12-软组织力学特性ppt课件

1、第十二章 软组织力学特性1、皮肤皮肤生物力学测试研讨对于了解和掌握皮肤的生理功能、正确评价临床皮肤移植以及新型皮肤替代资料具有重要意义。所谓皮肤生物力学Skin Biomechanics，即是运用生物力学的方法来处理皮肤病理的相关问题，属于生物固膂力学的研讨范畴。皮肤作为人体最大的器官，分为表皮、真皮和皮下组织，是构成生命有机体的重要组成成分，它受神经、体液、代谢以及理化环境的共同调控，具有多种生理功能，其中许多功能的实现都有赖于其生物力学特性，如粘弹性、张力、抗压力等。皮肤的构造和功能皮肤软组织，是一种非线性黏弹性资料。皮肤生物力学，属于生物黏弹性固膂力学的研讨范畴。几乎一切的生物固体都是黏

2、弹性体，可分为硬组织如软骨和骨骼等和软组织如皮肤、血管、韧带、神经、肌肉和心脏瓣膜等。不同的组织和器官，有的“弹性较强，有的“粘性较强，程度是有所差别的。如上图所示，人体皮肤的构造分为表皮、真皮和皮下组织。皮肤的力学特性皮肤是软组织，与其它生物软组织在力学特性上是类似的，如动脉、血管、心脏瓣膜和肌肉等，它们都有应力-应变关系、应力松弛、蠕变、滞后、各向异性等性质，以及需求预调。应力-应变关系对试件以恒定的应变速率加载，到达预定的张力后立刻以一样的速度卸载，就得到试件的应力-应变关系曲线。皮肤的应力-应变关系反映皮肤在不同应力作用下组织形变的才干，是反映皮肤粘弹性的一个目的。普通生物软组织的力学

3、实验都需求经过反复多次5次循环加载和卸载过程，才干得到稳定的应力-应变关系曲线，这一过程称成为预调。每次加载卸载过程中，应力呼应都会出现滞后环，这就是所谓的滞后景象。但滞后环会逐渐减弱，最后也趋于一个稳定的形状。皮肤的应力-应变关系不服从虎克定律，应力随着应变的添加比虎克定律估计的要快得多，是非线性的关系。Lanir和Fung在1974年测得了兔腹部皮肤在体时情况下的二维力学性质，而后Schneider等在同样的安装上进展了人体皮肤的二维应力-应变实验。以下图为兔腹部皮肤的力-伸长率关系曲线。 他们得到，皮肤应力-应变关系的非线性以及应力相应的滞后景象是由皮肤的各向异性呵斥的。根据实验结果，他

4、们初次证明了皮肤的力学性质是具有由正交各向异性的，并且当以常应变率加载-卸载时应力-应变关系根本与应变率无关。应力松弛皮肤的应力松弛特性是指在维持组织应变不变的情况下，应力随时间下降的特性，即让皮肤先伸展到一定长度，然后坚持此长度不变，其所需的应力随时间逐渐减小。应力松弛是松弛特性是生物软组织的一个重要特征。同样的松弛时间内，皮肤松弛程度越大，那么其粘弹性越低。它有赖于相应的应变程度，假设初始应变低于某一定值，那么经过一段时间后，应力曲线那么成程度曲线，如以下图所示：同时，皮肤二维拉伸实验结果阐明，两个主应力分量按不同方式松弛，阐明了皮肤是各向异性的粘弹性体。通常采用归一化松弛实际分析处置，得

5、到归一化的松弛曲线，反映皮肤粘弹性目的。蠕变 蠕变那么是指给予皮肤一定的应力，并坚持不变，皮肤可随时间的添加而逐渐拉长。 由于皮肤具有蠕变特性，所以在扩张器注水扩张时能被逐渐扩张；同时应力松弛特性的存在允许皮肤能进展下一次的注水。Gibson将蠕变分为机械性蠕变和生物学蠕变。后者伴有代谢的添加和组织增殖，故皮肤的扩张属于生物学蠕变。皮肤扩张后其生物力学特性也发生了变化。Schneider以豚鼠为实验模型，研讨发现，扩张后皮肤的应变下降了67.4%，最大刚性下降了64.9%，抗拉强度下降了35%，阐明扩张后皮肤的弹性和强度降低。Timmenga以兔作为动物模型，得到了类似的结论，扩张后皮肤刚性下

