。）紅細(xì)胞的功能：2ch2生物力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教案2ch2生物力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工

24、程教案 紅細(xì)胞易變形的原因 它的結(jié)構(gòu)和形態(tài) 結(jié)構(gòu)：紅細(xì)胞無(wú)細(xì)胞核，由細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)（主要是血紅蛋白）構(gòu)成。質(zhì)中的血紅蛋白是晶體，且為液晶。因此，紅細(xì)胞的變形主要決定于細(xì)胞膜的力學(xué)性質(zhì)。 形態(tài)：雙凹碟形是O2擴(kuò)散的最佳形狀，紅細(xì)胞膜很薄，彎曲剛度比抗張能力低得多，雙凹碟形旋轉(zhuǎn)體的表面具有許多可貼曲面，可以變?yōu)榉N種可貼曲面而不撕裂、不拉伸或折疊。 紅細(xì)胞易變形的原因4. 紅細(xì)胞膜的力學(xué)性質(zhì) 取決于膜的微結(jié)構(gòu)（如骨架蛋白，雙層脂膜的構(gòu)造等）以及各組元間的相互作用。5. 紅細(xì)胞聚集 取決于以下四種作用的相互制約和平衡： （1）大分子的橋聯(lián)作用：血漿中纖維蛋白原、血漿球蛋白作為媒介； （2）靜電作用；

25、（3）紅細(xì)胞變形：（戊二醛固化處理的紅細(xì)胞在血漿中不會(huì)聚集）； （4）流體動(dòng)力的作用：使紅細(xì)胞相互接近或接觸、變形等，并可能激活細(xì)胞膜甚至血紅蛋白。 4. 紅細(xì)胞膜的力學(xué)性質(zhì)白細(xì)胞的兩種狀態(tài)： （1）靜息狀態(tài)，無(wú)外力作用呈球形，在外力作用下可變形； （2）能動(dòng)狀態(tài)，即使無(wú)外力白細(xì)胞也會(huì)自動(dòng)變形，形成原足。三、白細(xì)胞的流變行為 白細(xì)胞性質(zhì)：不同于紅細(xì)胞，它有核、線粒體和其他 細(xì)胞器，力學(xué)行為更復(fù)雜。（一）白細(xì)胞的力學(xué)性質(zhì) 1. 靜息狀態(tài)下白細(xì)胞的粘彈性（彈性系數(shù)k，粘性系數(shù)） （1）溫度變化（9-40C）時(shí)，k不變，隨T而減??； （2）pH值變化時(shí)（5.4-8.4），pH 可使 ； （3）滲透壓

26、增大時(shí)，k和均以指數(shù)形式增長(zhǎng)。白細(xì)胞的兩種狀態(tài)：三、白細(xì)胞的流變行為 白細(xì)胞性質(zhì)：不同于紅 （圖為用微管吸吮法測(cè)量的能動(dòng)狀態(tài)下白細(xì)胞主體和原足的力學(xué)性質(zhì)）2. 能動(dòng)狀態(tài)下，白細(xì)胞的力學(xué)性質(zhì) 能動(dòng)狀態(tài)下，白細(xì)胞會(huì)自動(dòng)變形生出原足，原足呈片狀，被細(xì)胞膜包圍，但足內(nèi)只有細(xì)胞質(zhì)，無(wú)細(xì)胞器。白細(xì)胞主體和原足的力學(xué)性質(zhì)：圖手畫白細(xì)胞主體：是粘彈性體，有明顯蠕變?cè)悖菏菑椥泽w，蠕變極小，剛度 比主體細(xì)胞大 （圖為用微管吸吮法測(cè)量的能動(dòng)狀態(tài)下白細(xì)胞主體和原足的上述區(qū)別的原因： 原足與主體化學(xué)成分不同，原足形成時(shí)白細(xì)胞的動(dòng)力學(xué)模型應(yīng)將連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理和肌動(dòng)蛋白等大分子以及Ca+的化學(xué)動(dòng)力學(xué)過(guò)程結(jié)合起來(lái)。 可見(jiàn)，

27、細(xì)胞力學(xué)的發(fā)展要求把力學(xué)原理和細(xì)胞內(nèi)的生化過(guò)程結(jié)合起來(lái)。上述區(qū)別的原因： 可見(jiàn)，細(xì)胞力學(xué)的發(fā)展要求把力 （二）白細(xì)胞在微血管里的流變行為 1. 在微血管流動(dòng)中白細(xì)胞與紅細(xì)胞的相互作用白細(xì)胞的趨邊性。 白細(xì)胞體積大，剛度大，呈球形，其運(yùn)動(dòng)阻力比紅細(xì)胞大，運(yùn)動(dòng)速度低于紅細(xì)胞，這使得白細(xì)胞向管壁偏移，即“趨邊性”。 2. 白細(xì)胞的粘附白細(xì)胞與血管內(nèi)皮細(xì)胞的相互作用 趨邊的白細(xì)胞有可能粘附于血管壁，與血管內(nèi)皮細(xì)胞相互作用而形成一個(gè)共同接觸區(qū)。實(shí)驗(yàn)表明，白細(xì)胞粘附常發(fā)生于微靜脈血管中。一旦粘附發(fā)生，微血管有效通道面積減少，血流阻力將顯著增大。 （二）白細(xì)胞在微血管里的流變行為3. 白細(xì)胞在毛細(xì)血管里的運(yùn)

