生物力学概论副本稻谷书苑.ppt

1教学运用本课程的特点和要求2教学运用力学和生物学、医学、生理学等相结合力学和生物学、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：内容繁杂，相互之间关联性不强：““生物流体力学生物流体力学””、、““生物固体力学生物固体力学””、、””生物流变学生物流变学””、、““流体、热和质量的传递过程流体、热和质量的传递过程””、、““运动生物力学运动生物力学” ” 等，甚至还可以分出更为细微的等，甚至还可以分出更为细微的教程，如教程，如““循环系统力学循环系统力学””、、““心血管流体力学心血管流体力学””、、““动脉中的血液流动脉中的血液流””、、““心脏力学心脏力学””、、““骨骼与关节骨骼与关节””等等3教学运用涉及的范畴涉及的范畴力学理论力学流体力学固体力学弹塑性力学n n理论建模水平理论建模水平n n对生理学、解剖学等生物学和医学基础的要求也很广泛对生理学、解剖学等生物学和医学基础的要求也很广泛4教学运用考核考核n以上课的内容为主n作业占30％n期末考试占70％5教学运用第一章第一章 生物力学概论生物力学概论n n什么是生物力学：研究对象、目的和意义什么是生物力学：研究对象、目的和意义n n生物医学工程简介生物医学工程简介n n生物力学在生物医学工程中的位置生物力学在生物医学工程中的位置n n生物力学发展史生物力学发展史n n现代生物力学的主要内容现代生物力学的主要内容n n生物力学的未来和发展趋势生物力学的未来和发展趋势本章主要内容本章主要内容6教学运用1.1 生物力学生物力学：：它它的研究对象、目的和意义的研究对象、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。

7教学运用1.1.1 生物力学的研究范围生物力学的研究范围n n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、器官从生物整体到系统、器官( (包括血包括血液、体液、脏器、骨骼等液、体液、脏器、骨骼等) )，从鸟飞、鱼游、鞭毛和纤，从鸟飞、鱼游、鞭毛和纤毛运动到植物体液的输运等毛运动到植物体液的输运等n n生物力学的基础生物力学的基础是能量守恒、动量定律、质量守恒三是能量守恒、动量定律、质量守恒三定律，并加上描写物性的本构方程定律，并加上描写物性的本构方程n n生物力学重点生物力学重点是研究与生理学、医学有关的力学问题是研究与生理学、医学有关的力学问题 n n目前热点正目前热点正逐渐向细胞、分子层次发展逐渐向细胞、分子层次发展 8教学运用1.1.2 生物力学的意义生物力学的意义n n用力学方法和原理解决生物医学问题用力学方法和原理解决生物医学问题n n生物力学的研究，加深了对血液流变特性与疾病生物力学的研究，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等人工器官的设计例：罗例：罗叶泵叶泵9教学运用1.1.3 生物力学的研究对象生物力学的研究对象n n目前在目前在生物生物力学研究方面较为瞩目的研究领域包括力学研究方面较为瞩目的研究领域包括骨骨组织的组织的结构与受力分析、结构与受力分析、血液血液在在血管血管及及毛细血管毛细血管网络中的流动规律、网络中的流动规律、心脏心脏的瓣膜运动、的瓣膜运动、生物材料生物材料的制备、的制备、细胞细胞乃至乃至分子分子层次的生层次的生物力学问题物力学问题等 ØØ生物材料力学生物材料力学ØØ生物流体力学生物流体力学ØØ生物固体力学生物固体力学ØØ运动生物力学运动生物力学ØØ生物热力学生物热力学10教学运用1.1.3.1 生物材料力学生物材料力学n n生物体材料生物体材料n n力学特性力学特性n n本构方程：应力～应变，应力～应变率本构方程：应力～应变，应力～应变率n n流变学：物质变形和流动流变学：物质变形和流动n n实验：在体和体外实验：在体和体外n n多相、非均匀、各相异性特征：半多相、非均匀、各相异性特征：半经验经验11教学运用生物力学生物力学与其他力学分支最重要的差别是：其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，有对象的生物材料，有在体在体和离体之分在体生物和离体之分在体生物材料一般处于受力材料一般处于受力状态（如状态（如血管、血管、肌肉），肌肉），一旦一旦游离出来则处于自由状态，即非生理状态游离出来则处于自由状态，即非生理状态( (如血管、如血管、肌肉一旦游离，当即明显收缩变短肌肉一旦游离，当即明显收缩变短) ) 两种状态两种状态材料的实验结果差异较大材料的实验结果差异较大 12教学运用 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13教学运用环境的影响环境的影响环环境境对对生生理理的的影影响响也也是是生生物物力力学学的的一一个个研研究究内内容容众众所所周周知知，，氧氧对对生生物物体体的的发发育育有有很很大大影影响响，，在在缺缺氧氧环环境境下下生生物物体体发发育育较较慢慢，，在在富富氧氧环环境境下下发发育育较较快快。

