临床生物力学基础_3
生物医学工程基础简答题
1．什么是生物医学工程？是运用现代自然科学和工程技术的原理和方法，从工程学角度，在多层次上研究生物体特别是人体的结构、功能和其他生命现象，研究用于防病、治病、人体功能辅助及卫生保健的人工材料、制品、装置和系统的工程原理的科学。
2．生物医学工程包括哪些内容？（1）生物力学：它是研究与生物体有关的力学问题。
包括：生物力学、细胞生物力学、组织生物力学、器疗力学、系统力学、人与环境生物力学、生物流体力学等。
（2）生物材料学：它是研究和人体机体相适应的，以诊断治疗或替换体内组织、器官或增进其功能的材料的相关问题。
包括：无机生物医学材料、生物陶瓷、医用高分子材料、复合生物材料、生物玻璃、组织工程材料等。
（3）人工器官：是用人工制作装置来部分或全部替代人体病损器官功能。
包括：呼吸系统人工器官、心血管系统人工器官、运动系统人工器官等等。
（4）生物医学图像技术：在生物医学工程研究中占有重要地位，它是把生物体中的有关信息以图像形式提取并显示出来。
目前，超声成像、CT、核磁共振成像、放射性核素成像等已在临床上广泛应用。
（5）生物医学电子：对生物体中包含的生命现象、状态、性质和成分等信息进行检测、量化以及进行处理和识别的技术。
包括：生物医学信息的处理（片机）、医用电子计算机、图像识别和处理、生物医学数据的处理和传递等。
（6）生物医学测量：包括生物电测量（心电、脑电、眼电、肌电、胃电等）；声、光、力的测量；流量、流速的测量；位移、压力测量；化学、电化学、生物化学测量；放射线测量；超声测量；生物医疗测量；高、低温度测量等等。
（7）物理因子的生物效应及治疗作用：采用声、光、电、磁、辐射等手段治疗疾病或缓解病痛。
包括：电磁场治疗仪器、电疗仪器、紫外线/可见光/红外线治疗仪器、超声治疗仪器、放射线治疗仪器、激光及等离子体治疗仪器、高/低温治疗设备、高压氧治疗设备、水疗设备、负离子发生器以及各种康复治疗设备等。
（8）生物系统的建模与控制（9）医用仪表仪器（10）中医工程（11）生化工程（12）医学信息管理控制系统1、生物力学有哪些主题内容？1. 活组织的力学性质——生物流变学▲骨和软骨；▲软组织（韧带、腱、皮肤、血管等）；▲肌肉力学（骨胳机、心肌、平滑肌）；▲血液流变学（全血、血浆、血细胞、凝血、血栓等）；▲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）；▲人工代用材料。
第3-3人体生物力学特性
图3-13 力的应用（甲）
图3-13
力的应用（乙）
2、 体 位
• 操作者的体位（立位、坐位、躺位）、躯干的稳定 性对人的作用力也有一定的影响。 • 立位作业可以经常改变操作的姿势，活动范围大， 易于用力，但单调作业会引起疲劳 • 立位可适当地走动，有助于维持工作能力，但立位 不易进行精确而细致的工作，不易转换操作，而且 肌肉要作更多的功用以维持体重，易引起疲劳。 • 坐位则可以进行较长时间地精确而细致的工作，可 以手足并用，但是坐位作业则不易改变姿势，用力 受限制，工作范围受局限，久坐会导致生理性疲劳 • 躺位操作易疲劳，汽车修理工修理汽车时就有时必 须仰躺着工作。
图 人体各部位活动范围示意图
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前臂和手的生物力学模型
分析身体的各个部位能得出相关关节和肌肉的受力情况，如 一个人前臂平举、双手拿起20Kg的物体，此状态的受力情况 如下图所示：
举物时腰部生物力学模型
在举起重物工作中，脊柱的作用力大小受很多因素的影响， 主要考虑影响最显著的两个因素——货物的重力和货物的位 置到脊柱重心的距离。
应用手柄操纵时最合适的力
左手最适合的用力（N） 向下 70 120 80 140 向侧方 40 60 60 40 右手最适合的用力（N） 向上 120 100 60 40 向下 120 100 60 60 向侧方 30 40 40 30
图 人体不同姿势的施力
3、脚的操纵力
• 脚产生力的大小与下肢的位置、姿势和方向 有关。 • 脚产生的操纵力一般都是以压力的形式出现， 压力的大小随着脚离开人体中心对称线向外 偏转的程度有关。（见图3-11） • 一般地说，在坐姿的情况下，脚的伸展力大 于屈曲力；右脚的操纵力大于左脚的操纵力； 男的脚力大于女的脚力。 （见表3-17 ）
临床步态分析
肌肉有时候做负功，如人们上山时做正 功，下山时做负功。
4、运动链与力的分解与合成
指几个部位通过关节连接而组成的复合链。 分开链和闭链。闭链的运动范围较小。
开链（open kinematic chain） ：是指运动链远端是自由的。 人体的四肢和躯干都输入开链。
临床医学 基础医学（解剖、生理等） 生物力学
二、步态分析基础：生物力学
步态分析的基本概念 步态分析基础：生物力学 步态分析基础：下肢解剖 步态分析基础：自然步态 步态分析基础：步态周期 步态分析基础：时空参数
步态分析的主要内容 临床步态分析系统 常见病理步态分析
步行中涉及的生物力学概念
力的作用：力作用于人体及其结果 杠杆原理：力矩 功的概念 运动链 活动轴和自由度
矢状面（将人体分为左右两部分） 额状面（将人体分成前后两部分） 水平面（将人体分成上下两部分）
三、步态分析基础：下肢解剖
步态分析的基本概念 步态分析基础：生物力学 步态分析基础：下肢解剖 步态分析基础：自然步态 步态分析基础：步态周期 步态分析基础：时空参数
