生物力学基础及研究 第一讲
生物力学
力-位移关系曲线
弹性模量(Elastic modulus)
弹性模量是表征材料抵抗弹性变形的能力，反 应材料内部原子间结合力的大小。其数值等于 应力－应变曲线上直线段的斜率，单位为Pa。
dσ Δσ E= = dε Δε
弹性模量的意义： 反映材料的硬度
σ +
Δσ Δε
ε
屈服强度(Yield strength)
生物力学研究相关的杂志
医用生物力学 中国生物医学工程学报 生物医学工程学杂志 Journal of Biomechanics Journal of Biomechanical Engineering Clinical Biomechanics Biomaterials,IF=7.365 Circulation Research,IF=9.214
生物力学的基本概念
生物力学是应用力学原理和方法对生物体中的力 学问题进行定量研究的交叉学科。其研究范围从 生物整体到系统、器官、组织、细胞、分子, 包 括血液、体液、脏器、骨骼等. 生物力学研究的重点是与生理学、医学有关的力 学问题。
生物力学研究的范畴
生物力学的基础是: 能量守恒; 动量定律; 质量守恒; 描写物性的本构方程。 依研究对象的不同可分为: 生物流体力学; 生物固体力学; 运动生物力学。
例1：膝关节炎的生物力学机制
老年人膝关节OA致病原因:内侧负荷较 外侧大（6：4），内侧股胫关节的压力 大于外侧，造成内侧关节软骨原发性损 伤。进而导致下肢力线进一步向内翻方 向发展，导致膝关节OA的发生和发展， 这是膝关节内侧OA好发的生物力学基 础。
例2：颈椎病的治疗
生物力学原理: 器具的牵引力,可保持合适的头位,恢复颈椎的 生理曲度,使颈椎的肌肉组织得到休息； 曲度变直的颈椎，可扩大椎间孔,使肥厚的黄韧 带变薄,椎间隙压力减低,给突出的椎间盘复位创 造条件； 椎间盘的回复,黄韧带的变薄可扩大椎管容积, 解除对脊髓和脊椎动脉的压迫,恢复原有的生物 力学平衡。
生物力学课件
生物力学课件生物力学课件：探索生命的奥秘生物力学是一门研究生物体在力学作用下的运动和力学特性的学科。
通过对生物体的运动进行分析和建模，生物力学可以帮助我们理解生命的奥秘，并为医学、运动科学等领域提供有力的支持和指导。
在生物力学课件中，我们将深入探讨这门学科的基本原理和应用领域。
一、生物力学的基本原理生物力学的基本原理涉及力学、解剖学和生理学等多个学科的知识。
通过研究生物体在力的作用下的运动规律，我们可以了解生物体的力学特性，并揭示运动的基本原理。
1. 力的作用：力是生物力学研究的核心概念。
力的作用可以改变生物体的形态和运动状态。
生物体受到外界力的作用时，会产生力的反作用，从而实现平衡或产生运动。
2. 运动的基本原理：运动是生物力学研究的重要内容。
通过研究生物体的运动规律，我们可以了解运动的基本原理，如速度、加速度和力的关系等。
生物体的运动可以分为线性运动和旋转运动两种形式。
3. 力的分析方法：生物力学研究中常用的力的分析方法包括静力学和动力学。
静力学研究物体处于静止状态下的力学特性，而动力学研究物体在运动过程中的力学特性。
这些分析方法可以帮助我们深入理解生物体的运动机制。
二、生物力学的应用领域生物力学在医学、运动科学和工程学等领域有着广泛的应用。
通过运用生物力学的原理和方法，我们可以更好地理解和改善生物体的运动功能，提高人类的生活质量。
1. 医学应用：生物力学在医学中的应用十分重要。
通过对人体运动机制的研究，可以帮助医生诊断和治疗各种疾病。
例如，通过分析人体步态的生物力学特征，可以帮助矫正行走异常和评估康复效果。
2. 运动科学：生物力学在运动科学领域的应用也非常广泛。
通过对运动员的运动技术和力学特性进行研究，可以提高运动员的训练效果和竞技成绩。
此外，生物力学还可以帮助设计和改进运动器材，提高运动装备的效能。
3. 工程学应用：生物力学在工程学领域的应用主要涉及人体工程学和生物仿生学。
通过对人体运动机制和力学特性的研究，可以为设计人机界面和工作环境提供参考。
生物力学：力学基础知识
• 刚体：在力作用下，其内部任意两质点的距离保持 不变。即力作用下，物体的形状、大小保持不变。
三. 约束和约束力
能在空间作任意运动的物体称为自由体. 但实际上物体在空间上的运动往往受到限制----非自由体.
