生物力學(xué)概論

生物力學(xué)導(dǎo)論生物力學(xué)概論-副本本課程的特點和要求生物力學(xué)概論-副本力學(xué)和生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、生理學(xué)等相結(jié)合力學(xué)生物學(xué)醫(yī)學(xué)生理學(xué)內(nèi)容繁雜，相互之間關(guān)聯(lián)性不強：“生物流體力學(xué)”、“生物固體力學(xué)”、”生物流變學(xué)”、“流體、熱和質(zhì)量的傳遞過程”、“運動生物力學(xué)”等，甚至還可以分出更為細微的教程，如“循環(huán)系統(tǒng)力學(xué)”、“心血管流體力學(xué)”、“動脈中的血液流”、“心臟力學(xué)”、“骨骼與關(guān)節(jié)”等生物力學(xué)概論-副本

涉及的范疇力學(xué)理論力學(xué)流體力學(xué)固體力學(xué)彈塑性力學(xué)理論建模水平對生理學(xué)、解剖學(xué)等生物學(xué)和醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)的要求也很廣泛生物力學(xué)概論-副本考核以上課的內(nèi)容為主作業(yè)占30％期末考試占70％生物力學(xué)概論-副本第一章生物力學(xué)概論什么是生物力學(xué)：研究對象、目的和意義生物醫(yī)學(xué)工程簡介生物力學(xué)在生物醫(yī)學(xué)工程中的位置生物力學(xué)發(fā)展史現(xiàn)代生物力學(xué)的主要內(nèi)容生物力學(xué)的未來和發(fā)展趨勢本章主要內(nèi)容生物力學(xué)概論-副本1.1生物力學(xué)：

它的研究對象、目的和意義

“生物力學(xué)”是應(yīng)用力學(xué)原理和方法對生物體中的力學(xué)問題進行定量研究的生物物理學(xué)分支。生物力學(xué)概論-副本1.1.1生物力學(xué)的研究范圍生物力學(xué)的研究范圍從生物整體到系統(tǒng)、器官(包括血液、體液、臟器、骨骼等)，從鳥飛、魚游、鞭毛和纖毛運動到植物體液的輸運等。生物力學(xué)的基礎(chǔ)是能量守恒、動量定律、質(zhì)量守恒三定律，并加上描寫物性的本構(gòu)方程。生物力學(xué)重點是研究與生理學(xué)、醫(yī)學(xué)有關(guān)的力學(xué)問題。目前熱點正逐漸向細胞、分子層次發(fā)展。生物力學(xué)概論-副本1.1.2生物力學(xué)的意義用力學(xué)方法和原理解決生物醫(yī)學(xué)問題生物力學(xué)的研究，加深了對血液流變特性與疾病的關(guān)系，骨力學(xué)特性與骨折的愈合關(guān)系，血液流動規(guī)律與心血管疾病的關(guān)系等的理解。應(yīng)用生物力學(xué)的研究成果，指導(dǎo)人工關(guān)節(jié)、人工心臟瓣膜等人工器官的設(shè)計。例：羅葉泵生物力學(xué)概論-副本1.1.3生物力學(xué)的研究對象目前在生物力學(xué)研究方面較為矚目的研究領(lǐng)域包括骨組織的結(jié)構(gòu)與受力分析、血液在血管及毛細血管網(wǎng)絡(luò)中的流動規(guī)律、心臟的瓣膜運動、生物材料的制備、細胞乃至分子層次的生物力學(xué)問題等。生物材料力學(xué)生物流體力學(xué)生物固體力學(xué)運動生物力學(xué)生物熱力學(xué)生物力學(xué)概論-副本1.1.3.1生物材料力學(xué)生物體材料力學(xué)特性本構(gòu)方程：應(yīng)力～應(yīng)變，應(yīng)力～應(yīng)變率流變學(xué)：物質(zhì)變形和流動實驗：在體和體外多相、非均勻、各相異性特征：半經(jīng)驗生物力學(xué)概論-副本

生物力學(xué)與其他力學(xué)分支最重要的差別是：其研究的對象是生物體。因此，在研究生物力學(xué)問題時，實驗對象所處的環(huán)境十分重要。作為實驗對象的生物材料，有在體和離體之分。在體生物材料一般處于受力狀態(tài)（如血管、肌肉），一旦游離出來則處于自由狀態(tài)，即非生理狀態(tài)(如血管、肌肉一旦游離，當(dāng)即明顯收縮變短)。兩種狀態(tài)材料的實驗結(jié)果差異較大。生物力學(xué)概論-副本