步态分析的主要内容 临床步态分析系统 常见病理步态分析
不仅能定性描述人体三维运动及其变化过程，而且还能从运动力学以及 生物运动学方面定量分析其运动状态。
导入了能量代谢的O2、CO2测量方法，包括生理学数据的分析方法。
4、步态分析的分类
定性分析（目测）
由医务人员通过目测观察，作大体的分析。
定量分析
足印法 电子角度计测定法 三维步态分析
当前国际上步态分析硬件水平
负荷步行
“请按照节拍器的声音行走” “请踩着地上的线行走”
像这样提出与测试对象原来的步行方法不同 的具体动作目标时，成为负荷步行。
生物力学考点
生物力学考点整理—仅供参考1，骨单位—哈佛氏骨板（概念）成人的骨是以胶原纤维高度有规律地成层排列为特征，故又称为骨板；骨单位位于内、外环骨板之间，是骨干密质骨的主要部分。
由中央管和哈佛氏骨板组成。
中央管：位于骨单位的中央，或称哈佛氏管，内有血管、神经及少量的结缔组织。
哈佛氏骨板：以中央管为中心呈同心圆排列，约10～20层。
骨板间的骨陷窝借骨小管相通连，最内层的骨小管开口于中央管。
由此获得营养，并供给各层骨细胞。
2，长骨—厚壁圆筒结构（原因）(1)长骨的结构呈空心厚壁管，内容骨髓；(2)从其功能性来讲，主要承受轴向压缩和弯曲联合载荷；(3)从最小质量分析，长骨取薄壁管形最合理；(4)考虑到受轴向压力的稳定性，厚壁才是最佳选择。
3，流变力学基本概念—松弛，蠕变，滞后流变体定义：既有固体的变形特征又有流体的流动特性的物体称流变体。
如果把胡克弹性固体和牛顿黏性流体作为流变体的两个极端，世界上所有的物质都属于流变体。
流变力学研究物质变形与运动的一般规律。
习惯将流变体分为流变固体和流变流体。
胡克弹性固体在受恒定应力作用时产生的应变不随时间变化，反之保持恒定应变时相应的应力也不随时间改变。
流变体在受恒定应力作用时或多或少会产生连续的应变，保持恒定应变时应力幅值一般将随时间减小。
松弛定义：保持应变恒定，流变固体材料的应力随时间增长而减小的现象。
蠕变定义：在受恒定应力作用下，流变固体材料的应变随时间增长而逐渐增加的现象。
当一流变体承受周期性循环载荷时，应变对应力存在相位滞后。
4，骨折分析—肌肉力对体骨保护作用（画图与受力分析）肌肉力对在体骨的保护作用：在体骨承受载荷后，附着在骨上的肌肉收缩将改变骨中的应力分布。
这种肌肉的收缩作用将减小或者抵消骨中的拉应力，可能是部分也可能是全部被抵消。
5，骨的力电效应—干骨，湿骨（特点）骨的力-电效应：骨内应力产生电压；干骨：正压电效应是在无电场时由于非中心对称的晶体结构在机械应变的作用下形成的一种电极化现象。
骨科生物力学
脊柱失稳是指脊柱在承受外力时发生异常位移或变形，可能导致疼痛 和功能障碍等症状。
脊柱疾病生物力学研究及治疗策略
脊柱疾病的生物力学研究
通过对脊柱疾病的生物力学研究，可以深入了解疾病的发生机制和发展过程，为制定有效 的治疗策略提供依据。
脊柱疾病的治疗策略
根据脊柱疾病的类型和严重程度，可以采取保守治疗、药物治疗、物理治疗、手术治疗等 多种治疗策略。
骨骼为人体提供支持和保护，维持身体姿势 和稳定。
造血和免疫
红骨髓具有造血功能，黄骨髓则具有免疫作 用。
运动功能
骨骼与肌肉、关节等协同作用，实现人体的 运动功能。
储存矿物质
骨骼是体内重要的矿物质储存库，尤其是钙 和磷。
骨骼损伤与修复机制
骨骼损伤类型
损伤修复过程
骨折、骨裂、骨挫伤等 是常见的骨骼损伤类型。
生物力学在治疗骨折、关节置 换、脊柱矫形等骨科手术中发 挥着重要作用，手术方案的设 计和实施需要考虑生物力学因 素，以确保手术效果和患者康 复。
在康复医学中，生物力学评估 和治疗手段可以帮助患者恢复 骨骼、肌肉和关节的正常功能 ，提高患者的生活质量。
通过对人群的生物力学指标进 行监测和评估，可以为骨科疾 病的预防提供科学依据。
纤维关节
骨性关节
由骨组织连接，如颅骨的骨连接，几 乎无活动性。
由纤维结缔组织连接，如韧带关节和 缝合关节，运动范围较小。
关节运动学与动力学分析
运动学分析
01
研究关节在三维空间中的运动轨迹、速度和加速度等，揭示关
节运动规律。
动力学分析
02
研究关节在运动过程中的力学特性和相互作用，包括力矩、功
率和能量等。
肌肉-骨骼系统分析
康复治疗技术考试(基础知识_3.运动学)
基础知识三.运动学一.运动生物力学 1.运动生物力学定义、人体力学、内力和外力学以及骨骼运动学**A：运动生物力学定义**定义：（Biomechanics）是研究能量和力对生物系统影响的科学,是力学、生物学、医学等学科相互渗透的学科B：人体力学定义**①定义：是用力的观点、方法定量描述、研究人体组织和器官力学的医学科学②决定运动治疗有效性：主要是骨骼系统对力的耐受性及其活动性。
C：内力和外力**①外力：外界作用人体的力：重力、支撑反作用力、流体作用力、摩擦力、器械阻力等;②内力：人体内部各组织器官间相互作用的力，包括：肌肉收缩力、组织器官间的被动阻力、内脏器官的摩擦力、内脏器官和固定装置间的阻力、体液在管道内流动时产生的流体阻力等D：骨骼运动学**2.骨骼力学、动力学和静力学A: 骨骼力学**力矩：①力矩：一个力施加于物体所产生的绕某轴转动的作用就称为力矩②单位为牛顿.米（N.M）③力矩的大小也称为扭力应力和应变：①应力：（stress）单位面积上的作用力 N／M²②应变：(strain)物体在内部应力作用下发生的形变和大小的相对变化③弹性形变基本形式：（elastic deformation）有长度形变、体积形变和形状形变。
