生物力学概论PPT课件
合集下载
生物力学课程——生物力学绪论(新)PPT幻灯片
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。
按传统力学的分类方 法，生物力学分为以下几 方面：
1．生物材料力学 2．生物流体力学 3．生物固体力学 4．运动生物力学 5．生物热力学
1．生物材料力学
生物材料力学是研究组成生物体的材
所具有的力学性质。 生物材料包括: 生物硬组织 （骨、软骨、牙齿、甲壳等）， 生物软组织 （肌肉、皮肤、血管、生物膜） 体液（血液、淋巴液、唾液等）。
总之 , 生物力学的研究方法主要是 : (1) 用解剖学方法确定所研究对象结构的 几何特征。 (2) 用材料力学的宏观与微观的方法,确定 所研究对象的力学特性,给定本构关系。 (3) 根据器官或系统的工作情况 , 建立合理 的力学模型,推导相应的微分方程或微分 一积分方程。
(4) 给出该方程的解析解、或数值解、或近 似解等。
例如：
在数学中，有限元法是一种为求得偏微 分方程边值问题近似解的数值技术。
由于大多数实际问题难以得到准确解，而 有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂 形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
一. 生物力学的研究对象
• 力学是研究力作用下物体运动、变形和 破损规律的科学。
• 生物学是研究生命的生长与衰亡的科学。
研究工作的复杂性和高难度是可 想而知的。
3．生物固体力学
生物固体力学是从力学的角度来研究 各种组织器官乃至整个系统的形状，结构 及其功能之间的关系。例如对骨，软骨， 关节和骨骼系统的研究，对牙齿，牙床结 构的力学分析等等。它关系到创伤的治疗 和防护，矫形，移植以及人造材料的研制 与应用，尤其是骨骼和关节力学的研究已 成为当前生物力学最活跃的分支。
运动器系的生物力学ppt课件
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
（一）生物运动链
1．生物运动偶： 两个相邻环节之间的可动连接。
2．生物运动链： 两个或两个以上生物运动偶的 串联式连接。
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
3．关节的灵活性和稳固性。 （1）影响关节灵活性的因素： 关节软骨、关节腔、关节囊内的滑液、滑膜皱 襞、粘液囊等。 关节内滑液： 1/10s时，柔软的弹性体； 1/100s时，关节动作灵活； 1/1000s时，坚硬的“固体”。
（2）维持关节稳固性的因素： 骨骼、肌肉、韧带、关节囊、关节软骨和关节腔
内的负压等。 二、关节动力学
二、载荷的表现形式
1．拉伸载荷：自物体表面向外施加大小相等而方向相反的载荷。 2．压缩载荷：向内加于物体表面的大小相等而方向相反的载荷。 3．弯曲载荷：使物体沿其轴线发生弯曲的载荷。 4．剪切载荷：使物体受到一对相距很近，大小相等，方向相反
力的载荷。
5．扭转载荷：使物体沿轴线产生扭转的载荷。 6．复合载荷：物体同时受到多种载荷的作用。
冲击载荷： 冲击载荷：当某一物体同
其他物体作用，使其速度在
交变载荷
极短时间内有很大改变时所 受的载荷。
交变载荷：随时间作周期性 的改变并且多次重复地作用 在物体上的载荷。
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
肌肉活动对骨应力的影响
✓ 骨承受载荷时，附着于骨骼上的肌肉收缩可改变 骨的应力分布情况。肌肉收缩产生的压应力能部分或 全部抵消作用于骨骼上的张应力。
生物力学概论副本省公开课一等奖全国示范课微课金奖PPT课件
30/34
以人工心脏瓣膜这一经典生物医学工程项目为例，为了进行 人工心脏瓣膜设计和制造，人们需要作以下工作：
①了解心脏瓣膜开启和关闭机理，搞清人体心脏瓣膜运动学和 力学特征（定量生物力学）；
②处理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力学特征和疲劳寿命，以及植 入心脏后长久生物效应等 。
27/34
1.4 生物力学与生物医学工程