即即使使在在短短期期内内，，环环境境的的影影响响也也是是明明显显的的实实验验表表明明：：在在含含10%10%的的氧氧气气、、压压力力为为一一个个大大气气压压的的环环境境中中的的幼幼鼠鼠，，即即使使只只生生活活2424小小时时，，在在直直径径为为1515～～3030微微米米的的肺肺小小动动脉脉壁壁下下，， 也也会会出出现现大大量量的的纤纤维维细细胞胞若若延延续续4 4～～7 7天天，，纤纤维维细细胞胞则则会会过过渡渡为为典典型型的的平平滑滑肌肌细细胞胞，，这这无无疑疑会会影影响响肺肺循循环环中中血血液液的的流流动动又又如如处处于于高高加加速速度度状状态态中中的的人人，，其其血血液液的的惯惯性性会会有有明明显显的的改改变变，，悬悬垂垂器器官官会会偏偏离离原原位位，，从从而而改改变变体体内内血血液液的的流流动状态 14教学运用1.1.3.2 生物流体力学生物流体力学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。

理论和流变学有关的力学问题 n n体液流动体液流动n n内流和外流内流和外流n n心血管系统心血管系统n n血管床的形态复杂性血管床的形态复杂性n n周期性脉动流周期性脉动流n n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15教学运用1.1.3.3 生物固体力学生物固体力学 生生物物固固体体力力学学是是利利用用材材料料力力学学、、弹弹塑塑性性理理论论、、断断裂裂力力学学的的基基本本理理论论和和方方法法，，研研究究生生物物组组织织和器官中与之相关的力学问题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16教学运用1.1.3.4 运动生物力学运动生物力学运动运动生物力学是用静力学、运动学和动力学的基本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、比较深入的领域深入的领域 n n体育运动、宇航、运动仿生体育运动、宇航、运动仿生体育运动、宇航、运动仿生体育运动、宇航、运动仿生n n生物体运动原理生物体运动原理生物体运动原理生物体运动原理n n康复医学工程：包括各类康复医学工程：包括各类康复医学工程：包括各类康复医学工程：包括各类假肢的假肢的假肢的假肢的优化和设计，足部应力、关优化和设计，足部应力、关优化和设计，足部应力、关优化和设计，足部应力、关节运动等节运动等节运动等节运动等 17教学运用在在运运动动生生物物力力学学的的研研究究中中，，首首先先要要建建立立人人体体力力学学模模型型，，通通常常把把人人设设想想为为由由有有限限个个以以球球铰铰联联结结的的链链系系统统。

因因为为人人体体各各相相邻邻分分体体之之间间存存在在肌肌肉肉作作用用力力，，所所以以人人体体力力学学模模型型应应是是包包含含肌肌肉肉动动力力系系统统的的特特殊殊刚刚体体系系人人与与动动物物的的骨骨骼骼和和肌肌肉肉的的受受力力状状态态，，如如手手提提重重物物时时手手臂臂骨骨骼骼与与二二头头肌肌的的受受力力，，脊脊柱柱与与脊柱肌的受力等可用静力学方程求解脊柱肌的受力等可用静力学方程求解 18教学运用 在在人人体体运运动动中中，，应应用用动动力力学学的的基基本本原原理理、、方方程程去去分分析析计计算算运运动动员员跑跑、、跳跳、、投投掷掷等等多多种种运运动动项项目目的的极极限限能能力力，，其其结结果果与与奥奥林林匹匹克克运运动动会会的的记记录录非非常常相相近近在在创创伤伤生生物物力力学学方方面面，，以以动动力力学学的的观观点点应应用用有有限限元元法法，，计计算算头头部部和和颈颈部部受受冲冲击击时时的的频频率率响响应应并并建建立立创创伤伤模模型型，，从从而而改改进进头头部部和和颈颈部部的的防防护护并并可可加加快快创伤的治疗创伤的治疗 19教学运用1.1.3.5 生物热力学生物热力学n n新陈代谢n n非平衡态开放（能量交换）系统n n生物传热：冷冻疗法的热量控制，生物传热控制方程20教学运用1.1.3.6 人体工程生物力学人体工程生物力学人体人体工程工程生物力学：生物力学：（（humanhuman   bodybody   engineeringengineering   biomechanicsbiomechanics）是）是研究人与劳动工具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。

