生物力学基础解析课件

1、骨伤科生物力学概论WHO?问题要学习生物力学？生物力学学什么？怎么学生物力学？目的要求掌握：生物力学的概念。熟悉：生物力学的研究内容和方法。了解：生物力学的历史渊源和研究进展。概念生物力学是研究生物的结构、功能、发生和发展的规律以及生物与周围环境的关系等的科学。是力学、生物学、医学等学科之间相互渗透的边缘学科。通过生物学与力学原理方法的有机结合，认识生命过程的规律；解决健康领域的科学问题。生物力学的历史（发现时期）古希腊是最早的生物力学启蒙地点。早期生物力学应用于大部分手工工具和武器的创造和使用。历史渊源生物力学的历史（分析时期）17世纪，William Harvey，推理形成血液循环的论断。

2、1661年Malpighi，首次在显微镜下观察到微循环的存在，从而证实了Harvey的推论。Stephen Hales，首次测量了马的血压，探计了血压与失血的关系，提出了心肌力和主动脉 的膨胀特征，认为外周阻力主要来自微血管系统。19世纪，Herrmann Von Holmholtz对人类视觉和听觉系统的工作机制进行了开创式的研究。Diederik Johannes Korteweg和Horace Lamb对血管中波的传播理论进行了研究。1895年，Roax研究了人骨的形状、构造，提出松质骨结构符合最优结构原理的见解，提出骨结松的功能适应性原则。功能适应性原则：骨骼进化的趋向总是以用最轻的重量

3、承受最大的外部作用的方式发展。Otto Frank通过研究循环系统流体动力学理论，给出了血液流量与时间的关系的计算方法，并沿用至今。Jean Louis Poiseuille，确立黏性流体定常流公式。Ernest Henry Sarling，建立传质定律。冯元祯教授开创了生物力学研究领域，建立了肺的力学模型，奠定了肺力学、呼吸力学基础，生物组织的生长与应力的关系的模型。1978年，来华讲学，使我国力学和医学工作者耳目一新，随之全国力学规划会议将生物力学列入发展规划。生物力学的历史（应用时期）自60年代开始，生物力学方面研究细分为不同领域，大致可分为骨科矫正、肿瘤处置和康复科学等。Inman、E

4、berhart对于假肢的设计、分析和安装进行研究，使生物力学进行实践应用的阶段。随着医学专家和工程师和材料科学家的合作，用稀有金属制造关节置换假体和对特殊生物置入材料的研究开始萌芽。生物力学的历史（求精时期）医师和工程师都积极致力于对人类肌肉骨骼系统的组织特性、结构和功能的基本认识与改进，从而使应用于临床领域的研究均获得成功。生物力学的历史（中国古代举例）传为齐人著的考工记，是记录我国古代农具、兵器、乐器、炊具、酒具、水利、建筑等古代手工艺规范的专著。其中惯性现象的记述“马力既竭，輈（zhu，指车辕）犹能一取焉”车轮大小与拉力的关系（轮太低，马总是像上坡一样费劲）箭羽影响箭飞行速度的关系（“后

5、弱则翔，中强则扬，羽丰则迟”）都反映了我国当时的生产技术水平和经验知识水平。宋应星（15871644（？）的天工开物是明代农业和手工业生产技术的百科全书，在卷十五佳兵篇中记述了测试弓弦弹力大小的方法：“凡试弓力，以足踏弦就地，秤钩搭挂弓腰，弦满之时，推移秤锤所压，则知多少”，方法十分巧妙。该书在我国失传300年，于1926年才由日本找回翻印本。研究内容和方法生物力学的研究内容：与生理学、医学有关的力学问题，非常广泛。分类：按传统力学分类：生物固体力学、生物流体力学和运动生物力学等。 分支学科：1.组织与器官力学：包括骨力学、软组织力学、肺力学、心脏力学、子宫力学、口腔力学、颅脑力学等。2.血流

6、动力学：包括血液流变学、动脉中的脉动流、心脏动力学和微循环力学等。3.生物热力学：包括生物传质传热理论、应用生物控制理论以及药物动力学等。中医的生物力学研究中医小夹板、脉象仪、推拿测定仪等。在骨髂力学、脉博学、无损检测、推拿、气功、生物软组织研究领域。研究方法：1.解剖学方法确定所研究的对象结构的几何特征，给定本构关系。2.根据器官或系统的工作情况，建立合理的力学模型，相应的微分和或微分-积分方程。3.给出该方程的解析解或数值解或近似解等。4.建立相应的实验方案，选择做生理实验及实验室在体实验。5.反复对比修正，以期得到临床应用。生物力学研究进展生命科学的进步是主要推动力精细化、定量化、模型化