约束：对非自由体的位移起限制作用的物体. 约束力：约束对非自由体的作用力．
弯曲的概念和实例 -- 土木工程事故
2000.10.25 南京电视台 工地顶上的脚手架发生弯曲变形， 导致几十名工人随同脚手架蹋了 下来 ….
弯曲的概念和实例 -- 唐山地震
弯曲的概念和实例 -- 体育
男子射箭 悉尼奥运会
受弯杆件的简化 -- 悬臂梁
弯曲的外力
所有的外力垂直于轴 所有的外力作用于纵向对称面内
所有纵向线变成曲线，靠近上部的缩短， 下部伸长。
几何关系的推导
设想梁是由无数根纵向纤维组成的，梁在正 弯矩作用下，靠近顶面纤维缩短，靠近底面的纤 维伸长，由于连续性假设知，从顶部到底部纵向 纤维，由缩短到伸长是连续变化的。所以，其间 必有一层纤维既不伸长，也不缩短。称为中性层。 中性层与横截面的交线称为中性轴。
m P
P m
P
m
m
P
33..扭扭转
m
m
mA
mB
AB
扭转构件的受力特点：
杆件（轴）在横截面内受到外力偶的作用— —扭转外力偶。
扭转构件的变形特点：
各横截面绕轴线作相对的转动，其任意两个横截面 会因为相对转动而产生相对的角位移，称为相对扭转角。
扭转变形杆件（轴）横截面上的内力
研究AB轴各横截面上的内力
mn
Q
Q
mn
医学生物力学课件详解
步态分析设备
现代的步态分析设备使用传感器和计算机技术，准 确记录和分析步态数据。
运动损伤及其修复
1
运动损伤类型
运动损伤可以包括肌肉拉伤、韧带撕裂和骨折等。
2
修复方法
不同类型的运动损伤需要采用不同的修复方法，如手术治疗、物理治疗和康复训 练。
3
预防措施
通过合理的训练和保护措施，可以减少运动损伤的发生。
人体的运动与协调
1
运动产生
神经系统和肌肉通过协同工作，使人体产生各种运动。
2
运动控制
大脑负责控制和协调肌肉的运动，以实现预定的动作。
3
动作反馈
感觉系统将外部和内部刺激转化为动作反馈，帮助人体调整姿势和力量。
步态分析
步态参数
通过分析步态参数，如步态周期、步长和步态对称 性，可以评估人体运动功能和恢复过程。
运动生理学基础
运动生理学研究人体在运动中的生理变化，如心血管系统的调节、肌肉的代谢和呼吸功能的改变。
运动训练的原理
1 适应性原理
2 多样性原则
通过根据训练目标和水平逐渐增加运 动负荷，促进身体适应和提高运动能 力。
3 个性化原则
通过交替不同训练方式和运动项目， 增加训练的趣味性和效果。
根据个体的特点和目标，制定适合其的训练计划，提高训练效果。
运动康复的原理
运动康复通过结合生物力学知识和康复原则，帮助受伤者恢复功能，提高生 活质量。
生物力学在医学中的未来发展趋势
虚拟现实技术
虚拟现实技术可以提供逼真的 模拟环境，帮助医生、研究人 员和学生更好地理解和应用生 物力学知识。
智能材料和器械
智能材料和器械的发展将进一 步推动医学生物力学的研究和 应用，为医学领域带来更多创 新。
医学生物力学基础课件
3
运动控制
探索神经系统对肌肉活动的控制、力学调节和肌肉协调。
神经肌肉系统
结构分析
研究神经肌肉系统的结构组 成、神经传导和肌肉收缩特 性。
生物力学分析
了解神经肌肉系统的生物力 学特性、舒适性分析和人机 界面设计。
运动控制
探索神经肌肉系统在人体运 动中的控制机制、力学调节 和协同作用。
生物力学模拟
生物力学连续性方程
应用生物力学连续性方程模拟人 体结构和流体力学特性。
有限元方法
了解有限元方法在生物力学模拟 中的应用，包括人体结构的模型 建立和参数分析。
离散系数法
探索离散系数法在生物力学研究 中的应用，包括模型建立和仿真 结果的分析。
健康与运动
1 运动对健康的重要性
探索生物力学在人体运动中 的重要作用，以及运动对健 康的影响和益处。
医学生物力学基础课件
医学生物力学是研究人体力学特性和应用于医学领域的关键学科。本课程将 介绍医学生物力学的概念、应用和未来发展。
课程介绍
1
概念和发展
了解医学生物力学的定义和学科发展历程，以及其对医学领域的重要性。
2
应用和作用
探索生物力学在人体研究中的应用和对人体结构与功能的重要作用。
3
未来展望
展望医学生物力学研究的未来发展，以及对人体健康和医学领域的重要性。
3
运动控制策略
了解动态和稳态分析在运动控制中的应 用，以及运动技术和性能的改进。
生物材料力学
1 基础内容
2 研究方法
研究生物力学中的基本概念、 力学模型和分析方法。
探索生物力学研究中常用的 实验和计算方法，以及材料 力学的应用。
3 应用领域
下肢生物力学系列课》第一讲
下肢生物力学系列课》第一讲英文回答：In the first lecture of the Lower Limb Biomechanics series, we discussed various aspects of lower limb biomechanics, including the structure and function of the lower limb, as well as the different forces acting on it during various activities. This lecture provided a foundation for understanding the mechanics of the lower limb and how it relates to human movement.One of the key topics covered in the lecture was the anatomy of the lower limb. We learned about the bones, joints, muscles, and ligaments that make up the lower limb and how they work together to