什么是生物医学工程 生物医学工程（Biomedical Engineering, BME）是利用自然科学和工程技术原理和 方法，研究人生理、病理过程，揭示人体 生命现象，并从工程角度处理防病治病问 题一门综合性高技术学科。
28/34
我国著名科学家顾方舟先生在“中国生物医学工程 今天与明天”一书中这么写到“生物医学工程学是这么 一门学科：它把人体各个层次上生命过程（包含病理过 程）看作是一个系统状态改变过程；把工程学理论和方 法与生物学、医学理论和方法有机地结合起来去研究这 类系统状态改变规律，并在此基础上，应用各种工程技 术伎俩，建立适宜方法和装置，以最有效（目标实现和 经济成本）路径，人为地控制这种改变，以达预定目标。
21/34
1.2 生物力学发展史
生物力学一词即使在20世纪60年代才出现，但它 所包括一些内容，却是古老课题。
独立学科： 到了20世纪60年代，一批工程科学 家同生理学家合作，对生物学、生理学和医学相关 问题，用工程观点和方法，进行了较为深入研究， 使生物力学逐步成 为了一门独立学科。其中有些课 题研究也逐步发展成为生物力学分支学科，如以硕 士物材料力学性能为主要内容生物流变学等。
29/34
生物医学工程是理、工、医相结合新兴边缘学科， 是各种工程学科向生物学、医学渗透并相互作用结果。 生物医学工程在国际上做为一个学科出现，始于20世纪 50年代,尤其是伴随宇航技术进步、人类实现了登月计 划以来,生物医学工程有了快速发展。即使它作为一门 独立学科发展历史只有50余年，但因为它在保障人类健 康方面所起巨大作用，它已经成为当前医疗保健性产业 主要基础和支柱，许多国家都将其列为高技术领域。
以人工心脏瓣膜这一经典生物医学工程项目为例，为了进行 人工心脏瓣膜设计和制造，人们需要作以下工作：
①了解心脏瓣膜开启和关闭机理，搞清人体心脏瓣膜运动学和 力学特征（定量生物力学）；
②处理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力学特征和疲劳寿命，以及植 入心脏后长久生物效应等 。
27/34
1.4 生物力学与生物医学工程
什么是生物医学工程 生物医学工程（Biomedical Engineering, BME）是利用自然科学和工程技术原理和 方法，研究人生理、病理过程，揭示人体 生命现象，并从工程角度处理防病治病问 题一门综合性高技术学科。
28/34
我国著名科学家顾方舟先生在“中国生物医学工程 今天与明天”一书中这么写到“生物医学工程学是这么 一门学科：它把人体各个层次上生命过程（包含病理过 程）看作是一个系统状态改变过程；把工程学理论和方 法与生物学、医学理论和方法有机地结合起来去研究这 类系统状态改变规律，并在此基础上，应用各种工程技 术伎俩，建立适宜方法和装置，以最有效（目标实现和 经济成本）路径，人为地控制这种改变，以达预定目标。
21/34
1.2 生物力学发展史
生物力学一词即使在20世纪60年代才出现，但它 所包括一些内容，却是古老课题。
独立学科： 到了20世纪60年代，一批工程科学 家同生理学家合作，对生物学、生理学和医学相关 问题，用工程观点和方法，进行了较为深入研究， 使生物力学逐步成 为了一门独立学科。其中有些课 题研究也逐步发展成为生物力学分支学科，如以硕 士物材料力学性能为主要内容生物流变学等。
29/34
生物医学工程是理、工、医相结合新兴边缘学科， 是各种工程学科向生物学、医学渗透并相互作用结果。 生物医学工程在国际上做为一个学科出现，始于20世纪 50年代,尤其是伴随宇航技术进步、人类实现了登月计 划以来,生物医学工程有了快速发展。即使它作为一门 独立学科发展历史只有50余年，但因为它在保障人类健 康方面所起巨大作用，它已经成为当前医疗保健性产业 主要基础和支柱，许多国家都将其列为高技术领域。
《生物力学概论》PPT课件
组织层次。主要涉及四种流动： 一、穿过毛细血管壁的流体运动。这是血液微循环系统和周围组织之间物 质输运的主要形式。这里又有三类问题：(a)通过毛细究以starh“8定律为基础， 关键是渗滤系数的实验测定；(c)大分子的输运。 二、组织间质内的流体运动。这实际上是指毛细血管外组织细胞间隙空间 的流动，可以看作是某种多孔介质内的渗充。关键是间质空间压力的测定， 以及间质7L隙度和渗流系数的确定。 三、淋巴流动。最新的实验结果表明．淋巴流动起着确保组织间质不会因 过多液体(来自毛细血管的跨壁流动)而水肿的作用。毛细淋巴管具有盲端，而 作为输运导管的淋巴管具有导向阀门。淋巴流动的动力来自淋巴管的能动收 缩和有关组织、器官的运动。 四、组织分泌液的流动。肝胆管内胆汁分泌、胃壁里胃液的分泌、肾脏内 肾小管的流动、腺体内分泌流动等。