28、動(dòng) 由于白細(xì)胞呈球形，直徑大于紅細(xì)胞，且剛度較大，故白細(xì)胞變形而進(jìn)入毛細(xì)血管所需時(shí)間約為同樣流動(dòng)條件下紅細(xì)胞所需時(shí)間的1000-2000倍。很小，則很小，所以很大。 白細(xì)胞在變形的同時(shí)，將毛細(xì)血管和進(jìn)口段擴(kuò)張成錐形。錐角。圖手畫3. 白細(xì)胞在毛細(xì)血管里的運(yùn)動(dòng)很小，則很小，所以很 在的作用下，可能如下： （1）在白細(xì)胞與毛細(xì)血管壁之間形成-血漿潤(rùn)滑層，白細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞不直接接觸，不存在粘附問(wèn)題?？墒褂眉t細(xì)胞-管壁相互作用理論，并應(yīng)用相應(yīng)的流動(dòng)阻力規(guī)律。 （2）白細(xì)胞運(yùn)動(dòng)速度很低，相應(yīng)的血漿潤(rùn)滑層厚度太薄，不足以維持其穩(wěn)定，則血漿潤(rùn)滑層破壞，白細(xì)胞與內(nèi)皮層直接接觸而發(fā)生粘附。這時(shí)毛細(xì)血流局部滯止。

29、 在的作用下，可能如下：四、血小板功能行為的流變學(xué)問(wèn)題 （一）血小板的活性與流變學(xué)因素 血小板比紅細(xì)胞、白細(xì)胞小得多，正常狀態(tài)下（靜息狀態(tài)）為兩面微凸圓盤。因此： （1）靜息狀態(tài)下，血小板對(duì)于血液的流變特性影響甚微。 （2）當(dāng)血小板激活時(shí)（比如凝血）血小板的活動(dòng)性和功能行為對(duì)血液的流變特性影響甚巨。 四、血小板功能行為的流變學(xué)問(wèn)題 （一）血小板的活性與流Platelet Activation PathwaysPlatelet Activation Pathways血小板性質(zhì)： 極敏感的細(xì)胞 發(fā)生一系列活化反應(yīng)： i. 粘附反應(yīng)血小板粘附于血管壁或其它異物的特性。ii. 變形反應(yīng)當(dāng)血小板從靜息狀

30、態(tài)變?yōu)榛罨癄顟B(tài)時(shí)，形狀將發(fā)生急劇變化。iii. 釋放反應(yīng)活化了的血小板釋放出它所含的物質(zhì)。iiii. 聚集反應(yīng)活化了的血小板能通過(guò)相互作用而聚集成團(tuán)的特性。目前研究的集中點(diǎn)血小板性質(zhì)：i. 粘附反應(yīng)血小板粘附于血管壁或其它異物的粘附變形釋放+釋放變形粘附變形釋放+變形PlateletAdrenalineCollagenGPIbvWFGPIIb/IIIa (CD41)ADPEndotheliumGpIIb/IIIa (CD41)P-selectinCD62PFibrinogenPlatelet Activation PathwaysPlateletAdrenalineCollagenGPIb聚集

31、變形粘附不同生物材料聚集變形粘附不同生物材料不同生物材料不同生物材料不同生物材料不同生物材料 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，影響血小板聚集反應(yīng)的最重要的流變學(xué)因素是流動(dòng)切變率。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，影響血小板活性的重要因素是血小板受剪應(yīng)力作用的時(shí)間。 關(guān)于上述“聚集反應(yīng)活化了的血小板能通過(guò)相互作用而聚集成團(tuán)的特性?！钡难芯窟M(jìn)展： 血液流動(dòng)過(guò)程中，血小板總是在靠近管壁的區(qū)域里運(yùn)動(dòng)，真正影響血小板聚集的，是壁面切應(yīng)力或壁面切變率。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，影響血小板聚集反應(yīng)的最重要的流 例1：壁面切變率時(shí)，血小板聚集潛伏期時(shí)間隨 而延長(zhǎng)； 壁面切變率時(shí)，LDH、ADP、ATP等含量不變； 壁面切變率時(shí)，LDH、ADP、ATP等有

32、所上升； 壁面切變率時(shí)，ADP引起的血小板聚集被迅速抑制。 可見(jiàn)，切變率既能激發(fā)血小板活性，又能損傷與破壞血小板的構(gòu)造。 例1：壁面切變率時(shí)，血小板聚集潛伏期時(shí)間LDH、ADP、ATPLDH：乳酸脫氫酶 Lactic dehydrogenaseADP：腺苷二磷酸 Adenosine diphosphateATP：三磷酸腺苷/腺苷三磷酸 Adenosine triphosphateLDH、ADP、ATPLDH：乳酸脫氫酶ADP：腺苷二磷酸A 例2：剪應(yīng)力時(shí)，血漿5HT含量明顯上升； 剪應(yīng)力時(shí)，血漿LDH活性增大，血小板溶解，血小板數(shù)量急劇減少。 例2：剪應(yīng)力時(shí)，血漿5HT含量明顯上升；（二）凝血

