生物力学基础(概论)

生物力学基础BasisofBiomechanics上海中医药大学针推学院中医工程教研室OpenYalecourse：FrontiersofBiomedicalEngineeringProfessorW.MarkSaltzmanDownload:@YYets.comOnline:(cont.)BiomechanicsonYouTubeBiomechanicsFundamentalsofbiomechanicsDuaneV.Knudson2003IntroductiontoSportsBiomechanics:AnalysingHumanMovementPatternsRogerBartlett2007Biomechanicsinsport:performanceenhancementandinjurypreventionVladimirM.Zatsiorsky,IOCMedicalCommission,InternationalFederationofSportsMedicine2000AppliedanatomyandbiomechanicsinsportByTimothyR.Ackland,BruceElliott,JohnBloomfield2009运动康复生物力学钱竟光，宋雅伟等编著人民体育出版社2008运动生物力学张昌亨主编武汉体育学院出版社1996生物力学——中国现代科学全书·力学卷杨桂通等著重庆出版社2000年6月生物力学导论陶祖莱2000年天津科技翻译出版公司第一章概论生物力学的重要性正确认识并应用生物力学规律，可以挽救许多患者生命，而不懂和误用生物力学知识也使不少人死于非命。假肢、轮椅、健身房及各种医疗辅助器械、监护装置、环境对人的影响都以生物力学为基础。重点内容生物力学的概念生物力学的发展概况生物力学的研究内容生物力学的研究方法生物力学对保健事业的贡献一、生物力学的概念力学Mechanics＋生物学Biology生物力学Biomechanics力学：研究物体变形和运动的科学。生物学：研究生命的生长和衰亡的科学。应用力学的原理和方法研究生物体中的力学问题的科学。研究物体变形和运动的科学研究生命的生长和衰亡的科学生物力学是力学、生物学、解剖学等学科之间相互渗透的边缘科学，它将这些学科的基本原理和方法有机地结合起来，同时它还广泛应用了物理学、应用数学的概念和方法。学科间彼此渗透、相互交叉、紧密联系的特点。生物力学的研究主题生命运动：包括机械运动、电磁运动、化学运动。生命现象的研究必然涉及到很多力学问题，这就是生物力学的研究主题。力学问题鸟飞鱼游人体的器官、血液、气体与水分的运动本课程主要研究内容生理学和医学有关的力学问题，重点介绍骨科生物力学分析的基本力学基础知识。固体力学和流体力学飞机生物力学可以有助于了解器官的功能，由功能的变化推知变化的生理或者病理含义。1.高血压怎么会引发血管硬化？2.血管硬化的症状是什么？3.该怎么检测和治疗？高血压引发血管硬化生物医学生物力学1.有没有办法计算、预测血管的改变？2.用数理的方法预测各种治疗的效果？预测疾病、预计治疗的效果最后目标Harvcy哈维（1578－1658）1615年发现血液循环（伽利略的定量分析法）。二、生物力学的历史渊源MarcelloMalpighi马尔皮基（1628－1694）1661年发现了微血管（青蛙）。Borelli鲍列里(1608-1679)17世纪意大利医生、解剖学家《论动物的运动》“DeMotunimalium”(TheMovementofAnimals)(Borelli,1680)杠杆原理测定人体重心(肌肉的运动和动物自身的运动)Submarine,byGiovanniAlfonsoBorelli,inDeMotuAnimalium,1680VonHelmholtz赫尔姆霍茨（1821－1894）德国生理学家、病理学家、解剖学家生物工程之父Founderofbioengineering能量守恒定律；眼的聚焦机理，彩色视觉的三色理论；听觉的机理，Helmholtz共振仪；涡量守恒定理，流体力学的基础；第一次确定了神经脉冲的传播速度为30米／秒；Helmholtz共振仪VonHelmholtz赫尔姆霍茨（1821－1894）德国生理学家、病理学家、解剖学家Jnlius.Wolff沃尔夫德国医学家Wollf定律----骨的功能适应性“骨在需要的地方就生长，不需要的地方就吸收。”骨的生长、吸收、重建、消亡都与骨的受力状态有关Wolff定律：骨的形态和功能上的每一个变化，或者仅仅是它们功能上的每一个变化，比如引起骨的内部组织结构的某种确定的变化机械力对骨骼结构的影响应变适应上限Rasch：固定不变的压力会引起骨萎缩，而间歇性的压力则促使骨的生长。