《生物力学》配套教学课件

——（博士、硕士、本科生）综合基础课生物力学教课书课时考核形式成绩基本要求参考资料课程基本说明人民卫生出版社杨华元36546072平时30%期末70%笔记作业测验（实验）出勤考试（闭、开）论文（综述）附页机动目录上页下页返回结束孟和，《骨伤生物力学》

人民卫生出版社冯元桢，《生物力学》

科学出版社王鸿儒，《循环力学》

北京医科大学出版社陈文杰，《血液流变学》

天津科技出版社冈小天，《生物流变学》

人民卫生出版社参考资料之一：机动目录上页下页返回结束冯元桢，《生物力学－活组织的力学特性》

湖南科技出版社冯元桢，《生物力学-运动、流动、应力和生长》

四川教育出版社冯元桢，《生物力学:血液循环》

湖南科学技术出版社陈君楷，《心血管血流动力学》

四川教育出版社陶祖莱，《生物力学导论》

天津翻译科技出版社参考资料之二：机动目录上页下页返回结束复习题一、二、三平时作业题考试模拟题小论文

参考资料之三：机动目录上页下页返回结束论文（综述）：腰椎后部韧带结构生物力学实验研究与临床意义运动、钙和雌激素对去势雌性大鼠股骨生物力学影响的比较人体踝关节跖屈时光弹性应力实验分析静脉瓣膜的生物力学特性初探仙珍骨宝对类固醇性大鼠骨质疏松的生物力学影响深低温冷冻异体骨生物力学特性与储存时间的关系生物软组织的幂律形式松弛和蠕变函数可降解骨螺钉强度衰减体外测试模式的建立半月板的生物力学及其损伤修复的研究进展一种适宜于口腔、骨等结构应力分析的有限元辅助建模及结果分析软件的开发和应用机动目录上页下页返回结束《JournalofBiomechanics》《JournalofBiomechanicalEngineering》《中国生物医学工程学报》《生物医学工程杂志》《医用生物力学》《航空医学与医学工程》

……学术期刊：机动目录上页下页返回结束应具备的知识结构：

扎实的力学和数学基础知识 理论力学，材料力学，连续介质力学，流体力学等 高等数学，数值分析，线性代数等基本的解剖、生理、病理、生物和临床医学知识

机动目录上页下页返回结束

一、生物力学发展概况达到三个目的

二、基本概念和理论

三、发展趋势和热点机动目录上页下页返回结束生物力学概貌第一章概论第一节定义、分类、内容及重要性第二节发展历史渊源第三节研究的方法第四节主要前言领域发展趋势和热点机动目录上页下页返回结束第一节定义、分类、内容及重要性力学---研究力及物体机械运动与其应用的科学.生物学---研究生命结构、功能、发生、发展规律的科学.生物力学---力学、生物学、医学等多种学科相互结合、相互渗透而形成的一门新兴交叉学科。是力学原理在生物医学工程学中的应用，即是解释生命及其活动的力学。一、定义机动目录上页下页返回结束与其它学科的关联机动目录上页下页返回结束介绍：生物力学：既是生物医学工程的一个领域，又是力学的一个领域生物医学工程：生物工程的一个分支生物工程：现代科学技术继机械（土木）工程、电子工程、化学工程后的又一支柱学科机动目录上页下页返回结束冯元桢：“生物科学的原理和方法与力学的原理和方法相结合，认识生命过程的规律(定量)，并用以维持、改善人的健康。”机动目录上页下页返回结束冯元桢（Yuan-Cheng

B.Feng)

1941年毕业于中央大学航空工程系，1943年获该校硕士学位。1948年获美国加州理工学院博士学位。1959年任美国加州理工学院教授。1966年至今任美国圣迭戈加州大学教授。美国国家工程院院士(1979)，美国国家医学研究院院士(1991)，美国国家科学院院士(1992)，台湾“中央研究院”院士(1966)。曾获国际微循环学会最高奖Landis奖、国际生物流变学会最高奖Poiseuille奖、美国机械工程师学会“百年大奖”(1981)、美国国家工程院“创始人奖”（1998）等。1966年以前,主要从事航空工程和连续介质力学方面的研究并取得卓著成果，其第一部专著《空气弹性力学》已成为气动－弹性力学领域的经典著作。1966年以后致力于生物力学的开拓，是举世公认的生物力学的开创者和奠基人。机动目录上页下页返回结束涵盖范围动物：鸟飞鱼游，鞭毛虫、纤毛运动，哺乳动物整体到各个器官的运动，血液、体液、气体、水分的流动，骨骼受力等。植物：物质输运、机械刺激等运动生物力学工程生物力学医学生物力学软组织生物力学骨骼生物力学血液生物力学其中与生理学、生物学和医学相关的力学是其重点机动目录上页下页返回结束1.1、生物医学工程的定义1.2、生物医学工程研究内容和基本任务1.3、生物医学工程的特点1.4、生物医学工程的发展*介绍生物医学工程学机动目录上页下页返回结束1.1生物医学工程的定义机动目录上页下页返回结束？WhatisBiomedicalEngineering(BME)机动目录上页下页返回结束边缘交叉科学

(Interdisciplinary)综合：生物学医学工程学理论和方法近几十年内建立与发展机动目录上页下页返回结束什么是生物医学工程学

还没有一个公认的定义随科学技术的发展而改变随生物医学工程研究领域而拓展若干个生物医学工程学的奠基人和著名权威曾有过几个定义机动目录上页下页返回结束对生物医学工程三个有代表性的定义表述机动目录上页下页返回结束工程应用学说三合一学说

生物医学工程结合学说机动目录上页下页返回结束“三合一学说”生物学＋医学＋工程学＝生物医学工程学“结合学说”