33、過(guò)程中血液的粘彈性 凝血過(guò)程復(fù)雜的多因子（13種因子）綜合過(guò)程，涉及一系列生化反應(yīng)和多種物理、化學(xué)、生物等作用。I. 在多種因子作用下，形成組織促凝血酶原激酶的形成；II. 凝血酶原活化變?yōu)槟福籌II. 纖維蛋白原在凝血酶的作用下變?yōu)槔w維蛋白單體，進(jìn)而經(jīng)XIII因子和Ca+作用，聚合成為纖維蛋白聚合物，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 分三個(gè)階段：（二）凝血過(guò)程中血液的粘彈性I. 在多種因子作用下，形成Factor F XF IXaF IXF XIaF XISurface ContactCollagenFXII activatorF XIIaF XIIIntrinsic PathwayCa2+Ca2+Ca2

34、+Factor F XF VIIF VIIaF III (Tissue Thromboplastin)Tissue/Cell DefectExtrinsic PathwayCa2+Ca2+FibrinogenFibrinmonomersFibrinpolymersThrombinProthrombin IFactor F XaCa2+Platelet Factor 3CrosslinkedFibrin MeshworkF XIIIaF XIIIF VF VaF VIIIaF VIIIThe Clotting CascadeFactor F XF IXaF IXF XIaF XISu 因子（凝血

35、酶原）凝血酶血小板因子（纖維蛋白原）纖維蛋白 因子a因子因子Ca+磷脂因子（血漿凝血活酶成分）a 因子aCa+因子（血漿凝血活酶前質(zhì)）aCa+ 因子（接觸因子）a內(nèi)源性凝血系統(tǒng) 表面接觸因子 + 組織液Ca+外源性凝血系統(tǒng)組織損傷自動(dòng)催化凝血系統(tǒng)示意圖 因子（凝血酶原）凝血酶血小板因子（纖優(yōu)化的Ti-Ta-O薄膜與LTIC動(dòng)物體內(nèi)埋植后的SEM照片（17天） Ti-Ta-O薄膜 LTIC優(yōu)化的Ti-Ta-O薄膜與LTIC動(dòng)物體內(nèi)埋植后的SEM照片abcd經(jīng)兔腹主動(dòng)脈埋植后的表面改性與未改性血管支架表面形態(tài)a、c. Ti-O表面改性 (a.10周、c. 20周) b、d. 未表面改性 (b.10

36、周、d. 20周) abcd經(jīng)兔腹主動(dòng)脈埋植后的表面改性與未改性血管支架表面形態(tài) 白血球紅血球血小板血 栓纖維蛋白內(nèi)皮細(xì)胞a紅血球纖維蛋白b血小板c血栓及其形成的示意圖 a. 血管內(nèi)形成血栓 b.血栓組成 c. LTIC表面的血栓 白血球紅血球血小板血 栓纖維蛋白內(nèi)皮細(xì)胞a紅血球纖維蛋白b血液在凝血過(guò)程中的粘彈性（來(lái)自陶祖萊的研究結(jié)果）：圖手畫血液在凝血過(guò)程中的粘彈性（來(lái)自陶祖萊的研究結(jié)果）：圖手畫 由圖可見(jiàn)凝血過(guò)程可分為三個(gè)階段：時(shí), 劇增，凝血過(guò)程開(kāi)始， 時(shí)，G線出現(xiàn)拐點(diǎn)。.均很小，凝血尚未開(kāi)始。2.趨于0，即接近3.三個(gè)圖的區(qū)別及影響因素分析如下。 由圖可見(jiàn)凝血過(guò)程可分為三個(gè)階段：時(shí),

37、t0凝血起始時(shí)間 時(shí)間常數(shù)， tc凝血過(guò)程中與由上升變?yōu)橄陆档霓D(zhuǎn)變時(shí)間。 陶祖萊用下列關(guān)系來(lái)描述血液在凝血過(guò)程中的粘彈性行為： t0凝血起始時(shí)間 陶祖萊用下列關(guān)系來(lái)描述血液在凝上圖區(qū)別： PPP的粘彈性行為取決于纖維蛋白原； PRP與PPP的粘彈性區(qū)別取決于血小板的作用； WB與PRP、PPP的區(qū)別歸因于紅細(xì)胞的影響。上圖區(qū)別： （上圖中）其影響表現(xiàn)如下： （1）從粘彈性行為變化方面看出，凝血起始時(shí)間（t0）因紅細(xì)胞存在而推遲了，血小板的數(shù)量對(duì)于凝血起始時(shí)間沒(méi)多大影響，主要取決于血小板的活性和纖維蛋白原。 （2）凝血過(guò)程中（反映粘性）的弛豫時(shí)間主要決定于纖維蛋白原，血小板的數(shù)量對(duì)它沒(méi)有什么影響

38、。但紅細(xì)胞的存在使顯著增大。彈性模量 的弛豫時(shí)間卻主要是由血小板的含量所決定的。 （3）時(shí)間常數(shù)主要決定于纖維蛋白原。 （4）對(duì)于血凝體的剛度（）和粘性（）來(lái)說(shuō)，起主導(dǎo)作用的是血小板（數(shù)量和活性）。而紅細(xì)胞的作用似乎是“摻沙子”，它使 和 均有所下降。 （上圖中）其影響表現(xiàn)如下：五、血液的本構(gòu)方程 （一）血液流變學(xué)的三個(gè)基本事實(shí) 1. 在準(zhǔn)靜態(tài)（定常流動(dòng)）下，血液的粘性行為是非線性的，且有屈服應(yīng)力； 2. 在動(dòng)態(tài)（非定常流動(dòng)）條件下，血液是粘彈性流體； 3. 當(dāng)紅細(xì)胞直徑（Dc）與流場(chǎng)特征尺度（Dt）相比不是非常小，血液流動(dòng)的“非連續(xù)性效應(yīng)”就會(huì)顯示出來(lái)。這時(shí)，血液流變特性決定于紅細(xì)胞和邊界的