骨电刺激应变最优值应变适应下限骨骼的自动反馈控制–Muscularforce–Hillequation:force-velocity04008001200Force(N)00.20.40.60.8Velocity(m/s)Force-VelocityRelationship(VastusLateralis,SlowTwitch)A.V.Hill希尔(1886-1977)Hill方程——推导肌肉力量计算方程，获得诺贝尔奖。V=b(F0-F)/(F+a)肌肉收缩所释放的热是动物热的重要来源。他成功地找到了一种特殊热电偶，测量在肌肉的几百分之一秒为单位的时间间隔运动过程中的差为0.003°C。生物力学的开创者和奠基人。指出生物力学的目标探索科学的新奇增进生理学与医学的了解帮助医疗发展与提高防疾病的水平降低医疗费用发展健康工业最后目标是：预测疾病、预计治疗的效果。Y.C.Fung生物力学学科形成----20世纪60年代冯元桢（1919－）心血管疾病等问题的病理涉及力学，需要力学专家合作研究用数学分析方法及工程实验来研究生理学1.1967年，第一次国际生物力学研讨会在瑞士召开，以后每两年一次。2.1973年，成立了国际生物力学学会。3.1978年，全国力学规划会议将生物力学列入力学发展规划纲要中。4.1981年，全国第一届生物力学学术会议在上海举行。取得了一系列成果----学术团体、学术刊物、学术交流三、生物力学研究的内容生物固体力学生物流体力学生物材料力学生物动力学从力学的角度，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。1、生物固体力学人体的牙齿、骨骼、关节、脊柱和软骨的力学性能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中的运动规律。2、生物流体力学阵发性射流研究组成生物体的材料所具有的力学特性。用生物材料制作各种人工脏器。3、生物材料力学如：人工牙的材料有金属材料、无机非金属材料、高分子材料--聚甲基丙烯酸甲酯人工关节材料中等的强度和塑性抗磨损、抗腐蚀性能、抗疲劳良好的生物相容性，无毒副作用要求陶瓷合金人工关节假体材料超高分子聚乙烯生物体力和运动关系的力学。人体由于力的作用而产生的位移、位移的速度和加速度。4、生物动力学体育运动宇航事业运动仿生技术运动力学的原理分析运动的过程可以在体育运动只能够采取合理的训练方法，设计新颖而科学的动作宇航员多能承受的超重、失重冲击、振动的能力进行估计运动姿势改写世界记录1896年第一届现代奥运会，伯克起跑姿势挑战人体极限蹲踞式起跑的水平支撑反作用力比较大，而站立式相对较小。蹲踞式起跑时获得水平后蹬力要大于站立式起跑的水平后蹬力。蹲踞式起跑可以使加速过程缩短，在比较短的时间内让运动员获得较快的速度。“跨越式“剪式“滚式“俯卧式“背越式“水立方”频破纪录，原因?鲨鱼皮的齿状鳞片阻力速度自由泳蝶泳蛙泳仰泳第五泳姿科技奥运四、生物力学研究的方法1.应用解剖学确定研究对象的几何特征；2.应用材料力学的方法，确定研究对象的力学特性，给定本构关系；3.建立力学模型，导出微分方程或微分－积分方程；4.给出解（解析、数值、近似解等）；5.建立相应的实验方案，进行在体、离体实验；6.反复对比修正，以期得到有临床价值的结果。组织材料的变形和引起变形的力之间的关系。生物力学的研究方法确定几何特征分析研究对象的受力情况建立合理的力学模型求解实验：生理实验在体或离体反复对比修正得到临床应用的价值结果五、生物力学对医学保健事业的贡献生物力学在全身疾病及对延长寿命方面进行的研究和取得的成果。生理学：（生物力学的研究，促进了生理学的进一步发展）（1）循环系统：是研究分子、细胞膜、细胞、单一微血管、微血管网络、大动脉、器官和系统。研究的微血管血液动力学进行测量，如微血管内径、血管内红细胞速度。对微循环现象的发现和认识都有助于心血管疾病的诊断、治疗和预防，是生物力学对人类保健事业的一大贡献（2）呼吸力学：呼吸机五、生物力学对医学保健事业的贡献外科：骨伤科，骨的生长和愈合与骨的力学环境有密切关系。外科手术。人工器官：骨科、心脏科运动力学：竞技体育推拿手法参数检测针刺手法参数分析脉象检测六、生物力学在中医工程中的应用推拿Tuina推拿疗法的本质具有以力为代表的属性。推拿手法分3步骤1.手法力的发动2.手法力的传递3.组织接受力后产生生物效应推拿手法参数测定系统Tuinamanipulationsparameters针刺手法参数测定仪Acupuncturemanipulationsparameters•频率•力的大小•速度变化•位移变化•离散度思考：中医脉诊时，诊脉的手指的力学分析中医手指切脉两个明显的特征：1、医生指面要对脉管施加一个大小不同的静压力；2、医生指面又同时感受到反映脉搏特点的微细反搏力。脉象信号是切脉压力信号和脉搏波信号的集合。脉象仪Pulseimage知识点及思考题生物力学的概念生物力学的研究内容如何将生物力学的方法应用于中医的现代研究中？