生物医学工程学是生物学、医学和其它非生物学科的结合“工程应用学说”生物医学工程学是工程学在医学和生物学中的应用机动目录上页下页返回结束SomeExamples现代医学的主要任务：诊断－－治疗－－康复－－预防机动目录上页下页返回结束(1)、疾病预防中的生物医学工程病毒与细菌的隔离病毒与细菌的杀灭有毒、有害物质的清除机动目录上页下页返回结束机动目录上页下页返回结束含纳米二氧化钛、纳米银的抗菌涂料机动目录上页下页返回结束(2)、医学诊断中的生物医学工程医学图像超声图像、CT、X-光片………生物信号心电、脑电……….医学检验核磁共振、内窥检验………..机动目录上页下页返回结束X－CT放射性核素成像彩色多普勒超声图像心电监视仪彩色B型超声仪机动目录上页下页返回结束(3)、医学治疗中的生物医学工程激光手术、γ-刀超声碎石癌症的放射治疗与化学治疗靶向药物与生物导弹器官修复中的组织工程人工胰－－血糖测定与胰岛素注射机动目录上页下页返回结束人工生物瓣全人工心脏膜式人工肺组织工程骨修复胰岛素药泵介入治疗导管机动目录上页下页返回结束(4)、医学康复中的生物医学工程畸形矫正人工义肢可视义眼人工耳膜机动目录上页下页返回结束机动目录上页下页返回结束

总体概念都是说的生物学、医学和工程学相互融合、依存的关系。生物医学工程学是综合生物学、医学和工程学的理论和方法而发展起来的边缘学科机动目录上页下页返回结束一般定义“应用物理学和工程学的技术来解决生命系统中的问题，突出强调人类疾病的诊断、治疗和预防”

-----------生物医学工程学机动目录上页下页返回结束生物医学工程工程学生物学医学机动目录上页下页返回结束

更详细说明：

综合运用现代自然科学和工程技术的原理、方法，从工程学的角度，在多种层次上研究生物体，特别是人体的结构、功能和其它生命现象，揭示和论证生命运动的规律，深化对生命系统的认识，提供防病、治病、卫生保健、康复、安全防护的新理论和新方法，设计和研制用于防病、治病等的新材料、人工器官、装置与系统的新兴交叉学科机动目录上页下页返回结束生物医学工程的目标几乎所有工程学和物理学都可与生物医学相互结合

探索人类正常生理学

表征组织与器官的病变机理

给出研究和技术开发的最佳手段

提供治疗与预防的有效方法机动目录上页下页返回结束1.2BME的研究内容和基本任务机动目录上页下页返回结束基本任务

生物医学工程学的基本任务是运用工程技术手段，研究和解决生物学和医学中的有关问题机动目录上页下页返回结束研究方法

生物医学工程学以应用基础性研究为主，研究的对象是人体(一个多层次的庞大系统)，所涉及的领域十分广泛，并在不断的扩展之中机动目录上页下页返回结束研究内容从微观层次、组织器官层次和整体层次：

(1)、研究探索人类正常生理学

(2)、表征组织与器官的病变机理

(3)、给出研究和技术开发的最佳手段

(4)、提供治疗与预防的有效方法机动目录上页下页返回结束目前涉及较多的学科

医学、生物学、物理学、化学、力学、材料学、制造学、电子学、计算机科学等……机动目录上页下页返回结束主要研究领域①生物力学②生物材料学③人工器官④生物系统建模与仿真⑤生物医学信号与传感器⑥生物医学信息处理⑦医学图像技术⑧物理因子在治疗中应用及生物学效应机动目录上页下页返回结束

各研究领域既相互独立，又相互交叉，相互支撑机动目录上页下页返回结束1.3生物医学工程的特点机动目录上页下页返回结束

新兴、综合、交叉与边缘科学机动目录上页下页返回结束A、迅速发展的新兴学科

生物医学工程是在近几十年才从医学中分离而形成一门独立学科。当代高新科技的飞速发展，为它提供基础机动目录上页下页返回结束B、大跨度、多学科的综合性应用学科

医学、生物学、物理学、化学、力学、材料学、制造学、电子学、计算机科学等学科的有机结合，甚至涉及社会、伦理、道德、法律等非生命科学到生命科学自然科学到人文科学机动目录上页下页返回结束C、生物医学工程是医学和生物学发展的重要动力一方面生物医学工程为医学、生物学提供技术与装备另一方面又为医学和生物学的发展开辟新路－－带来生物学与医学的变革机动目录上页下页返回结束D、生物医学工程是社会效益与经济效益的综合

医学重于社会效益，工程重于经济效益，生物医学工程是医学与工程学的结合，则是社会效益与经济效益必然的结合机动目录上页下页返回结束坚持“以人为本”的宗旨反对“利益至上”的倾向必须在保证功能性的同时，保证不对宿主造成任何显著的危害(无论是长期的还是短期的)机动目录上页下页返回结束1.4生物医学工程的发展机动目录上页下页返回结束1.4.1生物医学工程发展历史机动目录上页下页返回结束

科学技术手段应用于生物医学领域已有很长的历史但是生物医学工程形成一门独立学科却是近几十年的事机动目录上页下页返回结束二十世纪五十年代随着材料学、电子学、计算机科学、信息科学的飞速发展，这些科技愈来愈广泛地应用到生物医学领域中来同时，迅速发展的生物医学也向工程技术提出了愈来愈多、愈来愈高的要求机动目录上页下页返回结束形成独立学科逐渐的，生物医学工程的内容变得不再是生物医学的附属品生物医学工程学又是现代医学和生物学发展的基础和重要条件机动目录上页下页返回结束1.4.2生物医学工程发展现状机动目录上页下页返回结束