39、相互作用，依賴于血液流動(dòng)的具體的邊界條件。因此，它因具體的器官、組織的具體構(gòu)造而異。 五、血液的本構(gòu)方程 （一）血液流變學(xué)的三個(gè)基本事實(shí)（二）血液粘彈性本構(gòu)關(guān)系的研究現(xiàn)狀 1. 簡(jiǎn)單“記憶”流體積分型本構(gòu)方程其中，式中： 應(yīng)變的歷史 偏應(yīng)力 “記憶”函數(shù) Green應(yīng)變 應(yīng)變率張量 流動(dòng)速度場(chǎng) 應(yīng)力松弛函數(shù)（二）血液粘彈性本構(gòu)關(guān)系的研究現(xiàn)狀其中，式中：2. 功能模型3. Oldroyd方程4. Huangs方程 自學(xué) 就以上述的血液流動(dòng)速度場(chǎng)為例，血液流速是一個(gè)“較容易”測(cè)定的參數(shù)了（其它很難測(cè)），但仍因不同血管和位置而有很大區(qū)別。測(cè)定也較難。 下面介紹一個(gè)測(cè)量方法。2. 功能模型自學(xué) 就以上

40、述的血液流動(dòng)速度場(chǎng)超聲多普勒法是怎樣測(cè)量血液流動(dòng)的?1842年德國(guó)一位名叫多普勒的數(shù)學(xué)家。一天，他正路過(guò)鐵路交叉處，恰逢一列火車從他身旁馳過(guò)，他發(fā)現(xiàn)火車從遠(yuǎn)而近時(shí)汽笛聲變響，音調(diào)變尖，而火車從近而遠(yuǎn)時(shí)汽笛聲變?nèi)?，音調(diào)變低。他對(duì)這個(gè)物理現(xiàn)象感到極大興趣，并進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)這是由于振源與觀察者之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使觀察者聽(tīng)到的聲音頻率不同于振源頻率的現(xiàn)象，這就是頻移現(xiàn)象。因?yàn)槭嵌嗥绽帐紫忍岢鰜?lái)的，所以稱為多普勒效應(yīng)。超聲多普勒法是怎樣測(cè)量血液流動(dòng)的?超聲多普勒法是怎樣測(cè)量血液流動(dòng)的? 為了檢查心臟、血管的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，了解血液流動(dòng)速度，可以通過(guò)發(fā)射超聲來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于血管內(nèi)的血液是流動(dòng)的物體，所以超聲波振

41、源與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的血液間就產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。血管向著超聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，反射波的波長(zhǎng)被壓縮，因而頻率增加。血管離開(kāi)聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，反射波的波長(zhǎng)變長(zhǎng)，因而在單位時(shí)間里頻率減少。反射波頻率增加或減少的量，是與血液流動(dòng)速度成正比，從而就可根據(jù)超聲波的頻移量，測(cè)定血液的流速。 我們知道血管內(nèi)血流速度和血液流量，它對(duì)心血管的疾病診斷具有一定的價(jià)值，特別是對(duì)循環(huán)過(guò)程中供氧情況，閉鎖能力，有無(wú)紊流，血管粥樣硬化等均能提供有價(jià)值的診斷信息。超聲多普勒法是怎樣測(cè)量血液流動(dòng)的?2. 心臟力學(xué) 2. 心臟力學(xué) 一、心臟的形態(tài)一、心臟的形態(tài)2ch2生物力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教案2ch2生物力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教案2ch2生物力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教

42、案 四個(gè)腔室（左右心房、左右心室） 四個(gè)瓣膜（二、三尖瓣向下，主肺動(dòng)脈向上） 4根動(dòng)/靜脈管（肺動(dòng)、靜脈，主動(dòng)脈和上/下腔靜脈）二、心臟的構(gòu)造和功能構(gòu)造和功能見(jiàn)下頁(yè)圖。 四個(gè)腔室（左右心房、左右心室）二、心臟的構(gòu)造和功能構(gòu)四個(gè)腔室（左右心房、左右心室）四個(gè)腔室（左右心房、左右心室）2ch2生物力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教案四個(gè)瓣膜（二、三尖瓣向下，主肺動(dòng)脈向上）主動(dòng)脈瓣三尖瓣二尖瓣肺動(dòng)脈瓣四個(gè)瓣膜（二、三尖瓣向下，主肺動(dòng)脈向上）主動(dòng)脈瓣三尖瓣二尖瓣二三二三 由于左心室負(fù)荷較高，故二尖瓣、主動(dòng)脈瓣更易病變。 由于左心室負(fù)荷較高，故二尖瓣、主動(dòng)脈瓣更易病變。4根動(dòng)/靜脈管（肺動(dòng)、靜脈，主動(dòng)脈和上/下腔靜脈）