④弹性模量：(modulus of elasticity)应力和应变的比值刚体：定义：在外力作用下，物体的大小与形状不发生改变的物体称为刚体（ringid body）B：动力学**①动力学状态:一个力作用于物体,会加速物体的运动,改变物体的运动速度，此为非平衡状态，也称动力学状态。
②线加速度：力所产生的加速度是沿直线方向。
③角加速度：由扭力所产生的绕轴旋转的加速度。
C:静力学**①静力学平衡：当作用于物体上的合力或合力力矩为零时，物体没有线加速度和角加速度，此时物体保持平衡、静止或匀速运动,称为静力学平衡。
静力学平衡可分析作用处于静态系统上所有力的平衡问题3.脊柱运动节段、脊柱运动学、脊柱小关节和神经根**A：脊柱运动节段**①定义：相邻两椎体及其间的软组织构成，能显示与整个脊柱相似的生物力学特性的最小功能单位，其运动的叠加可构成脊柱的三维运动，称为运动节段（motion segment），又称脊柱功能单位（functional unit）②分部：前后两部 a前部：两个椎体、椎间盘和后纵韧带b后部：椎弓、椎间关节、横突、棘突和韧带③前后部承载：侧方、前方剪应力作用、轴向压缩及屈曲运动时，前部的椎间盘是主要的负重部位。
人体生物力学在的应用
人体生物力学在的应用
1.临床医学。
人体生物力学在临床医学中的应用范围较广，主要包括骨科、神经学、运动损伤等领域。
临床医学中的人体生物力学运用于对人体运动学、力学、稳定性、能力、姿势等方面的研究，可用于帮助诊断疾病、量化疾病状况，及分析和预测疾病发展趋势。
2.运动科学。
人体生物力学在运动科学中的应用十分广泛，主要包括对人体肌肉及
骨骼系统的力学分析，动态力学数据收集和运动模拟等。
该领域的应用范
围包括运动科学的研究、运动性能改善、运动损伤预防及康复等。
3.人机交互。
人机交互领域需要考虑人体工学的原理，结合人体生物力学研究，可
以建立与人体运动特征相匹配的界面操作。
人机交互的应用领域非常广泛，包括游戏、电子产品、智能设备等。
4.职业健康与安全。
在工业生产中，人体生物力学研究可以分析工作环境对人体的影响，
评估工作任务对人体的影响，为工作环境和工作任务做出适当的调整，进
一步预防职业损伤。
5.人体力学设计。
基于人体生物力学设备设计可以使产品更适用于人体，缩小产品和人
体之间的工程差距，简化人机交互操作。
适用于公共场合，如公共交通，
医疗器械等。
临床生物力学
临床生物力学临床生物力学是一个涉及多个学科领域的综合性学科，它广泛应用于医学、生物学、物理学、工程学等多个领域。
本文将介绍临床生物力学的各个方面。
1.生物力学基础生物力学是研究生物体在运动、活动和受到物理环境影响时所表现出的力学行为的学科。
它涉及到力的基本概念、力学模型、阻抗模型等。
在临床生物力学中，生物力学的基础知识对于理解和解决许多临床问题至关重要。
2.生物材料和生物界面生物材料是指用于替代、修复或增强人体组织的材料，而生物界面则是指生物材料与人体组织或体液之间的相互作用。
在临床生物力学中，了解生物材料和生物界面的性质对于选择合适的材料和设计成功的治疗方案至关重要。
3.生物流体力学生物流体力学是研究血液流动、呼吸过程、消化过程等涉及流体动力学的生物力学分支。
它对于理解人体循环系统、呼吸系统、消化系统等的生理功能以及设计相关医疗设备和治疗方法具有重要意义。
4.生物机械系统生物机械系统是指人体运动系统，包括骨骼、肌肉、关节等。
研究生物机械系统有助于理解人体运动和姿势的调节，为设计医疗器械和康复设备提供指导。
5.生物力学评估与测量生物力学评估和测量是通过对人体运动和生物力学参数的测量来评估个体或系统的性能。
这种方法有助于医生了解患者的病情，例如肌肉力量、关节活动度等，从而制定合适的治疗方案。
6.生物力学建模与仿真生物力学建模和仿真是利用计算机技术和数学模型来模拟生物体的运动和受力情况。
这种技术在临床生物力学中广泛应用于手术模拟、设备设计和优化等方面。
7.生物力学干预生物力学干预是指利用物理治疗、作业治疗、心理干预等方法来改善患者的生物力学状况。
这些方法可以帮助患者恢复运动功能，减轻疼痛，提高生活质量。
8.临床生物力学应用临床生物力学应用是指将临床生物力学的研究成果应用于疾病预防和治疗中。
例如，利用生物力学原理设计康复器械，为术后患者进行运动康复训练，以及根据生物力学数据评估手术效果等。
9.康复生物力学康复生物力学是康复医学与临床生物力学的交叉学科，它运用生物力学原理和方法来研究康复治疗方法、评估康复治疗效果以及优化康复设备的设计。
顿挫期圆锥角膜拟锥体参数与角膜动力学响应参数的关系
ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｏｒｎｅａｌ ｃｏｎｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｒｎｅａｌ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｆｏｒｍｅ ｆｒｕｓｔｅ ｋｅｒａｔｏｃｏｎｕｓ ［ Ｊ］ ．
ｒａｄｉｕｓ ｏｆ ｃｕｒｖａｔｕｒｅ； ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｒａｄｉｕｓ
０ 引言
圆锥角膜（ ｋｅｒａｔｏｃｏｎｕｓ，ＫＣ） 是一种以角膜扩张