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　　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产劳动的愿望，这门学科将得到快速发展21教学运用1.2 生物力学发展史生物力学发展史生物力学生物力学一词虽然在一词虽然在2020世纪世纪6060年代才出现，但它年代才出现，但它所涉及的一些内容，却是古老的课题所涉及的一些内容，却是古老的课题 独立独立学科：学科： 到了到了2020世纪世纪6060年代，一批工程科学年代，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，使生物力学逐渐成研究，使生物力学逐渐成 为了一门独立的学科。

其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流变学等 22教学运用更早的渊源更早的渊源pp伽利略伽利略（（15641564～～16421642）：心率）：心率pp哈维（哈维（15781578～～16581658）：心输出，血循环假说）：心输出，血循环假说ppBorelli(1680)Borelli(1680)：运动力学模型：运动力学模型ppEulerEuler：脉搏在动脉内传播的基本方程：脉搏在动脉内传播的基本方程ppT. YoungT. Young：声带发声，杨氏模量的：声带发声，杨氏模量的引出引出23教学运用近代发展近代发展n n近代发展近代发展l lFrankFrank的风箱模型的风箱模型l lHillHill的肌肉力学，希尔因肌肉力学的工作获得的肌肉力学，希尔因肌肉力学的工作获得19221922年诺贝尔奖金年诺贝尔奖金 l lKroghKrogh的的微微循循环环力力学学模模型型，，克克罗罗格格由由于于在在微微循循环环力力学学方方面面的的贡贡献献获得获得19201920年诺贝尔奖金年诺贝尔奖金 n n黑箱模型的优点和缺陷黑箱模型的优点和缺陷l l为复杂系统建模为复杂系统建模l l主观任意性主观任意性n n现代生物力学之父现代生物力学之父l l冯元桢冯元桢24教学运用1.3 生物力学生物力学的研究方法的研究方法进进行行生生物物力力学学的的研研究究首首先先要要了了解解生生物物材材料料的的几几何何特特点点，，进进而而测测定定组组织织或或材材料料的的力力学学性性质质，，确确定定本本构构方方程程、、导导出出主主要要微微分分方方程程和和积积分分方方程程、、确确定定边边界界条条件件并并求求解解。

对对于于上上述述边边界界问问题题的的解解，，需需用用生生理理实实验验去去验验证证若若有有必必要要，，还还需需另另立立数数学学模模型型求求解解，，以以期期理理论论与与实验相一致实验相一致 25教学运用研究步骤研究步骤1 1首首先先要要考考虑虑生生物物的的形形态态、、器器官官以以及及组组织织的的解解剖剖绪绪构构和和微微结结构构，，充分认识研究对象的几何特征，建立合理的物理模型；充分认识研究对象的几何特征，建立合理的物理模型；2 2测测定定组组织织或或材材料料的的力力学学性性质质，，即即确确定定本本构构力力程程对对活活组组织织的的测测量量，，困困难难是是很很大大的的通通常常的的做做法法是是对对所所研研究究的的材材料料通通过过分分析析先先给给出出其其本本构构关关系系的的某某种种数数学学表表达达式式，，在在此此数数学学表表达达式式中中保保留留若若干待定常数，这些常数可以通过在体或离体实验来确定；干待定常数，这些常数可以通过在体或离体实验来确定；3 3根根据据物物理理学学中中的的基基本本原原则则( (质质量量守守恒恒、、动动员员守守恒恒、、能能量量守守恒恒和和等等等等) )和和生生物物组组织织的的本本构构方方程程，，导导出出描描述述所所研研究究对对象象的的微微分分方方程或积分方程；程或积分方程； 26教学运用1 1根据根据器官的工作环境，得到有意义的边界条件；器官的工作环境，得到有意义的边界条件；2 2运用运用解析方法或数值计算求解问题：解析方法或数值计算求解问题：3 3进进行行生生理理实实验验，，以以验验证证上上述述问问题题的的解解的的合合理理性性，，必必要要时时对对原原模模型型加加以以修修正正乃乃至至重重新新建建立立方方程程或或边边界界条条件件进进行行求求解解，，以期使理论与实验一致；以期使理论与实验一致；4 4探讨探讨理论与实验结果在实际中的应用。

