生物力学-绪论课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,36 54 72,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,：,Journal of Biomechanics,Journal of Biomechanical Engineering,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,What is Biomedical,Engineering (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,工程应用学说,三合一学说,生物医学工程,结合学说,“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,Some Examples,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,XCT,放射性核素成像,彩色多普勒超声图像,心电监视仪,彩色B型超声仪,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,全人工心脏,膜式人工肺,组织工程骨修复,胰岛素药泵,介入治疗导管,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,生物,医学工程,工程学,生物学,医 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,1.2 BME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,Opportunity and Challenge!,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,胸大肌,肱二头肌,三角肌,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,Robert Boyle（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,Jean Poiseuille（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）,Von Helmholtz,（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,Von Helmholtz,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,BMZweifach,S S Sobin,JLighthill,RSkalak,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、应用生物实体（活、死）进行现场分析研究,第四节,主要前言领域发展趋势和热点,趋势和特点,内涵扩大：生物医学工程；生物工程,有机融合：生命科学与工程科学,微观深入：细胞,-,亚细胞,-,分子层次,宏,-,微观相结合：信息整合,主要前沿领域,细胞-分子力学与工程,器官-组织力学与工程,骨骼-肌肉-关节力学与工程,生物力学新概念、新技术与新方法,，,主要前沿领域,生物信号处理与系统分析（,Biological Signal Processing and Systems Analysis,）,细胞,-,组织力学（,Cell and Tissue Biomechanics,）基因治疗与药物输运（,Gene Therapy and Drug Delivery,）,分子,-,细胞,-,组织工程（,Molecular,Cellular,and Tissue Engineering,）图象化、图象处理与医学可视化（,Imaging,Image Processing,and Medical Visualization,）,心血管与肺系统（,Cardiovascular and Pulmonary Systems,）,传感器、医学仪器与生物微系统（,Sensors,Instrumentation,and BioMEMS,）,遥医学、临床工程与健康保障系统（,Telemedicine,Clinical Engineering,and Health Care Systems,）,神经系统与工程（,Neural Systems and Engineering,）空间医学（,Space Medicine,）,生物信息学与系统生物学（,Bioinformatics and Systems Biology,）,医学中的激光与光学（,Lasers and Optics in Medicine,）,矫形、康复与机器人（,Orthopaedics,Rehabilitation,and Robotics,）,摸底（随堂）,1、静脉血与动脉血的不同,2、神经脉冲的传播速度,3、肌肉的分类 常见肌型,4、腿外展肌的组成,5、松质骨与密质骨的不同,6、腓骨短肌腱附着点 跟腱附着点,7、骨小梁与骨小体的定义,8、成骨细胞和破骨细胞浆液的酸碱性,9、肌微丝的构造,10、Krebs-Ringer溶液的配制,11、压电效应,12、Maxwell方程,