当前，生物医学工程学已发展到一个相当高的水平，在医学的几乎所有领域已经发挥、将会发挥巨大的作用机动目录上页下页返回结束

生物力学在人体生理系统建模与仿真中的巨大作用

细胞力学、运动力学、血流动力学、呼吸力学……机动目录上页下页返回结束

生物医学材料在人体组织与器官修复(替代)中的巨大作用

硬组织修复与替代、软组织修复与替代、血管替代、人造皮肤、各类人工器官……机动目录上页下页返回结束

人工器官在人体生理功能恢复中的巨大作用

人工心脏、人工心脏瓣膜、人工肺、人工肾、人工胰……机动目录上页下页返回结束

生物医学电子学在生物医学工程中的巨大作用

生物医学信号检测、处理与识别是是医学图象处理的基础，与生物材料、生物力学、人工器官、生物医学仪器等关系密切……机动目录上页下页返回结束

生物医学图像技术在临床诊断中的巨大作用

X光片、CT图像、B型超声波图像、核磁共振……机动目录上页下页返回结束

生物医学仪器对提高医学整体水平的巨大作用

生理功能分析、放射治疗、超声碎石、γ刀、细胞刀、康复辅助系统……机动目录上页下页返回结束

1.4.3.生物医学工程产业发展机动目录上页下页返回结束

近20年，生物医学工程制品飞速发展并形成规模性产业，将成为21世纪国际经济的主要支柱产业之一机动目录上页下页返回结束

社会需求量大，产品技术含量和产品附加值高

美国目前已有1100万人体内植入有一个人工器官，200万人体内有2个或2个以上人工器官机动目录上页下页返回结束

1995年世界生物医学工程产业产值约1200亿美元，目前超过3000亿美元，年增长率持续保持在15－20％机动目录上页下页返回结束

美国、日本、西欧等发达国家都把生物医学工程列入高技术发展的前沿机动目录上页下页返回结束

我国有13亿人口，医疗保健基数大，生物医学材料和人工器官的需求量大

▲肢体不自由患者约1500万

▲每年骨缺损和骨损伤约300万

▲牙缺损(缺失)患者占总人口1/3▲大量血液病患者需人工肾

▲大量糖尿病患者需人工胰机动目录上页下页返回结束

我国生物医学工程产业基础薄弱，绝大部分依靠进口，目前巨大的社会需求与薄弱的研究开发及产业基础形成尖锐的矛盾机动目录上页下页返回结束

1999年，国家制订“中国生物医学工程产业发展纲要”机动目录上页下页返回结束

“培育生物医学工程产业，使之保持15％－20％的增长率，到2005年工业总产值达到400－500亿元，2010年达1000亿元的发展目标”机动目录上页下页返回结束机遇与挑战并存OpportunityandChallenge!生物医学工程领域大有可为机动目录上页下页返回结束

·生物反应器内的流动、传质和传热；

·应力对细胞、微生物生长和功能的影响；

·生物制品分离过程中的流体力学问题；

·流动应力对生物大分子结构和功能的影响。机动目录上页下页返回结束二、分类•生物流体力学（血液，组织液等）•生物固体力学（骨，口腔等）•生物传热与传质力学•生物动力学（多刚体，体育，步态等）•生物统计力学•生物，，，1、按力学分支分类机动目录上页下页返回结束•心脑血管力学心血管血流动力学•骨骼-肌肉-矫形-创伤力学（器官的组织冲击损伤的机理和耐限、软组织的创伤和愈合、骨折及其愈合）骨及软组织生物力学•呼吸系统力学（上呼吸道流体力学、气管树内气流的阻力及其分布、末梢支气管内的对流一扩散、气血交换、高频低潮气量呼吸术）感觉系统力学泌尿与生殖系统力学口腔生物力学…力学2、按生理系统分类机动目录上页下页返回结束•整体-局部力学（体育运动生物力学）•器官-组织力学•细胞-亚细胞-分子力学（细胞膜的力学性质、原生质流动、应力对细胞形态、生长、功能的影响）•…力学3、按解剖层次分类机动目录上页下页返回结束•（哺乳）动物生物力学•植物生物力学•生物固体力学•生物流体力学•生物工程力学•生物软组织力学•…力学4、按研究对象分类机动目录上页下页返回结束•工程生物力学•医学生物力学•骨伤生物力学•体育运动生物力学环境系统生物力学职业生物力学康复工程中的生物力学•…力学5、按应用领域分类机动目录上页下页返回结束分类的考虑：以人的生命运动为核心的生物力学背景和目标：医学、生物医学工程、体育、人一机工效等。绿色植物生物力学背景和目标：农业及农业工程，生存环境工程等生物技术和生物化学工程中的流体力学问题背景和目标：从实验室(生物技术)到产业(生物化学工程)的模化、放大，生物反应器的设计和运行的优化．高效的分离、纯化技术、生物处理过程的自动控制和在线检测，空间制药等等动物的运动背景和目标：仿生工程技术，生物学中一些理论问题的定量分析等等。……机动目录上页下页返回结束三、讲授内容（见课本）力学基础（第二章）•骨力学（骨骼第三章）•关节脊柱力学（关节、脊柱第四、五章）•软组织力学（软组织第六章）•血液动力学（血液循环血液流变第七章）康复力学（第八章）骨力学软力学流力学骨软流力学机动目录上页下页返回结束活组织的力学性质骨和软骨；软组织(韧带、腰、皮肤、血管等等)；肌肉力学(骨胳肌、心肌、平滑肌)；血液流变学(全血、血浆、血细胞、凝血血栓形成等）；血液微流变学；临床血液流变学；体液的粘弹性(关节滑液、粘液等等)；人工代用材料。主要研究内容（课本外）机动目录上页下页返回结束器官力学器官、组织的功能、应力和生长骨重建；零应力状态和残余应力；肺力学；心脏力学；人工心瓣；左心辅助泵；颅脑一脊柱力学运动关节力学；人工关节；假肢；感觉器官力学；耳蜗力学。机动目录上页下页返回结束循环动力学大血管流体力学；微循环力学；毛细血管一组织间质的物质输运淋巴流动组织间质液的流动；左心室一动脉血液相互作用；肺血流，冠脉血流动力学；肾脏内部的血循环；肝血流；脑血流。机动目录上页下页返回结束四、重要性1.力学是其他科学的基础

——没有生物力学就不可能很好地了解、丰富生物学和医学。机动目录上页下页返回结束例如：对生物体组织的材料力学的研究——人造器官（心脏瓣膜置换术）对骨骼、软骨、关节、韧带组织坚韧性、顺应性及肌肉和其他软组织的粘弹性等力学性质的研究——骨伤致伤因素的作用机理（骨折复位）对生物系统运动力学的研究——中医脉象及客观化、定量化（中医切脉）对生物系统运动力学的研究——体育运动、健康锻炼、职业病的预防（肌肉损伤下肢静脉曲张）机动目录上页下页返回结束2.生物力学是力学发展的动力——生物力学受到重视的原因是有生物学、医学的广阔天地。医学和生物学家：~是医学发展的依据物理学家：~是力学发展的动力机动目录上页下页返回结束3.生物力学将自然界的启示应用于工程技术鸟、响尾蛇、蝙蝠、海豚、鸭子、锯草……----仿生学

