生物力学导论
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生物力学蔡
2019/11/30
华中科技大学同济医学院 蔡荣泰
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（2） 动力学分析（Kinetics） 主要是分析各部分在动作时各个力之间、力与 加速度、速度之间的关系。
力按作用性质可分为内力与外力，也可分为 动力和制动力。内力主要为肌肉收缩产生，外力 则有重力、惯性力、摩擦力、支反力、介质阻力 等。
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华中科技大学同济医学院 蔡荣泰
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生物学分类、生理学分类、力学分 类。
生物的所有运动都是由力引起的。 环境力：重心力、风力、水力、其他生 物力、人造力等。生物体自身的主动 力——肌力。
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华中科技大学同济医学院 蔡荣泰
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生物学的基础是三大的定律——能量、 质量、动量守恒定律，加上描述物性的本 构方程，利用上述基本概念，可用来解释 生物活动现象。
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华中科技大学同济医学院 蔡荣泰
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1. 3 生物力学研究内容 2. 按研究对象的力学性质来分类： 1.3. 1 生物运动学
目的是分析动物的运动，研究动物的能 量（功和功率）、力和位移、速度、加速 度之间的关系。
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华中科技大学同济医学院 蔡荣泰
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1.3.2 生物流体力学 研究血液、体液等流体的特性及在生物体 体内的运动情况，生物与空气、水之间的 相对运动。
为青壮年主要死因，其中大多数又是因颅脑损伤 引所致。对颅脑的保护.伤后修复与治疗成为重要 研究课题.并发展出颅脑损伤生物力学学科，它是 研究损伤机制、伤势判断、发展过程为治疗措施 提供科学依据。
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华中科技大学同济医学院 蔡荣泰
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2.3.1颅脑的组成和力学性质 头皮（皮层、皮下层、帽状腱膜层、蜂
第一章运动生物力学概论 34页
运动生物力学的概念。 运动生物力学的任务。 几个基本概念：动作技术原理、最佳动
作技术。
参考书
1、李良标等，运动生物力学，北京体育大学 出版社。
2、詹姆斯.海著 孙成敏译，运动技术生物力 学分析。
3、苏品等，体育运动与力学，人民体育出版 社出版。
社。
3、结合运动员个人的身体形态、机能和运 动素质等的特点，研究适合个人的最佳 动作技术方案和进行动作技术诊断
最佳动作技术是考虑了人体的身体形态、 机能、心理素质和训练水平来应用一般 技术原理，以达到最理想的运动成绩。
例如：跳远
跳远运动员起跳角为18—23° 鲍威尔：助跑速度11m/s，23.1°，8.95m； 刘易斯：助跑速度11m/s，18.3°，8.91m;
解决的手段
跳高动作的模拟与仿真
修改前的动作 修改后的动作
为设计、改进训练方法提供依据
短跑运动员易造成大腿后群肌肉拉 伤。一般训练方法：拉橡皮筋、跳 深等；
提出的改进方法是环节末端负重训 练。
为大众进行科学健身提供依据
运动对老年人稳定性的影响 运动对老年人大脑震荡的影响
为大众的工作、生活环境进行 生物力学诊断
（2）撑竿跳高竿的演变对提高成绩的影响。
泳衣的改进
仿鲨鱼皮泳装
跑鞋的设计
运动鞋的制作
二、运动生物力学的任务
6、为改进训练方法提供依据
短跑运动员易造成大腿后群肌肉拉 伤。一般训练方法：拉橡皮筋、跳深等； 提出的改进方法是环节末端负重训练。
设计高、难、新的动作技术
2019年的奥运科技攻关课题：蹦床 高、难、新动作的设计与训练等
二、运动生物力学的任务
2、研究各项动作技术，确立动作技术原理， 建立动作技术模式来指导教学和训练
作技术。
参考书
1、李良标等，运动生物力学，北京体育大学 出版社。
2、詹姆斯.海著 孙成敏译，运动技术生物力 学分析。
3、苏品等，体育运动与力学，人民体育出版 社出版。
社。
3、结合运动员个人的身体形态、机能和运 动素质等的特点，研究适合个人的最佳 动作技术方案和进行动作技术诊断
最佳动作技术是考虑了人体的身体形态、 机能、心理素质和训练水平来应用一般 技术原理，以达到最理想的运动成绩。
例如：跳远
跳远运动员起跳角为18—23° 鲍威尔：助跑速度11m/s，23.1°，8.95m； 刘易斯：助跑速度11m/s，18.3°，8.91m;