为特征，致角膜中央部向前凸出呈圆锥形，产生高度
不规则近视散光和不同视力损害的原发性角膜变性
疾病。 ＫＣ 的治疗包括适用于轻中度病例的角膜胶
原交联手术和角膜基质环植入手术，以及针对严重
第 ４２ 卷 第 ６ 期
２０２３ 年 １２ 月
北京生物医学工程
Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ ４２ Ｎｏ ６
Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２０２３
顿挫期圆锥角膜拟锥体参数与角膜动力学响应
参数的关系
王维１ 张慧１ 田磊２ 李林１，３ 张海霞１，３
摘 要 目的 探索圆锥角膜拟锥体的中心位置和力学性质对角膜动力学响应参数的影响。 方法
ｒｅｇｉｏｎ，ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｃｏｒｎｅａｌ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｕｎｄｅｒ ａｉｒ ｐｕｌｓｅ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ
ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｒｎｅａｌ ｃｏｎｅ ｒｅｇｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＤＣＲ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．
医用生物力学
医用生物力学1医用生物力学是什么医用生物力学是一门多学科交叉学科，主要研究和应用生物物理学，生物力学，生物材料科学，计算生物学，机器人技术，人机交互等原理和技术，对生物学临床医学产生重要影响。
内容涵盖了生物动力学，关节及肌肉力学，人体形态及运动动力学，医用仿生机器，各种仿生材料的研究及应用，多模态信息融合以及交互，学术理论自适应临床应用，力学模型及虚拟仿真，转换医学/医药和产业应用等跨学科的创新技术和工程方法。
2医用生物力学的用途医用生物力学应用于临床和工业等方面，它们的用途有：1、检测、诊断和监测：包括生物测量系统、脑功能成像技术、神经肌肉受损与康复技术等。
2、早期预防：包括心血管疾病早期筛查、慢性疾病的监测预防和康复治疗等。
3、激发创新：使用这种技术可以填补目前还没有解决的问题，从而促进新的商业机会和技术创新。
4、临床操作：如体外细胞辅助技术、数字医学设备、人工关节系统等，在有限的时间和有限的空间内，实现最佳的医疗效果。
3医用生物力学将如何发展医用生物力学对医学临床有重要作用，历史发展趋势表明，医用生物力学将会以新的趋势、新的方向发展：（1）把计算和多学科的研究集中到医学诊断、治疗、康复和健康监护、机器人和仿生设备，以及病理生物学领域；（2）运用现代信息技术，扩大医学技术对临床操作的支持；（3）将医学生物力学理论与实践串联起来，促进在医学设备设计和应用开发中的通用解决方案的发展；（4）实现多种医疗装置的集约设计、模拟和仿生技术；（5）加强现有研究方法，形成更高效，更精确的临床实现；（6）促进新技术的跨越，创造新的临床模式和应用场景。
基于以上几个方面，未来的医用生物力学将更多地走向符合医学要求、更加应用化和跨学科化的方向，由此有助于改进和创新医学临床服务，带来更好的社会效益。
生物医学工程基础历年真题及答案
生物医学工程基础历年真题及答案生物医学工程基础1.简述生物力学的研究对象、内容、基本方法和主要特点（20’）定义：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。
研究对象：力与生物体运动、生理、病理之间的关系。
研究目的：通过生物力学的研究，用力学分析的手段了解、研究、利用、治疗、保护并配合创造生物。
另有仿生学、听诊器、血压计等都利用了生物力学的原理。
研究内容：（1）生物运动学：任务是分析动物的运动。
用一个有限的自由度系统的运动模拟动物的运动，在此基础上研究动物的能量，力与位移、速度与加速度之间的关系。
2）生物流体力学：研究血液、各种体液等流体的特性及生物体内的流体情况，研究生物与空气、水之间的相对运动。
3）生物固体力学：研究生物体内形状稳定部分的受力特性和变形性，以及一些医疗体育器械的强度和变形情况。
4）综合问题：同时考虑多项介质的相关影响。
研究方法：用解析方法或数值方法求解数学模型。
用试验方法测定物理模型或实物试件。
对现场举行分析研究。
特点：另外，生物力学在研究方法上有有别于其他各种物理问题或工程问题的研究方法：①生物力学的试验有“在体”和“离体”之分。
②一部分生物材料（如肌肉）能产生主动力，因此不能用常规的材料试验方法对他们进行研究。
③在体实验分麻醉态和非麻醉态。
2.简述细胞力学的研究内容、实验手段及其应用和发展趋势。
（10’）研究内容：实验手段：应用：①仿生学。
在对生物了解的根蒂根基上研究生物的长处，举行发明发明。
②体育竞技等。
通过对生物所做的力学分析，可以更好地发挥生物的效能。
③对疾病的治疗：听诊器、血压计、人体器官（人工心脏、假肢）等基于生物力学。
④从力学的角度改造生物，可以指导运动员的训练等。
发展趋势：主要集中在细胞-分子力学、骨力学、血液动力学、组织工程方面。
