生物医学工程基础教案专家讲座

第二章生物力学本部分主要介绍：生物力学概论，分子生物力学，细胞生物力学，组织生物力学，器疗力学，系统力学，人与环境生物力学，以及生物流体力学等。

生物医学工程基础教案专家讲座第1页§2.1生物力学概论§2.2生物力学力学基础§2.3活组织力学性质§2.4肌肉力学基础§2.5血液流变学导论§2.6心脏力学§2.7血液循环力学规律§2.8呼吸力学§2.9器官力学几个方面§2.10应力和生长生物医学工程基础教案专家讲座第2页§2.1生物力学概论一、历史源流生物力学兴起于二十世纪60年代中、后期。实际上，人们对生命运动力学问题研究能够追溯到古希腊亚里士多德时代。生物医学工程基础教案专家讲座第3页伽里略——（1564—1642）测量心率。（用单摆长度来表征心搏周期）哈维——（1578—1658）测定心室容量，并算出每小时内心脏搏出血液流量。G·A·Borelli——（1680年）提出了关于动物肢体力学模型。牛顿——（17）测定了动脉和静脉血压。笛卡尔——提出一个包含神经活动在内动物模型，试图用力学方法概括生命运动规律。在发展史上：生物医学工程基础教案专家讲座第4页L.Euler——提出了关于脉搏在动脉内传输基本方程；T.Young——建立了关于声带发声弹性力学理论，（叙述了脉搏波传输速度和动脉血管弹性关系。）J.Poiseuille——观察了血液流过毛细血管时阻力。S.Hales——测量了马动脉血压和动脉血管膨胀特征。A.Krogh——建立了微循环力学模型，并获诺贝尔奖。A.V.Hill——研究了肌肉收缩规律。

18世纪以来：直到20世纪60年代，生物力学才真正兴起。兴起标志——将力学和生物学（生理学、解剖学等）有机结合。生物医学工程基础教案专家讲座第5页二、生物力学兴起背景和需要

（1）动脉粥样硬化总发生在动脉弯曲、分枝部位（显然与血流动力原因相关）；（2）癌肿药品治疗效率不高根源是病灶部位药品输运生理障碍；（3）腰背痛等常见病与日常生活工作姿势等相关。生物力学兴起是以当代医学需要和生物医学工程发展为背景。认识疾病需要，生物医学工程学科发展需要，比如：上述现象，需要了解为何？生物医学工程基础教案专家讲座第6页三、生物力学所包括主题

（一）以人（高等哺乳动物）生命运动为关键生物力学——生物力学主体。背景与目标：医学、生物医学工程、体育、人-机工效等。该主题包含以下内容。生物医学工程基础教案专家讲座第7页▲骨和软骨； ▲软组织（韧带、腱、皮肤、血管等）；▲肌肉力学（骨胳机、心肌、平滑肌）；▲血液流变学（全血、血浆、血细胞、凝血、血栓等）；▲血液微流变学； ▲临床血液流变学；▲体液粘弹性（关节滑液、粘液等）； ▲人工代用材料。1.活组织力学性质——生物流变学生物医学工程基础教案专家讲座第8页▲器官、组织功效、应用和生长（骨重建、零应力状态和残余应力）；▲肺力学；▲心脏力学（人工瓣膜，左心辅助泵）；▲颅脑——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）。2.器官力学生物医学工程基础教案专家讲座第9页▲大血管流体力学；▲微循环力学；▲毛细血管——组织间质物质输运；▲淋巴流动；▲组织间质液流动；▲左心室—动脉血液相互作用；▲肺血流；▲冠脉血流动力学；▲肾脏内部血循环；▲肝血流；▲脑血流。3.循环动力学生物医学工程基础教案专家讲座第10页▲上呼吸道流体力学；▲气管树内气流阻力及其分布；▲末梢支气管内对流—扩散；▲气血交换；▲高频、低潮气量呼吸术。4.呼吸力学生物医学工程基础教案专家讲座第11页▲蠕动流；▲可瘪管流动。5.泌尿流动▲心血管系统动力学；▲呼吸系统动力学；▲体液平衡系统分析。

