生物医学工程学的基础理论——生物力学

国内（70年代）：
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）。。。。。。
冯元桢（Yuan-Cheng B.Feng)
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。
A . Krogh
建立了微循环的力学模型，并因此而获诺贝尔奖。
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。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。
本世纪60年代：
冯元桢、钱煦、B．M．Zweifach、S． S． Sobin、 J．Lighthill、R．Skalak和毛昭宪等
3. 根据物理学中的基本原则(质量守恒、动员守恒、 能量守恒和等等)和生物组织的本构方程，导出描 述所研究对象的微分方程或积分方程；
4. 根据器官的工作环境，得到有意义的边界条件， 运用解析方法或数值计算求解问题：
5. 进行生理实验，以验证上述问题的解的合理性， 必要时对原模型加以修正乃至重新建立方程或边 界条件进行求解，以期使理论与实验一致； 6. 探讨理论与实验结果在实际中的应用。
生物力学(Biomechanics)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理论基础，它 也是生物医学工程应用技术的基础。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、外科学、修复术等等的基础之一。
Robert Boyle（1627-1691）
研究了肺，阐述了水中的气体与鱼类呼吸的关系
罗伯特•虎克（1635-1703）
虎克定律，细胞
莱昂哈得•欧拉（1707-1783）
提出了脉搏波传播方程
Jean Poiseuille（1799-1869）
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，发现了粘性流的Poiseuille定律
结构
生物 固体力学
功能
形状
运动生物力学
运动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。
体育运动、宇航、运动仿生
生物体运动原理
康复医学工程：包括各类假肢的优化和设 计，足部应力、关节运动等
体液流动
内流和外流 心血管系统 血管床的形态复杂性 周期性脉动流
人工心脏，设计要符合流体力学要求
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。
血管支架 在血管中长期存在，要 考虑对血管的影响 设计不当会影响血流， 加重沉积
生物固体力学
生物固体力学 是利用材料力学、 弹塑性理论、断裂 力学的基本理论和 方法，研究生物组 织和器官中与之相 关的力学问题。
生物力学的意义
用力学方法和原理解决生物医学问题
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、人工心脏瓣膜等人工器官的设计。
以人工心脏瓣膜这一典型的生物医学工程项目为例：
① 了解心脏瓣膜开启和关闭的机理，弄 清人体心脏瓣膜的运动学和力学特性 （定量生物力学）； ② 解决人工心脏瓣膜材料问题（相容性、 毒性、力学性质和制备工艺等）； ③ 了解人工心脏机械瓣和生物瓣的力学 特性和疲劳寿命，以及植入心脏后的 长期生物效应等 。 人工心脏瓣膜的制作和质量控制与监测等还要涉及 一系列工程问题，此外还有成本控制问题。
纳米机器人
生物力学分析软件
生物力学的研究内容
目前在生物力学研究方面较为瞩目的研究领域包括骨组织的结 构与受力分析、血液在血管及毛细血管网络中的流动规律、心 脏的瓣膜运动、生物材料的制备、细胞乃至分子层次的生物力 学问题等。 生物材料力学 生物流体力学 生物固体力学 运动生物力学 生物热力学
第二章 生物力学概论
要求：
1. 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 2.基本的解剖生理学知识
什么是生物力学？
生物力学是解释生命及其活动的力学，是力ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
学与医学、生物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。
……，机械学，电子学，化学，材料学，……
骨的构造 骨由骨膜、骨质 和骨髓构成，有丰富 的血管和神经。活体 内的每一块骨都是一 个活的器官。
骨膜
骺线
骨膜 骨松质 骨密质 骨髓 外板 内板
板障
骨的构造
骨质 骨膜 骨 骨髓 骨密质 骨松质
骺线
红骨髓
黄骨髓 内板 外板
骨膜
骨松质 骨密质 骨髓 骨膜
血管、淋巴和神经 颅骨 骨密质
骨松质-板障
板障
航 天 员 失 重 训 练 体 育 训 练 美 军 机 械 狗
big dog
生物热力学
生物体本身就是一个复杂的非平衡的热力学 系统，生命维持过程中的物质和能量的运输、交 换、补充、消耗都依赖于热力学而存在。
新陈代谢 非平衡态开放（能量交换）系统
生物传热：冷冻疗法的热量控制，生物传 热控制方程
应用：
生物力学的研究特点
生物力学研究的对象是生物体。 作为实验对象的生物材料，有在体和离体。 在体生物材料一般处于受力状态（如血 管、肌肉），一旦游离出来则处于自由 状态，即非生理状态（如血管、肌肉一 旦游离，即明显收缩变短）。 在体实验分为麻醉状态和非麻醉状态两 种情况。
