生物力学概论

生物力学导论生物力学概论-副本本课程的特点和要求生物力学概论-副本力学和生物学、医学、生理学等相结合力学生物学医学生理学内容繁杂，相互之间关联性不强：“生物流体力学”、“生物固体力学”、”生物流变学”、“流体、热和质量的传递过程”、“运动生物力学”等，甚至还可以分出更为细微的教程，如“循环系统力学”、“心血管流体力学”、“动脉中的血液流”、“心脏力学”、“骨骼与关节”等生物力学概论-副本

涉及的范畴力学理论力学流体力学固体力学弹塑性力学理论建模水平对生理学、解剖学等生物学和医学基础的要求也很广泛生物力学概论-副本考核以上课的内容为主作业占30％期末考试占70％生物力学概论-副本第一章生物力学概论什么是生物力学：研究对象、目的和意义生物医学工程简介生物力学在生物医学工程中的位置生物力学发展史现代生物力学的主要内容生物力学的未来和发展趋势本章主要内容生物力学概论-副本1.1生物力学：

它的研究对象、目的和意义

“生物力学”是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题进行定量研究的生物物理学分支。生物力学概论-副本1.1.1生物力学的研究范围生物力学的研究范围从生物整体到系统、器官(包括血液、体液、脏器、骨骼等)，从鸟飞、鱼游、鞭毛和纤毛运动到植物体液的输运等。生物力学的基础是能量守恒、动量定律、质量守恒三定律，并加上描写物性的本构方程。生物力学重点是研究与生理学、医学有关的力学问题。目前热点正逐渐向细胞、分子层次发展。生物力学概论-副本1.1.2生物力学的意义用力学方法和原理解决生物医学问题生物力学的研究，加深了对血液流变特性与疾病的关系，骨力学特性与骨折的愈合关系，血液流动规律与心血管疾病的关系等的理解。应用生物力学的研究成果，指导人工关节、人工心脏瓣膜等人工器官的设计。例：罗叶泵生物力学概论-副本1.1.3生物力学的研究对象目前在生物力学研究方面较为瞩目的研究领域包括骨组织的结构与受力分析、血液在血管及毛细血管网络中的流动规律、心脏的瓣膜运动、生物材料的制备、细胞乃至分子层次的生物力学问题等。生物材料力学生物流体力学生物固体力学运动生物力学生物热力学生物力学概论-副本1.1.3.1生物材料力学生物体材料力学特性本构方程：应力～应变，应力～应变率流变学：物质变形和流动实验：在体和体外多相、非均匀、各相异性特征：半经验生物力学概论-副本

生物力学与其他力学分支最重要的差别是：其研究的对象是生物体。因此，在研究生物力学问题时，实验对象所处的环境十分重要。作为实验对象的生物材料，有在体和离体之分。在体生物材料一般处于受力状态（如血管、肌肉），一旦游离出来则处于自由状态，即非生理状态(如血管、肌肉一旦游离，当即明显收缩变短)。两种状态材料的实验结果差异较大。生物力学概论-副本

在体实验分为麻醉状态和非麻醉状态两种情况。至于离体实验，在对象游离出来后，根据要求可以按整体正位进行实验，或进一步加工成试件进行实验。不同的实验条件和加工条件，对实验结果的影响很大。这正是生物力学研究的特点。生物力学概论-副本环境的影响

环境对生理的影响也是生物力学的一个研究内容。众所周知，氧对生物体的发育有很大影响，在缺氧环境下生物体发育较慢，在富氧环境下发育较快。即使在短期内，环境的影响也是明显的。实验表明：在含10%的氧气、压力为一个大气压的环境中的幼鼠，即使只生活24小时，在直径为15～30微米的肺小动脉壁下，也会出现大量的纤维细胞。若延续4～7天，纤维细胞则会过渡为典型的平滑肌细胞，这无疑会影响肺循环中血液的流动。又如处于高加速度状态中的人，其血液的惯性会有明显的改变，悬垂器官会偏离原位，从而改变体内血液的流动状态。生物力学概论-副本1.1.3.2生物流体力学