宏-微观结合的趋势明显，如骨力学，生物流变学，组织工程等研究开始深入到细胞-分子水平。
生物力学
研究生物心血管系统 消化呼吸系统 泌尿 系统 内分泌以及游泳 飞行等与水动力学 空 气动力学 边界层理论和流变学由关的力学问题 。
新技术
微/纳米尺度的生物力学测试技术
新方法
系统生物力学方法
新特点
内涵扩大【生物医学工程 生物工程】 有机融合【生命科学与基础和工程科学】 微观深入【细胞-亚细胞-分子层次；定量生物学】 宏观-微观相结合【组织工程 器官力学 信息整合与系统生物学】
新概念
仿生力学 仿生力学在人类历史上至今天，都一直给人类
以启发。鸟类 昆虫的飞翔一直来都是驱动人类航 空的直观动力，而鱼类的用水动则为新型水下运输 工具设计提供新的思路。研究扑翼飞行和鱼类泳动 力学的原理，鸟类和昆虫扑翼运动的力 能转换机 理都具有科学意义和应用价值。
肝胆流变学
作为我国为数不多 具有原创性的研究领 域，起研究成果在上世纪80年代在国际生物力 学界具有一定影响。
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 运动会的技术诊断和改进训练方法的 理论依据。此外，运动生物力学在运 动创伤的防治，运动和康复器械的改 进，仿生机械如步行机器人的设计等 方面也有重要作用。同时还为运动员 选材提供了依据。
肌肉骨骼系统 基础生物力学
内容简介：
《肌肉骨骼系统基础生物力学》(第3版) 分三篇18章，深入讨论了肌肉骨骼系统的 组织结构、关节力学及临床应用，包括对 肌肉骨骼的发育、组成结构、功能及功能 评定、创伤的力学机制、临床力学结构重 建等相关的最新研究信息。
应用
人体各器官、系统，特别是 心脏—循环系统和肺脏—呼吸 系统的动力学问题、生物系统 和环境之间的热力学平衡问题、 特异功能问题等也是当前研究 的热点。生物力学的研究，不 仅涉及医学、体育运动方面， 而且已深入交通安全、宇航、 军事科学的有关方面。
骨伤科生物力学
骨伤科生物力学骨伤科生物力学是研究人体骨骼系统在运动中的力学特性和力学变化规律的学科。
它结合了生物学和力学的原理，通过研究骨骼系统的力学行为，可以帮助医生更好地理解和治疗骨伤疾病。
一、骨骼系统的力学特性骨骼系统是人体的支撑结构，能够承受来自外部的力和负载。
骨骼系统的力学特性包括骨骼的刚度、强度和韧性。
1. 刚度：骨骼的刚度是指骨骼对外部力的抵抗能力。
刚度越大，骨骼对外力的变形程度越小。
骨骼的刚度主要由骨组织的弹性模量决定，不同骨骼部位的刚度也不同。
2. 强度：骨骼的强度是指骨骼能够承受的最大力。
强度与骨骼的结构和组织密切相关，骨骼中的骨小梁和骨小片是承受压力和拉力的主要部位，它们的数量和分布对骨骼的强度起着重要作用。
3. 韧性：骨骼的韧性是指骨骼对外部冲击或震动的抵抗能力。
韧性主要由骨骼的韧带和骨骼间负责缓冲和吸收冲击力的软骨组织共同作用。
二、生物力学在骨伤科中的应用生物力学研究的目标是通过分析骨骼系统的力学行为，为骨伤科的临床实践提供理论依据和技术支持。
1. 骨折修复：生物力学可以帮助医生了解骨折过程中骨骼的应力和应变变化，通过设计适当的外固定装置或内固定器材来促进骨折的愈合。
此外，生物力学还可以评估不同修复方法的效果，并优化治疗方案。
2. 关节置换：生物力学可以评估关节置换术的效果和潜在的机械问题，为手术方案的选择和术后康复提供指导。
通过模拟和分析关节的力学行为，可以预测人工关节的寿命和功能，进一步优化关节置换手术的效果。
3. 运动损伤预防：生物力学可以分析运动时骨骼系统的负荷分布和运动方式，帮助预防运动损伤的发生。
通过评估运动员的运动技术和姿势，可以提出相应的建议和指导，减少运动伤害的风险。
4. 功能评估和康复训练：生物力学可以通过运动分析和力学测量来评估患者的骨骼功能，并设计个性化的康复训练方案。
通过监测康复过程中的力学变化，可以及时调整康复计划，提高康复效果。
三、发展趋势和挑战随着科技的进步和研究的深入，骨伤科生物力学面临着新的机遇和挑战。
生物器官力学知识点总结
生物器官力学知识点总结1. 细胞力学细胞力学是生物器官力学的基础，它研究细胞内部各种生物分子和结构对力学作用的响应。
细胞的力学性质受到细胞骨架、细胞膜和细胞质等结构的影响。
通过研究细胞力学，可以了解细胞在生理和病理情况下的变化，对于癌症、心血管疾病等疾病的治疗和预防具有重要意义。
2. 组织力学组织力学研究组织的结构和功能对外力的响应。
生物体内的组织包括肌肉组织、骨骼组织、软组织等，它们在生物器官的运动、支撑和保护功能中发挥着重要作用。
研究组织力学可以帮助人们更好地理解和控制生物体内组织的运动和变形，对于生物力学建模和仿生机器人等领域具有重要意义。
3. 器官力学器官力学是研究器官结构和功能在生物体内受力和运动的特性。
生物器官包括心脏、肺部、肝脏等，它们在人体内的运动和功能调节中发挥着重要作用。
研究器官力学可以帮助我们更好地理解器官的结构和功能，对于疾病的诊断和治疗具有重要意义。
4. 生物力学建模生物力学建模是将生物力学性质转化为数学模型，进而进行预测、分析和优化的一种方法。
它是生物器官力学研究的重要工具之一，可以帮助人们更好地理解生物体内的力学特性和运动规律。
生物力学建模在生物医学工程、生物材料等领域有着广泛的应用。
5. 生物力学实验生物力学实验是通过实验手段研究生物器官的力学性质和功能。
生物力学实验包括力学测试、生物组织工程、显微影像、生物传感器等多种手段，可以用来研究生物器官的材料特性、结构形态、生理功能等方面。