43、4根動(dòng)/靜脈管（肺動(dòng)、靜脈，主動(dòng)脈和上/下腔靜脈）2ch2生物力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教案（一）心電過(guò)程 心肌細(xì)胞收縮需要電信號(hào)，使所有細(xì)胞同時(shí)收縮。 （主要產(chǎn)生于右心房的竇房結(jié)。）（二）心搏過(guò)程 心肌受到心電刺激后收縮。（一）心電過(guò)程要解釋： 1. 心室射血流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)阻力很小，從而溶血、凝血以至血栓形成的可能性才??； 2. 充盈過(guò)程中心室內(nèi)的血液流動(dòng)情況； 3. 心臟及心瓣血液流動(dòng)模擬的相似問(wèn)題。三、心臟和心瓣的流體力學(xué)問(wèn)題要解釋：三、心臟和心瓣的流體力學(xué)問(wèn)題4. 心臟瓣膜關(guān)閉的流體力學(xué)機(jī)理健康人的瓣膜是極巧妙的裝置，打開(kāi)時(shí)它們對(duì)流動(dòng)的阻力極小，而在很小的壓力差下立即關(guān)閉，回流量很小，不到5%，為

44、什么？ 瓣膜膠原纖維構(gòu)成，其底座和環(huán)架也是纖維組織，沒(méi)有肌肉，瓣膜無(wú)主動(dòng)收縮的能力，開(kāi)閉受流體流動(dòng)控制。 開(kāi)啟心室/心房壓力引起； 關(guān)閉在射血后期由于流動(dòng)減速，產(chǎn)生逆壓梯度，使關(guān)閉。目前在解釋上述幾個(gè)問(wèn)題時(shí)已獲得一些進(jìn)展和較正確的認(rèn)識(shí)。4. 心臟瓣膜關(guān)閉的流體力學(xué)機(jī)理健康人的瓣膜是極巧妙的裝2ch2生物力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教案2ch2生物力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教案四、心臟的力學(xué)模型和泵功能 左心與動(dòng)脈系統(tǒng)之間，左心系統(tǒng)和右心系統(tǒng)之間。五、心臟與血管系統(tǒng)的相互作用六、人造心臟瓣膜的生物力學(xué)問(wèn)題自動(dòng)調(diào)節(jié)？（運(yùn)動(dòng)態(tài)/靜息態(tài)）自學(xué)四、心臟的力學(xué)模型和泵功能 左心與動(dòng)脈系統(tǒng)之間，左心系2. 血液循環(huán)的力學(xué)規(guī)律 一

45、、動(dòng)脈系統(tǒng)的阻力分布和分枝形態(tài)二、可變形管道內(nèi)的定常流動(dòng)三、動(dòng)脈血管里的脈動(dòng)流和脈搏波四、脈搏波在動(dòng)脈血管系統(tǒng)里的傳播五、大動(dòng)脈里的流動(dòng)六、靜脈血管里的流動(dòng)七、微循環(huán)力學(xué)八、肺血流的力學(xué)規(guī)律 自學(xué)2. 血液循環(huán)的力學(xué)規(guī)律 一、動(dòng)脈系統(tǒng)的阻力分布和分2ch2生物力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教案2. 呼吸力學(xué) 2. 呼吸力學(xué) 2ch2生物力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教案2ch2生物力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教案2ch2生物力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教案一、呼吸道內(nèi)的空氣流動(dòng) 呼氣結(jié)束呼吸肌放松肺彈性平衡肺內(nèi)氣體靜止（無(wú)宏觀遷移），(此時(shí)，肺內(nèi)空氣容量稱為功能余積（FRC），約為肺總體積的一半。)eg1:身高為1.7m的人，F(xiàn)RC610-3

46、m3 呼吸肌收縮胸腔體積增大肺膨脹口鼻吸空氣（外部空氣和胸膜空隙的壓差，由肺彈性復(fù)力及血管系統(tǒng)氣流阻力平衡） 呼吸肌放松肺體積縮小廢氣排出 eg2:平靜呼吸，一次吸入氣量0.4510-3 m3一、呼吸道內(nèi)的空氣流動(dòng) 呼氣結(jié)束呼吸肌放松肺彈性平衡肺 人肺交換膜面積約70m2，構(gòu)成3108個(gè)肺泡，肺泡間為肺毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)。肺毛細(xì)血流呈片狀，厚約7m，而交換膜厚約23m.。 Weibel(1963年)對(duì)5個(gè)正常人肺的呼吸道系統(tǒng)的幾何形態(tài)做了系統(tǒng)測(cè)量，表明： （1）從大氣管開(kāi)始（當(dāng)作0級(jí)），整個(gè)氣管系統(tǒng)，都是一分為二，兩兩分支的； （2）016級(jí)只起氣體運(yùn)輸作用，可看作導(dǎo)管，第16級(jí)為末梢支氣管； （3

47、）1723級(jí)，氣管壁周圍都附著有肺泡，為呼吸區(qū)，第23級(jí)終端為肺泡。?呼氣吸氣實(shí)現(xiàn)O2CO2 人肺交換膜面積約70m2，構(gòu)成3108個(gè)肺泡，肺泡間為2ch2生物力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教案 （一）呼吸道的阻力 呼氣流的阻力規(guī)律不同于吸氣流，因?yàn)槎吡鲃?dòng)方向相反。 （1）呼氣流每級(jí)支氣管的流動(dòng)阻力： PV阻力/粘性壓力降 流體密度 u0流速 l氣管長(zhǎng) d氣管直徑 Re雷諾數(shù)， （一）呼吸道的阻力 PV阻力/粘性壓力降 （2）吸氣時(shí)的流動(dòng)阻力PV阻力 流量平均速度L氣管長(zhǎng)Q總流量 （2）吸氣時(shí)的流動(dòng)阻力PV阻力（二）上呼吸道里的流動(dòng) 上呼吸道鼻、口、喉、氣管 形狀復(fù)雜，因?yàn)橐m應(yīng)多種功用(空氣調(diào)節(jié)裝置-濕