provide support and mobility. For example, the femur, tibia, and fibula are the main bones of the lower limb, and they form the hip, knee, and ankle joints. These joints allow for flexion, extension, abduction, adduction, and rotation of the lower limb.We also discussed the importance of understanding the forces acting on the lower limb during different activities. For example, when walking or running, there are ground reaction forces that act on the foot and leg. These forces can be measured using force plates and can provide valuable information about the forces and moments acting on thelower limb. Understanding these forces can help in the design of orthotics and prosthetics, as well as in the prevention and treatment of lower limb injuries.Furthermore, we talked about the concept of joint moments and how they relate to lower limb biomechanics.Joint moments refer to the forces that act on a joint and cause it to rotate. For example, when we walk, there are moments acting on the hip, knee, and ankle joints thatallow for smooth and efficient movement. By studying these joint moments, we can gain insights into the mechanics of the lower limb and how it functions during different activities.Overall, the first lecture of the Lower Limb Biomechanics series provided a comprehensive overview ofthe structure, function, and mechanics of the lower limb.It laid the groundwork for further exploration of this fascinating field and highlighted the importance of understanding lower limb biomechanics in various applications, such as sports performance, injury prevention, and rehabilitation.中文回答：《下肢生物力学系列课》的第一讲涵盖了下肢生物力学的各个方面，包括下肢的结构和功能，以及在不同活动中作用于下肢的不同力量。
第一章生物力学基础
1-1 刚体的定轴转动 1-2 应变 应力 弹性模量 1-3 人体生物材料的力学性质 1-4 作用在骨骼上的力
1
1-1 刚体的定轴转动 一、角量与线量的关系 1.刚体 定轴转动 ①刚体：在任何情况下物体的形状和大小都不变 化，各部分之间的距离保持不变。 ②定轴转动：运动中各质元均作圆周运动，且各 圆心都在同一条固定的直线（转轴）上。
A
B
L
x
A
C
L/2
B L/2 x
12
A L
解：建立坐标(如图)，取微元
B x
dmdx mdx
L
得连续分布刚体的转动惯量
A
C
L/2
B L/2 x
可以看出：
I A
L x2 m dx 1 mL2
0L
3
IC
L
2 L
2
x2
m L
dx
1 12
mL2
同一刚体对不同的转轴转动惯量也不同。
13
例题：求质量为m，半径为R均匀圆盘的转动惯 量，轴与盘平面垂直并通过盘心。
15
m
R
质量均匀的空心球壳
I 2 mR2 3
质量均匀的实心球体
I 2 mR2 5
可知：转动惯量还与物体的质量分布有关。
16
试比较该花样滑冰运动员两种姿势的转动惯量。
17
三、力矩和转动定律
M
1.力矩的矢量定义
ω
F M rF
Or l
P
①大小：
M Fr sin Fl
其中： l r sin 称为力臂
2
A
v
r
Δθ P
O
θ
x
第一章生物力学基础
d dt
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加速转动 方向一致 减速转动 方向相反
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29
线量
线位移、速度、加速度
角量
角位移、角速度、角加速度
1、线量与角量关系:
P 's
O
r
S = r
s r d v lim lim r r t 0 t t 0 t dt
Cx =? Cy =? Cz =?