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
Байду номын сангаас
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
生物力学PPT课件
湿度等因素引起的物体局部的相 对变形。主要有线应变和切应变 两类。
应力应变曲线图：
3）载荷：通常指施加于机械或结 构上的外力；动力机械中通常指 完成工作所需的功率；电机工程 中则指电气装置或元件从电源所 接受的功率。另外，有时也把某 种能引起机械结构内力的非力学 因素称为载荷。
线载荷图示：
载荷可以从不同的角度进行分 类：①根据大小、方向和作用点 是否随时间变化可以分为静载荷 和动载荷；其中静载荷包括不随 时间变化的恒载（如自重）和加 载变化缓慢以至可以略去惯性力 作用的准静载（如锅炉压力）。
17）向心性收缩：肌肉收缩产生 力量，如果阻力负荷低于肌肉所 产生的肌力，肌肉发生收缩这种 状况称之为向心性收缩。
向心性收缩示意图：
18）离心性收缩：若阻力负荷大 于肌肉产生的力，肌肉将被拉长， 这种状况称之为离心性收缩。
19）肌肉张力：肌肉收缩 时在骨杠杆上施加的力称 为肌肉张力。在肌肉上承 受的外力称为抗力或负荷。
2）生物力学基础：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 力学研究的重点是与生理学、医学有 关的力学问题。依研究对象的不同可 分为生物流体力学、生物固体力学和 运动生物力学等。
二 生物力学名词解析
1）应力：为单位面积上所承受的附加 内力。公式记为
21) 约束反力:是指作用于物体的 力，其大小等于物体加在约束上 的力，方向与之相反。约束反力 的方向总是同阻碍物体运动的方 向相反。
12）骨强度（strength）:是骨组 织对抗发生骨断裂的能力，是骨 组织能承受的极限应力。当骨组 织承受的应力略高于骨强度时， 即发生骨折。30岁以后，男性和 女性的骨强度均有不同程度的下 降。绝经期的妇女，雌激素缺乏， 骨的重建过程紊乱，骨强度明显 减弱。
应力应变曲线图：
3）载荷：通常指施加于机械或结 构上的外力；动力机械中通常指 完成工作所需的功率；电机工程 中则指电气装置或元件从电源所 接受的功率。另外，有时也把某 种能引起机械结构内力的非力学 因素称为载荷。
线载荷图示：
载荷可以从不同的角度进行分 类：①根据大小、方向和作用点 是否随时间变化可以分为静载荷 和动载荷；其中静载荷包括不随 时间变化的恒载（如自重）和加 载变化缓慢以至可以略去惯性力 作用的准静载（如锅炉压力）。
17）向心性收缩：肌肉收缩产生 力量，如果阻力负荷低于肌肉所 产生的肌力，肌肉发生收缩这种 状况称之为向心性收缩。
向心性收缩示意图：
18）离心性收缩：若阻力负荷大 于肌肉产生的力，肌肉将被拉长， 这种状况称之为离心性收缩。
19）肌肉张力：肌肉收缩 时在骨杠杆上施加的力称 为肌肉张力。在肌肉上承 受的外力称为抗力或负荷。
2）生物力学基础：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 力学研究的重点是与生理学、医学有 关的力学问题。依研究对象的不同可 分为生物流体力学、生物固体力学和 运动生物力学等。
二 生物力学名词解析
1）应力：为单位面积上所承受的附加 内力。公式记为
21) 约束反力:是指作用于物体的 力，其大小等于物体加在约束上 的力，方向与之相反。约束反力 的方向总是同阻碍物体运动的方 向相反。
12）骨强度（strength）:是骨组 织对抗发生骨断裂的能力，是骨 组织能承受的极限应力。当骨组 织承受的应力略高于骨强度时， 即发生骨折。30岁以后，男性和 女性的骨强度均有不同程度的下 降。绝经期的妇女，雌激素缺乏， 骨的重建过程紊乱，骨强度明显 减弱。
《运动生物力学概论》课件
球类运动中的传球、射门、控球等技术需要 运用运动生物力学原理，以提高球的准确性 和力量。
详细描述