48、化，凈化空氣，嗅覺(jué)，味覺(jué)等） 多處隆起 出現(xiàn)湍流、射流等，呼氣與吸氣時(shí)雷諾數(shù)Re區(qū)別較大。 （三）呼吸系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為 （了解/自學(xué)）（二）上呼吸道里的流動(dòng)（三）呼吸系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為二、支氣管里的對(duì)流擴(kuò)散 新空氣陳肺氣，如何進(jìn)行，換氣效率？ V平均流速擴(kuò)散特征尺度（長(zhǎng)度）D擴(kuò)散系數(shù) 對(duì)流-擴(kuò)散過(guò)程的控制參數(shù) 二、支氣管里的對(duì)流擴(kuò)散 新空氣陳肺氣，如何進(jìn)行，換氣i. ，對(duì)流作用與擴(kuò)散作用相比可以忽略不計(jì) 例 在終端肺泡里，氣體宏觀運(yùn)動(dòng)速度趨于0，對(duì)流很小，可看作純擴(kuò)散。ii. ，擴(kuò)散作用可以不考慮 例 在大支氣管，流速高，氣體組元輸運(yùn)為主（對(duì)流）iii. 對(duì)于17-22級(jí)支氣管，兩者的作用相當(dāng)，

49、即對(duì)流和擴(kuò)散 兩種機(jī)制同時(shí)起作用。i. ，對(duì)流作用與擴(kuò)散作用相比可以忽略不計(jì)三、肺泡內(nèi)氣體的擴(kuò)散 在細(xì)支氣管、肺泡管、肺泡與血液進(jìn)行交換的區(qū)域中，流動(dòng)不起作用，O2、CO2和N2在肺泡中主要是以分子擴(kuò)散的方式運(yùn)動(dòng)。 末梢細(xì)支氣管處氣體所充盈的空間：175cm3 肺泡處氣體所充盈的空間：4800cm3在肺泡壁處，薄膜兩側(cè)CO2、O2存在濃度差，氣體與血液在此迅速地進(jìn)行交換。O2、CO2濃度大幅變化三、肺泡內(nèi)氣體的擴(kuò)散 在細(xì)支氣管、肺泡管、肺泡與血液新鮮空氣靜脈血液O2分壓10040CO2分壓046N2分壓610624總壓710mmHg710mmHg肺膜吸氣過(guò)程中肺泡膜兩側(cè)的氣體分壓 擴(kuò) 散新鮮空

50、氣靜脈血液O2分壓10040CO2分壓046N2分壓6四、肺泡和毛細(xì)血流之間的氣體交換 肺泡與毛細(xì)血管壁之間有一薄層水樣組織液。 整個(gè)氣體交換過(guò)程包括下列步驟： （1）通過(guò)肺泡膜的氣體（純）擴(kuò)散； （2）間隙液薄層內(nèi)的氣體擴(kuò)散； （3）通過(guò)肺毛細(xì)血管壁的氣體交換； （4）肺毛細(xì)血管內(nèi)氣體在血漿中的對(duì)流擴(kuò)散； （5）通過(guò)紅細(xì)胞膜的擴(kuò)散； （6）紅細(xì)胞內(nèi)部液體中的氣體擴(kuò)散； （7）紅細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，包括：血紅蛋白與氧、CO2的化合和分解，以及CO2與水的化合； （8）毛細(xì)血液流動(dòng)。氣體各組元的對(duì)流與擴(kuò)散問(wèn)題單純的氣體擴(kuò)散問(wèn)題化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題靜壓梯度作用下的遷移運(yùn)動(dòng)四、肺泡和毛細(xì)血流之間的氣體

51、交換 肺泡與毛細(xì)血管壁之間有2. 器官力學(xué)的幾個(gè)方面 一、耳蝸力學(xué) 聽(tīng)覺(jué)器官耳由外耳、中耳、內(nèi)耳三部分構(gòu)成。2. 器官力學(xué)的幾個(gè)方面 一、耳蝸力學(xué) 聽(tīng)覺(jué) 聲信號(hào)（壓力脈動(dòng)）外耳空氣鼓膜鼓膜振動(dòng)中耳的一套精巧機(jī)構(gòu)內(nèi)耳卵圓窗耳蝸毛細(xì)胞把聲信號(hào)傳入中樞聽(tīng)覺(jué)。 聲信號(hào)（壓力脈動(dòng)）外耳空氣鼓膜鼓膜振動(dòng)中耳的2ch2生物力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教案 “聽(tīng)覺(jué)靈敏”的兩層含義： （1）作為頻率分辨器官，耳對(duì)于頻率具有高度靈敏的鑒別能力； （2）對(duì)振動(dòng)幅度亦具有高度靈敏的鑒別能力。（一）耳蝸的解剖特點(diǎn)和超微結(jié)構(gòu) （自學(xué)） “聽(tīng)覺(jué)靈敏”的兩層含義：（一）耳蝸的解剖特點(diǎn)和超微結(jié) （二）耳蝸管內(nèi)的波傳播 耳蝸力學(xué)獲得進(jìn)展，取