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i , j, k
z
k i j y
x
5
4、加法结合法则
交换律
A B B A
结合律
A ( B C) ( A B) C
零矢量
A 0 A
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33
对转轴的力矩 (1)
Z
Mz
(2)
Z
f1 O r P
F
f2
O r F d P
转动平面
转动平面
Mz r F
M z rF sin
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M z r f2 M z rf 2 sin
ˆA A A
模
A A
r r (t ), W W (F , r )
矢量的表示
几何表示:有向线段 解析表示 e.g.
A ( A1, A2 , A3 )
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3
一、矢 量 加 法
1、两矢量相加
A+ B= C C是 A 和 B的矢量和. A B A+ B
生物力学 生物力学的力学基础解读
（3）临床联系：
①镇痛步态： 当外展肌麻痹或弱或损伤时； 当髋关节有疾患时； ②外反骨： 骨端软骨板向水平面转动
③骨端分离： 骨端与骨连接断开 供血不足 ④缺血性坏死：
（4）康复治疗： 0 Rx F cos 70 Fm 若手杖支撑1/6体重 1 5 0 Ry W F sin 70 W 7 6 5 1 0 W 12 7 W 7 6.7 F 7 sin 70 6 7 Rx 0.22W F 0 . 64 W N=5/6W Ry 1.29W 2 2 WL R Rx Ry 1.31W
③摩擦力： ④肌肉力：
f N
f dh
肌力定律
肌力
Fm S
肌力 系数 生理横 截面积
S：生理横断面：
与肌肉所有纤维垂直的断面 解剖横断面： 与肌肉纵轴垂直的断面
：肌力系数：
①性别：
德国生理学家艾克：588~980KPa 美国克罗莫：343KPa 美国莫利斯：710~920KPa 前苏联童克福：980KPa 中国程国杰：588~686KPa
q1q2 ˆ ① 电场力： F K 2 r r
②磁场力：
F qv B
F Il B
3、第三基本力：核力
超短距离力
四、作用于人体的力钜
1. 力矩的表达式： 大小： M r F sin 方向： 右手螺旋定则
M r F
: r, F
1.若要维持小腿平衡 状态，悬吊重量T应 为多少？ 2.试计算在上述条件 下施加给大腿的平均 张力F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： (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 = 0.061×70 = 4.27 kg => mg = 41.85 N)
生物力学基础知识介绍 课件
讨论力和运动关系的力学称作动力学，而研究生物体力和运动 关系的力学称生物动力学，其研究人体由于力的作用而产生的 位移、位移的速度和加速度。
生物热力学
应用热力学的观点来研究生命维持过程中的物质和能量的输运、 交换、补充与消耗。
9、 人 的 价 值 ，在 招收诱 惑的一 瞬间被 决定。 2022/5/22022/5/2Monday, May 02, 2022
F2
F合力
O F合力= F1+F2
F1 图2
（二）约束和约束反力
（二）约束和约束反力
约束
能在空间作任意运动的物体称为自由体，但是实际情况下， 物体在空间的运动往往受到限制，被称作非自由体。由周围 物体构成的阻碍非自由体运动的限制条件，称为该非自由体 的约束，如血液受到血管的约束只能在血管中流动。
约束反力
材料的变形集中于某一小范围，横截面积出现局部迅速收缩，即“颈缩”现
象。由于局部范围内截面收缩变小，应力下降，直至e点材料被拉断，de称 作局部变形阶段。
（三）应力与应变
对于脆性材料、塑性材料又都具有各自的应力—应变曲线，
如图7、8所示。
No
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13、 生 气 是 拿 别人 做错的 事来惩 罚自己 。2022/5/22022/5/22022/5/22022/5/25/2/2022
14、 抱 最 大 的 希望 ，作最 大的努 力。2022年 5月 2日星 期一2022/5/22022/5/22022/5/2