在足球、篮球、网球等球类运动中，传球、 射门、控球等技术的准确性和力量对比赛结 果有着重要影响。通过运用运动生物力学原 理，运动员可以优化技术动作，提高球的准 确性和力量，从而提升比赛表现。
04
运动生物力学的研究方 法与技术
运动生物力学的未来发展方向
高精度测量技术的发展
随着科技的发展，未来将有更精确的测量设备和方法，以更深入地 探索运动中的生物力学机制。
多学科交叉融合
运动生物力学将与生理学、心理学、材料科学等多学科进一步交叉 融合，为运动训练和损伤预防提供更全面的理论支持。
个性化训练的重视
随着对个体差异认识的加深，运动生物力学将在个性化训练方案制 定中发挥更大的作用，提高训练效果和预防运动损伤。
人体运动的动力学与静力学
01
人体运动的动力学与静力学是 运动生物力学的重要组成部分 ，它们涉及到人体运动的力学 特性和机制。
02
动力学研究人体运动中的力、 力矩和加速度等物理量之间的 关系，以及这些关系对人体运 动的影响。
03
静力学研究人体在静止状态下 的受力情况和平衡状态，以及 这些状态对人体姿势和稳定性 的影响。
02
运动生物力学的核心概 念
运动生物力学的基本原理
运动生物力学是一门研究生物体运动规律和运 动机制的科学，它涉及到生物学、物理学、化 学等多个学科领域。
运动生物力学的基本原理包括牛顿第三定律、 动量守恒定律、能量守恒定律等物理学原理， 以及骨骼、肌肉、关节等生物学原理。
这些原理在运动生物力学中发挥着重要的作用 ，为研究人体运动提供了理论基础。
详细描述
详细描述
在足球、篮球、网球等球类运动中，传球、 射门、控球等技术的准确性和力量对比赛结 果有着重要影响。通过运用运动生物力学原 理，运动员可以优化技术动作，提高球的准 确性和力量，从而提升比赛表现。
04
运动生物力学的研究方 法与技术
运动生物力学的未来发展方向
高精度测量技术的发展
随着科技的发展，未来将有更精确的测量设备和方法，以更深入地 探索运动中的生物力学机制。
多学科交叉融合
运动生物力学将与生理学、心理学、材料科学等多学科进一步交叉 融合，为运动训练和损伤预防提供更全面的理论支持。
个性化训练的重视
随着对个体差异认识的加深，运动生物力学将在个性化训练方案制 定中发挥更大的作用，提高训练效果和预防运动损伤。
人体运动的动力学与静力学
01
人体运动的动力学与静力学是 运动生物力学的重要组成部分 ，它们涉及到人体运动的力学 特性和机制。
02
动力学研究人体运动中的力、 力矩和加速度等物理量之间的 关系，以及这些关系对人体运 动的影响。
03
静力学研究人体在静止状态下 的受力情况和平衡状态，以及 这些状态对人体姿势和稳定性 的影响。
02
运动生物力学的核心概 念
运动生物力学的基本原理
运动生物力学是一门研究生物体运动规律和运 动机制的科学，它涉及到生物学、物理学、化 学等多个学科领域。
运动生物力学的基本原理包括牛顿第三定律、 动量守恒定律、能量守恒定律等物理学原理， 以及骨骼、肌肉、关节等生物学原理。
这些原理在运动生物力学中发挥着重要的作用 ，为研究人体运动提供了理论基础。
详细描述
骨的生物力学PPT课件
第15页/共65页
三、骨的应力与应变
骨力学包含二个最基本的元素，即应力和应变。 （一）骨的应力 概念：当外力作用于骨时，
骨以形变产生内部的阻抗 以抗衡外力，即是骨产生的应力。 特点：应力的大小等于作用于骨截面上的外力与骨横断面面积 之比，单位为Pascal(Pa=N/m2)，即牛顿/平方米。 计算公式：
由拉力、压力、旋转、弯曲和压力联合弯曲造成的骨折类 型。
第35页/共65页
五、骨折的生物力学
骨的完整性或连续性中断时称骨折。 常见原因有： 直接暴力、 间接暴力、 肌拉力、 积累劳损及骨骼疾病。
第36页/共65页
(一) 骨的受载形式与骨折类型的关系 常见的骨折类型与骨所受载荷的形式有关，
第16页/共65页
种类：根据作用于骨的力不同，其内部分别会产生相 应的应力，如压应力、拉压力等。
作用：应力对骨的改变、生长和吸收起着调节作用， 应力不足会使骨萎缩，应力过大也会使骨萎缩。 因此，对于骨来说，存在一个最佳的应力范围。
第17页/共65页
（二）应变
概念：骨的应变是指骨在外力作用下的局部变 形。
如骨试件在压缩时，和刚度也越大。 破坏载荷及刚度的大小与横截面积成正比。
第26页/共65页
7.机械力对骨的影响 机械应力与骨组织之间存在着生理平衡。 骨对生理应力刺激的反应是处于动态平衡状态，