52、決于： 基底膜振動(dòng)的在體測(cè)量（用顯微外科手術(shù)）確定基底膜位移和振動(dòng)速度在體基底膜的力學(xué)性質(zhì)。 力學(xué)原理如下： （1）耳蝸基底膜力學(xué)性質(zhì)各向異性，且自蝸底蝸?lái)攧偠冗f降；見(jiàn)耳蝸展開(kāi)圖； （2）耳蝸管-對(duì)管腔內(nèi)流體共膜運(yùn)動(dòng)引起的波在其間傳播，具有色散特性，耳蝸基底膜任一位置，都有一個(gè)相應(yīng)的、確定的特征頻率； （二）耳蝸管內(nèi)的波傳播2ch2生物力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教案 （3）傳入的聲信號(hào)中，相應(yīng)頻率的分量的能量都向相應(yīng)特征位置聚集，然后通過(guò)內(nèi)毛細(xì)胞傳入中樞。 （4）傳入耳的聲信號(hào)，將按其頻率在耳蝸基底膜的特定位置聚集，并被感知。 （三）小振幅下的非線性響應(yīng) （自學(xué)）這就是我們的聽(tīng)覺(jué)具有靈敏的頻率選擇特性的

53、生物力學(xué)原理。 （3）傳入的聲信號(hào)中，相應(yīng)頻率的分量的能量都向相二、脊柱力學(xué) 二、脊柱力學(xué) 脊柱系統(tǒng)： 構(gòu)造脊椎骨、前后縱韌帶維系脊椎，使具有穩(wěn)定性承受載荷，保護(hù)脊髓33塊脊椎骨+23個(gè)椎間盤頸椎7c胸椎12T腰椎5L骶椎5尾椎4脊柱系統(tǒng)： 構(gòu)造脊椎骨、前后縱韌帶維系脊椎，使具有穩(wěn)定性承受（一）脊椎的力學(xué)性質(zhì) 1. 椎骨的力學(xué)性質(zhì)： 數(shù)據(jù)很多。 依皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、骨的理化性質(zhì)而有較大區(qū)別。 （來(lái)自尸體的不同數(shù)據(jù)） 2. 椎間盤的力學(xué)性質(zhì) 由纖維環(huán)和髓核（流體）構(gòu)成。 椎間盤整體是有粘彈性的。（二）前、后縱韌帶的力學(xué)性質(zhì) 測(cè)量數(shù)據(jù)比較散布。力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜（一）脊椎的力學(xué)性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜在沖擊波作用

54、下，人體最容易受損傷的器官是肺和耳。汽車撞擊/撞車可能導(dǎo)致肺損傷而水腫。 機(jī)理？在一些假設(shè)下，具有一些推斷。（自學(xué)）三、肺的沖擊損傷 在沖擊波作用下，人體最容易受損傷的器官是肺和耳。三、肺的沖擊2. 應(yīng)力和生長(zhǎng) 心臟肥大血容量增大引起心室容量增大；血壓增高引起心肌增厚及心肌纖維變粗； 肺重建去掉一葉肺，它會(huì)組織增生直到與切除前的重量差不多； 血管重建供氧量變化，血管（管徑、外周平滑肌等）隨之變化；2. 應(yīng)力和生長(zhǎng) 心臟肥大血容量增大引起 最大-最小原理松質(zhì)骨的結(jié)構(gòu)與壓力線相當(dāng)，使能用最少的材料來(lái)承受外力的載荷。亦即：功能適應(yīng)性原理。 骨折的愈合折裂骨組織周圍的良好的血流灌注狀態(tài)、充分的營(yíng)養(yǎng)和O

55、2供應(yīng)，可促進(jìn)骨愈合。 流體動(dòng)力對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的影響例子：人體增高術(shù)剝開(kāi)肌肉，加固定板撐住骨頭一段時(shí)間，骨變細(xì)變長(zhǎng)，后取下固定板。 最大-最小原理松質(zhì)骨的結(jié)構(gòu)與壓力線相當(dāng)，使能用作 業(yè)1、生物力學(xué)有哪些主題內(nèi)容？2、生物力學(xué)的力學(xué)基礎(chǔ)是什么？請(qǐng)簡(jiǎn)述。3、硬組織、軟組織、血管和關(guān)節(jié)軟骨的力學(xué)性質(zhì)有哪些表現(xiàn)？4、簡(jiǎn)述紅細(xì)胞的特性、功能和易變形的原因？5、白細(xì)胞具有怎樣的力學(xué)性質(zhì)，血液在血管里流動(dòng)時(shí)白細(xì)胞流變行為如何？6、血小板的生物學(xué)性質(zhì)有哪些表現(xiàn)？7、簡(jiǎn)述多普勒超聲法測(cè)量血液流動(dòng)速度的原理？8、簡(jiǎn)述心臟內(nèi)血液流動(dòng)的特征以及控制環(huán)節(jié)，心臟和心瓣的流體力學(xué)問(wèn)題表現(xiàn)在哪些方面？9、簡(jiǎn)述呼吸道內(nèi)的空氣流動(dòng)規(guī)