机动目录上页下页返回结束例如：生物力学与骨伤科疾病的关系

第一.骨伤科疾病的发生是力作用的结果

外力内力

直接暴力

间接暴力

肌力

慢性劳损机动目录上页下页返回结束

第二.骨伤科疾病的病理变化也是力作用的表现

胸大肌

肱二头肌

三角肌

第三.骨伤科疾病的治疗是力学原理的应用

石膏固定、夹板固定、手术内固定机动目录上页下页返回结束

第四.生物力学的发展促进骨伤科临床治疗的提高机动目录上页下页返回结束第二节生物力学的发展历史渊源*1615年Harvey预言：血液循环1小时心输出量：威廉•哈维（1578-1657）证明了血液流动的单向性，提出了血液循环的概念1661年Malpighi（1628-1694）发现：微循环机动目录上页下页返回结束*1638年Galileo应用：用摆来测定心率摆长与周期的关系伽利略•卡里勒（1564-1642）（物理学家）

曾是医学专业学生，用单摆度量人的心率机动目录上页下页返回结束*1640年笛卡尔模型：动物结构模型论著：《论动物的模型》雷内•笛卡儿（1596-1650）（数学家）

发现因身体暴露而减轻体重，奠定了新陈代谢研究的基础机动目录上页下页返回结束*1670年

Borelli研究：肌肉的运动论著：《论动物的运动》生物力学史上第一部专著G.A.Borelli（1608-1679）（意大利数学家、天文学家和医学家）

第一个推导出天体以椭圆路径运动的原因，其专著《论动物的运动》，阐明了肌肉的运动和身体的动力学问题，研究了鸟的飞行，鱼的游动，和心脏和肠的运动机动目录上页下页返回结束*1675年

Boyle研究：肺呼吸RobertBoyle（1627-1691）

研究了肺，阐述了水中的气体与鱼类呼吸的关系机动目录上页下页返回结束S.Hales（1667-1761）

通过测量马的动脉血压找出了血压与失血的关系；用心室舒张压时的模型估算心输出量、心肌力和动脉血管的膨胀特性；提出了血液流动的外周阻力的概念，解释了心脏泵出的间歇流如何转化为血管中的平稳流；指出热水和白兰地酒具有扩张血管的功效。

*1730年

Hales提出：外周阻力的概念研究：动脉血管的膨胀特性机动目录上页下页返回结束*1775年

Euler引入：脉动波莱昂哈得•欧拉（1707-1783）（数学家物理学家）

论述了波在动脉中的传播，提出了脉搏波传播方程。机动目录上页下页返回结束*1800年

Young建立：声带发音弹性力学理论创造：光的波动性

杨氏（1773-1829伦敦医生物理学家）

杨氏模量就是以他的名字命名的。机动目录上页下页返回结束*1846年

Wertheim测定：骨的弹性及应力-应变曲线机动目录上页下页返回结束*1884年

Woiff提出：骨重建和生长的Wioff假说及原理Woiff

认为应力作用时，体骨可发生长度、形状、体积的改变，提出Wioff假说及Wioff原理机动目录上页下页返回结束JeanPoiseuille（1799-1869）（流体力学家）

医学专业学生，创造了用水银压力计测量狗的主动脉血压的方法，发现了粘性流体的Poiseuille定律。*1890年

Poiseuille发明：用水银压力计测量主动脉血压发现：泊肃叶定律（直圆管层流规律）机动目录上页下页返回结束VonHelmholtz

（1821-1894生物工程之父生理、病理、解剖、物理学教授）能量守恒定律；力热声光电都有贡献；眼底晶状体镜（眼的聚焦机理）；视觉三色理论；听觉共振仪。*1891年

VonHelmholtz确定：神经脉冲的传播速度指出：动物能量的重要来源机动目录上页下页返回结束

Fick(生理学家）*1895年

Fick得出：扩散理论机动目录上页下页返回结束

Korteweglamb(1848-19411849-1934流体力学家）1898年

Korteweglamb得出：波在血管中的传播机动目录上页下页返回结束O.Frank(1865-1944）

提出了关于动脉系统功能的“风箱”(Windkessel）模型

*1900年

Frank提出：心脏流体动力学理论机动目录上页下页返回结束E.H.Starling

（1866-1926）

通过毛细血管壁的水分的输运，提出了著名的Starling定律，物质跨膜输运。

*1915年

Starling提出：物质透过膜的传输定律说明：人体内水平衡的问题机动目录上页下页返回结束A.Krogh

建立了微循环的力学模型，并因此而获诺贝尔奖。*1939年

Krogh建立：微循环力学机动目录上页下页返回结束A.V.Hill

关于肌肉收缩规律的研究。通过蛙缝匠肌挛缩实验，建立了骨胳肌的功能模型、方程。这一创造性的工作使Hill荣获诺贝尔奖。而且，一直到目前为止，Hill模型依然是肌肉力学的主要基础。 *1946年

