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1、生物力学概论 冯元桢,生物力学活组织的力学特性, 湖南科技出 版社 ,1986 冯元桢,生物力学-运动、流动、应力和生长, 四川教 育出版社 ,1993 冯元桢,生物力学:血液循环,湖南科学技术出版社, 1986 陈君楷,心血管血流动力学, 四川教育出版社, 1990 陶祖莱,生物力学导论,天津翻译科技出版社, 2000 教材: 参考资料: 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: 要求: 1. 扎实的力学和数学基础知识 理论力学
2、,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 第一章 历史与发展 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 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, 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
3、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 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 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
4、. 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 。 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、BMZweifach、S S Sobin、 J Lighthill、RSkalak和毛
5、昭宪等 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)。 第五届生物力学专业委员会 (2003- ) 主 任 委 员 樊瑜波 四川大学建筑与环境学院 成都 610065 副主任委员 姜宗来 第二军医大学生物医学工程研究所 上海 200433 龙 勉 中国科学院力学研究所, 北京 100080 邓小燕 重庆大学生物工程学院, 重庆 400044 秘 书: 蒋文涛 四川大学建筑与环境学院 成都 610065 委 员: 谭文长 北京大学力学与工程科学系,北京 10
6、0871 李晓阳 北京工业大学机电学院, 北京 100022 席葆树 清华大学工程力学生物力学研究室,北京 100084 戴克戎 上海第二医科大学第九人民医院骨科,上海 200011 吴国强 复旦大学生物力学研究所,上海 200043 覃开蓉 复旦大学力学与工程科学系,上海 200043 丁祖泉 同济大学工程力学与技术系,上海 200092 忻鼎亮 上海体育科学研究所,上海 200030 赵志河 四川大学华西口腔医学院正畸科,成都 610041 李 良 四川大学华西医学中心生物医学工程研究室,成都 610041 王远亮 重庆大学生物工程学院,重庆 400044 罗向东 第三军医大学西南医院全军
7、烧伤研究所,400038 陈维毅 山西太原理工大学理学院工程力学系,030024 张建保 第四军医大学生物医学工程系,西安 710032 赵均海 长安大学,西安 710061 朱兴华 吉林大学力学系,长春 130025 张西正 军事医学科学院卫生装备研究所,天津 300161 吴建华 广州中山大学生命科学学院,广州 510275 吴效明 广州华南理工大学生物力学研究所,广州 510640 张 明 港理工大学康复科技中心 冯元桢(Yuan-Cheng B.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
8、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。 分类I:
9、生物固体力学 骨,口腔,软组织等 生物流体力学 血液,组织液等 运动生物力学 多刚体,体育,步态等 分类II: 心血管血流动力学 骨及软组织生物力学 口腔生物力学 细胞力学 康复工程中的生物力学 一、以人(高等哺乳动物)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。 二、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 三、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 四、动物的运动
10、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。 活组织的力学性质生物流变学 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。 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
11、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。 呼吸力学 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。 运动生物力学 体育运动生物力学 人机一环境系统生物力学 职业生物力学 人一机工效学 细胞力学 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 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 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
12、分子结构和功能的影响。 第二章 生物力学的力学基础 静力学问题 例:右图的牵引装置是用来 施加一轴向力给折断的股骨 (femur)。 1.若要维持小腿平衡状态, 悬吊重量w应为多少? 2.试计算在上述条件下施加 给大腿的平均张力是多少? 解:假设滑轮无摩擦,则缆线在各处的张力T为相同。根据 力平衡公式: F1 + F2 + F3 + Ffemur - mgj = 0 F1 = -F1i = -Ti F2 = (-F2cos30o)i + (F2sin30o)j = T(-0.866i + 0.5j) F3 = (F3cos40o)i + (F3sin40o)j = T(0.766i + 0.6
13、43j) Ffemur = (Ffemurcos20o)i - (Ffemursin20o)j = Ffemur(0.940i - 0.342j) 一般人之小腿与足部之重量为体重之0.061。设病患之 体重70 kg,则 m = 0.06170 = 4.27 kg = mg = 41.85 N 0 = (-1.1T + 0.94Ffemur)i + (1.143T - 0.342Ffemur - 41.85)j -1.1T + 0.94Ffemur = 0 = Ffemur = 1.17T and 1.143T - 0.342Ffemur = 41.85 = 0.743T = 41.85 =
14、T = 56.32 N w = 5.75 kg ; Ffemur = 65.9 N 例:某人重75kg,手握重5kg的球 ,而手肘呈90。 1.二头肌 (bicep)须出力多少 以维持前臂平衡? 2.前臂施加多少力于肱骨 (humerus)? 解:根据静力平衡和静力矩平衡 前臂的重量为体重的0.022,故m = 0.022*75 = 1.65 kg, 臂重心位于rOP = 0.31 m处 。 对于肘之支点O,其力矩之和 M = -rOE(-FA) + rOB(-5*9.8j) + rOP(-1.65*9.8j) = 0 = 0.05FAk - 18.62k - 5.01k = 0 手肘的垂直力为 FA = 472.6 N 而根据