解决的手段
跳高动作的模拟与仿真
修改前的动作 修改后的动作
为设计、改进训练方法提供依据
短跑运动员易造成大腿后群肌肉拉 伤。一般训练方法：拉橡皮筋、跳 深等；
提出的改进方法是环节末端负重训 练。
为大众进行科学健身提供依据
运动对老年人稳定性的影响 运动对老年人大脑震荡的影响
为大众的工作、生活环境进行 生物力学诊断
（2）撑竿跳高竿的演变对提高成绩的影响。
泳衣的改进
仿鲨鱼皮泳装
跑鞋的设计
运动鞋的制作
二、运动生物力学的任务
6、为改进训练方法提供依据
短跑运动员易造成大腿后群肌肉拉 伤。一般训练方法：拉橡皮筋、跳深等； 提出的改进方法是环节末端负重训练。
设计高、难、新的动作技术
2019年的奥运科技攻关课题：蹦床 高、难、新动作的设计与训练等
二、运动生物力学的任务
2、研究各项动作技术，确立动作技术原理， 建立动作技术模式来指导教学和训练
生物力学原理PPT课件
Cartesian coordinate system
Utilizes coordinates for locating a point on a plane by identifying the distance of the point from each of two intersecting lines or ，in space，by the distance from each of three planes or， in space， by the distance from each of three planes intersecting at a point。 2D system，3Dsystem
几个基本概念
机体重量（Body weight） 地面反作用力（Ground reaction force） 空气阻力（Air resistance） 肌力（Muscle force ） 关节反作用力（Joint reaction force ）
关节反作用力 （Joint reaction force，JRF ）
Relative reference frame describes the position of one limb segment with respect to an adjacent segment。A measurement is made by comparing motion between an anatomic landmark or coordinates of one segment with an anatomic landmark or coordinates of a second segment 。
生物力学原理
为什么要学习生物力学分析
运动生物力学基本理论完整
运动生物力学的基本理论概述运动生物力学biomechanics应用力学原理和方法研究生物体的外在机械运动的生物力学分支。
狭义的运动生物力学研究体育运动中人体的运动规律。
按照力学观点,人体或一般生物体的运动是神经系统、肌肉系统和骨骼系统协同工作的结果。
神经系统控制肌肉系统,产生对骨骼系统的作用力以完成各种机械动作。
运动生物力学的任务是研究人体或一般生物体在外界力和内部受控的肌力作用下的机械运动规律,它不讨论神经、肌肉和骨骼系统的内部机制,后者属于神经生理学、软组织力学和骨力学的研究范畴(生物固体力学)。
在运动生物力学中,神经系统的控制和反馈过程以简明的控制规律代替,肌肉活动简化为受控的力矩发生器,作为研究对象的人体模型可忽略肌肉变形对质量分布的影响,简化为由多个刚性环节组成的多刚体系统。
相邻环节之间以关节相连接,在受控的肌力作用下产生围绕关节的相对转动,并影响系统的整体运动。
对于人体运动的研究最早可追溯到15世纪达·芬奇在力学和解剖学基础上对人体运动器官的形态和机能的解释。
18世纪已出现对猫在空中转体现象的实验和理论研究。
运动生物力学作为一门学科是20世纪60年代在体育运动、计算技术和实验技术蓬勃发展的推动下形成的。
70年代中H.哈兹将人体的神经-肌肉-骨骼大系统作为研究对象,利用复杂的数学模型进行数值计算,以解释最基本的实验现象。
T.R.凯恩将描述人体运动的坐标区分为内变量和外变量,前者描述肢体的相对运动,为可控变量;后者描述人体的整体运动,由动力学方程确定。
这种简化的研究方法有可能将力学原理直接用于人体实际运动的仿真和理论分析。
由于生物体存在个体之间的差异性,实验研究在运动生物力学中占有特殊重要地位。
实验运动生物力学利用高速摄影和计算机解析、光电计时器、加速度计、关节角变化、肌电仪和测力台等工具量测人体运动过程中各环节的运动学参数以及外力和内力的变化规律。
在实践中,运动生物力学主要用于确定各专项体育运动的技术原理,作为运动员的技术诊断和改进训练方法的理论依据。
生物力学导论
Diagnosis, surgery and prosthesis are closely associated with Biomechanics
1.2 Historical background
Reading assignment Contributors to biomechanics G. Galilei, W. Harvey, R. Descartes, G.A.