Hill建立：肌肉力学（希尔模型希尔方程）研究：肌纤维张力、收缩速度、释放的热量机动目录上页下页返回结束冯元桢钱煦B．M．ZweifachS．S．SobinJ．LighthillR．Skalak毛昭宪等*本世纪60年代：机动目录上页下页返回结束国内：康振黄（四川大学）陶祖莱（中科院）吴云鹏（重庆大学）王君健（华中工学院）杨桂通（太原理工）柳兆荣（复旦大学）席葆树（清华大学）吴望一（北京大学）等*本世纪70年代：机动目录上页下页返回结束第三节研究的方法1、了解研究对象的几何特点：一、具体步骤生物形态器官解剖组织（微）结构机动目录上页下页返回结束2、力学性质：生物组织或材料本构关系即力学性质（应力-应变关系）困难点：不易分离试验维持活体困难样品与试件不匹配应力-应变关系非线性机动目录上页下页返回结束3、控制方程+本构方程根据：质量守恒动量守恒能量守恒麦克斯韦方程本构方程列出：微分方程积分方程即列方程机动目录上页下页返回结束4、边界条件：先离体后在体的工作状况或有意义的附加特定条件或数学模型或物理模型机动目录上页下页返回结束5、求解边值方程：解析或数值方法或图表或计算或模型即解方程机动目录上页下页返回结束6、实验验证：验证边值问题的理论解要求理论与实验相一致7、修正或应用：与生物医学实际对照即验根机动目录上页下页返回结束总之：理论实际相符定性解释满意定量说明清楚预言有理有据机动目录上页下页返回结束1、应用经典理论+数学模型（公式）求解二、途径2、应用试验方法+物理模型测定3、应用生物实体（活、死）进行现场分析研究机动目录上页下页返回结束第四节主要前言领域发展趋势和热点趋势和特点内涵扩大：生物医学工程；生物工程有机融合：生命科学与工程科学微观深入：细胞-亚细胞-分子层次宏-微观相结合：信息整合机动目录上页下页返回结束主要前沿领域•细胞-分子力学与工程•器官-组织力学与工程•骨骼-肌肉-关节力学与工程•生物力学新概念、新技术与新方法•，，，机动目录上页下页返回结束主要前沿领域•生物信号处理与系统分析（BiologicalSignalProcessingandSystemsAnalysis）•细胞-组织力学（CellandTissueBiomechanics）•基因治疗与药物输运（GeneTherapyandDrugDelivery）•分子-细胞-组织工程（Molecular,Cellular,andTissueEngineering）•图象化、图象处理与医学可视化（Imaging,ImageProcessing,andMedicalVisualization）•心血管与肺系统（CardiovascularandPulmonarySystems）•传感器、医学仪器与生物微系统（Sensors,Instrumentation,andBioMEMS）•遥医学、临床工程与健康保障系统（Telemedicine,ClinicalEngineering,andHealthCareSystems）•神经系统与工程（NeuralSystemsandEngineering）•空间医学（SpaceMedicine）•生物信息学与系统生物学（BioinformaticsandSystemsBiology）•医学中的激光与光学（LasersandOpticsinMedicine）•矫形、康复与机器人（Orthopaedics,Rehabilitation,andRobotics）机动目录上页下页返回结束摸底（随堂）1、静脉血与动脉血的不同2、神经脉冲的传播速度3、肌肉的分类常见肌型4、腿外展肌的组成5、松质骨与密质骨的不同6、腓骨短肌腱附着点跟腱附着点7、骨小梁与骨小体的定义8、成骨细胞和破骨细胞浆液的酸碱性9、肌微丝的构造10、Krebs-Ringer溶液的配制11、压电效应12、Maxwell方程机动目录上页下页返回结束机动目录上页下页返回结束第二章生物力学的力学基础一、何谓刚体第一节力的基本概念1、质点：（抽象化的理想模型）具有一定质量忽略其大小、形状的几何点。2、刚体：（抽象化的理想模型）相互间距离始终保持不变的许多质点组成的连续体。忽略外力作用下形状的改变。二、力的概念力的定义：涉及到的概念：施力物体和受力物体牛顿第三定律——作用力和反作用力力是物体间的相互作用。力的作用离不开物体。2.力的作用效应：内效应（变形效应）外效应（运动效应）（平动、转动、复合运动）涉及到的概念：牛顿第一定律——力的定性定义牛顿第二定律——力的定量定义胡克定律——力与变形的关系3.力的三要素：大小、方向、作用点例如：股骨干骨折施行股骨髁上牵引复位时间上的差异、成角和横向移位畸形、成角畸形三角形、平行四边形、多边形法则力的合成与分解法则：

应用：二维投影*三维二次投影三维投影1-4作用在骨骼上的力一、物体平衡的力学条件1.共面汇交力系①力的分解FＹFＸFＯ②力的合成F4F3F2F1F5

yxα2α1α3α4α52.共面平行力系的力矩合力矩等于各分力力矩的代数和。OxyF4F1F3FnF2x4xnx1x3x2

例：共面平行力系对轴心O的力矩3.物体平衡的力学条件①作用在物体上的合外力为零；②作用在物体上的合力矩等于零。运动平面矢状面额（冠）状面水平（横切）面运动轴

矢状轴额状轴垂直轴肌肉力可分成FmWaG例如：肌肉力的合成与分解以肱二头肌为例稳固分量（沿骨轴线）转动分量（垂直骨轴线）在骨折等治疗中有积极的意义在肢体运动中有积极的意义5.力系：二力平衡必要与充分条件是：力系（多力情况）：三力平衡汇交定理：

作用于一个物体上的一群力的集合称为力系。当刚体受三个力作用而平衡时，若其中任何两力的作用线相交于一点，则其余一力的作用线亦必交于同一点，且三力的作用线在同一平面内。这两个力大小相等、方向相反、沿同一条直线。力系的分类：

共点力系平面共点力系

非共点力系空间共点力系平行力系一般力系平面平行力系

空间平行力系例如：人在弯腰时作用在脊柱上的力跳高时作用在足上的力定滑轮转动时力的作用*6.约束和约束反力：自由体：可以在空间作任意运动的物体。非自由体：

由于受到周围物体的限制（或阻碍）而不能作任意运动的物体。约束：事先对物体的运动所加的限制条件。约束反力：（阻力）主动力：（动力）约束作用于非自由体的力。（简称：约束力）除约束力外，非自由体上所受到的所有促使物体运动或有运动趋势的力。三、作用于人体内外的力人体或人体局部受力分析：

（抓住主要矛盾，分离次要矛盾）②受力分析图——将分离体所受的主动力和约束力以力的矢量形式表示在分离体上所得到的图形。①分离体——把研究对象解除约束，从周围物体中分离出来，画出简图。先画主动力，明确研究对象所受周围的约束，进一步明确约束类型，再画约束反力；必要时需用二力平衡共线、三力平衡汇交、力系平衡等条件确定某些约束反力的指向或作用线的方位。我们多次察觉作用于自己身体的力我们常常忽略作用于体内诸力的重要性我们多数不知微观结构上力的作用内力：（按力的宏观、微观分）内力外力外力：人体内部各个部分互相作用的力（肌力、韧带张力、软骨应力、骨应力）重力；摩擦力；弹性力；器械的其他阻力；支撑反作用力；流体作用力（按力的性质分）1、第一基本力：机械力①

万有引力：②接触力：③摩擦力：④肌肉力：肌力定律解剖横断面：生理横截面积肌力系数肌力生理横断面：与肌肉所有纤维垂直的断面与肌肉纵轴垂直的断面①性别：②人种：③后天因素：肌力系数：建议取美国莫利斯的肌力系数值：德国生理学家艾克：588~980KPa美国克罗莫：343KPa前苏联童克福：980KPa中国程国杰：588~686KPa美国莫利斯：710~920KPa①与肌纤维解剖条件的关系：②与肌纤维力学条件的关系（略）③与肌纤维生理条件的关系（略）比较梭形肌、扇形肌、羽状肌、半羽状肌的肌力大小及灵活性。2、第二基本力：电力①