在體實驗分為麻醉狀態(tài)和非麻醉狀態(tài)兩種情況。至于離體實驗，在對象游離出來后，根據(jù)要求可以按整體正位進行實驗，或進一步加工成試件進行實驗。不同的實驗條件和加工條件，對實驗結(jié)果的影響很大。這正是生物力學(xué)研究的特點。生物力學(xué)概論-副本環(huán)境的影響

環(huán)境對生理的影響也是生物力學(xué)的一個研究內(nèi)容。眾所周知，氧對生物體的發(fā)育有很大影響，在缺氧環(huán)境下生物體發(fā)育較慢，在富氧環(huán)境下發(fā)育較快。即使在短期內(nèi)，環(huán)境的影響也是明顯的。實驗表明：在含10%的氧氣、壓力為一個大氣壓的環(huán)境中的幼鼠，即使只生活24小時，在直徑為15～30微米的肺小動脈壁下，也會出現(xiàn)大量的纖維細胞。若延續(xù)4～7天，纖維細胞則會過渡為典型的平滑肌細胞，這無疑會影響肺循環(huán)中血液的流動。又如處于高加速度狀態(tài)中的人，其血液的慣性會有明顯的改變，懸垂器官會偏離原位，從而改變體內(nèi)血液的流動狀態(tài)。生物力學(xué)概論-副本1.1.3.2生物流體力學(xué)

生物流體力學(xué)是研究生物心血管系統(tǒng)、消化呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、內(nèi)分泌以及游泳、飛行等與水動力學(xué)、空氣動力學(xué)、邊界層理論和流變學(xué)有關(guān)的力學(xué)問題。體液流動內(nèi)流和外流心血管系統(tǒng)血管床的形態(tài)復(fù)雜性周期性脈動流血管壁：非線性粘彈性、血液的非牛頓性、脈搏波的傳播和反射生物力學(xué)概論-副本1.1.3.3生物固體力學(xué)

生物固體力學(xué)是利用材料力學(xué)、彈塑性理論、斷裂力學(xué)的基本理論和方法，研究生物組織和器官中與之相關(guān)的力學(xué)問題。生物固體力學(xué)結(jié)構(gòu)形狀功能生物力學(xué)概論-副本1.1.3.4運動生物力學(xué)

運動生物力學(xué)是用靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)的基本原理結(jié)合解剖學(xué)、生理學(xué)等研究人體運動的學(xué)科。用理論力學(xué)的原理和方法研究生物是個開展得比較早、比較深入的領(lǐng)域。體育運動、宇航、運動仿生生物體運動原理康復(fù)醫(yī)學(xué)工程：包括各類假肢的優(yōu)化和設(shè)計，足部應(yīng)力、關(guān)節(jié)運動等生物力學(xué)概論-副本

在運動生物力學(xué)的研究中，首先要建立人體力學(xué)模型，通常把人設(shè)想為由有限個以球鉸聯(lián)結(jié)的鏈系統(tǒng)。因為人體各相鄰分體之間存在肌肉作用力，所以人體力學(xué)模型應(yīng)是包含肌肉動力系統(tǒng)的特殊剛體系。人與動物的骨骼和肌肉的受力狀態(tài)，如手提重物時手臂骨骼與二頭肌的受力，脊柱與脊柱肌的受力等可用靜力學(xué)方程求解。生物力學(xué)概論-副本

在人體運動中，應(yīng)用動力學(xué)的基本原理、方程去分析計算運動員跑、跳、投擲等多種運動項目的極限能力，其結(jié)果與奧林匹克運動會的記錄非常相近。在創(chuàng)傷生物力學(xué)方面，以動力學(xué)的觀點應(yīng)用有限元法，計算頭部和頸部受沖擊時的頻率響應(yīng)并建立創(chuàng)傷模型，從而改進頭部和頸部的防護并可加快創(chuàng)傷的治療。生物力學(xué)概論-副本1.1.3.5生物熱力學(xué)新陳代謝非平衡態(tài)開放（能量交換）系統(tǒng)生物傳熱：冷凍療法的熱量控制，生物傳熱控制方程生物力學(xué)概論-副本1.1.3.6人體工程生物力學(xué)