6.系统动力学生物医学工程基础教案专家讲座第12页▲体育运动生物力学。7.运动生物力学▲职业生物力学；▲人-机工效学。

8.人-机-环境系统生物力学

生物医学工程基础教案专家讲座第13页▲细胞膜力学性质；▲原生质流动；▲应力对细胞形态、生长、功效影响。

9.细胞力学▲器官组织冲击损伤机理和耐限；▲软组织创伤和愈合；▲骨折及其愈合。10.创伤力学

生物医学工程基础教案专家讲座第14页（二）绿色植物生物力学——含有很大吸引力，但当前做得不多。

背景与目标：农业及农业工程、生存环境工程等。

该主题包含以下内容。生物医学工程基础教案专家讲座第15页2.植物组织和机体力学性质

3.声波对植物生长影响4.植被流体动力学5.农业工程中生物力学问题。

▲蒸腾流和易位流；▲植物呼吸；▲土壤渗流和根系吸收。1.绿色植物生理流动

生物医学工程基础教案专家讲座第16页（三）生物技术和生物化学工程中流体力学问题——正在崛起。

背景与目标：从试验室（生物技术）到产业（生物化学工程）模化、放大，生物反应器设计和运行优化，高效分离，纯化技术，生物处理过程自动控制和在线检测，空间制药等等。该主题包含以下内容。生物医学工程基础教案专家讲座第17页1.生物反应器内流动，传质和传热；2.应力对细胞、微生物生长和功效影响；3.生物制品分离过程中流体力学问题；4.流动应力对生物大分子结构和功效影响。

生物医学工程基础教案专家讲座第18页（四）动物运动背景与目标：仿生工程技术，生物学中一些理论问题定量分析等。该主题包含以下内容。1.鸟类和昆虫飞行；2.水生动物游泳力学（泳动模式进化和形态演变）；3.微生物运动；4.陆生物运动。

由上可见，生物力学内容是非常宽、非常广。生物医学工程基础教案专家讲座第19页§2.2生物力学力学基础一、运动和力对于生命现象所包括以位移为特征机械运动，即使是细胞、亚细胞、组织，仍属于牛顿力学范围。

牛顿第一定律：

式中，假如则V不变，匀速直线运动。生物医学工程基础教案专家讲座第20页牛顿第三定律：

作用力和反作用力大小相等，方向相反。

牛顿第二定律：

式中，假如则V改变，加速度运动。生物医学工程基础教案专家讲座第21页二、刚体动力学在生物力学中应用

刚体动力学基本方程：

（刚体：系统内部各质点之间距离在运动过程中保持不变）式中：

m——质点质量；a——加速度；----惯量矩(i=j)或惯量积(i≠j)；

——外力协力；——刚体旋转角速度；——质点相对于质心向量；

生物医学工程基础教案专家讲座第22页（1）用来研究人在走、跑、跳跃、负重、操作等运动过程中人体整体以及各肢体运动规律，以改进动作，提升效率——如体育运动技术优化；（2）人在各种姿态、运动、操作等过程中，各肢体、关节受力情况，是作力学分析（比如应力和应变分布、应力和组织生长关系等）前提，也在卫生保健、人工关节和人造肢体研制和设计等方面有主要意义。

上述刚体动力学基本方程在生物力学中是很有用。基于上述刚体动力学基本方程应用，能够帮助建立力学模型。不过，模型建立往往是十分困难。比如：生物医学工程基础教案专家讲座第23页

例1：Nachemson和Elfstrom(1970年)用微型压力传感器测量了一个体重70kg人，在不一样姿态和操作下腰椎了椎间盘上载荷和受力问题(下页表格)。发觉不合理举重动作，使腰椎负荷剧增，达正常情况2倍以上，而人在大笑时腰椎所受力为体重2倍有余。尽管如此，建立肌肉—腱—韧带系统作用脊柱力学模型仍很困难。

生物医学工程基础教案专家讲座第24页生物医学工程基础教案专家讲座第25页高性能BioWarePerformance系统生物医学工程基础教案专家讲座第26页高性能动作分析系统生物医学工程基础教案专家讲座第27页姿态椎间盘载荷姿态椎间盘载荷仰卧50kg仰卧起床140kg仰卧牵引30kg35kg大笑150kg站立100kg向前弯腰20°150kg直坐、背不靠托140kg向前弯腰20°,并双手各负重10kg215kg步行115kg举重20千克，背直膝弯185kg扭转120kg举重20千克，背弯膝直390kg侧弯125kg屈膝蹲起练习210kg咳嗽140kg两足分开屈膝蹲起205kg跳跃140kg俯身拱腰180kg生物医学工程基础教案专家讲座第28页例2：J.P.Panl(1970年)测量了水平步行时人髋关节和膝关节平均载荷伴随步长——身高比改变，发觉步行时髋、膝关节所承受载荷要比人体重大得多（因为相关肌群收缩作用）。可见，因为肌肉收缩作用，在建立力学模型时，复杂性提升了很多。生物医学工程基础教案专家讲座第29页三、连续介质力学基本知识

刚体实质上不存在，在外力作用下，物体形状总会发生改变。连续介质运动描述：（1）Lagrange方法：生物医学工程基础教案专家讲座第30页（2）Euler方法：速度和加速度由2部分组成。（此法惯用）速度：当地速度：空间速度改变：加速度：当地加速度：迁移加速度：生物医学工程基础教案专家讲座第31页四、生物流体力学基础