电场力：②磁场力：3、第三基本力：核力超短距离力四、作用于人体的力钜力矩的表达式：2.力矩的三要素：大小、方向、作用面（轴）大小：方向：右手螺旋定则第二节刚体生物静力学骨骼几何形状的准确解剖学数据肌肉连接的准确位置和角度静力平衡定律确定医疗器械所受的作用力计算人体肌肉力、骨骼力、关节力临床上的症状矫形装置的功能、原理及应用改进医疗方法现行医疗方法一、平衡条件：1、2、（可分解）（定转轴）例题1：（作业一）靠在墙上的木板已知地面与墙的摩擦系数分别为，使木板不下滑的角度。静力学问题例题2：右图的牵引装置是用来施加一轴向力给折断的股骨

(femur)。设病患之体重70kg，若要维持小腿平衡状态，悬吊重量T应为多少？试计算在上述条件下施加给大腿的平均张力F是多少？

解：假设滑轮无摩擦，则缆线在各处的张力T为相同。根据力平衡公式：

(一般人之小腿与足部之重量为体重之0.061。设病患之体重70kg，则

m=0.061×70=4.27kg=>mg=41.85N)

例题3：某人重75kg，手握重5kg的球，而手肘呈90°。二头肌(bicep)须出力多少以维持前臂平衡？前臂施加多少力于肱骨(humerus)？

解：根据静力平衡和静力矩平衡前臂的重量为体重的0.022，故m=0.022*75=1.65kg,臂重心位于rOP=0.31m处。对于肘之支点O，其和力矩为零∴手肘的垂直力为FA=472.6N而根据力平衡式，∴二头肌施力为FB=556.7N

∴手肘的水平力为FC=144.1N

故前臂的施力为解：根据静力平衡和静力矩平衡前臂的重量为体重的0.022，故m=0.022*75=1.65kg,臂重心位于rOP=0.31m处。对于肘之支点O，其力矩之和

ΣM=-rOE×(-FA)+rOB×(-5*9.8j)+rOP×(-1.65*9.8j)=0

=>

0.05FAk-18.62k-5.01k=0

∴手肘的垂直力为FA=472.6N

而根据力平衡式，

ΣF=FCi-FAj+FB(-cos75oi+sin75oj)-49j-16.17j=0

=>FC-0.259FB=0and-537.77+0.966FB=0

∴二头肌施力为FB=556.7N

∴手肘的水平力为FC=144.1N

故前臂的施力为F=FCi-FAj=144.1i-472.6j

(N)

二、人体的杠杆作用：杆：FmWaG骨骼系统关节（单轴双轴多轴）肌力（动力）支点：力：外力（阻力）单轴关节：滑车关节（指间、膝关节）圆柱关节（尺桡关节）双轴关节：椭圆关节（腕、掌指关节）鞍状关节（踝关节）三轴关节：球窝关节（肩、髋）平面关节（肩锁关节）1、三种杠杆：（1）第一类杠杆：WhFmJ

例如.头部杠杆定义特点例子WhFmJ31FmWhJ31平衡杠杆

例如.足部杠杆（2）第二类杠杆：定义特点例子省力杠杆

例如.臂部杠杆FmWaG（3）第三类杠杆：定义特点例子速度杠杆(费力杠杆）G=10NWa=30NFm15030cm30cm3cmT省力费力平衡杠杆省力杠杆速度杆杆*省力杠杆在康复中的作用可负较大重量加强肌肉保护(用小的动力克服大的阻力）*费力杠杆在康复治疗中的作用训练肌力：通过调整阻力臂距离，增加或减少负荷重量。例：股四头肌渐进抗阻获得速度：可通过增加阻力臂，减少动力臂进行，虽然费力，但力点稍移动，即可加大阻力点移动的速度和范围。(用大的动力克服小的阻力）(用小的动力点位移得到大的阻力点位移）2、拉角和阻角的影响：（2）阻角的影响：（阻力与杆的小夹角）（1）拉角的影响:（动力与杆的小夹角）①在相等的收缩下：拉角越小引起的旋转越大；

拉角越大引起的旋转越小。②在阻力不变的情况下：拉角越小转动分量越小

——要用的力越大

拉角越大稳固分量越大

——避免脱臼阻角越大拉力越大拉角和肌肉收缩关系图肌肉收缩：每次收缩全长的八分之一3、作用于髋关节的力：（1）股骨与髋骨的基本结构：①髋骨：②股骨：③髋关节：髂骨坐骨耻骨——髋臼头、颈、大转子、髁（内、外侧髁）、骨端髋臼、股骨头髋关节的生理构造（外部）髋关节的生理构造（内部）髋关节的生理构造（骨端）关节腔隙CE角垂直线水平线AC角前倾角骨小梁骨端线（2）计算作用于股骨头上的力R和外展肌力F在单腿站立的状态下：②英曼数据：①外展肌群：臀大肌、臀中肌、臀小肌梨状肌、闭孔内外肌、股方肌阔筋膜张肌1英尺=0.3048米1英尺=12英寸使腿外展的肌群（肌肉）臀大肌:臀大肌起于髂翼外面，骶尾骨后面，止于股骨臀肌粗隆，一部分到髂胫束臀中肌:臀中肌起于髂翼外面和臀筋膜，止于股骨大转子臀小肌:臀小肌起于髂翼外面，止于股骨大转子前线阔筋膜张肌:阔筋膜张肌起于髂前上棘及其后侧的髂嵴，移行于髂胫束达胫骨上端股骨FNWLN=WFmWL=1/7W7008cm3cm7cmR髋关节（3）临床联系：①镇痛步态：（馈病步态）②外反骨：③骨端分离：④缺血性坏死：当外展肌麻痹或弱或损伤时；当髋关节有疾患时；骨端软骨板向水平面转动骨端与骨连接断开供血不足（4）康复治疗：器械以手杖为例若手杖支撑1/6体重FmWLN=5/6W单脚将离开骶骨中心正下方6cm作业2：弯腰角度：头和上肢的重量：躯干的重量：（1）只弯腰双手下垂不提重物求：骶骨顶作用于腰骶椎间盘基部的力R

和骶棘所施加的力F骶棘作用点分躯干：骶棘作用线与躯干夹角：作业2：弯腰角度：头和上肢的重量：躯干的重量：（2）只弯腰双手下垂提重物（0.2W)求：骶骨顶作用于腰骶椎间盘基部的力R