15、 一 个 人 炫 耀什 么，说 明他内 心缺少 什么。 。2022年 5月2022/5/22022/5/22022/5/25/2/2022
约束限制物体的运动，改变物体的运动状态，因此，约束对 物体的作用就是力的作用。约束对物体的作用力称为约束反 力。约束反力以外的力称为主动力。
完整版ICB生物力学课件 (一)
完整版ICB生物力学课件 (一)ICB生物力学课件是一份高质量的教学材料，其作为一种生物力学知识的标准，已成为了许多生物医学专业课程必须的内容。
完整版ICB生物力学课件涵盖了生物力学的核心知识，为学生提供了全面的学习和理解。
ICB生物力学是一门连接生物学和力学的交叉学科，它涉及到许多不同的领域，包括人类解剖学、运动学、力学和生物力学。
作为生物医学领域的重要基础课程，ICB生物力学课程被广泛应用于医学、牙科、理疗等各个领域的教育和研究中。
完整版ICB生物力学课件在内容上涵盖了许多不同的主题，包括静力学、运动学、关节力学、肌肉力学和体内力学等。
这些主题针对生物力学的不同领域，并且提供了评估、测量和修复运动系统功能的相关技术。
此外，每个主题都包括描述理论和伦理背景、分析和解释数据的方法和技能以及和实际案例相关的实用提示和建议。
完整版ICB生物力学课件重点让学生掌握运动系统的结构和功能，衡量身体各个部分的稳定性和支持性。
学生学习如何评估和测量特定情况下的运动系统功能，并随后学习如何开发和设计合适的修复方案。
通过此课程，学生也可以了解更多生物力学技术的发展和应用，以及该领域的最新进展和挑战。
完整版ICB生物力学课件是一份重要的教学材料，提供了丰富的生物力学知识和实践技能，有助于学生学习和掌握相关知识和技能。
该课件不仅面向教育和研究领域的学生和教师，也适用于从事临床医学、体育治疗、医疗器械设计和生物力学研究的专业人士，对这些人士的专业发展和贡献具有重要的意义。
总之，完整版ICB生物力学课件是一份全面而深入的教学材料，涵盖了生物力学领域重要的知识和技能，为学生提供了多方位的学习和理解。
通过此课程的学习，学生可以更好地应对生物力学领域的挑战，并在以后的专业实践中取得更高的成就。
1.生物力学基础
力学基本概念
力的概念
力：是一个物体对另一物体的作用。 力的特点：力的大小、力的方向、力的作用点。 力的效应： 改变物体运动状态（运动效应，外效应） 使物体的大小和形状发生改变（变形效应，内效应）
力的分类： 1.万有引力： 1）对于大质量的物体意义大 2）重力与重量的区别：重量是物体施加于其他物 体的的力，而重力是物体本身所受的地球引力。 3）人体重心：人体所受重力的合力作用点。位于 身体正中面上第三骶椎上缘前方7CM处，大约在 身高的55-56%。人体重心移动取决于身体的移动。
宋应星（1587～1644（？））的《天工开物》是 明代农业和手工业生产技术的百科全书，在卷十 五《佳兵篇》中记述了测试弓弦弹力大小的方法： “凡试弓力，以足踏弦就地，秤钩搭挂弓腰，弦 满之时，推移秤锤所压，则知多少”，方法十分 巧妙。 该书在我国失传300年，于1926年才由日本找回 翻印本。
冯元祯教授 开创了生物力学研究领域，建立了肺的力学模型， 奠定了肺力学、呼吸力学基础，生物组织的生长 与应力的关系的模型。 1978年，来华讲学，使我国力学和医学工作者耳 目一新，随之全国力学规划会议将生物力学列入 发展规划。
生物力学的历史（应用时期）
自60年代开始，生物力学方面研究细分为不同领 域，大致可分为骨科矫正、肿瘤处置和康复科学 等。 Inman、Eberhart对于假肢的设计、分析和安装进 行研究，使生物力学进行实践应用的阶段。 随着医学专家和工程师和材料科学家的合作，用 稀有金属制造关节置换假体和对特殊生物置入材 料的研究开始萌芽。
CODA Mtion捕获系统无论 是性能评估、仪器设计或 防止和治疗运动损伤，用 作运动分析的运动主要包 括高度动态的运动。 CODA Motion可对许多变 量进行精确的测量，包括 位置、加速度、速度、反 应时间、跳跃高度和长度、 臀部和肩部旋转、角度置 换和分割和全身的质心。 当与肌电图系统和测力台 配合使用时，实际上可测 到任何物理和生理参数。
生物力学 生物力学的力学基础.共74页文档
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
生物力学 生物力学的力学基础. 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
理解力学力学研究的生物学基础