7、、数学化常用设备生物力学试验机用于各种金属、非金属、复合材料及生物材料的拉伸、压缩、弯曲、扭转等力学性能测试和分析研究，可根据国家标准及ISO、JIS、ASTM、DIN等标准进行试验和提供数据，自动绘制各种试验曲线，自动打印试验报告及试验曲线， 常用设备JP系列测力台是人体运动动力学分析、平衡试验、步态分析不可或缺的工具，可实现多个测力台的信号同步采集分析，也可与表面肌电测试系统、三维运动图像解析系统、压力分布测试系统、多种传感器等兼容同步使用进行步态分析。 微机控制电液伺服生物力学疲劳试验机 系列高速摄像设备 IEEE 1394输出、内置内存、摄像速率可调 CODA Mtion捕获系统无论是

8、性能评估、仪器设计或防止和治疗运动损伤，用作运动分析的运动主要包括高度动态的运动。CODA Motion可对许多变量进行精确的测量，包括位置、加速度、速度、反应时间、跳跃高度和长度、臀部和肩部旋转、角度置换和分割和全身的质心。当与肌电图系统和测力台配合使用时，实际上可测到任何物理和生理参数。通过对人体运动的实时捕捉测量，取得人体各关节点的三维运动轨迹数据。以三维运动轨迹数据为基础，可以容易地得到人体关节点的位移、速度、加速度等运动信息。通过对运动数据的处理和分析，广泛应用与人体运动技术诊断，步态分析以及相关动物的生物力学研究。 我国生物力学研究起步较晚。1963年，尚天裕经理论力学与材料力学研

9、究后，对小夹板的材质、规格做了规定，对捆扎布带定理化，固定机制理论化。目前许多高等院校开设了生物力学课程，并培养有关方面的研究生。力学基础知识目的要求掌握：应力、应变、弹性模量、材料的黏弹性等概念，物体受力分析的方法和物体平衡的条件等内容。熟悉：力的概念、特点、分类；黏弹性材料的迟滞、蠕变、预调；质点和刚体的概念；物体运动的分类；杠杆的相关知识；牛顿第一、二、三定律。 了解：人体各组织生物力学性质与力学基础的关系。力的概念力：是一个物体对另一物体的作用。力的特点：力的大小、力的方向、力的作用点。力的效应：改变物体运动状态（运动效应，外效应）使物体的大小和形状发生改变（变形效应，内效应）力学基本

10、概念力的分类：1.万有引力： 1）对于大质量的物体意义大 2）重力与重量的区别：重量是物体施加于其他物体的的力，而重力是物体本身所受的地球引力。 3）人体重心：人体所受重力的合力作用点。位于身体正中面上第三骶椎上缘前方7CM处，大约在身高的55-56%。人体重心移动取决于身体的移动。2.接触力： 物体因接接触变形而产生的相互作用力。 物体接触时，在接触部位会产生变形，而变形的物体在一定限度内总是企图恢复原状，而产生力。 ？只接触不变形可能吗？3.弹性力： 最典型的弹性力是弹簧的弹性力。4.摩擦力 当互相接触的物体有相对滑动或相对滑动趋势时，在接触面的切线方向出现了阻止相对滑动的作用力。 不仅在

11、固体之间发生，还在固体与液体、固体与气体之间发生，但对速度的依赖关系是不同的。 最大静摩擦力的方向与相对滑动趋势相反，与正压力成正比，称为库仑定律。 滑动摩擦力与接触面的表面状态有关，也与正压力成正比，且与速度有关，开始时随速度的增加而减小，而后随速度的增加而增大。 速度不大时滑动摩擦力小于最大静摩擦力。5.肌肉力肌肉兴奋收缩产生肌张力，肌肉力简称肌力。应力和应变人体受力可分为：1.外力：体积力或表面力、永久性载荷或暂时性载荷、静载荷或动载荷。2.内力：组成物体的各部分之间的相互作用力。形变：物体在外力作用下其形状和大小总要发生改变形变的分类：1.弹性形变2.塑性形变（范性）应力和应变1.正应