生物力学实验在生物医学研究、药物研发等领域有着重要作用。
6. 生物器官力学在医学中的应用生物器官力学在医学中有着广泛的应用。
通过研究生物器官的力学特性，可以帮助医生进行疾病诊断、治疗方案设计和手术操作规划。
此外，生物器官力学还可以帮助人们设计和制造生物材料和生物器官，用于替代或修复受损的器官，对于生物医学工程和再生医学具有重要意义。
7. 生物器官力学的发展趋势随着生物技术和医学技术的不断发展，生物器官力学也将不断取得新的突破。
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)
脊柱侧弯的生物力学基础
第十三章脊柱侧弯的生物力学基础香港大学骨科学系吕维加第一节脊柱生物力学中的解剖因素一、正常生理弯曲从正面看，正常脊柱的形态大体是直而且对称的，除了由于主动脉位置因素导致的胸段轻微的右弯，右利手也被认为是这种现象的原因之一；从侧面看，脊柱则是具有４个生理弯曲的曲线，即脊柱的生理性弯曲，分别是颈椎生理性前凸、胸椎生理性后凸、腰椎生理性前凸以及骶尾段的生理性后凸。
二、小关节研究发现脊柱的活动可能在很大程度上取决于双侧小关节的关节突的形态和位置。
关节突的方向和位置将会影响到脊柱的运动学特征。
在胸段脊椎，上关节面几乎是平的，向后上而且偏外一些，而下关节面向前内下方。
胸段脊椎关节面的方向可能和这一区域的无规律的复合运动有关。
后面我们将继续讨论这个问题。
三、韧带我们目前对于韧带在脊柱侧弯的物理性质和作用仍然知之甚少。
Walters和Morris曾经做过一个体外实验来比较脊间韧带在原发性脊柱侧弯和继发性脊柱侧弯中力学性质的作用，结果显示二者之间无显著性差异。
Nordwall比较了脊间韧带和竖脊肌肌腱在原发性脊柱侧弯、继发性脊柱侧弯以及单纯脊柱滑脱的病人体内的力学性质，结果同样是无显著性差异。
目前已经有很多研究黄韧带力学性质的文章，一致认为黄韧带在脊柱正常的运动过程中起到重要的作用。
黄韧带在脊柱侧弯中的作用已经由实验证实。
黄韧带和小关节限制正常脊柱胸段轴向旋转运动的范围；如果实施半椎板切除后，即去除了黄韧带缰绳”作用，可以形成实验性脊柱侧弯模型。
近来，关于在脊柱侧弯中椎间盘的生物力学作用的研究也相继出现。
Brickley-Parsons和Glimcher观察了在脊柱侧弯病人中凸侧和凹侧的椎间盘性型胶原和型胶原的分布。
他们发现型胶原和型胶原的分布存在显著性差异，研究者认为可能为凸侧和凹侧的压力不同所致，这也许就是Wolf力学定律在胶原的生物化学上的体现。
第二节运动学概念早在1905年，Lovett曾经在《脊柱侧弯相关的机械力学》一文中提到，研究脊柱侧弯就像调查火车事故的原因，不仅需要了解撞毁的车厢破坏力的作用及方向，还需要知道将来如何更好地预防下一次事故的发生，比如通过对信号灯系统的调查来研究常规的预防措施。
脊柱生理曲线变化的生物力学基础及临床意义
综 述 脊柱生理曲线变化的生物力学基础及临床意义韦 坚 韦贵康 广西中医学院 530001 南宁市明秀东路21号关键词 脊柱;生理曲线;生物力学;综述脊柱生理曲线的变化特点,已被证实在一定程度上是脊柱失稳的影像学征象,越来越引起人们的关注。
胸段和骶尾部的曲度在胚胎时即已出现,为原发性曲度,一般保持不变;而继发性曲度之颈、腰椎生理曲线的研究,对阐述颈、腰椎急慢性损伤的病因病理,提高临床诊治水平显示出重大的意义。
1 颈椎生理曲线的研究传统认为,颈椎生理曲线变化可能属于正常现象,与临床无明显确定关系,缺乏重要的临床意义1!。
随着生物力学的介入和研究方法不断改善,越来越多的证据突出了颈曲在颈椎相关疾病中的重要地位。
近年一些研究共同反映了某种趋势:颈椎力学协调紊乱在退变性颈椎失稳中是较骨赘更为重要的发病因素。
1 1 颈曲的测量方法 颈曲测量方法很多。
如王成林等2!将C2椎体前上缘和C7椎体前下缘联线,其与椎体前缘弧线的最深距离即为颈曲前凸值。
张光等3!在MRI上,以齿状突顶点至C7椎体下缘为a,其与C4~C5后缘中点距离为b,依据tg /4=2b/a公式,求出 角度值作为颈曲角。
角度量法在侧位片测量由C2椎体后缘延长线与C7椎体后缘延长线相交所形成的角度,因不受放大的影响,较为可靠4!。
但临床上更为常用的是Borden氏法,即在颈椎侧位片上自C2齿状突后上缘至C7椎体后下缘划一直线,使椎体后缘连线成一个相应的自然弧,弧的顶点在C5椎体后上缘,弧最大垂直深度为12∀5m m;当此数值>17m m为曲度增大,<7mm为变直,<0mm为后凹5!。
上述这些方法虽有差异,但其结果是一致的。
以往 线摄片表明颈曲变直、后凹及成角在颈部慢性软组织损伤的患者中发生率较高。
颈曲的改变因不同类型的颈椎病有明显差异。
神经根型变化较大,几乎均有变直或后突,而脊髓型变化则不甚明显1!。
但颈曲异常变化也可见于正常人,约占20%~30%6!1 2 颈曲的生物力学研究 头颈之间,如一个能动大球置于一根细柱之上的绞链关系,颈椎与周围组织共同维持稳定,它们易受到静力性或动力性损害。
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软骨细胞及其分区形态
关节软骨中软骨细胞约占组织容 积的10% ； 软骨细胞分泌细胞外基质的成 分，包括Ⅱ型胶原纤维和蛋白多 糖； 在关节软骨浅表区内，软骨细胞 呈长圆形，长轴与关节面平行； 在关节软骨中间区内，软骨细胞 呈圆形，分散杂乱； 在深区内，软骨细胞呈柱状排列。