56、律，支氣管、肺泡以及毛細(xì)血管內(nèi)氣體是如何進(jìn)行對(duì)流與擴(kuò)散的？10、 “聽(tīng)覺(jué)靈敏”的含義是什么？耳蝸管內(nèi)的波傳播的力學(xué)原理是什么？11、試舉例說(shuō)明因應(yīng)力的存在人體器官的生物學(xué)行為受影響實(shí)例。作 業(yè)1、生物力學(xué)有哪些主題內(nèi)容？甘露醇的應(yīng)用及副作用 上海國(guó)龍醫(yī)院Shanghai Guolong Hospital 上海國(guó)龍醫(yī)院 向乾彬 2014.5.7甘露醇的應(yīng)用及副作用 上海國(guó)一、甘露醇的藥理機(jī)制和特點(diǎn)二、甘露醇注射液功效用途三、甘露醇的副作用四、合理使用甘露醇 上海國(guó)龍醫(yī)院Shanghai Guolong Hospita一、甘露醇的藥理機(jī)制和特點(diǎn)上海國(guó)龍醫(yī)院甘露醇的藥理機(jī)制和特點(diǎn)20%的甘露醇是六碳

57、多元醇，為高滲透壓性脫水劑。 甘露醇靜 脈注入機(jī)體后，血漿滲透壓迅速提高，其主要分布在細(xì)胞外液，僅有一小部分（約為總量的3%）在肝臟內(nèi)轉(zhuǎn)化為糖元，絕大部分（97%）經(jīng)腎小球迅速濾過(guò)，造成高滲透壓，阻礙腎小管對(duì)水的再吸收；同時(shí)它能擴(kuò)張腎小動(dòng)脈，增加腎血流量，從而產(chǎn)生利尿作用。由于血漿滲透壓迅速提高形成了血腦脊液間的滲透壓差，水分從腦組織及腦脊液中移向血循環(huán)，由腎臟排出。使細(xì)胞內(nèi)外液量減少，從而達(dá)到減輕腦水腫、降低顱內(nèi)壓目的。 上海國(guó)龍醫(yī)院Shanghai Guolong Hospita甘露醇的藥理機(jī)制和特點(diǎn)20%的甘露醇是六碳多元醇，為高滲透壓甘露醇的藥理機(jī)制和特點(diǎn)有減少腦脊液分泌和增加再吸收，

58、最終使腦脊液容量減少而降低顱內(nèi)壓。甘露醇還是一種較強(qiáng)的自由基清除劑，降低血液粘稠度，改善循環(huán)，故近年已將甘露醇作為神經(jīng)保護(hù)劑用于臨床 甘露醇脫水降顱壓有賴于血腦屏障的完整性，甘露醇只能移除正常腦組織內(nèi)的水分，而對(duì)病損的腦組織不僅沒(méi)有脫水作用，而且由于血腦屏障破壞，甘露醇可通過(guò)破裂的血管進(jìn)入病灶區(qū)腦組織內(nèi)，造成病灶內(nèi)腦水腫形成速度加快，程度加重有減少腦脊液分泌和增加其再吸收，最終使腦脊液容量減少而降低顱內(nèi)壓。 上海國(guó)龍醫(yī)院Shanghai Guolong Hospita甘露醇的藥理機(jī)制和特點(diǎn)有減少腦脊液分泌和增加再吸收，最終使腦甘露醇的功效降低顱壓及眼壓治療急性少尿?qū)a和清潔腸道上海國(guó)龍醫(yī)院Sh

59、anghai Guolong Hospita甘露醇的功效降低顱壓及眼壓上海國(guó)龍醫(yī)院上海國(guó)龍醫(yī)院Shanghai Guolong Hospital甘露醇的藥理機(jī)制和特點(diǎn) 一般在靜脈注射后20分鐘內(nèi)起作用，2-3小時(shí)降壓作用達(dá)到高峰，可維持4-6小時(shí)。常用劑量為0.25-0.5克/kg.次 成人一次用量。上海國(guó)龍醫(yī)院甘露醇的藥理機(jī)制和特點(diǎn) 一般在靜脈注射后甘露醇的副作用1、對(duì) 腎臟 的副 作 用 ：由于 輸 注后不被 腎小管 重 吸收 ，且大量 脫水 使 腎血 流量 減少而 損傷 腎小管 引起 壞死 ， 臨 床上 出現(xiàn) 血尿 、 少尿 、 無(wú)屎 ， 甚 至全身水腫致 腎功 能衰竭 。 急性 腎功

60、能衰竭 ( A RF ) ： 部分病人 應(yīng) 用常 規(guī) 治療 劑 量可 出現(xiàn) A R F。S t a r t 認(rèn) 為甘露醇 可 引起 腎 小 管 上 皮 細(xì) 胞 廣 泛 空 泡樣變 性 和 腫脹甘露醇致腎損害與使用劑量呈正相關(guān)，隨著用量的增加，甘露醇在體內(nèi)積蓄與患者的年齡、基礎(chǔ)疾病、腎功能狀況以及合并用藥等因素有關(guān)。上海國(guó)龍醫(yī)院Shanghai Guolong Hospital甘露醇的副作用1、對(duì) 腎臟 的副 作 用 ：上海國(guó)龍醫(yī)院致急性腎功能衰竭的機(jī)制為： 大量利尿帶走體內(nèi)大量電解質(zhì)，引起低鈉、低鉀血癥，血容量相對(duì)不足，腎血流量減少，腎小管缺血； 大量的甘露醇由腎臟排出，長(zhǎng)期使用堆積于腎小管中