生物力学-绪论

（博士生）综合基础课生物力学,王力TelE-mail:wltj1212,教课书课时考核形式成绩基本要求参考书,课程基本说明,人民卫生出版社杨华元,365472,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,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：,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：,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：,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,JournalofBiomechanicsJournalofBiomechanicalEngineering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：,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,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,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,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,与其它学科的关联,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,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。”,冯元桢（Yuan-ChengB.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。,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,人的整体,各个器官,生命的过程,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,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,1.1生物医学工程的定义,？,WhatisBiomedicalEngineering(BME),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,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,对生物医学工程三个有代表性的定义表述,“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,SomeExamples现代医学的主要任务：诊断治疗康复预防,(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,含纳米二氧化钛、纳米银的抗菌涂料,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.,(2)、医学诊断中的生物医学工程,激光手术、-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,(3)、医学治疗中的生物医学工程,人工生物瓣,畸形矫正人工义肢可视义眼人工耳膜,(4)、医学康复中的生物医学工程,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,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,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,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,1.2BME的研究内容和基本任务,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,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,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,研究内容,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,主要研究领域,生物力学生物材料学人工器官生物系统建模与仿真生物医学信号与传感器生物医学信息处理医学图像技术物理因子在治疗中应用及生物学效应,各研究领域既相互独立，又相互交叉，相互支撑,1.3生物医学工程的特点,新兴、综合、交叉与边缘科学,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,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,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,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,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),1.4生物医学工程的发展,1.4.1生物医学工程发展历史,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,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,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,1.4.2生物医学工程发展现状,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,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,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,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,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,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,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、刀、细胞刀、康复辅助系统,1.4.3.生物医学工程产业发展,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,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,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1520,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,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,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,1999年，国家制订“中国生物医学工程产业发展纲要”,“培育生物医学工程产业，使之保持1520的增长率，到2005年工业总产值达到400500亿元，2010年达1000亿元的发展目标”,机遇与挑战并存OpportunityandChallenge!生物医学工程领域大有可为,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。,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,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,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,（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,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,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。,三、讲授内容（见课本）,力学基础（第二章）骨力学（骨骼第三章）关节力学（关节、脊柱第四、五章）软组织力学（软组织第六章）血液循环力学（血液第七章）血液流变学（血液第七章）,骨力学软力学流力学骨软流力学,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）,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。,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。,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。,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）,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,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,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,第二.骨伤科疾病的病理变化也是力作用的表现,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,第四.生物力学的发展促进骨伤科临床治疗的提高,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（1578-1658）证明了血液流动的单向性，提出了血液循环的概念,1661年Malpighi,发现：微循环,*1638年Galileo,*1670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,*1670年笛卡尔,模型：动物结构模型,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,*1680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,*1700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,*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。,*1800年Young,建立：声带发音弹性力学理论创造：光的波动性,杨氏（伦敦医生物理学家）杨氏模量就是以他的名字命名的。,*1846年Wertheim,测定：骨的应力-应变曲线,*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,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）,VonHelmholtz（生物工程之父生理、病理、解剖、物理学教授）眼底镜（眼的聚焦机理），神经传播速度30m/s，,*1891年VonHelmholtz,发明：用水银压力计测量主动脉血压发现：泊肃叶定律,Fick(生理学家）,*1895年Fick,得出：扩散理论,Korteweg(流体力学家）,*1898年Korteweg,得出：波在血管中的传播,O.Frank(1899年）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,S.Hales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。,*1930年Hales,提出：外周阻力的概念研究：动脉血管的膨胀特性,E.H.Starling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。,*1935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,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,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,冯元桢钱煦BMZweifachSSSobinJLighthillRSkalak毛昭宪等,*本世纪60年代：,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：,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,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,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,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,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,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,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,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