matter as a whole Physiology – sciences which deal with normal
functions of living things or their organs Continuum mechanics in physiology System Biology, gene, cell, tissue, organ, organism
d a
b
c
f
e
Biomechanics to medicine
System analysis Rheology of biological tissues Mass transfer through membrane Interfacial phenomena Microcirculation
微觀
細胞生物力學
生長模型
生物分子力學
基因工程 (表現,治療)
Summary
Impact of biomechanics on continuum mechanics: vigorous renewal.
Biomechanics has moved from organ level, to tissue level and to cellular level.
1.2 Historical background
Reading assignment Contributors to biomechanics G. Galilei, W. Harvey, R. Descartes, G.A.
matter as a whole Physiology – sciences which deal with normal
functions of living things or their organs Continuum mechanics in physiology System Biology, gene, cell, tissue, organ, organism
d a
b
c
f
e
Biomechanics to medicine
System analysis Rheology of biological tissues Mass transfer through membrane Interfacial phenomena Microcirculation
微觀
細胞生物力學
生長模型
生物分子力學
基因工程 (表現,治療)
Summary
Impact of biomechanics on continuum mechanics: vigorous renewal.
Biomechanics has moved from organ level, to tissue level and to cellular level.
生物固体力学
正应变: 常用希腊字母 ε 表示.
x lim
x 0
x x
剪应变: 常用希腊字母γ 表示.
tan lim
x y 0 y
生物固体力学
§1.2.6 约束
一个物体受到另一个物体的阻碍而使其运动受到一定眼知识，称该物体
受到了约束。常见的有：(1) 固定约束；(2) 铰链约束；(3) 滑动约束；(4)
(a)
(b)
思考：图b中的摩擦力对三角物体是外力吗？对三角物体和长方形物体 构成的系统是不是外力？
生物固体力学
荷载：使结构或构件产生内力和变形的外力及其它因素， 单位： Newton （N）
荷载
静荷载
动荷载
随时间变化 而保持常量 的荷载
随时间变化 或不稳定和 移动的荷载
生物固体力学
(1) 集中力与分布力（具有较强的相对性）：
生物固体力学
§1.2.4 内力与应力
内力：物体系统内部相互作用的力。
(a)
(b)
思考：图b中的摩擦力对三角物体和长方形物体构成的系统是内力还是外力？
生物固体力学
如果只有一个物体，内力怎么求？ 求内力的方法：截面法 F1
F1
F3
F3
F2
Fn
假想截面
F2
分布内力
Fn
1）用假想的横截面将物体剖开； 2）留下左半部分和右半部分； 3）将弃去的部分对留下的部分的作用用内力来代替； 4）利用牛顿定律建立平衡方程。
光滑面约束；(5)柔性约束。
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
生物固体力学
例题(6)：一块儿长方形板ABCD长150mm，宽100mm，在点C处 施加一外集中力F，点C发生位移到C’处，请计算CD边的正应变 和剪应变。
生物力学课程——生物力学绪论(新)PPT幻灯片
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。
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。
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。
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。
1.4.第一章 总论 第四节 生物力学基本原理
一、生物力学概述
（二）生物力学基础知识 1.力2 与载荷
力是物体之间的相互作用； 载荷是作用在物体上的外加力。 两者都是物质间的作用，但力是互相间的作用， 载荷3有施加者和承受者的区别。
一、生物力学概述
（二）生物力学基础知识 2.应2 力与应变
物体由于外因(受力、湿度、温度场变化等)而 变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力， 以抵3抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的 位置回复到变形前的位置。
物体受力变形时，体内各点变形程度一般不同。 某一点变形程度的力学量称为该点的应变，即： 结构内某一点受载时所发生的变形，称应变。 3应变用ε表示，ε= L/L0，L是变形量，L0是初 始长度。 应变的物理意义是外力作用后产生变形的能力。
一、生物力学概述
（二）生物力学基础知识
3.力2 -位移曲线和应力-应变曲线 用变形的位移为横坐标，相应的受力为纵坐标得
运动生物力学研究生物体的运动规律。
3
一、生物力学概述
（二）生物力学基础知识