例：新陈代谢——运动基本单元是细胞。

“嘴”、“肛门”---不停吸收同化作用所需原料。不停排除异化作用废物。“肠胃”、“血管”---依靠生物体内不一样层次、不一样系统流体运动来维持。“细胞”---细胞质运动和经过细胞膜物质输运，为细胞代谢活动创造了稳定内环境。呼吸系统吸O2——消化系统摄取营养物质——循环系统送到各器官、组织——泌尿系统排废物——呼吸系统排废气。N.Winner(维纳)说：“生命系统维持其稳态条件是相当苛刻。”上述生命运动维持，是和生物体内部体液流动亲密相关。生物医学工程基础教案专家讲座第32页显然，要了解生命现象规律，必须掌握流动过程规律，尤其是生命体内体液流动规律。人体重量其它60%是液体36%体液存在于细胞之中45%为血液11.5%分布于组织细胞间质中生物医学工程基础教案专家讲座第33页（一）生理流动不一样层次1.细胞和亚细胞层次；包含：原生质流动（细胞内各种生化过程）；细胞膜流动性和力学行为；细胞膜输运过程；应力对细胞生长、形态、功效和超微结构影响。2.组织层次；包含：（1）穿过毛细血管壁流体运动；（2）组织间质内流体运动；（3）淋巴流动；（4）组织分泌液流动。生物医学工程基础教案专家讲座第34页3.循环系统层次；

（以心脏为关键——是生物流体力学研究主题）包含：（1）心脏血液动力学；（2）大血管流体动力学；（3）以微循环为关键器官血流动力学；（4）微循环流体动力学；（5）心血管系统动力学。生物医学工程基础教案专家讲座第35页4.呼吸系统内气体运动；包含：（1）呼吸道内空气流动；（2）小支气管里气体对流和扩散；（3）肺泡和毛细支气管在气-血界面上物质交换；（4）呼吸系统动力学。5.泌尿系统内流动；包含：（1）毛细血管-肾小球、肾小管之间流体运动；（2）输尿管内蠕动流。6.消化系统内流动（胃、肠蠕动等）；7.体液平衡（酸碱离子浓度等平衡）。生物医学工程基础教案专家讲座第36页（二）流体力学基本原理质量定恒定律：流入流体=流出流体动量守恒定律：密度×流动加速度＝－压力梯度＋流体剪应力空间改变率（散度）＋单位体积流体所受之重力。能量守恒定律：进口压力－任意截面（X）上压力＝密度×＋比重×（x处与进口处高度差）＋密度×（从进口到x处流体内能改变率）＋从进口到x处摩擦损失。三大守恒定律（应用到流体力学）：生物医学工程基础教案专家讲座第37页（三）流体力学基本方程（1）连续方程：

（2）运动方程：

若流体不可压缩且均质，连续性方程为：（上式是简化方程，实际上取得它是据质量守恒有积分等推导。）---应力张量

P---流体密度---单位质量流动所受体积力（该式来自于较复杂推导，包含高等数学、流体力学等。）生物医学工程基础教案专家讲座第38页（3）能量方程：

E—单位质量流体内能；

Q—单位时间内单位体积流体从外界接收热量；

k—介质热传导系数；

T—绝对温度。

（该式来自于较复杂推导，包含高等数学、流体力学等。）上述三个方程中，应用于实际生理流动问题时太复杂，需简化。

怎样简化？要结合生物学、生理学和解剖学知识。所以，生物流体力学有自己独特方法学体系，而不是流体力学在生命现象中简单应用。生物医学工程基础教案专家讲座第39页§2.3活组织力学性质

生物组织普通分为硬组织（骨、牙等）、软组织和体液三大类。一、骨力学性质

与工程材料相近，可用材料试验机研究其力学性质。可见：（1）干骨变脆（无塑性变形）；（2）骨应变很小，0.004~0.012；（3）在百分比极限以下，密质骨能够看作是胡克弹性体：，E为杨氏模量。关于骨力学性质，很多人都做过试验。全部试验都表明：

骨强度因物种、年纪、性别、骨部位、载荷方向、应变率而异。

图—手画生物医学工程基础教案专家讲座第40页二、软组织力学性质

从内脏到皮肤，大部分属于软组织。以下以举例方式来说明软组织力学性质普通特点：

例1：例2：图—手画图—手画A：软组织力学性质共同性：在生理范围内，各种软组织都有应力—应变滞后环、应力松驰和蠕变现象，因而都是粘弹性材料，而且是高度非线性。小结：生物医学工程基础教案专家讲座第41页B：软组织力学性质区分：在无损伤条件下各软组织最大应变各不相同。超出各自应变范围，组织将屈服而被破坏。比如：在生理范围内：肠系膜应变可达100-200%；输尿管可伸长60%；静息心肌可伸长约15%；动脉和静脉血管达60%；肌腱则为2-3%。生物医学工程基础教案专家讲座第42页三、血管力学性质

