生物力学概论讲学课件
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生物力学概论
教材：
•陶祖莱，《生物力学导论》，天津翻译科技出版社， 2000
参考资料：
•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
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。
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
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；
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
Robert Boyle（1627-1691） 研究了肺，阐述了水中的气体与鱼类呼吸的关系
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：
分类I：
➢ 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。
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)
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年任美国加州理工学院教授。 1966年至今任美国圣迭戈加州大学教授。
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
•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。
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 背景和目标：仿生工程技术，生物学中一些理论问题的定量
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。
•陈君楷，《心血管血流动力学》， 四川教育出版社, 1990
伽利略•卡里勒（1564-1642） 曾是医பைடு நூலகம்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
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
•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)。
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
教材：
•陶祖莱，《生物力学导论》，天津翻译科技出版社， 2000
参考资料：
•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
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。
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
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；
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
Robert Boyle（1627-1691） 研究了肺，阐述了水中的气体与鱼类呼吸的关系
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：
分类I：
➢ 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。
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)
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年任美国加州理工学院教授。 1966年至今任美国圣迭戈加州大学教授。
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
•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。
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 背景和目标：仿生工程技术，生物学中一些理论问题的定量
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。
•陈君楷，《心血管血流动力学》， 四川教育出版社, 1990
伽利略•卡里勒（1564-1642） 曾是医பைடு நூலகம்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
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
•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)。
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