2 生物力学基础知识：基本概念、基本物理量、计
算方法、计量单位及其物理意义。 基本指标如下：力与载荷、应力与应变、量、应力 3
松弛与蠕变
一、生物力学概述
（二）生物力学基础知识 1.力2 与载荷
一、生物力学概述
（二）生物力学基础知识 4.强2 度与刚度
刚度指受外力作用的抵抗变形的能力。 用K表示，K=F/L, F是所受的力，L是F对应的 变形值。刚度的单位为：N/m2或Pa。力-位移曲线 中线3 性段的斜率即为材料的线性刚度。 刚度是材料产生单位变形所需的外力值。
一、生物力学概述
（二）生物力学基础知识 5.弹2 性模量
相对于地球作变速运动的参考系叫非惯性参考 系。又称动参考系，或动系。
最新骨伤科生物力学概论幻灯片课件
都反映了我国当时的生产技术水平和经验知识水 平。
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。
存、摄像速率可调
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。
应力与应变是描述骨骼受 力后的内部效应，当外力 作用于骨时，骨以形变来 产生内部的阻抗来抗衡外 力，即是骨产生的应力， 应力的大小是作用于骨横 截面上的外力与骨横截面 面积之比，单位为 Pascal(Pa=N/m2)，即牛 顿/平方米。
压缩 当外力将一个物体朝两个
相同的方向在推时 压力将分子推向其它的分
生物力学的历史（中国古代举例）
传为齐人著的《考工记》，是记录我国古代农具、 兵器、乐器、炊具、酒具、水利、建筑等古代手 工艺规范的专著。
其中惯性现象的记述[“马力既竭，輈（zhōu，指 车辕）犹能一取焉”］
车轮大小与拉力的关系（轮太低，马总是像上坡 一样费劲）
箭羽影响箭飞行速度的关系（“后弱则翔，中强 则扬，羽丰则迟”）
应力-应变曲线中，弹性区的直线斜率代表的就是 弹性模量，即刚度。
外力作了功，特体将能量转变为形变势能储存在 内部，物体在被破坏前所储存的能量可以用应力应变关系曲线下面的面积来表示。
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。
存、摄像速率可调
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。
应力与应变是描述骨骼受 力后的内部效应，当外力 作用于骨时，骨以形变来 产生内部的阻抗来抗衡外 力，即是骨产生的应力， 应力的大小是作用于骨横 截面上的外力与骨横截面 面积之比，单位为 Pascal(Pa=N/m2)，即牛 顿/平方米。
压缩 当外力将一个物体朝两个
相同的方向在推时 压力将分子推向其它的分
生物力学的历史（中国古代举例）
传为齐人著的《考工记》，是记录我国古代农具、 兵器、乐器、炊具、酒具、水利、建筑等古代手 工艺规范的专著。
其中惯性现象的记述[“马力既竭，輈（zhōu，指 车辕）犹能一取焉”］
车轮大小与拉力的关系（轮太低，马总是像上坡 一样费劲）
箭羽影响箭飞行速度的关系（“后弱则翔，中强 则扬，羽丰则迟”）
应力-应变曲线中，弹性区的直线斜率代表的就是 弹性模量，即刚度。
外力作了功，特体将能量转变为形变势能储存在 内部，物体在被破坏前所储存的能量可以用应力应变关系曲线下面的面积来表示。
生物医学工程学的基础理论——生物力学
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。
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 绪论PPT课件
• 逐渐的，生物医学工程的内容变得不再 是生物医学的附属品
• 生物医学工程学又是现代医学和生物学 发展的基础和重要条件
1.4.2 生物医学工程发展现状
当前，生物医学工程学已发展到 一个相当高的水平，在医学的几乎所有 领域已经发挥、将会发挥巨大的作用
•
生物力学在人体生理系统建模与
仿真中的巨大作用
•陈君楷，《心血管血流动力学》
四川教育出版社
学术期刊：
•《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》 • ……
医学重于社会效益，工程重于经济 效益，生物医学工程是医学与工程学的结 合，则是社会效益与经济效益必然的结合
• 坚持“以人为本”的宗旨
• 反对“利益至上”的倾向
•
必须在保证功能性的同时，保证不对
宿主造成任何显著的危害(无论是长期的还是
短期的)
1.4 生物医学工程的发展
1.4.1 生物医学工程发展历史
课程基本说明
教课书 课时
考核形式 成绩
基本要求 参考书
人民卫生出版社 杨华元 36 54 72
考试（闭、开） 论文（综述） 平时30% 期末70%
笔记 作业 测验（实验）出勤 附页
参考资料之一：
•冈小天，《生物流变学》
人民卫生出版社
•孟和， 《骨伤生物力学》
人民卫生出版社
•冯元桢，《生物力学》
科学出版社
基本任务
生物医学工程学的基本任务是运用工 程技术手段，研究和解决生物学和医学中的 有关问题
• 生物医学工程学又是现代医学和生物学 发展的基础和重要条件
1.4.2 生物医学工程发展现状
当前，生物医学工程学已发展到 一个相当高的水平，在医学的几乎所有 领域已经发挥、将会发挥巨大的作用
•
生物力学在人体生理系统建模与
仿真中的巨大作用
•陈君楷，《心血管血流动力学》
四川教育出版社
学术期刊：
•《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》 • ……
医学重于社会效益，工程重于经济 效益，生物医学工程是医学与工程学的结 合，则是社会效益与经济效益必然的结合
• 坚持“以人为本”的宗旨
• 反对“利益至上”的倾向
•
必须在保证功能性的同时，保证不对
宿主造成任何显著的危害(无论是长期的还是
短期的)
1.4 生物医学工程的发展
1.4.1 生物医学工程发展历史
课程基本说明
教课书 课时
考核形式 成绩
基本要求 参考书
人民卫生出版社 杨华元 36 54 72
考试（闭、开） 论文（综述） 平时30% 期末70%
笔记 作业 测验（实验）出勤 附页
参考资料之一：
•冈小天，《生物流变学》
人民卫生出版社
•孟和， 《骨伤生物力学》