理解力学力学研究的生物学基础力学是一门研究物体运动和相互作用的学科，其中力是物体运动的原动力。
力学理论广泛应用于物理学、天文学、地质学等诸多领域。
而在生物学领域，力学也扮演着非常重要的角色。
本文将从生物学的角度出发，探讨力学研究的生物学基础。
1. 动物行为学动物行为学是研究动物的行为与能力的学科，也是研究生物学领域中力学应用的重要领域之一。
在动物行为学中，我们通常关注的是各种动物如何适应不同的环境和生存条件。
其中，动物对环境的感知以及对外界力的反应是非常关键的。
比如，穿山甲会卷成一团来保护自己；蜜蜂在振翅时借助气流将花蜜吹进蜂巢。
这些动物的行为表现出了某种形式的力学反应。
2. 动物的力学反应在动物行为学中，动物的力学反应不仅仅可以表现为动作上的变化，还可以表现为健康状态和环境适应能力的变化。
比如，生活在海洋深处的鱼类，由于水压远高于地面上的压力，它们的身体结构更为坚韧，这使得它们能够方便地在这样的环境中生存。
3. 人体力学尽管生物学中所有动物都会涉及力学，但人的生理结构以及人类的种种习惯行为使得人体力学成为生物力学中最独特的分支之一。
比如，我们站立时的脚的重心位置和重力中心位置的关系，就对我们的身体平衡控制产生了巨大的影响。
人们不用意识到这些特征，但仍能不由自主地保持平衡。
4. 生物医学工程生物医学工程是研究人体生理机制、疾病诊断和治疗等方面的交叉学科。
人体医学分析和修复技术在研究以及治疗方面都具有广泛的应用。
如一个人不能走路，常常使用助行器来支持肢体；此外，还有许多由力学控制生物组织的机器和设备。
比如，智能床垫可以帮助跟踪睡眠质量和姿势等生理数据，从而提供更好的睡眠体验。
总而言之，许多生物学家都认为生物学基础的特殊性和广泛性让力学作为一项生物学领域的研究变得至关重要。
这些领域的交叉将帮助我们更深入地了解动物和人类的行为和习惯。
如果我们能学会如何运用力学工具和技术，就可以在这些领域内做出更加卓越的成果。
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Stokes关系式
圆管内层流：定常运动，速度不随时间变化 在定常流动中，圆柱体流体处于平衡状态，圆柱体上的外力在x轴方向上之 和为零 根据图一有
( p1 p 2 )r 2 2rl 0 p
Stokes关系式
pr 2l
X
Stokes关系式不但适应于牛顿流体，也适应于非牛顿流体
心室辅助系统（Ventricular Assistant System
http://www.ncvc.go.jp/cvdinfo/treatment/vas.html
日本国立心血管疾病 控制中心网站
根据肌肉骨骼模型模拟反复踢腿时腿部疲劳的发展状况
p-bio.riken.jp/1/members/pages/komura.html
R
注: 8l 128 l Rs 4 R d 4
与欧姆法则等效 流量与管径的4次方成正比 阻抗Rs与粘度及长度成线性关系
Poiseuille Equation 适用于血流的条件
当血流为均质流，粘性在所有切变率下不变时。 通常情况下，当管径要比红细胞尺寸大时，血流表现为牛顿流； 当管径小于0.5时，粘性会随切变率发生变化。所以，在较大的 动静脉中，血流可看成均质流。
生物工程力学着眼于生物体特有的构造和机理，运 用流体力学，热力学，材料力学和固体力学的知识 和研究手法，对生物体的各种机械，能量和物质传 输方面的机能进行研究。 NIH, 1997 Bioengineering integrates physical, chemical , mathematical, and computational sciences and engineering principles to study biology, medicine, behavior, and health. It advances fundamental concepts; creates knowledge from the molecular to the organ system levels; and develops innovative biologics, materials, processes, implant, devices, and informatics approaches for the prevention , diagnosis, and treatment of disease, for patient rehabilitation, and for improving health.