12、力和应变 1）物体受到拉力或压力时其长度会有变化。 2）正应力：垂直作用在物体面积为S某截面的单位面积上的内力为物体在该截面处所受的正应力。 3）物体受拉力作用时是张应力，受压力作用时是压应力 4）相关公式：欧拉正应力、拉格朗日定义。针对截面面积有无改变而定。 5）物体受张应力的作用而伸长，此时的应变为张应变；物体受压应力的作用而缩短，此时的应变为压应变。2.切应力和切应变 在长方体的内部任取一个与其底面平行的横截面，由力的传递，截面上下的两部分也互相施加与截面相切的且与F的大小相同的内力，且长方体发生平行移位移，这种变形称为剪切形变（切变）。3.体应变和体压强 对各向同性的物体，在外力作用下

13、，引起它体积发生变化的应力是物体内部各外方向听截面上都有的相同的压应力（体压强）。 应变是物体在应力作用下的相对形变。 热、电因素也可引起应力和应变。弹性模量1.材料的弹性和塑料 不同的材料有不同的应力-应变曲线，曲线包括：弹性区、塑性区 1）0-A点，载荷和变形之间存在的是线性关系，应力-应变曲线为直线，成正比关系。撤去外力时材料会恢复到时原形。 2）A点对应的应力是应力-应变关系呈正比的最大应力，为正比极限。 3）A点到B点：应力和应变不再成正比关系，但撤去外力材料仍能恢复原的大小和形状。 4）B点对应的应力是材料处于弹性区的最大应力，为弹性极限。 5）B-C点，是非线性，材料会发生永久性

14、变形，是材料的塑性区。 6）C点，屈服区的末端，断裂点。分析： 屈服点和断裂点对应的应变范围大，说明材料能发生较大的塑性形变，具有延展性，为塑性材料，反之材料具有脆性。问题： 举例塑形材料和脆性材料。2.弹性模量 弹性模量也称为杨氏模量 胡克定律：在材料弹性极限范围内，材料的应和应力是正比关系。不同固体的杨氏模数约值材料橡胶（微小应变）0.01-0.11低密度聚乙烯0.2尼龙2-4橡木（颗粒表面）钛(Ti)105-120合金与钢190-210钻石1,050-1,200杨氏模量以英国科学家托马斯杨命名。 杨氏模量取决于材料的组成。举例来说，大部分金属在合金成分不同、热处理在加工过程中的应用，其杨

15、氏模量值会有5或者更大的波动。很多材料的杨氏模量值非常接近。 3.切变模量4.体积模量总结：三种模量都是反映材料在受到应力时对所应生应变的抵抗力强弱的物理量，所以弹性模量也称为该材料的刚度。应力-应变曲线中，弹性区的直线斜率代表的就是弹性模量，即刚度。外力作了功，特体将能量转变为形变势能储存在内部，物体在被破坏前所储存的能量可以用应力-应变关系曲线下面的面积来表示。弹性区，储存的能量可完全释放。塑性区，不能完全释放。有一部成为变形的材料的形变势能。关于骨的一些基本的概念应力和应变：应力与应变是描述骨骼受力后的内部效应，当外力作用于骨时，骨以形变来产生内部的阻抗来抗衡外力，即是骨产生的应力，应力

16、的大小是作用于骨横截面上的外力与骨横截面面积之比，单位为Pascal(Pa=N/m2)，即牛顿/平方米。压缩 当外力将一个物体朝两个相同的方向在推时压力将分子推向其它的分子。如果太多的分子被挤在一起, 那么分子就会开始向外移动，从而导致横梁凸出。如果突出部分变得太大，横梁就会向外爆开，使横梁断裂。（气球是一个很好的压缩的例子。当你将空气吹进气球，额外的空气压力会压缩分子，使气球膨胀）。弯曲当外力使一个物体的一端发生偏转而另外一边仍然保持不变。在发生弯曲的点，在顶上的分子正在被分开，在底部的分子则正在被压缩。如果这些力超过分子结合一起的力, 横梁就会断裂。拉伸当外力将物体朝两个相反的方向拉时横梁

17、的拉伸导致横梁的中间变薄。这使分子与分子之间变得很紧密。这也会促使分子结合在一起。如果拉力变得太大，分子键会被破坏，横梁就会被拉断。扭曲 ( 扭矩 )当外力旋转一个物体的一端而另外一端仍然是固定的时候当横梁被扭曲，分子互相之间被拉开。如果分子被分的太开，分子键就会断裂，横梁就会被扯断。（这就像运用在卷绕弹簧上的原则，当你压缩或者拉伸弹簧的时候，弹簧上的钢丝就会被扭曲。）剪切 当外力使一个物体的两部分做平行运动分开时当分子被迫彼此穿越，分子键就会被拉长。如果分子移动的太远，分子键就会断裂，横梁会被切开或者分开。（这就是剪刀剪纸的工作原理。） 应力-应变曲线：骨的生物力学特性包括骨的材料特性和结构