（一）动脉血管力学性质

当前：一维拉伸试验和准线性粘弹性本构关系”、“二维拟弹性应力—应变关系”有一些试验结果。但尚无规律性结论，因为当选择参数多时，模型任意性大，而选择参数少时，无显著物理意义，易误入歧途。（二）静脉血管力学性质

类同于动脉血管认识。（三）微血管力学性质

微动脉、微静脉力学性质极其复杂。当前知之甚少。因详细器官、组织而相异性很大。生物医学工程基础教案专家讲座第43页四、关节软骨力学性质

关节软骨是由少许细胞，固相基质和间质液（主要是水占75%）组成。[亦是多孔复合材料，（胶原纤维65%+蛋白聚糖25%+糖蛋白10%）。]在应力作用下，液体可在基质中流出或流进，所以软骨力学性质随基质内液体含量多少而改变。另外，环境化学条件（液体中离子浓度等）对关节软骨力学性质也有影响。五、生物流体力学性质

研究最多是血液——血液流变学。

生物医学工程基础教案专家讲座第44页§2.4肌肉力学基础已作了多方面探索，但总说来没有什么新突破，进展也不尽如人意。参考书中（《生物力学导论》）介绍了骨骼肌、心肌和平滑肌力学性质方面研究结果。自学生物医学工程基础教案专家讲座第45页§2.5血液流变学导论人血是细胞在电解质和非电解质水溶液中悬浮液体。

红细胞：含量5×106个/mm3，比重1.10，5－8m，双凹饼状。

白细胞：含量5000-8000个/mm3，直径大于红细胞，约10m

血小板：含量约2.5-3×105个/mm3，2－4m，铁饼状。一、血液流变特征头号杀手：心脑血管疾病和恶性肿瘤，其发生发展都与血液流变相关。其它：休克、糖尿病、烧伤、血液病等，也有血液流变性质改变。生物医学工程基础教案专家讲座第46页

1.血浆粘度

1963年，Merrill测量血浆粘度，认为是非牛顿流体。

以后发觉：是血浆与空气接触自由表面上血浆蛋白形成薄膜所致。所以，血浆是牛顿流体。但其粘度受温度和血浆成份（尤其血浆中蛋白质）影响：温度影响：厘泊;;

蛋白质浓度（c.g/ml）影响：经验关系：式中，生物医学工程基础教案专家讲座第47页2.血液粘性当把血液看作均质流体静态流变行为时，

i.分析大血管（图）流动时，血液为牛顿流体；用于深入评价是合理；

ii.分析人体内1010根微血管（图）时，血管直径与红细胞直径同量级，此时，实际上已非均质流体，最少应看作两相流体。所以，血液流变非牛顿特征，主要起源于红细胞，以及它和血液其它组分之间相互作用。生物医学工程基础教案专家讲座第48页生物医学工程基础教案专家讲座第49页二、红细胞运动和变形1.红细胞几何形状：5－8m2.红细胞沉降——血沉，静息时因重力而沉降。红细胞沉降与红细胞聚集伴生。3.红细胞可变形性（1）红细胞聚集血浆生物化学性质改变，是血液流变性质一个主要参数；（2）红细胞可变形性是血液流变性质另一个主要参数。图-手画生物医学工程基础教案专家讲座第50页生物医学工程基础教案专家讲座第51页红细胞功效：把机体组织细胞代谢活动所必需O2输送到机体各组织和器官，同时带走代谢产物CO2，并在肺内排出CO2，吸收O2，从而使生命活动维持。功效实现：红细胞必须穿越机体各组织、器官毛细血管。（人体脾脏毛细血管（图）直径3m）。

结果：红细胞在经过这些毛细血管时形状必须改变。

（观察发觉：肠系膜组织毛细血管里，红细胞从双凹碟形变为“拖鞋”形，局部伸长比达200%。）生物医学工程基础教案专家讲座第52页生物医学工程基础教案专家讲座第53页生物医学工程基础教案专家讲座第54页红细胞易变形原因——它结构和形态

结构：红细胞无细胞核，由细胞膜和细胞质（主要是血红蛋白）组成。质中血红蛋白是晶体，且为液晶。所以，红细胞变形主要决定于细胞膜力学性质。

形态：双凹碟形是O2扩散最正确形状，红细胞膜很薄，弯曲刚度比抗张能力低得多，双凹碟形旋转体表面含有许多可贴曲面，能够变为种种可贴曲面而不撕裂、不拉伸或折叠。生物医学工程基础教案专家讲座第55页4.红细胞膜力学性质取决于膜微结构（如骨架蛋白，双层脂膜结构等）以及各组元间相互作用。5.红细胞聚集取决于以下四种作用相互制约和平衡：（1）大分子桥联作用：血浆中纤维蛋白原、血浆球蛋白作为媒介；（2）静电作用；（3）红细胞变形：（戊二醛固化处理红细胞在血浆中不会聚集）；（4）流体动力作用：使红细胞相互靠近或接触、变形等，并可能激活细胞膜甚至血红蛋白。生物医学工程基础教案专家讲座第56页白细胞两种状态：