人民卫生出版社
•冯元桢，《生物力学》
科学出版社
基本任务
生物医学工程学的基本任务是运用工 程技术手段，研究和解决生物学和医学中的 有关问题
生物力学基础知识介绍 课件
生物运动力学
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
Image
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。
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。
生物力学 生物力学的力学基础ppt课件
②人种：
③后天因素：
建议取美国莫利斯的肌力系数值：
男： 920 KPa 女： 710 KPa
V m Fm S L L
①与肌纤维解剖条件的关系： 比较梭形肌、扇形肌、羽状肌、半羽状肌的 肌力大小及灵活性。
②与肌纤维力学条件的关系（略）
③与肌纤维生理条件的关系（略）
2、第二基本力：电力
Fm Wh Wh 3 Fm
T 2Wh T 4Wh
Fm
例如.头部杠杆
J
3
1
Wh
Fm 3Wh
平衡杠杆
T 4Wh
3
Wh
J
J
1
Fm Wh Fm
（2）第二类杠杆： 定义 特点 例子
例如.足部杠杆
Fm W
省力杠杆
（3）第三类杠杆： 定义 特点 例子
Fm
例如.臂部杠杆
Wa
G
Fm W
（4）康复治疗： 0 Rx F cos 70 Fm 若手杖支撑1/6体重 1 5 0 R y 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
2
2
省 力
费 力
平 衡 杠 杆
省 力 杠 杆
速 度 杆 杆
*省力杠杆在康复中的作用
可负较大重量 加强肌肉保护
(用小的动力克服大的阻力）
*费力杠杆在康复治疗中的作用
训练肌力： 通过调整阻力臂距离，增加或减少负荷重量 。 例：股四头肌渐进抗阻 (用大的动力克服小的阻力） 获得速度： 可通过增加阻力臂，减少动力臂进行，虽然 费力，但力点稍移动，即可加大阻力点移 动 的速度和范围。 (用小的动力点位移得到大的阻力点位移）
生物力学概论
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。
牛顿流体，非牛顿流体
问题： ？对于两无穷大 平行平板间的流 动问题，如果是 图（c）和（d） 的非牛顿流体， 将如何求解。
线性粘弹性体
2．4．2 不同层次和不同系统中的生理流动问题
人体重量约有60％是液体，其中36％的体液存在 于细胞之中，45％为血液。另外11. 5％则分布于
组织细胞间质之中。
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。
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
生物力学概论---副本
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
2021/3/11
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在运动生物力学的研究中，首先要建立人体力 学模型，通常把人设想为由有限个以球铰联结的 链系统。因为人体各相邻分体之间存在肌肉作用 力，所以人体力学模型应是包含肌肉动力系统的 特殊刚体系。人与动物的骨骼和肌肉的受力状态， 如手提重物时手臂骨骼与二头肌的受力，脊柱与 脊柱肌的受力等可用静力学方程求解。
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。 目前热点正逐渐向细胞、分子层次发展 。
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8
1.1.2 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
人体工程生物力学的主要研究内容是：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。人体工程生物力学是一门新兴学科，目前
各项研究才刚刚开始。随着人类追求舒适、安全、高效率地参加
生产劳动的愿望，这门学科将得到快速发展。
研究步骤
一． 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；
二． 测定组织或材料的力学性质，即确定本构力程。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；
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节运动等
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在运动生物力学的研究中，首先要建立人体力 学模型，通常把人设想为由有限个以球铰联结的 链系统。因为人体各相邻分体之间存在肌肉作用 力，所以人体力学模型应是包含肌肉动力系统的 特殊刚体系。人与动物的骨骼和肌肉的受力状态， 如手提重物时手臂骨骼与二头肌的受力，脊柱与 脊柱肌的受力等可用静力学方程求解。
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。 目前热点正逐渐向细胞、分子层次发展 。
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1.1.2 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
人体工程生物力学的主要研究内容是：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。人体工程生物力学是一门新兴学科，目前
各项研究才刚刚开始。随着人类追求舒适、安全、高效率地参加
生产劳动的愿望，这门学科将得到快速发展。
研究步骤
一． 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；
