生物力学基础(概论)

阻力
速度
自由泳
蝶泳 蛙泳 仰泳 第五泳姿
科技奥运
四、生物力学研究的方法
1. 2. 3. 4. 应用解剖学确定研究对象的几何特征； 应用材料力学的方法，确定研究对象的力学特性，给定本构关系； 建立力学模型，导出微分方程或微分－积分方程； 给出解（解析、数值、近似解等）； 组织材料的变形和引起 变形的力之间的关系。
injury prevention
Vladimir M. Zatsiorsky, IOC Medical Commission, International Federation of Sports Medicine 2000
生物力学——中 国现代科学全 书·力学卷 杨桂通 等 著 重庆出版社 2000年6月
生物力学导论 陶祖莱 2000年 天津科技翻译出版公司
运动生物力学 张昌亨主编 武汉体育学院出版社 1996
运动康复生物力学
钱竟光，宋雅伟等编著 人民体育出版社
2008
第一章 概论
生物力学的重要性
正确认识并应用生物力学规律，可以挽救许多患者生命
，而不懂和误用生物力学知识也使不少人死于非命。
假肢、轮椅、健身房及各种医疗辅助器械、监护装置、 环境对人的影响都以生物力学为基础。
三、生物力学研究的内容
生物固体力学 生物流体力学 生物材料力学
生物动力学
1、生物固体力学
从力学的角度，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。
人体的牙齿、骨骼、关节、脊柱和软骨的力学性能
2、生物流体力学
研究各种体液在生物体中的流动规律以及生物体在其他流体介
质中的运动规律。
重点内容
生物力学的概念
生物力学的发展概况
生物力学的研究内容 生物力学的研究方法 生物力学对保健事业的贡献
一、生物力学的概念
力学：研究物体变形和运动的科学。 生物学：研究生命的生长和衰亡的科学。 力学Mechanics ＋ 生物学Biology
研究物体变形和 运动的科学 研究生命的生长 和衰亡的科学
生理学：（生物力学的研究，促进了生理学的进一步发展）
（1） 循环系统：是研究分子、细胞膜、细胞、单一微血管、微血管网络、 大动脉、器官和系统。 研究的微血管血液动力学进行测量，如微血管内径、血管内红细胞速度。
对微循环现象的发现和认识都有助于心血管疾病的诊断、 治疗和预防，是生物力学对人类保健事业的一大贡献
心血管疾病等问题的病理涉及力学，需要力学专家合作研究 用数学分析方法及工程实验来研究生理学
取得了一系列成果
---- 学术团体、学术刊物、学术交流
1.
1967年，第一次国际生物力学研讨会在瑞士召开，以后每两年一次。
2.
3. 4.
1973年，成立了国际生物力学学会。
1978年，全国力学规划会议将生物力学列入力学发展规划纲要中。 1981年，全国第一届生物力学学术会议在上海举行。
Download: @YYets.com Online:http://v.163.com/open
Biomechanics on YouTube
Biomechanics
Fundamentals of
biomechanics
Duane V. Knudson 2003
Introduction to Sports Biomechanics: Analysing Human Movement Patterns
生物力学
Biomechanics
应用力学的原理和方法研究生物体中的力学问题的科学。
生物力学是力学、生物学、解剖学等学科之间相互渗
透的边缘科学，它将这些学科的基本原理和方法有机 地结合起来，同时它还广泛应用了物理学、应用数学 的概念和方法。 学科间彼此渗透、相互交叉、紧密联系的特点。
生物力学的研究主题
脉象信号是切脉压力信号和脉搏波信号的集合 。
脉 象 仪
Pulse image
知识点及思考题
生物力学的概念 生物力学的研究内容
如何将生物力学的方法应用于中医的现代研究中？
生物力学基础
Basis of Biomechanics
上海中医药大学针推学院
中医工程教研室
Open Yale course：Frontiers of Biomedical Engineering
Professor W. Mark Saltzman 18. Biomechanics and Orthopedics 19. Biomechanics and Orthopedics (cont.)
起跑姿势 挑战人体极限
蹲踞式起跑的水平支撑反作用力比较大，而站立式相
对较小。
蹲踞式起跑时获得水平后蹬力要大于站立式起跑的水
平后蹬力。
蹲踞式起跑可以使加速过程缩短， 在比较短的时间内让运动员获得较快的速度。
“跨越式 “剪式 “ 滚式 “俯卧式 “背 越式
“水立方”频破纪录，原因 ?