软 骨 囊
软骨中的胶原纤维
关节软骨蠕变特征
施加恒定应力在软骨面上，在初期阶 段，由于基质内液体渗出较快，早期 应变增加快，当流动减慢直到停止 时，应变改变降低直到恒定。 蠕变平衡时所需时间与组织厚度的平方呈 正比。人和牛关节软骨较厚：2～4mm， 需4～16小时达到平衡；家兔关节软骨厚 度小于1.0mm，约需1小时达到平衡。
肌腱和韧带的生物力学
肌腱和韧带的组成和结构； 肌腱和韧带的生物力学性能； 肌腱和韧带的生物力学性能的 影响因素。
肌腱和韧带的组成和结构
肌腱和韧带是致密的结缔组织，主要由平行排列的 胶原纤维组成。 纤维母细胞占20%，细胞外基质占80%（其中水占 70%，固体物质占30%）。 固体物质中含胶原、基质和弹性蛋白。其中胶原占 75%。肌腱比韧带中胶原更多，肢体肌腱胶原占 99%。
无渗出液
平衡应变 大量渗出液
关节软骨应力松弛
保持恒定应变，应 力随时间下降直至 平衡应力。 软骨从A挤压至B点后保持恒定应变，液体渗出并 在B点达到应力最大值，B点后发生应力松弛，直 至平衡应力。
关节软骨的渗透性
关节软骨是多孔性泡沫材料，因孔间互相连通，因此具有渗透性。 渗透性表征液体流经泡沫材料的通过性能，它与液体流经材料时所 受到的流动阻力成反比。关节软骨的渗透性很低，所以当液体流过 软骨基质时，它受到高的流动阻力。 液体通过关节软骨有两种主要的力学方式。一方面是应用压力梯 度，即当软骨组织外面的压力大于里面，可使液体进入软骨基质。 另一方面，如果对软骨施压，也会发生液体的流动，这种局部压力 增加是引起液体从软骨组织内渗出的动力。对于正常的关节软骨上 上述两种机制同时存在。
弹性蛋白
肌腱和韧带内含有不同比例的弹性蛋白。 肌腱和肢体的韧带内弹性蛋白很少，但在有 弹性的韧带内，其比例占多数。弹性纤维与 胶原纤维的基质主要有蛋白多糖大分 子（占固体物质的20%）、结构蛋白、血浆蛋 白和小分子。 蛋白多糖含有不同的硫化多糖链和核心蛋白结 合，与长的透明质酸连接，形成一个大的多糖 结合体，类似软骨中的基质。
关节软骨的润滑作用
正常软骨对不同负荷时磨损很小，表明关节内有独特的润 滑作用。摩擦系数比油对金属的润滑低2个数量级，比最 好的人工材料低许多倍。 关节的润滑来自关节软骨面之间形成的润滑液膜，在运动 和负重时，在软骨面上形成一个有吸收性能的边界润滑物。
软骨退化的生物力学原因
关节软骨只有有限的修复与再生能力，对异常大的应力 引起快速总体衰竭。影响因素包括：应力幅度、频率、 胶原-蛋白多糖分子结构及基质内在力学性能的变化。 衰竭最重要的初期因素是胶原网的松动，蛋白多糖膨胀。 引起软骨硬度的衰减和软骨渗透性增加。 关节软骨承受的应力幅度取决于负荷的大小和分散关节 软骨的接触面积。接触区内任何应力集中成为软骨退化 的主要原因。 关节软骨上的过大应力集中，是由于关节面不平整，导 致接触区变小而使软骨衰竭。
骨关节炎软骨生物力学改变
关节软骨的压缩性能与软骨基质中蛋白多糖的数量成正 比，而张力性能与软骨胶原数量成正比。骨性关节炎关节 软骨的蠕变特性、弹性模量的测量结果与蛋白多糖含量接 近一致，略与胶原含量一致。 已经出现退变但看上去正常的软骨不随病情加重而变硬 （较软）。虽然骨性关节炎改变可出现局灶性分布，但退 变延伸到另一部位时的硬化征兆一般不明显。 蠕变特性的改变先于软骨纤维化之前。由于蠕变特性与蛋 白多糖浓度一致，所以蠕变特性改变是在蛋白多糖的损耗 之后出现的病理改变。
关节内应力的分布
关节软骨具有衰减应力和吸收振动的作用，使骨免受应力损伤。如果 无软骨，就会引起骨损伤的应力，增加骨的接触应力，引起松质骨骨 小梁疲劳性损伤。 在软骨浅表区，纤维排列方向与表面平行，张应力强度和刚度大。 软骨最深层的胶原纤维具有垂直排列的倾向，有将基质固定于软骨下 骨的功能。 软骨在比较厚的松质骨上，因松质骨能发生足够的变形，从而产生最 大限度的负重接触面，减小软骨承受的应力，使关节充分适应负荷。 松质骨的变形使小梁骨发生微骨折。但只要微骨折发生频率低于愈合 率，松质骨的可变形性就不会改变。软骨下骨若失去变形性，关节应 力增加，导致关节软骨的局部应力集中。
骨关节炎生物力学因素
疲劳性磨损：反复受力作用，不仅产生胶原纤维断裂，而且也损耗了 软骨表面的蛋白多糖。骨畸形可增大软骨所承受的这种反复作用的应 力。 应力集中：由于关节骨折、脱位、髋臼发育异常、骨骺滑脱和疾病引 起结构异常，因支持负荷的面积减少而导致接触压力增大。骨坏死造 成骨质塌陷，导致出现致病性高负荷应力。 张应力破坏：关节畸形（例如膝外翻或膝内翻），使关节增加的负荷 不平衡，一侧分布大，最后软骨破坏。 异常作用力：可引起关节的内部紊乱。 关节面的相对挤压:造成关节软骨营养障碍，导致软骨细胞坏死。继 之发生基质蛋白多糖的损耗，经关节往返运动的压力和剪力，引起软 骨退行性改变。
曲线低坡部分示拉力方向与胶原 蛋白结构排列一致；上部代表胶 原蛋白本身拉伸刚度。任何病理 或实验所致软骨组织成分或结构 异常，拉伸曲线有异常反应。
软骨拉张性能影响因素
外加张力的方向与胶原的取向密切相关。无张力 时，纤维定向不规则；有张力时，纤维按张力方向 排列； 胶原的拉张性能与胶原分子的结构、胶原纤维的构 造及交联相关，张力性能与软骨胶原数量成正 比； 关节软骨的进行性降解，导致原纤维形成轻度骨关 节炎，表现为软骨基质在拉张性能方面的进行性衰 竭.