人體工程生物力學(xué)：（human

body

engineering

biomechanics）是研究人與勞動工具之間的力學(xué)作用關(guān)系的科學(xué)，是人體工程學(xué)和生物力學(xué)相互交叉形成的學(xué)科。

人體工程生物力學(xué)的主要研究內(nèi)容是：針對各種工作環(huán)境和條件，研究如何預(yù)防人體慢性損傷，避免勞動職業(yè)病以及如何提高勞動生產(chǎn)率，減輕勞動疲勞度，以達到人們在生產(chǎn)勞動中安全、高效率且舒適的目的。人體工程生物力學(xué)是一門新興學(xué)科，目前各項研究才剛剛開始。隨著人類追求舒適、安全、高效率地參加生產(chǎn)勞動的愿望，這門學(xué)科將得到快速發(fā)展。生物力學(xué)概論-副本1.2生物力學(xué)發(fā)展史

生物力學(xué)一詞雖然在20世紀60年代才出現(xiàn)，但它所涉及的一些內(nèi)容，卻是古老的課題。

獨立學(xué)科：到了20世紀60年代，一批工程科學(xué)家同生理學(xué)家合作，對生物學(xué)、生理學(xué)和醫(yī)學(xué)的有關(guān)問題，用工程的觀點和方法，進行了較為深入的研究，使生物力學(xué)逐漸成為了一門獨立的學(xué)科。其中有些課題的研究也逐漸發(fā)展成為生物力學(xué)的分支學(xué)科，如以研究生物材料的力學(xué)性能為主要內(nèi)容的生物流變學(xué)等。生物力學(xué)概論-副本更早的淵源伽利略（1564～1642）：心率哈維（1578～1658）：心輸出，血循環(huán)假說Borelli(1680)：運動力學(xué)模型Euler：脈搏在動脈內(nèi)傳播的基本方程T.Young：聲帶發(fā)聲，楊氏模量的引出生物力學(xué)概論-副本近代發(fā)展近代發(fā)展Frank的風(fēng)箱模型Hill的肌肉力學(xué)，希爾因肌肉力學(xué)的工作獲得1922年諾貝爾獎金Krogh的微循環(huán)力學(xué)模型，克羅格由于在微循環(huán)力學(xué)方面的貢獻獲得1920年諾貝爾獎金黑箱模型的優(yōu)點和缺陷為復(fù)雜系統(tǒng)建模主觀任意性現(xiàn)代生物力學(xué)之父馮元楨生物力學(xué)概論-副本1.3

生物力學(xué)的研究方法

進行生物力學(xué)的研究首先要了解生物材料的幾何特點，進而測定組織或材料的力學(xué)性質(zhì)，確定本構(gòu)方程、導(dǎo)出主要微分方程和積分方程、確定邊界條件并求解。對于上述邊界問題的解，需用生理實驗去驗證。若有必要，還需另立數(shù)學(xué)模型求解，以期理論與實驗相一致。生物力學(xué)概論-副本研究步驟首先要考慮生物的形態(tài)、器官以及組織的解剖緒構(gòu)和微結(jié)構(gòu)，充分認識研究對象的幾何特征，建立合理的物理模型；測定組織或材料的力學(xué)性質(zhì)，即確定本構(gòu)力程。對活組織的測量，困難是很大的。通常的做法是對所研究的材料通過分析先給出其本構(gòu)關(guān)系的某種數(shù)學(xué)表達式，在此數(shù)學(xué)表達式中保留若干待定常數(shù)，這些常數(shù)可以通過在體或離體實驗來確定；根據(jù)物理學(xué)中的基本原則(質(zhì)量守恒、動員守恒、能量守恒和等等)和生物組織的本構(gòu)方程，導(dǎo)出描述所研究對象的微分方程或積分方程；生物力學(xué)概論-副本根據(jù)器官的工作環(huán)境，得到有意義的邊界條件；運用解析方法或數(shù)值計算求解問題：進行生理實驗，以驗證上述問題的解的合理性，必要時對原模型加以修正乃至重新建立方程或邊界條件進行求解，以期使理論與實驗一致；探討理論與實驗結(jié)果在實際中的應(yīng)用。研究步驟生物力學(xué)概論-副本1.4生物力學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程什么是生物醫(yī)學(xué)工程生物醫(yī)學(xué)工程（BiomedicalEngineering,BME）是運用自然科學(xué)和工程技術(shù)的原理和方法，研究人的生理、病理過程，揭示人體的生命現(xiàn)象，并從工程角度解決防病治病問題的一門綜合性高技術(shù)學(xué)科。生物力學(xué)概論-副本我國著名科學(xué)家顧方舟先生在“中國生物醫(yī)學(xué)工程的今天與明天”一書中這樣寫到“生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)是這樣一門學(xué)科：它把人體各個層次上的生命過程（包括病理過程）看作是一個系統(tǒng)的狀態(tài)變化的過程；把工程學(xué)的理論和方法與生物學(xué)、醫(yī)學(xué)的理論和方法有機地結(jié)合起來去研究這類系統(tǒng)狀態(tài)變化的規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用各種工程技術(shù)手段，建立適宜的方法和裝置，以最有效（目標的實現(xiàn)和經(jīng)濟成本）的途徑，人為地控制這種變化，以達預(yù)定的目標。生物力學(xué)概論-副本