（1）静息状态，无外力作用呈球形，在外力作用下可变形；（2）能动状态，即使无外力白细胞也会自动变形，形成原足。三、白细胞流变行为白细胞性质：不一样于红细胞，它有核、线粒体和其它细胞器，力学行为更复杂。（一）白细胞力学性质

1.静息状态下白细胞粘弹性（弹性系数k，粘性系数）（1）温度改变（9-40C）时，k不变，随T而减小；（2）pH值改变时（5.4-8.4），pH可使；

（3）渗透压增大时，k和均以指数形式增加。生物医学工程基础教案专家讲座第57页（图为用微管吸吮法测量能动状态下白细胞主体和原足力学性质）2.能动状态下，白细胞力学性质能动状态下，白细胞会自动变形生出原足，原足呈片状，被细胞膜包围，但足内只有细胞质，无细胞器。白细胞主体和原足力学性质：图—手画白细胞主体：是粘弹性体，有显著蠕变原足：是弹性体，蠕变极小，刚度比主体细胞大生物医学工程基础教案专家讲座第58页上述区分原因：原足与主体化学成份不一样，原足形成时白细胞动力学模型应将连续介质力学原理和肌动蛋白等大分子以及Ca+化学动力学过程结合起来。可见，细胞力学发展要求把力学原理和细胞内生化过程结合起来。生物医学工程基础教案专家讲座第59页

（二）白细胞在微血管里流变行为

1.在微血管流动中白细胞与红细胞相互作用——白细胞趋边性。白细胞体积大，刚度大，呈球形，其运动阻力比红细胞大，运动速度低于红细胞，这使得白细胞向管壁偏移，即“趋边性”。

2.白细胞粘附——白细胞与血管内皮细胞相互作用趋边白细胞有可能粘附于血管壁，与血管内皮细胞相互作用而形成一个共同接触区。试验表明，白细胞粘附常发生于微静脉血管中。一旦粘附发生，微血管有效通道面积降低，血流阻力将显著增大。生物医学工程基础教案专家讲座第60页3.白细胞在毛细血管里运动因为白细胞呈球形，直径大于红细胞，且刚度较大，故白细胞变形而进入毛细血管所需时间约为一样流动条件下红细胞所需时间1000-倍。很小，则很小，所以很大。白细胞在变形同时，将毛细血管和进口段扩张成锥形。锥角。图—手画生物医学工程基础教案专家讲座第61页在作用下，可能以下：（1）在白细胞与毛细血管壁之间形成-血浆润滑层，白细胞与内皮细胞不直接接触，不存在粘附问题。可使用红细胞-管壁相互作用理论，并应用对应流动阻力规律。（2）白细胞运动速度很低，对应血浆润滑层厚度太薄，不足以维持其稳定，则血浆润滑层破坏，白细胞与内皮层直接接触而发生粘附。这时毛细血流局部滞止。生物医学工程基础教案专家讲座第62页四、血小板功效行为流变学问题

（一）血小板活性与流变学原因血小板比红细胞、白细胞小得多，正常状态下（静息状态）为两面微凸圆盘。所以：（1）静息状态下，血小板对于血液流变特征影响甚微。（2）当血小板激活时（比如凝血）——血小板活动性和功效行为对血液流变特征影响甚巨。生物医学工程基础教案专家讲座第63页PlateletActivationPathways生物医学工程基础教案专家讲座第64页血小板性质：极敏感细胞发生一系列活化反应：i.粘附反应——血小板粘附于血管壁或其它异物特征。ii.变形反应——当血小板从静息状态变为活化状态时，形状将发生急剧改变。iii.释放反应——活化了血小板释放出它所含物质。iiii.聚集反应——活化了血小板能经过相互作用而聚集成团特征。当前研究集中点生物医学工程基础教案专家讲座第65页粘附变形释放+释放变形生物医学工程基础教案专家讲座第66页PlateletAdrenalineCollagenGPIbvWFGPIIb/IIIa(CD41)ADPEndotheliumGpIIb/IIIa(CD41)P-selectin

CD62PFibrinogenPlateletActivationPathways生物医学工程基础教案专家讲座第67页聚集变形粘附不一样生物材料生物医学工程基础教案专家讲座第68页不一样生物材料生物医学工程基础教案专家讲座第69页不一样生物材料生物医学工程基础教案专家讲座第70页试验结果表明，影响血小板聚集反应最主要流变学原因是流动切变率。试验结果表明，影响血小板活性主要原因是血小板受剪应力作用时间。关于上述“聚集反应——活化了血小板能经过相互作用而聚集成团特征。”研究进展：血液流动过程中，血小板总是在靠近管壁区域里运动，真正影响血小板聚集，是壁面切应力或壁面切变率。生物医学工程基础教案专家讲座第71页