和骶棘所施加的力F骶棘作用点分躯干：骶棘作用线与躯干夹角：附加问：①椎间盘脱出、突出的临床表现是什么？②内突和外突的临床表现有什么不同？③为避免脱出、突出手提重物时应如何做？④康复方案？人体髋关节运动生物力学模型研究

介绍天津中医药大学生物力学实验室第一方面：选题的科学依据

1、课题所属研究领域2、课题的理论意义和应用价值3、国内外研究概况及发展趋势

1、课题所属研究领域a：人体髋关节运动生物力学模型研究属于运动生物力学（Biomechanics）的研究范畴。

b：运动生物力学是一门主要研究运动中人体机械运动规律的科学。

C：运动生物力学的研究最终目的2、课题的理论意义和应用价值a、髋关节重要性

b、体育运动学方面为评价运动员动作技术的合理性，设计新的体育训练手段，改善技术动作，提高体育成绩提供理论依据

C、骨科临床医学方面近20年来，不论是作为生物力学的基础理论研究，还是作为骨科临床上的应用研究，髋关节都是非常受重视的环节，因为不管是对人工髋关节生物材料的研究，还是骨科临床上的髋关节置换术的开展，都必须充分了解髋关节的力学性能总结：希望通过本次研究能够为以后的理论研究、体育研究和医学研究提供成功的髋关节模型。3、国内外研究概况及发展趋势a、国外研究概况（Kane、Hazte）多体建模：Kane（美国）人体仿真：Hazte（南非）近几年的研究：Miller(4刚体模型),Hazte(11刚体模型)等b、国内研究概况

1980年12月成立了中国运动生物力学协会近几年来的研究成果：中国人体尺寸、人体器官密度、，人体环节的惯性参数和回归方程的测定等第二方面：课题的具体实施

1、技术路线

2、研究措施

3、进度计划髋关节的生理构造髋关节的建模原理与步骤进度计划

髋关节建模的原理与步骤

从运动学和动力学两方面通过多体的研究方法进行建模：第一：确定髋关节模型的组成部分第二：取得描述髋关节模型的各种数据第三：确定全局坐标系，组装模型，并使各部件的局部坐标简化第四：对模型进行校核，消除尺寸误差，限定关节的运动范围第五：添加约束和运动，将其应用于具体问题进度计划（2002.9-2004.6）课题相关文献查阅：3个月髋关节生理学特性学习、运动生物力学的深化、多体知识的巩固：3个月左右髋关节的几何建模：2个月左右髋关节的运动学建模：3个月左右髋关节模型运动仿真与控制：3个月左右通过典型运动计算校核模型：3个月左右第三方面：

课题预期达到的成果和水平

希望通过多体系统动力学，运动生物力学与控制学建立起较为精确的髋关节力学仿真模型，能够通过该模型分析髋关节运动的变化原理和规律，揭示髋关节的力学运动特性，准确模拟髋关节在运动时的肌肉骨骼状态。并希望能够为以后的理论研究、体育研究和医学研究提供成功的髋关节模型。髌骨受力髌韧带骨直肌骨中间肌骨内侧肌骨外侧肌屈膝300F=W600900屈膝>900F=4WF=6WF=8W4、作用于膝关节的力（自学）三、人体的平衡平衡基本状态：人体平衡：人体保持某一姿态的稳定性或动态中的控制能力。静止或匀速直线运动状态1、关键在于重心（1）人体的重心：从解剖学角度看：左右基本对称（正中偏右）。当人体自然站立时，总重心的位置一般在身体正中面上第三骶椎上缘前方7cm偏右处（2）人体重心位置：地球对人体各部分引力合力的作用点。如：(3)人体重心的变化特点：

男子的重心高度约为身高的56%，女子的重心高度约为身高的55%①重心通常会随着消化、呼吸、血液循环等生理过程的进行而变化②重心通常会随着姿势的变化而变化③重心通常会随着年龄、性别、身体结构、后天状况等特点而变化几何形状固定的物体，不管他怎样运动，其重心相对于自身的位置是不变的。

成人与儿童

男子与女子

体操与足球运动员(4)人体重心测量方法①

重心板（一维或二维）实测静态人体的重心位置②摄影和录像获得的人体图像中通过测量和计算获得第一步：以人体左下角边缘处O点为原点绘出直角坐标系（OXY）。第二步：确定各环节点位置。第三步：确定头和手的重心位置。头的重心在耳廓上缘中点正面观时在两眉间，手的重心在中指的掌指关节处。第四步：连接关节点构成人体棍图。第五步：开始测量各环节的相片长度(以毫米为单位)，填入环节长度一栏内。第六步:

把各环节重心至近侧端距离占环节长度的比值填入半径系数一栏内。见表2—1中具体的布拉温—菲舍尔环节相对重心位置数据。第七步：环节长度乘以环节相对重心位置百分比，填入环节重心近侧端实长一栏内。第八步：按环节质心到近侧端实际长度一栏的数据，在照片上的环节上点出环节质心位置。头手的位置不必计算，可以直接点出。第九步：从照片上测量各环节质心的坐标。第十步：把人体模型中已知的环节相对重量数据添入表内（P）。第十一步：计算出各环节对轴之矩Px,Py。第十二步：求出Px,Py的和，即为人体总重心位置。第十三步：在照片上点出总重心。2、人体平衡的分类①