生物醫(yī)學(xué)工程是理、工、醫(yī)相結(jié)合的新興邊緣學(xué)科，是多種工程學(xué)科向生物學(xué)、醫(yī)學(xué)滲透并相互作用的結(jié)果。生物醫(yī)學(xué)工程在國際上做為一個學(xué)科出現(xiàn)，始于20世紀50年代,特別是隨著宇航技術(shù)的進步、人類實現(xiàn)了登月計劃以來,生物醫(yī)學(xué)工程有了快速的發(fā)展。雖然它作為一門獨立的學(xué)科發(fā)展的歷史只有50余年，但由于它在保障人類健康方面所起的巨大作用，它已經(jīng)成為當(dāng)前醫(yī)療保健性產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)和支柱，許多國家都將其列為高技術(shù)領(lǐng)域。生物力學(xué)概論-副本以人工心臟瓣膜這一典型的生物醫(yī)學(xué)工程項目為例，為了進行人工心臟瓣膜的設(shè)計和制造，人們需要作如下工作：了解心臟瓣膜開啟和關(guān)閉的機理，弄清人體心臟瓣膜的運動學(xué)和力學(xué)特性（定量生物力學(xué)）；解決人工心臟瓣膜材料問題（相容性、毒性、力學(xué)性質(zhì)和制備工藝等）；了解人工心臟機械瓣和生物瓣的力學(xué)特性和疲勞壽命，以及植入心臟后的長期生物效應(yīng)等。人工心臟瓣膜的制作和質(zhì)量控制與監(jiān)測等還要涉及一系列工程問題，此外還有成本控制問題。生物力學(xué)概論-副本中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科在我國,生物醫(yī)學(xué)工程做為一個專門學(xué)科起步于20世紀70年代,中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院、中國協(xié)和醫(yī)科大學(xué)原院校長、我國著名的醫(yī)學(xué)家黃家駟院士是我國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科最早的倡導(dǎo)者。1977年中國協(xié)和醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)創(chuàng)建。生物力學(xué)概論-副本生物力學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的相互關(guān)系

生物力學(xué)(Biomechanics)與生物醫(yī)學(xué)工程的關(guān)系就像力學(xué)與其他自然科學(xué)的關(guān)系一樣，它是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的理論基礎(chǔ)，它也是生物醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)。因為沒有生物力學(xué)，則有些生物學(xué)的現(xiàn)象就不可解釋，有些生物學(xué)的問題就難以解決，就像沒有空氣動力學(xué)很難設(shè)計制造出一架好的飛機一樣。對于一架飛機，力學(xué)可以幫助我們設(shè)計它的結(jié)構(gòu)，預(yù)示它的性能；對于一個器官，生物力學(xué)則幫助我們了解其正常的功能，預(yù)示其變化可能導(dǎo)致的影響以及指出人為改進的方法及可能性。正是由于生物力學(xué)的發(fā)展，對許多醫(yī)學(xué)及生理學(xué)上知其然而不知其所以然的現(xiàn)象有了較深刻的認識。因而它已成為診斷學(xué)、外科學(xué)、修復(fù)術(shù)等