18、特性。而应力-应变之间的关系通过对骨的应力-应变曲线来表示。 分为两个区：即弹性变形区和塑性变形区。弹性区末端点或塑形区初始点称屈服点，这一点对应的应力是产生骨最大应力的弹性形变，亦称为弹性极限。屈服点以后的区称为塑形区，此时材料已出现结构的损坏和永久变形。导致骨折所需的应力叫骨的最大应力或极限强度。在应力-应变曲线弹性区的斜率叫弹性模量或杨氏模量，表示材料抗形变的能力即硬度。对于一定的材料面言，弹性模量是一个常数，弹性模量越大，产生一定的应变所需的应力越大。举例说明骨折内固定物材料力学要求：内固定物应具有一定的刚度，也要具有能够保持内固定物完整所需承受的应力水平。其中内植物的空间构型较其材料

19、的强度更重要。(c.p.纯度钛的强度较不锈钢低10%，且对单次外力的抵抗能力较低，但对高频反复作用外力的抵抗能力较强)目前多用高强度合金，如钛合金(如钒)可提高强度，但其生物相容性逊于镍金属。骨的应变能量：达到极限负荷时的应力-应变曲线下面的面积表示导致骨折所需要的能量，以焦尔表示(J)。一般骨的生理负荷使骨产生弹性变形，是弹性区内骨所承受应力的大小。疲劳性骨折：当骨不断受外力重复作用时，其应变能量不能被完全释放，积累后可会导致材料的结构损坏，表现为疲劳性骨折，多发生于腓骨、跖骨及手舟骨。轴向劲度（AE）：当一结构承受轴向压力或张力试验时，它的横截面面积（A）与其材料的弹性模量（E）未知，但其

20、乘积（AE）可由轴向试验的加载力与结构轴向变形曲线的斜度来确定，此斜度称为轴向劲度。弯曲劲度或弯曲模量（EI）：在梁状样品的弯曲试验中，加载变形曲线的线性部分的斜度即为其弯曲劲度值，用EI表示，E是材料的弹性模量，I则为梁状结构的横截面的面积力矩。抗扭劲度（GJ）：在圆形柱状样品的扭转试验中，如样品材料的剪切模量（G）和惯性面积力矩（J）值均未知，但其乘积（GJ）可由扭力试验中加载扭力与扭曲变形曲线线性部分的斜度来表示，此斜度称为抗扭劲度。压力造成的弯曲损害：在一长柱型结构受到轴向压力时通常是稳定的，但此压力增加到某个临界压力时，该结构变得不稳定，从而产生突然的扭曲损害，这个临界压力与柱的横截

21、面面积矩和材料弹性模量成正比，而与柱的长度的平方成反比。另外柱两端固定的状态亦会影响临界压力的大小。这个分析适用于脊柱、长骨或骨折后内固定器具受力的反应，如髓内钉等，该损害理论也可应用于半圆形、圆形或壳层结构的稳定性和塌陷损害预测，如股骨头坏死造成的塌陷研究。股骨头坏死病例分析材料的黏弹性材料的应力、应变之间达到稳定的对应关系需要时间过程，逐渐变形和复原。对应力的响应兼有弹性固体和粘性流体的双重特性称粘弹性。黏弹性材料具有固体和流体双重特性。黏弹性材料变形程度取决于外力以如何的速率施加，但不是唯一的关系。黏弹性- 具有时变性。蠕变现象：材料在恒定外力的作用下，开始有一迅速的较大的应变，随后有一缓慢的逐渐增加的应过程，直到有恒定应变量的平衡状态。应力松弛现象：黏弹性材料最初产生的高应力开始会随时间快速减小，随后随时间缓慢减小直至达到恒定值。黏弹性固体材料：外力去除后，变形完全消失。 应力最终不会减小为零。黏弹性流体材料：材料最终不会完全复原。 应力最终会减小为零。迟滞：对黏弹性材料进行周期性的加卸载，加卸载的应力应变关系不重合。黏弹性材料有蠕变现象。黏弹性是引起能量消耗的重要原因。预调：必须对黏弹性材料进行多次的循环加载，才能得到其稳定的应力应变关系。对黏弹性材料进