应力越大，骨组织增生和骨密质增厚越明显。
8.骨是人体理想的结构材料 骨具有强度大质量轻的特点。
第27页/共65页
力负荷很快减低，低于应变水平。 松质骨在拉力负荷下的能量吸收能力明显降低。
第29页/共65页
2.骨密质在受载时的生物力学特性 人类骨骼80%是皮质骨。 在受载时与骨松质相比，骨密质在断裂前应变
三、骨的应力与应变
骨力学包含二个最基本的元素，即应力和应变。 （一）骨的应力 概念：当外力作用于骨时，
骨以形变产生内部的阻抗 以抗衡外力，即是骨产生的应力。 特点：应力的大小等于作用于骨截面上的外力与骨横断面面积 之比，单位为Pascal(Pa=N/m2)，即牛顿/平方米。 计算公式：
由拉力、压力、旋转、弯曲和压力联合弯曲造成的骨折类 型。
第35页/共65页
五、骨折的生物力学
骨的完整性或连续性中断时称骨折。 常见原因有： 直接暴力、 间接暴力、 肌拉力、 积累劳损及骨骼疾病。
第36页/共65页
(一) 骨的受载形式与骨折类型的关系 常见的骨折类型与骨所受载荷的形式有关，
第16页/共65页
种类：根据作用于骨的力不同，其内部分别会产生相 应的应力，如压应力、拉压力等。
作用：应力对骨的改变、生长和吸收起着调节作用， 应力不足会使骨萎缩，应力过大也会使骨萎缩。 因此，对于骨来说，存在一个最佳的应力范围。
第17页/共65页
（二）应变
概念：骨的应变是指骨在外力作用下的局部变 形。
如骨试件在压缩时，和刚度也越大。 破坏载荷及刚度的大小与横截面积成正比。
第26页/共65页
7.机械力对骨的影响 机械应力与骨组织之间存在着生理平衡。 骨对生理应力刺激的反应是处于动态平衡状态，
应力越大，骨组织增生和骨密质增厚越明显。
8.骨是人体理想的结构材料 骨具有强度大质量轻的特点。
第27页/共65页
力负荷很快减低，低于应变水平。 松质骨在拉力负荷下的能量吸收能力明显降低。
第29页/共65页
2.骨密质在受载时的生物力学特性 人类骨骼80%是皮质骨。 在受载时与骨松质相比，骨密质在断裂前应变
生物力学课件PPT课件
足部矫形鞋垫使用目标：
１.功能的辅助
２.影响人体结构
提供支撑基础
任何位置，特别是站立及行走时的稳定需要控制足部及下肢。
过度旋前使足部错位，失去稳定性，导致支撑基础失衡。
使用足部矫形鞋垫限制过度旋前，并且使足部保持正确位置，为下肢其它部分 提供了稳定的支撑基础。
矫正或防止畸形
由肌肉、软组织及骨骼系统异常引起的足部及下肢固定畸形可以通过矫形鞋垫 得到矫正及支撑。
剪切-摩 擦 骨骼 和关节 软骨
剪切-扭 转 骨骼 和韧带
多种负荷 骨骼、肌 腱、韧带
行走看似简单行为
这三个人体系统中任何一个的损伤都会导致正常的生长发育出现并发症。
骨骼承载肌肉及组织，用于 支撑承重活动。 骨骼 肌肉、筋膜和其 它相连组织允许 骨骼协调活动 身体的本受感觉 系统接收来自身 体和外界的反馈， 并据此协调身体 活动。
步态周期中距下关节错位可导致足部和小腿在整 个活动过程中错位。
平均斜轴方向为矢平面42o
（± 4°变化）。
如大于42o = 高足弓 如小于42o = 低足弓
协调三平面的运动 被称为旋前和旋后。
旋前 中间的 既不是 旋前也不 是旋后 旋后 足部内收，跖 屈和内翻
内收
两种运动贯穿于负 重活动始终。
足部外展、背屈 和外翻
双下肢不等长： 长腿膝关节弯曲 长腿膝反张. 单侧膝外翻 单侧长腿旋前 结构性短肢的单侧旋后
步骤五&六:RCSP和NCSP
ICB矫形器 （ 2/3 的长度、完整长度和服装 风格）的后足部有固有5°角度， 矫形目的是限制过度的旋前—较小 的旋前角度(大约4°)可以吸收冲 击力。
RCSP和NCSP
后标线用来量测旋前的范围 胫骨和脚后跟之间靠下三分之一段等 分线 目的是为了获取旋前的范围 NCSP + RCSP = RoP (旋前的范围)
生物流体的力学性质课件
椎间盘载荷 140kg 150kg 150kg 215kg
185kg 390kg 210kg 205kg 180kg
例2： J.P.Panl(1970年)测量了水平步行时人的髋关节和 膝关节的平均载荷随着步长——身高比的变化，发现步行 时髋、膝关节所承受的载荷要比人的体重大得多（由于相 关肌群的收缩作用）。可见，由于肌肉的收缩作用，在建 立力学模型时，复杂性提高了很多。
