生物力学课程——生物力学绪论(新).ppt

書式設定,書式設定,第 2,第 3,第 4,第 5,*,科学上的新理论、新发明的产生，新的工程技术的出现，经常是在学科的边缘或交叉点上，交叉学科将使科学本身向着更深层次和更高水平发展，这是符合自然界存在的客观规律的。,生物医学工程是一门由理、工、医相结合的边缘学科，是多种工程学科向生物医学渗透的产物。它是运用现代自然科学和工程技术的原理和方法，从工程学的角度，在多层次上研究人体的结构、功能及其相互关系，揭示其生命现象，为防病、治病提供新的技术手段的一门综合性、高技术的学科。生物医学工程学科是一门高度综合的交叉学科，这是它最大的特点。,生物医学工程主要研究范畴,一.生物力学的研究对象,力学是研究力作用下物体运动、变形和破损规律的科学。,生物学是研究生命的生长与衰亡的科学。,生物力学是两大学科的结合，是应用力学原理和方法研究生物体中的力学问题。包括生物体从整体到各个器官生长、消亡和运动中的力学问题，以及与生物体有关的流体与气体的运动和交换。,生物力学利用连续介质力学、多相介质力学、断裂损伤力学和流变力学等力学基本原理，,结合生理学、医学、生物学来研究生物体，特别是人体的功能、生长、消亡以及运动的规律，,最终服务于临床诊断与治疗，生物医学工程与技术等高新技术领域，以及人类保健事业。,目前，生物力学的研究对象主要是以复杂的人体为主。,由此可见，生物力学是生命科学的重要组成部分，也是,生物医学工程,和,应用力学,新的分支科学。它是多种学科相互交叉、相互渗透所形成的一门新兴边缘学科。,例：,生长与应力的关系及临床应用问题,生物组织的生长是一种细胞的活动。因而就其本质而言,它的研究属于细胞分子生物学、化学和生物化学范畴。但从分子,、细胞、组织,到器官,力学也是不可轻视的因素。因为各种生物活动和机体活动过程中的多个阶段都会受到各式各样的力的作用。,像,食物与食道间的相互作用力,牙齿咀嚼作用产生的力,声音传播对机体的作用力,乃至红血球通过血管遇到的阻力、,细胞分裂时自身产生的,缢,束力等等。,可见,在生物体内受力的作用随处可见,有些是不可避免的,。,了解了力与生物体特别是人体生长的关系便可以主动采取有效的措施,使之产生良好的作用。,血液流动对血管壁产生的摩擦力,.,红血球通过血管遇到的阻力,长久以来，生长与应力关系的研究一直是生物力学家追求产生良好结果的目标。例如：,二.为什么了解生物力学,如果没有生物力学就不能很好的了解生理学和医学就好象没有空气动力学就不可能很好的了解飞机的性能，也不可能进行合理的设计。不仅如此，飞机设计上的重大改进，差不多总是与固体力学和流体力学的的基本进展相关联。,同样的，对于一个器官而言，生物力学可以有助于了解器官的功能，由功能的变化来推知变化的生理或病理，提出人为干预的方法。例如,:,三.,21世纪生物力学的发展,特点,生物力学的发展大概分成了以下三 个主要阶段:,这一阶段大概从 18 世纪开始到20 世纪 50 年代以前,生物力学并未形成一个独立的学科。,所有的研究工作均纳入固体力学、流体力学或刚体动力学范畴,人们对骨的研究主要采用工程材料实验法。对血液在血管的流动多采用简化的刚性管、弹性管模型。,主要是宏观力学行为的研究,。,第二阶段大致从20世纪50年代以后,生物力学逐渐形成了一个独立的有生命力的边缘学科,这阶段的研究工作,主要是探讨生物组织在,生理,环境,下力学特性的研究，根据人类各器官生理功能特征构造,力学模型,进行力学分析,开展了多种实验研究。,第三阶段从20世纪末开始,这一阶段在研究方法、研究手段和研究思想上都将大为提高主要表现在从宏观现象研究,进一,步从细观、微观方法去探讨问题的物理的、化学的、生物的、力学的本质特性,多学科结合,从组织器官水平走向细胞水平、分子水平。,随着细胞和分子生物学的发展，生物力学的研究已从器官、组织水平深入到细胞、分子、基因水平，由此产生了一门新兴的交叉学科,力学生物学,（,mechanobiology,）。,虽然从字面上看，力学生物仅改变了生物力学的词序，但是其概念和内涵与生物力学有很大的区别。,力学生物学的概念和内涵与生物力学不同主要表现在：,力学生物学将力学研究重心从力学移到生物学，侧重于研究机械力如何调控组织的形态和结构，即研究组织如何通过细胞对力学刺激产生反馈，维持形态结构，并适应环境。,生物力学，侧重于研究生物体中力的作用机制。,以骨的研究为例：如果为了研究多大的应力作用于骨骼后将导致其骨折，则属于生物力学研究范畴。而如果为了研究骨的形态结构如何随作用于骨的应力而变化，则属于力学生物学研究范畴。