例1：壁面切变率时，血小板聚集潜伏期时间随而延长；壁面切变率时，LDH、ADP、ATP等含量不变；壁面切变率时，LDH、ADP、ATP等有所上升；壁面切变率时，ADP引发血小板聚集被快速抑制。可见，切变率既能激发血小板活性，又能损伤与破坏血小板结构。生物医学工程基础教案专家讲座第72页LDH、ADP、ATPLDH：乳酸脱氢酶

LacticdehydrogenaseADP：腺苷二磷酸

AdenosinediphosphateATP：三磷酸腺苷/腺苷三磷酸Adenosinetriphosphate生物医学工程基础教案专家讲座第73页

例2：剪应力时，血浆5－HT含量显著上升；剪应力时，血浆LDH活性增大，血小板溶解，血小板数量急剧降低。生物医学工程基础教案专家讲座第74页（二）凝血过程中血液粘弹性

凝血过程——复杂多因子（13种因子）综合过程，包括一系列生化反应和各种物理、化学、生物等作用。I.在各种因子作用下，形成组织促凝血酶原激酶形成；II.凝血酶原活化变为凝血酶；III.纤维蛋白原在凝血酶作用下变为纤维蛋白单体，进而经XIII因子和Ca++作用，聚合成为纤维蛋白聚合物，形成网络结构。分三个阶段：生物医学工程基础教案专家讲座第75页FactorFXFIXaFIXFXIaFXISurfaceContactCollagenFXIIactivatorFXIIaFXIIIntrinsicPathwayCa2+Ca2+Ca2+FactorFXFVIIFVIIaFIII(TissueThromboplastin)Tissue/CellDefectExtrinsicPathwayCa2+Ca2+FibrinogenFibrin

monomersFibrin

polymersThrombinProthrombinIFactorFXaCa2+PlateletFactor3Crosslinked

FibrinMeshworkFXIIIaFXIIIFVFVaFVIIIaFVIIITheClottingCascade生物医学工程基础教案专家讲座第76页因子（凝血酶原）———→凝血酶┄┄┄┄┄┄→血小板因子（纤维蛋白原）———→纤维蛋白因子———→a←————————因子因子Ca++磷脂因子（血浆凝血活酶成份）——→a因子aCa++因子（血浆凝血活酶前质）——→aCa++因子（接触因子）—→a内源性凝血系统

表面接触因子+组织液Ca++外源性凝血系统组织损伤自动催化凝血系统示意图

生物医学工程基础教案专家讲座第77页优化Ti-Ta-O薄膜与LTIC动物体内埋植后SEM照片（17天）

Ti-Ta-O薄膜LTIC生物医学工程基础教案专家讲座第78页abcd经兔腹主动脉埋植后表面改性与未改性血管支架表面形态a、c.Ti-O表面改性(a.10周、c.20周)b、d.未表面改性(b.10周、d.20周)

生物医学工程基础教案专家讲座第79页白血球红血球血小板血栓纤维蛋白内皮细胞a红血球纤维蛋白b血小板c血栓及其形成示意图

a.血管内形成血栓

b.血栓组成

c.

LTIC表面血栓

生物医学工程基础教案专家讲座第80页血液在凝血过程中粘弹性（来自陶祖莱研究结果）：图—手画生物医学工程基础教案专家讲座第81页由图可见凝血过程可分为三个阶段：时,剧增，凝血过程开始，时，，G线出现拐点。１.均很小，凝血还未开始。2.趋于0，即靠近3.三个图区分及影响原因分析以下。生物医学工程基础教案专家讲座第82页

t0——凝血起始时间

——时间常数，

tc——凝血过程中与由上升变为下降转变时间。陶祖莱用以下关系来描述血液在凝血过程中粘弹性行为：生物医学工程基础教案专家讲座第83页上图区分：

PPP粘弹性行为——取决于纤维蛋白原；

PRP与PPP粘弹性区分——取决于血小板作用；

WB与PRP、PPP区分——归因于红细胞影响。生物医学工程基础教案专家讲座第84页（上图中）其影响表现以下：（1）从粘弹性行为改变方面看出，凝血起始时间（t0）因红细胞存在而推迟了，血小板数量对于凝血起始时间没多大影响，主要取决于血小板活性和纤维蛋白原。（2）凝血过程中（反应粘性）弛豫时间主要决定于纤维蛋白原，血小板数量对它没有什么影响。但红细胞存在使显著增大。弹性模量弛豫时间却主要是由血小板含量所决定。（3）时间常数主要决定于纤维蛋白原。（4）对于血凝体刚度（）和粘性（）来说，起主导作用是血小板（数量和活性）。而红细胞作用似乎是“掺沙子”，它使和都有所下降。生物医学工程基础教案专家讲座第85页五、血液本构方程