上支撑平衡（悬垂平衡）②下支撑平衡（倒立平衡）③混合支撑平衡（肋木侧平衡）(2).根据平衡的稳定性（稳度）①

稳定平衡（吊袋、悬垂、单摆）有限度的稳定平衡（通常人上支撑平衡）(1).根据人体重心与支撑点的位置关系②

不稳定平衡（单臂倒立、走钢丝）

（通常人下支撑平衡）③随遇平衡（球的平衡、水平面的均质环）①随遇平衡②稳定平衡③

不稳定平衡特征重心线面无论任何位置都是平衡状态重心不升高也不降低重力作用线通过支持面3、人体平衡的特点：1)动态平衡——瞬时性2)可调平衡——补偿性3)训练平衡——可练性4)心理平衡——心理性动态平衡贯穿整个过程补偿运动与破坏运动同时出现同时消失存在个体差异与应时应景等多种因素有关4、影响人体平衡的因素从力学角度：从生理学角度：年龄、性别、神经控制能力、肌肉力量、身体状态（特殊疾患）、药物使用、运动疲劳等。支撑面大小重心高低视觉与心理因素质量大小摩擦力大小第三章物质的粘弹性被研究的对象：第一节引言在外力作用下：机动目录上页下页返回结束实际的可变形的物体会变形乃至断裂外力作用形变屈服断裂可变形的物体一、变形的大小与作用在物体上的外力有关(F)与材料的力学性质有关(EG)与物体的几何尺寸有关(S)二、变形的本质(微观）由于在外力作用下，组成物体的各个微粒间的相对位置发生了变化。机动目录上页下页返回结束例如：外形晶格点阵细胞膜物质等三、变形的性质弹性：塑性：（范性）除去引起变形的外力后，能恢复它原有形状和大小。除去引起变形的外力后，不能恢复它原有形状和大小。机动目录上页下页返回结束完全弹性体部分弹性体非弹性体四、变形的种类（一）正（线）变形（二）切（剪切）变形（三）扭转变形（切变形的一种）（四）弯曲变形（线变形的一种）机动目录上页下页返回结束受大小相等、方向相反、作用力与作用面垂直的一对力的作用而发生的形变。（一）线变形（正变形）表现为长度拉伸或缩短。机动目录上页下页返回结束（二）切变形（剪切变形）受大小相等、方向相反、作用力与作用面相切的一对力的作用而发生的形变。表现为两个面发生错动。（有线位移）机动目录上页下页返回结束实验中看出：说明：2.各纵线都倾斜了一角度，矩形变成平行四边形。

1.横截面仍为平面,各圆周线大小、形状、间距不变，只是绕轴转过了不同角度。无正变形，有切变形。

机动目录上页下页返回结束（三）扭转变形（切变形的一种）表现为两个截面绕轴相对转动。（有角位移）受大小相等、转动方向相反、作用力与作用面相切的一对力偶的作用而发生的形变。机动目录上页下页返回结束扭转形变实验中看出：说明：横截面仍为平面（平面假设）。2.纵线为曲线，靠近底部变长，靠近顶部变短。1.根据变形连续性可知，中间必有一层中性层、中性轴。2.靠近底部被拉伸，靠近顶部被压缩，同一高度处伸长或缩短相等。

机动目录上页下页返回结束（四）弯曲变形（线变形的一种）1.横线仍为直线，只转过一角度，但仍垂直于纵线。受拉力、压力作用而产生的形变。表现为杆件由直线变为曲线。机动目录上页下页返回结束弯曲形变一、物体的应力和应变及其关系（一）外力、内力、应力F1F2F3F4F5mmIIIF1F2F3mmIF4F5II内力外力第二节物质的弹性机动目录上页下页返回结束内力---外力作用物体使物体发生形变，其内部各部分之间因相对位置发生变化，而引起的相互作用力称内力。单位截面上的内力---应力机动目录上页下页返回结束实验：以截面为圆形的橡胶棒为例1、正应力Sxy作用面积:S公式：xyF(1)(2)语言定义：单位：(3)(5)点应力：2、切应力FxyFγ△x(4)分解：正应力、切应力机动目录上页下页返回结束1、正应变(线应变）△xxy正应变：xyF绝对伸长:△x，△y正应变：（二）应变公式：(1)(2)语言定义：单位：无(3)机动目录上页下页返回结束Fl0+△ll0FFFxyFγ△x切应变（角应变）：2、切应变(剪切应变、角应变））倾斜角度:y公式：(1)(2)语言定义：单位：无(3)机动目录上页下页返回结束FSd△x

FF′j（三）应力与应变关系公式：(2)生物力学意义：切变模量弹性模量刚度——抵抗负载变形的能力(1)机动目录上页下页返回结束二、应力、应变关系曲线（本构关系）（一）曲线机动目录上页下页返回结束两个范围弹性范围OB塑性范围BF五个阶段正比阶段OA弹性阶段OB屈服阶段CD强化阶段DE破坏阶段EF五个极限正比极限σA弹性极限σB屈服极限σC强度极限σE断裂极限σF两条直线OA

CD1、正比段OA直线正比关系胡克定律正比极限点正比极限强度

机动目录上页下页返回结束计算模量KOA机动目录上页下页返回结束弹性与塑性分界点割线模量、微分模量2、弹性段OB直线+曲线弹性变形弹性极限点弹性极限强度

3、屈服段CD平线塑性变形蠕变屈服点屈服应力

机动目录上页下页返回结束计算屈服应力4、细颈段DE曲线细颈最大极限点最大极限

机动目录上页下页返回结束计算最大极限强度5、断裂段EF曲线断裂断裂点断裂强度

机动目录上页下页返回结束计算断裂强度、极限应变力学指标：机动目录上页下页返回结束1、主动脉弹性组织（二）生物材料本构曲线（1）特性：（2）机理：（3）力学指标求解：①②没有直线部分弹性强度是抗张强度的95%长分子结构机动目录上页下页返回结束2、密质骨（1）特性：（2）机理：（3）力学指标求解：①直线部分很短②拉伸与压缩曲线不重合机动目录上页下页返回结束钢筋混泥土结构三、生物力学派生指标（一）泊松比（二）体变模量（三）可扩张度（压缩系数）（四）顺应性在压力的作用下，使容积增大而破裂的一种好特性横向的相对缩短与纵向的相对伸长成正比压强增量与容积的相对改变成正比每改变单位压强容积改变与原容积的百分比改变单位压强所对应的体积改变量机动目录上页下页返回结束四、正应力、正应变在骨折中的应用（一）内转矩M和曲率1/R1、应变以骨骼弯曲为例机动目录上页下页返回结束以骨的某一数学切面为例机动目录上页下页返回结束2、应力以骨的某一数学切面为例从右侧看过去3、面二次矩给出:(常用）(1)同一构件使用方式不同，面二次矩不同可据截面的形状计算(2)不同构件使用方式相同，面二次矩不同实心圆棒空心圆棒机动目录上页下页返回结束M、I一定，E越大……E、I一定，M越大……M、E一定，I越大……4、结论机动目录上页下页返回结束（二）在骨折中的应用1、断裂标准之一YT抗拉强度以骨骼断裂为例YC抗压强度YB抗拉、抗压强度中较小的那一个