生物流体力学是研究生物心血管系统、消化呼吸系统、泌尿系统、内分泌以及游泳、飞行等与水动力学、空气动力学、边界层理论和流变学有关的力学问题。体液流动内流和外流心血管系统血管床的形态复杂性周期性脉动流血管壁：非线性粘弹性、血液的非牛顿性、脉搏波的传播和反射生物力学概论-副本1.1.3.3生物固体力学

生物固体力学是利用材料力学、弹塑性理论、断裂力学的基本理论和方法，研究生物组织和器官中与之相关的力学问题。生物固体力学结构形状功能生物力学概论-副本1.1.3.4运动生物力学

运动生物力学是用静力学、运动学和动力学的基本原理结合解剖学、生理学等研究人体运动的学科。用理论力学的原理和方法研究生物是个开展得比较早、比较深入的领域。体育运动、宇航、运动仿生生物体运动原理康复医学工程：包括各类假肢的优化和设计，足部应力、关节运动等生物力学概论-副本

在运动生物力学的研究中，首先要建立人体力学模型，通常把人设想为由有限个以球铰联结的链系统。因为人体各相邻分体之间存在肌肉作用力，所以人体力学模型应是包含肌肉动力系统的特殊刚体系。人与动物的骨骼和肌肉的受力状态，如手提重物时手臂骨骼与二头肌的受力，脊柱与脊柱肌的受力等可用静力学方程求解。生物力学概论-副本

在人体运动中，应用动力学的基本原理、方程去分析计算运动员跑、跳、投掷等多种运动项目的极限能力，其结果与奥林匹克运动会的记录非常相近。在创伤生物力学方面，以动力学的观点应用有限元法，计算头部和颈部受冲击时的频率响应并建立创伤模型，从而改进头部和颈部的防护并可加快创伤的治疗。生物力学概论-副本1.1.3.5生物热力学新陈代谢非平衡态开放（能量交换）系统生物传热：冷冻疗法的热量控制，生物传热控制方程生物力学概论-副本1.1.3.6人体工程生物力学

人体工程生物力学：（human

body

engineering

biomechanics）是研究人与劳动工具之间的力学作用关系的科学，是人体工程学和生物力学相互交叉形成的学科。

人体工程生物力学的主要研究内容是：针对各种工作环境和条件，研究如何预防人体慢性损伤，避免劳动职业病以及如何提高劳动生产率，减轻劳动疲劳度，以达到人们在生产劳动中安全、高效率且舒适的目的。人体工程生物力学是一门新兴学科，目前各项研究才刚刚开始。随着人类追求舒适、安全、高效率地参加生产劳动的愿望，这门学科将得到快速发展。生物力学概论-副本1.2生物力学发展史

生物力学一词虽然在20世纪60年代才出现，但它所涉及的一些内容，却是古老的课题。

独立学科：到了20世纪60年代，一批工程科学家同生理学家合作，对生物学、生理学和医学的有关问题，用工程的观点和方法，进行了较为深入的研究，使生物力学逐渐成为了一门独立的学科。其中有些课题的研究也逐渐发展成为生物力学的分支学科，如以研究生物材料的力学性能为主要内容的生物流变学等。生物力学概论-副本更早的渊源伽利略（1564～1642）：心率哈维（1578～1658）：心输出，血循环假说Borelli(1680)：运动力学模型Euler：脉搏在动脉内传播的基本方程T.Young：声带发声，杨氏模量的引出生物力学概论-副本近代发展近代发展Frank的风箱模型Hill的肌肉力学，希尔因肌肉力学的工作获得1922年诺贝尔奖金Krogh的微循环力学模型，克罗格由于在微循环力学方面的贡献获得1920年诺贝尔奖金黑箱模型的优点和缺陷为复杂系统建模主观任意性现代生物力学之父冯元桢生物力学概论-副本1.3