（一）血液流变学三个基本事实

1.在准静态（定常流动）下，血液粘性行为是非线性，且有屈服应力；

2.在动态（非定常流动）条件下，血液是粘弹性流体；

3.当红细胞直径（Dc）与流场特征尺度（Dt）相比不是非常小，血液流动“非连续性效应”就会显示出来。这时，血液流变特征决定于红细胞和边界相互作用，依赖于血液流动详细边界条件。所以，它因详细器官、组织详细结构而异。生物医学工程基础教案专家讲座第86页（二）血液粘弹性本构关系研究现实状况

1.简单“记忆”流体——积分型本构方程其中，式中：

——应变历史

——偏应力

——“记忆”函数

——Green应变

——应变率张量——流动速度场

——应力松弛函数生物医学工程基础教案专家讲座第87页2.功效模型3.Oldroyd方程4.Huang’s方程

自学就以上述血液流动速度场为例，血液流速是一个“较轻易”测定参数了（其它极难测），但仍因不一样血管和位置而有很大区分。测定也较难。下面介绍一个测量方法。生物医学工程基础教案专家讲座第88页超声多普勒法是怎样测量血液流动?1842年德国一位名叫多普勒数学家。一天，他正途经铁路交叉处，恰逢一列火车从他身旁驰过，他发觉火车从远而近时汽笛声变响，音调变尖，而火车从近而远时汽笛声变弱，音调变低。他对这个物理现象感到极大兴趣，并进行了研究。发觉这是因为振源与观察者之间存在着相对运动，使观察者听到声音频率不一样于振源频率现象，这就是频移现象。因为是多普勒首先提出来，所以称为多普勒效应。生物医学工程基础教案专家讲座第89页超声多普勒法是怎样测量血液流动?

为了检验心脏、血管运动状态，了解血液流动速度，能够经过发射超声来实现。因为血管内血液是流动物体，所以超声波振源与相对运动血液间就产生多普勒效应。血管向着超声源运动时，反射波波长被压缩，因而频率增加。血管离开声源运动时，反射波波长变长，因而在单位时间里频率降低。反射波频率增加或降低量，是与血液流动速度成正比，从而就可依据超声波频移量，测定血液流速。我们知道血管内血流速度和血液流量，它对心血管疾病诊疗含有一定价值，尤其是对循环过程中供氧情况，闭锁能力，有没有紊流，血管粥样硬化等均能提供有价值诊疗信息。生物医学工程基础教案专家讲座第90页§2.６心脏力学

生物医学工程基础教案专家讲座第91页一、心脏形态生物医学工程基础教案专家讲座第92页生物医学工程基础教案专家讲座第93页生物医学工程基础教案专家讲座第94页生物医学工程基础教案专家讲座第95页四个腔室（左右心房、左右心室）四个瓣膜（二、三尖瓣向下，主肺动脉向上）

4根动/静脉管（肺动、静脉，主动脉和上/下腔静脉）二、心脏结构和功效结构和功效见下页图。生物医学工程基础教案专家讲座第96页四个腔室（左右心房、左右心室）生物医学工程基础教案专家讲座第97页\生物医学工程基础教案专家讲座第98页生物医学工程基础教案专家讲座第99页四个瓣膜（二、三尖瓣向下，主肺动脉向上）主动脉瓣三尖瓣二尖瓣肺动脉瓣生物医学工程基础教案专家讲座第100页二三生物医学工程基础教案专家讲座第101页

因为左心室负荷较高，故二尖瓣、主动脉瓣更易病变。生物医学工程基础教案专家讲座第102页4根动/静脉管（肺动、静脉，主动脉和上/下腔静脉）生物医学工程基础教案专家讲座第103页生物医学工程基础教案专家讲座第104页（一）心电过程心肌细胞收缩需要电信号，使全部细胞同时收缩。（主要产生于右心房窦房结。）（二）心搏过程心肌受到心电刺激后收缩。生物医学工程基础教案专家讲座第105页要解释：

1.心室射血流动时，流动阻力很小，从而溶血、凝血以至血栓形成可能性才小；

2.充盈过程中心室内血液流动情况；

3.心脏及心瓣血液流动模拟相同问题。三、心脏和心瓣流体力学问题生物医学工程基础教案专家讲座第106页4.心脏瓣膜关闭流体力学机理——健康人瓣膜是极巧妙装置，打开时它们对流动阻力极小，而在很小压力差下马上关闭，回流量很小，不到5%，为何？