二． 测定组织或材料的力学性质，即确定本构力程。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；
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1.4 Mechanics in Physiology
Reading assignment W. Harvey, M. Malpighi, S. Hales, O.
Frank, E.H. Starling, A, Krogh, A. V. Hill
1.5 What contributions has Biomechanics made to Health Science
amplitude
Note: all living systems have involved with some of these problems
Biology & Physiology
Biology G.R. Treviranus 1802 Biologie – sciences which deal with living
Motion of charged particles, plasma, ions in solution
Mechanism, structures
Applied mechanics (cont’d)
Stability of mechanical systems Control of mechanical systems Dynamics, vibrations, wave propagation Shock waves and waves of finite
CH 1 An Introduction to Biomechanics
朱銘祥教授 國立成功大機械系
© all right reserved 2008 M.S. Ju
1-1 What is Biomechanics?
bio- biology Mechanics applied to biology (Fung) Mechanics : force, motion and strength of
• Biology can no more be understood without biomechanics
• For an organism
• help to understand its normal function • Predict changes due to alteration • Propose methods of artificial intervention
matter as a whole Physiology – sciences which deal with normal
functions of living things or their organs Continuum mechanics in physiology System Biology, gene, cell, tissue, organ, organism
Diagnosis, surgery and prosthesis are closely associated with Biomechanics
1.2 Historical background
Reading assignment Contributors to biomechanics G. Galilei, W. Harvey, R. Descartes, G.A.
materials. Galileo 1638 Analyses of Dynamical Systems
© all right reserved 2008 M.S. Ju
Biomechanics
• Seeks to understand the mechanics of living systems
Heart transplantation, artificial heart, postoperative trauma, pulmonary, arteries
Atherosclerosis
Hemodynamic disorder Stress acting in endothelial cells & response of
Flow of fluids: gas, water, blood and other tissue fluids
Heat transfer, temperature distribution, thermal stress
Mass transfer, diffusion, transport through membrane
Clinical problems in cardiovascular system
Prosthetic heart valves, heart assistive device, extracorporeal circulation, hear-lung machine, hemo-dialysis machine
flow, crack propagation, fracture, fatigue failure of materials, stress corrosion Dislocation theory, metals, ceramics Composite materials
Applied mechanics (cont’d)
1.3 Biomechanics & Biology
Applied mechanics Stress and strain distribution in materials Constitutive equations for mechanical properties
of materials Strength of materials, yielding, creeping, plastic
Borelli, R. Boyle, R. Hooke, I. Newton, L. Euler, T. Young, J. Poiseuille, H. von Helmholtz, A. Fick, D.J. Korteweg, H. Lamb, O. Frank, B. van der Pol