基于真实腹部动脉 形状所建立的结构网格
基于有限体积法的肾动脉分支部的流动分析,在分 支部有涡流出现
左心室内壁面运动及血流流 动形态和压力分布 (a)正常状态 (b)急性心肌梗塞状态
Watanabe, H. et al, JSME International Journal Vol.47, No.4, 2004
研究方法
生命科学：确定研究对象的形态和解剖结构的几 何特征以及其他生理特征 医学：医学影像，动物实验 信息技术：图像处理，光学，电信测量等 力学：测定生物材料的力学性质，确定应力应变 本构关系； 模型化: 应用质量，动量，能量守恒和Maxwell方 程和材料的本构方程；理论和数值方法求解数学 模型。 否 是 应用于生物系统
人工股关节
具有电动手臂 的电动椅
植入型人工牙 齿的受力分析
红细胞在毛细血管中的运动模拟: 微管道内的可视化实验
生物体内的流体 空气，气体和液体 液体：血液（blood flow） 淋巴液（lymphatic fluids） 尿液 （urine） 粘液 （mucus） 特点：可重复使用的流体 （ｒｅｐｒｏｄｕｃｔｉｖｅ ｆｌ ｕｉｄｓ） 血液研究得最广泛
P1 P2
l
Poiseuille equation
对于牛顿流体，牛顿粘滞定律可表示为 du dr
du pr dr 2l
粘滞定律代入Stokes公式
牛顿流体在圆管中运动方程 流体流量
p( R 2 r 2 ) R 4 P P P Q udA 2rdr A 4l 8l 8l / R 4 Rs Poiseuille equation 0
大作业（50%） 从自己的专业背景出发,设计一个与生物工程 力学有关的课题 组成项目小组,查找相关的参考资料,研究项目 内容. 利用图表公式等详细叙述你的项目的目的,设 计原理和重要性. 项目的可行性分析,有哪些难点?需要不需要做 动物或人体实验 预计完成的时间和需要的预算 整理报告 小作业 课后的思考题
材料，能源，过程 信息，控制，系统
医学 心理学 生物学
生物医学工程 认知工学 生物信息工程 et al
三个着眼点: 工业技术在医疗上的应用 基于人体机能的人工机械, 人工脏器,机器人 等 人机交互界面, 汽车无人驾驶系统
人体系统的特点 恒定性：：：人体体温，血压… 优化性：：：采用最适合人体系统的方式 血液的脉动，既对应于柔软的血管，也对新 陈代谢有益 非线性：：：输入输出的关系呈非线性关系， 而且还有时间的滞后 自律神经调节 周期性：：：从ms—数年，心脏搏动，呼吸， 手足运动，肾脏，肝脏一天的代谢… 学习机能,组织修复机能
实验过程： 在2.5ml的红细胞 中分17步加入 0.5ml的血浆
血流在循环系统各部分的 特性及物性参数
伯努力方程（Bernoulli’s equation）
对于定常非粘性不可压缩流体
1 2 ( P1 P2 ) (v12 v 2 ) g (h1 h2 ) C 2
当管路处在同一高度，h1=h2，公式变成
基于有限体积法的脑 部血流动力学模拟
主要的脑血管疾病： 脑梗塞和脑出血 原因：脑动脉瘤和动脉 硬化
ห้องสมุดไป่ตู้
血液流动以及对血管 壁的影响
JSME International （A) Vol.70 No. 697 pp.1247-1253
肾动脉狭窄
肾血管性高血压 虚血性肾病
肾脏机能低下
支架，药物治疗
从超声波图像中 抽取腹部动脉的边界
特点 流体流速相对较低 可以被认为是不可压缩流体 Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数也相对较低，一般 在几千以下 在分析血流及其他生物流体时，将其看 成层流和不可压缩流体。 呼吸系统的空气流动：粘度和密度不同， 雷诺数也较大。