6、降了60%，最大刚性和断裂点之间的畸变添加了20%，阐明扩张后皮肤的粘弹性降低。Bartell研讨了鼠、豚鼠、狗、猪等动物扩张后的皮肤生物力学、组织学和扩张特性，经过和人的皮肤来源于行腹壁整形术的患者的比较后发现，狗皮肤的生物力学特性与人皮肤的最为接近，可作为研讨人体皮肤扩张术的最理想的模型。Jaminson和Galford等人都做了皮肤的蠕变实验，以下图为猴子头部皮肤的蠕变实验曲线。可以看出，在实验的100秒内，蠕变根本上是对数时间的线性函数。总之，皮肤是粘弹性体，有如下生物力学特性：遭到循环加载和卸载时有滞后景象；应力应变关系是非线性的；在坚持常应变时，具有应力松弛景象，且应力松弛依赖于相

7、应的应变程度；当坚持常应力时，表现为蠕变景象，蠕变依赖于相应的应力程度；皮肤的各向异性可以由不同方向上的应力-应变关系看出，皮肤的蠕变和应力松弛，也表现出各向异性。2、肌肉肌肉的收缩方式：一等长收缩 当肌肉收缩产生的张力等于外力时，肌肉积极收缩但长度不变，这种收缩方式称等长收缩。肌肉没有做外功，但仍耗费很多能量。等长收缩是肌肉静力性任务的根底，在人体运动中对运动环节固定、支持和坚持身体某种姿态起重要作用。二等张收缩假设使肌肉两端完全游离，收缩时就能自在缩短，不负担任何分量，也几乎不发生张力变化，这种收缩叫等张收缩。三缩短收缩 缩短收缩是指肌肉收缩所产生的张力大于外加的阻力时，肌肉缩短，并牵引骨

8、杠杆做相向运动的一种收缩方式。缩短收缩时肌肉起止点接近，又称向心收缩。四拉长收缩 当肌肉收缩所产生的张力小于外力时，肌肉积极收缩但被拉长，这种收缩方式称拉长收缩。拉长收缩时肌肉起止点逐渐远离，又称离心收缩。与普通资料的特性不同，肌肉收缩时产生的内部拉力普通称张力变化主要依赖于肌节内构造的变化，并因此构成了特殊的肌纤维张力-长度曲线。上图可以看出，当肌节处于静息长度时2 m左右张力最大；当肌节长度到达3.6 m后，自动张力却变为零。肌肉初长度处于适宜程度时，肌节由粗、细肌丝平行构成长度约2.0微米，粗主要由肌球蛋白组成、细主要由肌动蛋白组成肌丝正处于最理想的重叠形状，因此起作用的横桥隶属于粗肌丝

9、，可以和细肌丝相应的位点进展可逆性结合数目最多，表现收缩张力最大。与此相反，假设肌肉拉得太长，粗、细肌丝趋向分别，起作用的横桥数目减少，肌肉张力下降；同样，假设肌肉过于缩短，细肌丝发生变形交错，起作用的横桥数目亦减少，肌张力将急剧下降。肌肉收缩过程正常情况下，肌肉收缩是由神经激动引起，脊髓中运动神经元发出的神经纤维支配全身肌肉，运动神经纤维与肌纤维相接合的点称为神经-肌肉接头。每一肌纤维都接受来自脊髓的运动神经元的支配。一个运动神经元连同它的全部神经末梢所支配的肌纤维，从功能上看是一个肌肉活动的根本功能单位，称为运动单位。当一个运动神经元遭到激发，导致该单元内一切肌肉纤维收缩。当肌肉收到神经脉

10、冲的刺激时，肌质网释放出钙，使肌动蛋白与肌球蛋白的横突接触。在接触的瞬间，ATP酶被激活，它分解ATP，把化学能转化为机械能，呵斥肌球蛋白分子头的运动，拉动肌动蛋白丝，使肌球蛋白和肌动蛋白的重叠部分添加，整个肌纤维那么随之缩短了，同时产生收缩力。张力-肌节长度关系：肌纤维具有自动收缩性，此外，肌纤维及其周围的结缔组织还可以被动承载，因此，整块肌肉伸缩时的张力是自动张力与被动张力之和，如以下图所示：肌肉模型：整块肌肉的力学特性较为复杂，为便于研讨，可将其表示为右图所示的三单元模型：上图中收缩元代表肌肉中有活性的自动收缩成分，当肌肉兴奋时可产生自动张力，其张力的大小与其微观构造有关，骨骼肌处于休憩形状时，收缩元对张力没有奉献。并联弹性元代表肌肉被动形状下的力学特性，主要与自动收缩元周围的结缔组织有关。串联弹性元主要代表自动收缩元的固有特性及与之相串联的部分结缔组织。整块肌肉可以为是由许多这样的模型混联构成，模型的串联构成肌肉的长度，模型的并联构成肌肉的厚度。由多个模型串联而成的肌肉，各个收缩元产生一样的收缩力，每个模型遭到的外力相等