鲨鱼皮的齿状鳞片
能量守恒定律； 眼的聚焦机理，彩色视觉的三色理论； 听觉的机理，Helmholtz共振仪； 涡量守恒定理，流体力学的基础； 第一次确定了神经脉冲的传播速度为30米／秒；
Von Helmholtz 赫尔姆霍茨（1821－1894）
德国生理学家、病理学家、解剖学家
Helmholtz共振仪
Jnlius.Wolff
(肌肉的运动和动物自身的运动)
(Borelli, 1680)
Submarine, by Giovanni Alfonso Borelli, in De Motu Animalium, 1680
Von Helmholtz 赫尔姆霍茨（1821－1894）
德国生理学家、病理学家、解剖学家
生物工程之父 Founder of bioengineering
推拿手法参数测定系统
Tuina manipulations parameters
针刺手法参数测定仪
Acupuncture manipulations parameters
• 频率
• 力的大小
• 速度变化 • 位移变化 • 离散度
思考： 中医脉诊时，诊脉的手指的力学分析
中医手指切脉两个明显的特征： 1、医生指面要对脉管施加一个大小不同的静压力； 2、医生指面又同时感受到反映脉搏特点的微细反搏力。
肌肉收缩所释放的热是动物热的重要来源。 他成功地找到了一种特殊热电偶，测量在肌 肉的几百分之一秒为单位的时间间隔运动过 程中的差为0.003°C。
Force-Velocity Relationship
(Vastus Lateralis, Slow Twitch)
F o r c e (N )
1200 800 400 0 0 0.2 0.4 0.6 Velocity (m/s) 0.8
应变适应上限 应变最优值 应变适应下限
Rasch：固定不变的压力 会引起骨萎缩，而间歇性 的压力则促使骨的生长。
骨电刺激
A.V. Hill
希尔 (1886 - 1977)
Hill方程——推导肌肉力量计算
方程，获得诺贝尔奖。
–Muscular force –Hill equation: force-velocity
5.
6.
建立相应的实验方案，进行在体、离体实验；
反复对比修正，以期得到有临床价值的结果。
生物力学的研究方法
确定几何特征 分析研究对象 的受力情况 建立合理的 力学模型 反复 对比 修正 求解 实验：生理实验 在体或离体 得到临床应用的 价值结果
五、生物力学对医学保健事业的贡献
生物力学在全身疾病及对延长寿命方面进行的研究和取得的成果。
Marcello Malpighi马尔皮基 （1628－1694） 1661年发现了微血管（青蛙）。
Borelli 鲍列里(1608-1679)
17世纪意大利医生、解剖学家
《论动物的运动》“De Motu nimalium” (The Movement of Animals)
杠杆原理测定人体重心
Roger Bartlett 2007
Applied anatomy and biomechanics in sport
By Timothy R. Ackland, Bruce Elliott, John
Bloomfield
2009
Biomechanics in sport:
performance enhancement and
的生理或者病理含义。
高血压引发血管硬化
生物医学
1. 高血压怎么会引发血管硬化？
生物力学
1. 有没有办法计算、预测 血管的改变？ 2. 用数理的方法预测各种 治疗的效果？
最后目标
2. 血管硬化的症状是什么？
3. 该怎么检测和治疗？
预测疾病、预计治疗的效果
二、生物力学的历史渊源
Harvcy 哈维（1578－1658） 1615年发现血液循环（伽利略的定量分析法）。
阵发性射流
3、生物材料力学
研究组成生物体的材料所具有的力学特性。 用生物材料制作各种人工脏器。
如：人工牙的材料有金属材料、无机非金属材料、高分子材料 --聚甲基丙烯酸甲酯
陶瓷
超高分子聚乙烯
人工关节假体材料
合金
中等的强度和塑性
人工关节材料
要 求
抗磨损、抗腐蚀性能、抗疲劳 良好的生物相容性，无毒副作用
沃尔夫
德国医学家
Wollf 定律----骨的功能适应性
“骨在需要的地方就生长，不需要的地方就吸收。”
骨的生长、吸收、重建、消亡都与骨的受力状态有关
机械力对骨骼结构的影响
Wolff定律：骨的形态和 功能上的每一个变化，或
者仅仅是它们功能上的每
一个变化，比如引起骨的 内部组织结构的某种确定 的变化
骨骼的自动反馈控制
体育运动 宇航事业 运动仿生技术
4、生物动力学
生物体力和运动关系的力学。 人体由于力的作用而产生的
宇航员多能承受的超重、失重 冲击、振动的能力进行估计
位移、位移的速度和加速度。
运动力学的原理分析运动的过程可以在体育运动只能够 采取合理的训练方法，设计新颖而科学的动作
运动姿势改写世界记录
1896年第一届现代奥运会，伯克
（2）呼吸力学：呼吸机
五、生物力学对医学保健事业的贡献
外科：骨伤科，骨的生长和愈合与骨的力学环境有密切关系。
外科手术。
人工器官：骨科、心脏科
运动力学：竞技体育
六、生物力学在中医工程中的应用
推拿手法参数检测
针刺手法参数分析
脉象检测
推Hale Waihona Puke Baidu Tuina
推拿疗法的本质具有以力为代表的属性。 1. 推拿手法分3步骤 2. 3. 手法力的发动 手法力的传递 组织接受力后产生生物效应
V=
b(F0 - F)/(F+a)
生物力学学科形成 ---- 20世纪60年代 生物力学的开创者和奠基人。
指出生物力学的目标
探索科学的新奇 增进生理学与医学的了解 帮助医疗发展与提高防疾病的水平 降低医疗费用 发展健康工业 最后目标是：预测疾病、预计治疗的效 果。
冯元桢 （1919－） Y.C.Fung
力学问题
生命运动：包括机械运动、电磁运动、化学运动。 生命现象的研究必然涉及到很多力学问题，这就是 生物力学的研究主题。
鸟飞鱼游 人体的器官、血液、气体与水分的运动
本课程主要研究内容
生理学和医学有关的力学问题，重点介绍骨科 生物力学分析的基本力学基础知识。
固体力学和流体力学
飞机
生物力学
可以有助于了解器官的功能，由功能的变化推知变化