生物流体的复杂性： 具有波动性(Oscillatory or non-steady): 动 脉中波动的血流，呼吸系统中呼入呼出气 体，蠕动，尿液流动peristaltic urine flow in the ureter 几何形状复杂：在循环系统和呼吸系统中 有复杂的血管和肺管的分支。 由于血液中存在着悬浮物质，血液在某些 条件下展现非牛顿性。
血液的粘性特性
牛顿流体在任何切变率（shear rate）下粘度 都是常数。这对大多数均质流体都是适用的， 但对于颗粒流，这一定义会有偏差。 血液的基本成分：
红细胞(erythrocytes) 白细胞(leukocytes) 血小板(platelets)
李芬 等 2011 力学大会
流体流动的不同型态
参考书：
Mcdonald’s Blood Flow in Arteries, Hodder Arnold Computer Modeling in Bioengineering, Molis Kojic, Wiley Introduction to Bioengineering, YC Fung, World Scientific 心血管动力学参数测量原理和临床应用， 科学出版社，何为，余传祥，2009 生体工学概論,コロナ社 生体内熱移動現象、北海道大学出版社
评价参数: 肌肉输出的功 肌肉内乳酸的浓度
Cited from the Poster by RMIT University et al
p-bio.riken.jp/1/members/pages/iwase.html
根据CT图像和CAD软件生成 的脑动脉血管模型
基于有限元法的脑动脉内部 的血流流动模拟
生物力学基础及研究
贺缨 第一讲
基础篇 生物流体力学 生物传热传质学 肌肉动力学性质 细胞生物力学 气溶胶力学基础 医疗成像及图像处理 应用篇 （6学时） （6学时） （6学时） （4学时） （4学时） (4 学时)
专题1 动脉分叉管内的流动特性及传输特性 （2学时） 专题2 三维重建及网格生成 （2学时） 专题3氧输送特性及肿瘤治疗 （2学时） 专题4气雾药物输送系统的设计 （2学时） 专题5 冠状动脉分析――生物力学方法 （2学时）
生物流体力学 血流动力学 呼吸系统中的动力学 生物体在流体介质中的流动规律：鱼的游动， 鸟的飞行
生物固体力学 运用固体力学的原理和方法：主要对骨，软 骨，关节，骨骼系统和牙齿等进行力学分析 特殊劳动环境中人体骨骼和关节的防护
运动生物力学 运用运动学和动力学分析方法研究人体的各 种姿势：行走，跑，跳等 研究疲劳，损伤对运动的影响 体育运动及康复医疗 生物热力学 应用热力学的观点来研究生物体在维持生命 过程中的物质和能量输运，变换，补充和消耗。 应用：航空航天，新型医疗技术在外科手术中 的应用：激光(laser)，超声波(ultrasound)， 射频(radiofrequency)
生物材料力学
硬组织：牙齿，骨骼等 软组织：肌肉，皮肤，血管及生物膜 进入商业应用的生物材料：人工骨关节，人 工牙齿，人工血管 生物材料的特点： 多相 ( multi-phase)， 非均质(heterogeneous >homogeneous)， 各向异性(anisotropic)> isotropic 生物材料的本构方程（constitutive equation）：多以实验为前提，建立经验的 本构方程
红细胞在管流中的运动
Shen ZY et al 2011 力学大会