足趾区（1–2）：拉长的是松驰胶原的卷 曲变化，随负荷增加而变直。趾区末端的 应变为1.5～4. 0%。 线性区（ 2–3 ）：胶原纤维变得更平行， 卷曲消失,标本的硬度迅速加大，组织形变 与负荷成线性关系。 塑性区（ 3–4）：组织达到屈服点，部分 胶原纤维已经开始发生衰竭，组织发生不 可逆的结构性改变。 断裂区（4 – 5）：到达最大负荷值，标本 达到最大抗拉强度后，很快出现完全衰 竭，失去抗张力。
关节软骨的物理结构
关节软骨中胶原原纤维和蛋白多糖属于关节的结构成分，支持施加 于关节软骨上内在的应力负荷。这些结构成分和水一起，决定了软 骨的生物力学行为； Ⅱ型胶原纤维、蛋白多糖单体、透明质酸纤维及其他成分之间相互 作用形成多孔的组合性纤维网，使基质具有固体所具有的力学性 质，能抵抗关节的应力与应变； 关节软骨也是各向异性的双相（液体相和固体相）复合材料。负荷 方向不同，材料性能各异。这与胶原纤维排列方向、交联密度及胶 原与蛋白多糖的相互作用方式有关； 软骨的这种结构有利于液体在应力作用下产生流动，使无血管的软 骨组织内气体、营养和废物产生扩散，使软骨细胞与周围营养丰富 的滑液之间进行物资交换。
胶原
肌腱和韧带中胶原分子由纤维母细胞合成。在细胞内的为 较大的前胶原，分泌到细胞外间隙，合成I型胶原。 大多数胶原分子含甘氨酸（33%）、脯氨酸（15%）和羟脯 氨酸（15%）。 肌腱和韧带中胶原纤维排列：肌腱的纤维为有序的平行排 列，使其能承受高度的单向拉张负荷；韧带的纤维不完全 平行，相互交织紧密结合，主要方向承受拉张负荷，其它 方向也可承受负荷。 肌腱和韧带中胶原的代谢可用羟脯氨酸或甘氨酸来测定。
胶原纤维形态
II型胶原
I型胶原
弹性纤维形态
软骨中的蛋白多糖
软骨组织内蛋白多糖为净重的3～10%，为大分子蛋白多 肽单体或聚集体，比较集中于中间层； 蛋白多糖中的多糖链为杂多糖，因其组成成分中均含氨基 已糖，所以称为氨基多糖或糖胺聚糖(GAG)。常见的氨基 多糖包括透明质酸、硫酸软骨素、硫酸角质素和肝素等； 这种蛋白多糖聚集体可使蛋白多糖在胶原网内得到稳定并 可增加细胞外基质的结构硬度。关节软骨的抗压缩能力与 软骨基质中蛋白多糖的数量成正比。
氨基多糖基质组成
基质
软骨中的水
软骨组织内水、无机盐和少量其他基质蛋白、糖蛋白 和脂肪占约60～87%。 水在关节内分布不均。近关节面最多（约80%），越 近深区水越少，到深区为65%； 约有30%的水与胶原原纤维密切相关并占据分子内间 隙，当组织受负荷时水可自由流动； 软骨组织受到负荷时约70%的水流动，这种流动对软 骨力学行为的控制和关节的润滑有重要意义。
肌腱与韧带的骨附着
韧带和肌腱连接于骨上的结构（止点）是相似的。 对肌腱而言，止点有四个区：肌腱端区、胶原纤维 与纤维软骨交织区、纤维软骨到矿化纤维的过渡区、 皮质骨区。 从肌腱至骨的结构变化导致组织生物力学特性的逐 渐改变，硬度逐渐增加，使肌腱附着于较硬的骨结 构上，减少应力集中。
肌腱与韧带的生物力学
软骨分类
弹性软骨:存在于耳垂、 听觉管道和喉部。其构造 与透明软骨相似，只是间 质内含有大量的弹性纤 维，互相交织成网，具有 很大的弹性。弹性软骨新 鲜时呈黄色。
纤维软骨:存在于耻骨联 合、关节的半月板、椎 间盘中。其特点是基质 很少，其中含有大量的 胶原纤维束，平行或交 叉排列。
透明软骨:存在骨的关节 表面、鼻、呼吸道壁。 新鲜时呈半透明状，较 脆，易折断。透明软骨 间质中的纤维为胶原原 纤维，含量较少，基质 较丰富。
第三讲:骨科生物力学专题(续)
1. 关节软骨的生物力学 2. 肌腱和韧带的生物力学
关节软骨的主要功能
承受力学负荷； 分散负荷； 减小接触应力； 润滑作用，减小关 节面作相对运动时 的摩擦力和磨损。
关节软骨的结构与组成
1. 软骨由软骨细胞、基质和 纤维组成，软骨细胞镶嵌 在基质中。 2. 软骨具有确定的纤维组织 （胶原、弹性)排列。 3. 软骨分为透明软骨、纤维 软骨（含较多胶原纤维） 和弹性软骨（含较多弹性 纤维）。
软骨中胶原含量占软骨组织净重的10～30%； 原胶原纤维平均直径25～40nm； 软骨中Ⅱ型胶原比骨、韧带和肌腱内的I型胶原 更细，使其能在软骨内分布最大化，且分布不均 匀。