,力,敏感离子通道,G,蛋白,酪氨酸激酶,整合素受体,细胞骨架,使细胞感受体内外力学刺激,将力学刺激信号转化为细胞,生物化学信号,力相关敏感基因表达，,合成各种酶类等活性物质,，,激活信号网络级联反应,一系列复杂的生理病理活动,因此，力学生物学通过研究生物体的力学信号感受和响应机制，将侧重点从力学移到生物学，弥补了生物力学研究中难以推断力学环境对生物体生物学影响和作用的不足。,三.生物力学研究内容,按传统力学的分类方法，生物力学分为以下几方面：,1生物材料力学,2生物流体力学,3生物固体力学,4运动生物力学,5生物热力学,1生物材料力学,生物材料力学是研究组成生物体的材料,所具有的力学性质。,生物材料包括:,生物硬组织,（骨、软骨、牙齿、甲壳等）,，,生物软组织,（肌肉、皮肤、血管、生物膜）,体液（血液、淋巴液、唾液等）,。,生物材料是生物的基本组成部分，研究其力学性质就要给出生物材料的本构方程，即应力和应变关系或应力和应变率的关系。,由于生物材料一般并不简单地服从以虎克定律为基础的弹性力学规律，,也不单单服从以牛顿粘性定律为基础的流体力学规律，,研究研究生物材料的本构关系是以实验为前提的，,进行实验最大的困难在于很难取得活体情况下测量的数据，尤其是软组织和体液，一旦离开了活体其性能就发生很大变化，但在体测量难度很高，因而目前的各项研究工作常常因缺少活体组织本构方程的资料而受到局限。,研究生物材料的另一方面的困难是它们不同于一般的工程材料，而往往是具有多相，非均匀，各向异性等特征。,此外不同生理状态下生物材料的力学性质差异很大，其本身还参与代谢活动，这些都是生物力学所面临的新问题。,尽管如此，力学工作者仍在进行不懈的努力，想方设法获取尽可能接近活体的资料，初步建立了一些半经验的本构方程。,2生物流体力学,生物流体力学研究各种体液在生物体中的流动规律,以及生物体在其他流体介质(如空气水等)中的运动规律。,包括外流与内流，内流有血液循环系统，呼吸系统，淋巴系统，泌尿系统等等。,其中尤以心血管系统的流体力学最为引入注目。因为，不仅血液循环系统对维持人的生命有着重要的作用，而且世界上心血管疾病的发病率和死亡率最高，因而这方面的研究工作引起了普遍的重视。,就心血管系统而言，其包含的研究内容也是极为丰富的。,根据研究对象的不同可以分成动脉中的血液流动，静脉中的血液流动，微循环动力学，心脏动力学等等。,由于人体的血管系统高度枝化,几何形状极为复杂,血液在其中流动为周期性的脉动流,血管壁的非线性粘弹性,血液的非牛顿性,脉博波的传播和反射等等,研究工作的复杂性和高难度是可想而知的。,3生物固体力学,生物固体力学是从力学的角度来研究各种组织器官乃至整个系统的形状，结构及其功能之间的关系。,例如对骨，软骨，关节和骨骼系统的研究，,对牙齿，牙床结构的力学分析等等。,它关系到创伤的治疗和防护，矫形，移植以及人造材料的研制与应用，尤其是骨骼和关节力学的研究已成为当前生物力学最活跃的分支。,4运动生物力学,运动生物力学这一分支的出现是与,体育运动，,宇航事业,以及运动仿生技术的发展密切相关的,。,运动生物力学是研究生物体运动原理的一门学问。例如人体的正常运动是适应于地球引力场的，运用力学的原理分析运动的过程就可以在体育运动中采取合理的训练方法，设计新颖而科学的动作，充分发挥运动员的潜力，不断提高体育运动的水平。,5生物热力学,生命就意味着不断的新陈代谢。生物体被认为是一个非平衡态的热力学开放系统。生物体内部以及生物体与周围环境之间不停地进行着物质和能量的交换。,生物热力学就是试图应用热力学的观点来阐述生命现象，以及生命是如何通过物质的输运和能量补充与消耗而得以维持的。,四.,生物力学,的研究方法,生物力学作为一门新兴的边缘学科,近年来,已有了很大的发展。但这一学科的深入研究仍存在多方面的困难。,例如,难以得到理想的活组织的实验资料,;,生物体的个体差异性很大,难以给出可靠的本构关系,没有本构关系,力学问题便难以着手分析。,生物力学的研究方法仍然离不开成熟的连续介质力学的传统有效的方法。这就是,:,由各种形式的实验获得的物理现象建立合理的简洁的力学模型,对所建模型进行理论分析,得出各种运动平衡的规律,再回到实践,(,或实验,),中去检验,经过多次修改力学模型,以期得到满意的结果。,总之,生物力学的研究方法主要是:,(1)用解剖学方法确定所研究对象结构的,几何特征。,(2)用材料力学的宏观与微观的方法,确定,所研究对象的力学特性,给定本构关系。,(3)根据器官或系统的工作情况,建立合理,的力学模型,推导相应的微分方程或微分,一积分,方程,。,(4),给出该方程的解析解、或数值解、或近,似解等。,(5)建立相应的实验方案,做生理实验及,实验室的在体或离体实验。,(6)反复对比修正,以期得到有临床应用价,值的结果。,肌肉力学,骨骼力学,心脏力学,血管力学,血液循环力学,血液流变学,