理论与实验结果在实际中的应用研究步骤研究步骤27教学运用1.4 生物力学与生物医学工程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（Biomedical Engineering, 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28教学运用我我国国著著名名科科学学家家顾顾方方舟舟先先生生在在““中中国国生生物物医医学学工工程程的的今今天天与与明明天天””一一书书中中这这样样写写到到““生生物物医医学学工工程程学学是是这这样样一一门门学学科科：：它它把把人人体体各各个个层层次次上上的的生生命命过过程程（（包包括括病病理理过过程程））看看作作是是一一个个系系统统的的状状态态变变化化的的过过程程；；把把工工程程学学的的理理论论和和方方法法与与生生物物学学、、医医学学的的理理论论和和方方法法有有机机地地结结合合起起来来去去研研究究这这类类系系统统状状态态变变化化的的规规律律，，并并在在此此基基础础上上，，应应用用各各种种工工程程技技术术手手段段，，建建立立适适宜宜的的方方法法和和装装置置，，以以最最有有效效（（目目标标的的实实现现和和经经济济成成本本））的的途途径径，，人人为为地地控控制制这这种变化，以达预定的目标种变化，以达预定的目标。

29教学运用 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30教学运用以以人人工工心心脏脏瓣瓣膜膜这这一一典典型型的的生生物物医医学学工工程程项项目目为为例例，，为为了了进进行人工心脏瓣膜的设计和制造，人们需要作如下工作行人工心脏瓣膜的设计和制造，人们需要作如下工作：：①①了了解解心心脏脏瓣瓣膜膜开开启启和和关关闭闭的的机机理理，，弄弄清清人人体体心心脏脏瓣瓣膜膜的的运运动动学和力学特性（定量生物力学）；学和力学特性（定量生物力学）；②②解解决决人人工工心心脏脏瓣瓣膜膜材材料料问问题题（（相相容容性性、、毒毒性性、、力力学学性性质质和和制制备工艺等）；备工艺等）；③③了了解解人人工工心心脏脏机机械械瓣瓣和和生生物物瓣瓣的的力力学学特特性性和和疲疲劳劳寿寿命命，，以以及及植入心脏后的长期生物效应等植入心脏后的长期生物效应等 。

人人工工心心脏脏瓣瓣膜膜的的制制作作和和质质量量控控制制与与监监测测等等还还要要涉涉及及一一系系列列工工程程问题，此外还有成本控制问题问题，此外还有成本控制问题31教学运用中国生物医学工程学科中国生物医学工程学科pp在在我我国国, ,生生物物医医学学工工程程做做为为一一个个专专门门学学科科起起步步于于2020世世纪纪7070年年代代, ,中中国国医医学学科科学学院院、、中中国国协协和和医医科科大大学学原原院院校校长长、、我我国国著著名名的的医医学学家家黄黄家家驷驷院院士士是是我我国国生生物物医医学学工工程程学学科科最最早的倡导者早的倡导者pp19771977年年中中国国协协和和医医科科大大学学生生物物医医学学工工程程专专业业创建创建32教学运用生物力学生物力学与生物医学工程学的相互关系与生物医学工程学的相互关系生物力学生物力学(Biomechanics)(Biomechanics)与生物医学工程的关系就像力学与其他自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然科学的关系一样，它是生物医学工程学的理论基础理论基础，它也是生物医，它也是生物医学工程学工程应用技术的基础应用技术的基础。

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、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、修复术等等的基础之一外科学、修复术等等的基础之一33教学运用1.5 生物力学的发展趋势生物力学的发展趋势n n生生物物力力学学最最基基本本的的研研究究内内容容之之一一是是确确定定生生物物体体、、组组织织器器官官的的力力学学性性质质，，特特别别是是其其应应力力与与应应变变的的规规律律即即本本构构规规律律，，最最终终希希望用数学的形式表态出来，即望用数学的形式表态出来，即本构方程本构方程。

n n对对人人体体的的研研究究，，正正朝朝着着微微观观和和系系统统综综合合两两个个方方向向发发展展前前者者如如细细胞胞力力学学，，为为生生命命体体的的各各个个基基本本层层次次建建立立本本构构关关系系或或力力学学模模型型奠奠定定基基础础；；后后者者则则在在组组织织和和流流体体研研究究的的基基础础上上，，建建立立各各个个器器官官的的力力学学模模型型这这些些研研究究将将进进一一步步揭揭示示人人体体生生命命现现象象，，并为研制各种人工脏器及新型仪器提供理论依据并为研制各种人工脏器及新型仪器提供理论依据34教学运用。