高性能BioWare Performance系统
高性能动作分析系统
姿态 仰卧 仰卧牵引30kg 站立 直坐、背不靠 托 步行 扭转 侧弯 咳嗽 跳跃
椎间盘载荷 50kg 35kg 100kg 140kg
115kg 120kg 125kg 140kg 140kg
姿态 仰卧起床 大笑 向前弯腰20° 向前弯腰20°,并双手各负 重10kg 举重20公斤，背直膝弯 举重20公斤，背弯膝直 屈膝蹲起练习 两足分开屈膝蹲起 俯身拱腰
背景与目标：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。
该主题包括如下内容。
1. 生物反应器内的流动，传质和传热； 2. 应力对细胞、微生物生长和功能的影响； 3. 生物制品分离过程中的流体力学问题； 4. 流动应力对生物大分子结构和功能的影响。
空间速度变化：
dui
ui t
dt
ui x j
dx j
加速度：
当地加速度： ui t
迁移加速度：
j
ui x j
四、生物流体力学基础
N.Winner(维纳)说：“生命系统维持其稳态的条件是相当苛刻的。”
骨生物力学教学ppt课件
劳寿命是无限的，该应力水平称疲劳极限。 疲劳极限是一个安全控制数据，只要应力
低于它，不管周期数目多少是不会短裂的。
43
骨单位密度较高的骨，抗疲劳性能较好， 有助于防止骨折-因骨的胶接线及中央管制 止裂隙扩展。
44
ห้องสมุดไป่ตู้
3.骨折治疗生物力学
接骨原则：1.血供。2.维持骨生理和力学环 境。
弹性固定好，活动度难掌握。牢固固定， 缺点骨愈合不牢固。
松质骨（骨端）（骨孔30%-90%）
13
1.骨皮质
骨皮质 其材料特性取决于骨组织负荷或变形率。 骨皮质快速受力较缓慢受力吸收的能量大。 骨组织应力-应变特征：骨皮质纵向骨小梁
排列比横向强度大，硬度也较强。（长骨 长轴比横轴更对抗应力）
14
应变率
表示骨受力过程中变形迅速的程度
骨骼系统的特点 几何学复杂：管状骨、不规则骨、扁骨等 力的类型复杂 应力和应变复杂
7
屈服(失控) ： 应力达到某一点时，提示骨 小梁断裂开始（屈服用Y点），且持续时间 较长，骨小梁断裂逐渐增多（极限用U点）。
材料的硬度：弹性模量（应力比应变） 拉力和压力作用于棒产生45°剪应力。
负荷，90%可瞬间恢复。 软骨的渗透性很低，通过压力梯度和挤压
渗透。机械反刍调节机制
22
4.2 软骨的张力特性
软骨主要抗张力成分----胶原纤维 （软骨张力硬度取决于胶原纤维含量多少
和排列次序） 张力继发于压力 软骨表面胶原纤维的主要排列方向与压力
垂直关节产生的最大表面张力相一致， 张力强度随关节面下的深度增加而减少。
骨结构(弯曲)本身：减低弯应力
骨空心结构：比实心结构承受弯曲及旋转
低于它，不管周期数目多少是不会短裂的。
43
骨单位密度较高的骨，抗疲劳性能较好， 有助于防止骨折-因骨的胶接线及中央管制 止裂隙扩展。
44
ห้องสมุดไป่ตู้
3.骨折治疗生物力学
接骨原则：1.血供。2.维持骨生理和力学环 境。
弹性固定好，活动度难掌握。牢固固定， 缺点骨愈合不牢固。
松质骨（骨端）（骨孔30%-90%）
13
1.骨皮质
骨皮质 其材料特性取决于骨组织负荷或变形率。 骨皮质快速受力较缓慢受力吸收的能量大。 骨组织应力-应变特征：骨皮质纵向骨小梁
排列比横向强度大，硬度也较强。（长骨 长轴比横轴更对抗应力）
14
应变率
表示骨受力过程中变形迅速的程度
骨骼系统的特点 几何学复杂：管状骨、不规则骨、扁骨等 力的类型复杂 应力和应变复杂
7
屈服(失控) ： 应力达到某一点时，提示骨 小梁断裂开始（屈服用Y点），且持续时间 较长，骨小梁断裂逐渐增多（极限用U点）。
材料的硬度：弹性模量（应力比应变） 拉力和压力作用于棒产生45°剪应力。
负荷，90%可瞬间恢复。 软骨的渗透性很低，通过压力梯度和挤压
渗透。机械反刍调节机制
22
4.2 软骨的张力特性
软骨主要抗张力成分----胶原纤维 （软骨张力硬度取决于胶原纤维含量多少
和排列次序） 张力继发于压力 软骨表面胶原纤维的主要排列方向与压力
垂直关节产生的最大表面张力相一致， 张力强度随关节面下的深度增加而减少。
骨结构(弯曲)本身：减低弯应力
骨空心结构：比实心结构承受弯曲及旋转
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）
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
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
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。
……，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、天文学家和医学家，第一个推导出天体以
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。
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. Frank ( 1899 年） 提出了关于动脉系统功能的“风箱”( Windkessel ）模
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
•陈君楷，《心血管血流动力学》， 四川教育出版社, 1990
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》 • ……
生物Байду номын сангаас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
要求： 1. 扎实的力学和数学基础知识 • 理论力学，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。
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
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。
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。
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
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。
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
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。
……，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、天文学家和医学家，第一个推导出天体以
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。
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. Frank ( 1899 年） 提出了关于动脉系统功能的“风箱”( Windkessel ）模
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
•陈君楷，《心血管血流动力学》， 四川教育出版社, 1990
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》 • ……
生物Байду номын сангаас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
要求： 1. 扎实的力学和数学基础知识 • 理论力学，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。
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
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。
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。
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