生物力学与生物医学工程学的相互关系
骨膜内的破骨细胞能破坏骨质。
成骨细胞与破骨细胞对骨的发生、生长改造、修复起着 重要作用。
骨质
分骨密质和骨松质两类。
骨密质：
在骨的表面， 由层层紧密排列 的骨板构成，结 构致密坚硬，抗 压、抗扭曲力强。
骨松质
骨松质：骨松质在骨密质的内面，结构疏松，弹 性较大，由许多片状的骨小梁交织排列而成。 呈 蜂窝状，骨小梁与压力的传递方向一致，能承受 很大的压力。
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(包括血 液、体液、脏器、骨骼等)，从鸟飞、鱼游、鞭毛和纤
毛运动到植物体液的输运等。目前热点正逐渐向细胞、
分子层次发展 。 生物力学的基础是能量守恒、动量定律、质量守恒三 定律，并加上描写物性的本构方程。 生物力学重点是研究与生理学、医学有关的力学问题。
生物力学的研究方法
进行生物力学的研究首先要了解生物材料的
几何特点，进而测定组织或材料的力学性质，确 定本构方程、导出主要微分方程和积分方程、确 定边界条件并求解。对于上述边界问题的解，需 用生理实验去验证。若有必要，还需另立数学模
型求解，以期理论与实验相一致。
研究步骤
1. 首先要考虑生物的形态、器官以及组织的解剖 绪构和微结构，充分认识研究对象的几何特征， 建立合理的物理模型； 2. 测定组织或材料的力学性质，即确定本构方程。 对活组织的测量，困难是很大的。通常的做法 是对所研究的材料通过分析先给出其本构关系 的某种数学表达式，在此数学表达式中保留若 干待定常数，这些常数可以通过在体或离体实 验来确定；
S. Hales
测量了马的动脉血压和动脉 血管的膨胀特性。 提出了血液流 动的外周阻力的概念。
O. Frank ( 1899 年）
提出了关于动脉系统功能的 “风箱”( Windkessel ）模型。
E . H . Starling
通过毛细血管壁的水分的输运，提出了著名的 Starhng 定律 。
生物力学的趋势
生物力学的趋势将朝着系统和微观两个方面发展，重 点在于建立生物体各层次上的力学模型，并使其符合生物 实际。通过细胞层次和生物分子层次的力学研究，加深对 人工材料与人工器官的发展，并为控制活组织生长提供依 据。生物力学对神经肌肉控制系统的了解、对于开发功能 性人工假肢和机器人、研制伤残人运动辅助系统、改善劳 动环境和提高生产效率都具有重要意义。
历史与发展
伽利略•卡里勒（1564-1642）
曾是医学专业学生，用单摆度量人的心率
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
雷内•笛卡儿（1596-1650）
发现因身体暴露而减轻体重，奠定了新陈代谢研究的基础
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
航空航天
疾病诊疗
人体工程生物力学
人体工程生物力学（human body engineering biomechanics）： 是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形成的学科。 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。
生物材料力学
生物体材料 力学特性 硬组织：牙齿，骨骼等 软组织：肌肉，皮肤，血管 及生物膜
本构方程（constitutive equation） ：
应力～应变，应力～应变率 多以实验为前提，建立经验的本构方程
流变学：物质变形和流动 实验：在体和体外
生物材料的特点： 多相 ( multi-phase)， 非均匀(heterogeneous >homogeneous)， 各向异性(anisotropic)> isotropic 进入商业应用的生物材料：人工骨关节，人工牙齿， 人工血管
外板
内板
骨膜
骨膜紧贴在除关节 面以外的骨表面的一层 致密纤维结缔组织 膜， 很坚韧，分为内外两层。 内层中有一些细胞可分 化为成骨细胞和破骨细 胞。 骨膜内含有丰富的 血管和神经，对骨起营 养作用。
骨膜内的成骨细胞在生长发育期能形成新骨，使骨长 粗。成年以后则处于相对静止状态，但在骨折时，成骨细 胞可再增生活动，促进骨的愈合。
人工血管 柔软、韧性、相容性
人 工 骨 骼 ， 轻 、 坚 固 、 承 重
人 工 牙 齿
组织工程材料 复合材料 金属支架材料
组织工程骨软骨
支 架
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。血流动力学是生 物流体力学的重要研究内容之一。
骨密质和骨松质的分布
长骨骨干： 有很厚的骨密质，骨干 中央为骨髓腔。 长骨骨骺及短骨： 表面有一层薄的骨密 质，中央为骨松质。 扁骨： 内外表面都是骨密质形 成的骨板，中央为骨松质
骨髓 充填于骨髓腔和骨松质的网眼内。
在胎儿和幼儿时期全部都是红骨髓，具 有造血功能。随着年龄的增长(约5—7岁)，骨 髓腔中的红骨髓逐渐被脂肪组织所代替，颜 色变黄称为黄骨髓，失去造血功能。但当大 失血或严重贫血时，黄骨髓可再转变为红骨 髓，恢复造血功能。 在骨骺、短骨及扁骨的骨松质内的红骨 髓终生保持造血功能。
第一节
骨的力学性质
一、 骨
成人全身骨约占体重的20％，有 206块骨 。 按部位： 颅骨 躯干骨 四肢骨 按形态： 长骨（一体两端）、
中轴骨
短骨、扁骨、不规则骨
骨的化学成分和物理性质
煅烧骨
脱钙骨
有机质：大量排列规 则的胶原纤维束和粘 多糖蛋白等。作为骨 支架，赋予骨弹性和 韧性，使骨具有基本 形态。 无机质：碱性磷酸钙 等。使骨挺硬坚实。