瓣膜——胶原纤维组成，其底座和环架也是纤维组织，没有肌肉，瓣膜无主动收缩能力，开闭受流体流动控制。开启——心室/心房压力引发；关闭——在射血后期因为流动减速，产生逆压梯度，使关闭。当前在解释上述几个问题时已取得一些进展和较正确认识。生物医学工程基础教案专家讲座第107页生物医学工程基础教案专家讲座第108页生物医学工程基础教案专家讲座第109页四、心脏力学模型和泵功效左心与动脉系统之间，左心系统和右心系统之间。五、心脏与血管系统相互作用六、人造心脏瓣膜生物力学问题自动调整？（运动态/静息态）自学生物医学工程基础教案专家讲座第110页§2.７血液循环力学规律

一、动脉系统阻力分布和分枝形态二、可变形管道内定常流动三、动脉血管里脉动流和脉搏波四、脉搏波在动脉血管系统里传输五、大动脉里流动六、静脉血管里流动七、微循环力学八、肺血流力学规律自学生物医学工程基础教案专家讲座第111页生物医学工程基础教案专家讲座第112页§2.８呼吸力学

生物医学工程基础教案专家讲座第113页生物医学工程基础教案专家讲座第114页生物医学工程基础教案专家讲座第115页生物医学工程基础教案专家讲座第116页一、呼吸道内空气流动

呼气结束呼吸肌放松肺弹性平衡肺内气体静止（无宏观迁移），(此时，肺内空气容量称为功效余积（FRC），约为肺总体积二分之一。)eg1:身高为1.7m人，FRC610-3m3

呼吸肌收缩胸腔体积增大肺膨胀口鼻吸空气（外部空气和胸膜空隙压差，由肺弹性复力及血管系统气流阻力平衡）

呼吸肌放松肺体积缩小废气排出

eg2:平静呼吸，一次吸入气量0.4510-3m3生物医学工程基础教案专家讲座第117页人肺交换膜面积约70m2，组成3108个肺泡，肺泡间为肺毛细血管网络。肺毛细血流呈片状，厚约7m，而交换膜厚约2~3m.。

Weibel(1963年)对5个正常人肺呼吸道系统几何形态做了系统测量，表明：（1）从大气管开始（看成0级），整个气管系统，都是一分为二，两两分支；（2）0~16级只起气体运输作用，可看作导管，第16级为末梢支气管；（3）17~23级，气管壁周围都附着有肺泡，为呼吸区，第23级终端为肺泡。???呼气吸气实现O2CO2生物医学工程基础教案专家讲座第118页生物医学工程基础教案专家讲座第119页（一）呼吸道阻力呼气流阻力规律不一样于吸气流，因为二者流动方向相反。（1）呼气流每级支气管流动阻力：

PV——阻力/粘性压力降——流体密度

u0——流速l——气管长d——气管直径Re——雷诺数，生物医学工程基础教案专家讲座第120页（2）吸气时流动阻力 PV——阻力

——流量平均速度L——气管长Q——总流量生物医学工程基础教案专家讲座第121页（二）上呼吸道里流动上呼吸道——鼻、口、喉、气管

形状复杂，因为要适应各种功用(空气调整装置---湿化，净化空气，嗅觉，味觉等）

多处隆起出现湍流、射流等，呼气与吸气时雷诺数Re区分较大。

（三）呼吸系统动力学行为（了解/自学）生物医学工程基础教案专家讲座第122页二、支气管里对流扩散新空气陈肺气，怎样进行，换气效率？V——平均流速——扩散特征尺度（长度）D——扩散系数

——对流-扩散过程控制参数生物医学工程基础教案专家讲座第123页i.，对流作用与扩散作用相比能够忽略不计

例在终端肺泡里，气体宏观运动速度趋于0，对流很小，可看作纯扩散。ii.，扩散作用能够不考虑

例在大支气管，流速高，气体组元输运为主（对流）iii.对于17-22级支气管，二者作用相当，即对流和扩散两种机制同时起作用。生物医学工程基础教案专家讲座第124页三、肺泡内气体扩散在细支气管、肺泡管、肺泡与血液进行交换区域中，流动不起作用，O2、CO2和N2在肺泡中主要是以分子扩散方式运动。末梢细支气管处气体所充盈空间：175cm3

肺泡处气体所充盈空间：4800cm3在肺泡壁处，薄膜两侧CO2、O2存在浓度差，气体与血液在此快速地进行交换。O2、CO2浓度大幅改变生物医学工程基础教案专家讲座第125页新鲜空气静脉血液O2分压10040CO2分压046N2分压610624总压710mmHg710mmHg肺膜吸气过程中肺泡膜两侧气体分压扩散生物医学工程基础教案专家讲座第126页四、肺泡和毛细血流之间气体交换肺泡与毛细血管壁之间有一薄层水样组织液。整个气体交换过程包含以下步骤：（1）经过肺泡膜气体（纯）扩散；（2）间隙液薄层内气体扩散；（3）经过肺毛细血管壁气体交换；（4）肺毛细血管内气体在血浆中对流扩散；（5）经过红细胞膜扩散；（6）红细胞内