生物力学的研究方法

进行生物力学的研究首先要了解生物材料的几何特点，进而测定组织或材料的力学性质，确定本构方程、导出主要微分方程和积分方程、确定边界条件并求解。对于上述边界问题的解，需用生理实验去验证。若有必要，还需另立数学模型求解，以期理论与实验相一致。生物力学概论-副本研究步骤首先要考虑生物的形态、器官以及组织的解剖绪构和微结构，充分认识研究对象的几何特征，建立合理的物理模型；测定组织或材料的力学性质，即确定本构力程。对活组织的测量，困难是很大的。通常的做法是对所研究的材料通过分析先给出其本构关系的某种数学表达式，在此数学表达式中保留若干待定常数，这些常数可以通过在体或离体实验来确定；根据物理学中的基本原则(质量守恒、动员守恒、能量守恒和等等)和生物组织的本构方程，导出描述所研究对象的微分方程或积分方程；生物力学概论-副本根据器官的工作环境，得到有意义的边界条件；运用解析方法或数值计算求解问题：进行生理实验，以验证上述问题的解的合理性，必要时对原模型加以修正乃至重新建立方程或边界条件进行求解，以期使理论与实验一致；探讨理论与实验结果在实际中的应用。研究步骤生物力学概论-副本1.4生物力学与生物医学工程什么是生物医学工程生物医学工程（BiomedicalEngineering,BME）是运用自然科学和工程技术的原理和方法，研究人的生理、病理过程，揭示人体的生命现象，并从工程角度解决防病治病问题的一门综合性高技术学科。生物力学概论-副本我国著名科学家顾方舟先生在“中国生物医学工程的今天与明天”一书中这样写到“生物医学工程学是这样一门学科：它把人体各个层次上的生命过程（包括病理过程）看作是一个系统的状态变化的过程；把工程学的理论和方法与生物学、医学的理论和方法有机地结合起来去研究这类系统状态变化的规律，并在此基础上，应用各种工程技术手段，建立适宜的方法和装置，以最有效（目标的实现和经济成本）的途径，人为地控制这种变化，以达预定的目标。生物力学概论-副本

生物医学工程是理、工、医相结合的新兴边缘学科，是多种工程学科向生物学、医学渗透并相互作用的结果。生物医学工程在国际上做为一个学科出现，始于20世纪50年代,特别是随着宇航技术的进步、人类实现了登月计划以来,生物医学工程有了快速的发展。虽然它作为一门独立的学科发展的历史只有50余年，但由于它在保障人类健康方面所起的巨大作用，它已经成为当前医疗保健性产业的重要基础和支柱，许多国家都将其列为高技术领域。生物力学概论-副本以人工心脏瓣膜这一典型的生物医学工程项目为例，为了进行人工心脏瓣膜的设计和制造，人们需要作如下工作：了解心脏瓣膜开启和关闭的机理，弄清人体心脏瓣膜的运动学和力学特性（定量生物力学）；解决人工心脏瓣膜材料问题（相容性、毒性、力学性质和制备工艺等）；了解人工心脏机械瓣和生物瓣的力学特性和疲劳寿命，以及植入心脏后的长期生物效应等。人工心脏瓣膜的制作和质量控制与监测等还要涉及一系列工程问题，此外还有成本控制问题。生物力学概论-副本中国生物医学工程学科在我国,生物医学工程做为一个专门学科起步于20世纪70年代,中国医学科学院、中国协和医科大学原院校长、我国著名的医学家黄家驷院士是我国生物医学工程学科最早的倡导者。1977年中国协和医科大学生物医学工程专业创建。生物力学概论-副本生物力学与生物医学工程学的相互关系

生物力学(Biomechanics)与生物医学工程的关系就像力学与其他自然科学的关系一样，它是生物医学工程学的理论基础，它也是生物医学工程应用技术的基础。因为没有生物力学，则有些生物学的现象就不可解释，有些生物学的问题就难以解决，就像没有空气动力学很难设计制造出一架好的飞机一样。对于一架飞机，力学可以帮助我们设计它的结构，预示它的性能；对于一个器官，生物力学则帮助我们了解其正常的功能，预示其变化可能导致的影响以及指出人为改进的方法及可能性。正是由于生物力学的发展，对许多医学及生理学上知其然而不知其所以然的现象有了较深刻的认识。因而它已成为诊断学、外科学、修复术等