生物医学工程与生物力学

生物医学工程与生物力学
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。

有识之士认为,在新世纪随着自然科学的不断发展,生物医学工程的发展前景不可估量。

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。

生物力学是力学与生物学、医学等学科之间相互渗透的边缘学科。

它的目的是试图从力学的角度来了解生命。

具体地说，它将用经典力学、固体力学、流体力学的知识来解释生命的某些现象；用力学的方法定量的分析、研究生命系统的功能与构造的关系，进而探讨生命的整个力学过程。

其设计的领域主要有：骨骼生物力学、人体运动力学、血液循环力学、呼吸流变学、生物热力学等。

生物力学的研究，加深了对血液流变特性与疾病的关系，骨力学特性与骨折愈合的关系，血液流动规律与心血管疾病的关系等的理解。

1、骨骼生物力学。

骨骼生物力学是生物力学的重要分支。

尽管生物力学的研究已有上百年的历史，但至今仍有许多问题出于有待深入研究的状态。

这是因为生物体是有生命的，与无生命的工程材料结构有着根本的不同。

因此用力学原理来研究生物组织、器官和生物体是一件比较艰难和复杂的工作。

主要研究骨和骨骼体系的力学问题、骨的微观结构与宏观力学效应的关系、骨的耦合力学效应、骨的生长与断裂的力学问题及骨骼生长的控制理论等。

近年来还有对骨的一般力学性质、骨的粘弹性性质、人颅骨冲击韧度的测定、脊柱力学的性质、管接受力分析、人工关节、骨伤、骨愈合的临床研究，骨科复位固定器的效应分析等有成效的研究。

目前对于骨的动力特性和骨作为一种有生命的组织的微观力学效应反方面研究尚较小。

骨骼生物力学在医学方面的研究与应用有着广阔的前景，如骨的再造理论，骨的生长与盈利关系的理论等，对于矫形外科、骨伤的治疗、防护及辅助器具的设计等许多方面都有着重要的作用。

2、运动生物力学。

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。

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。

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。

3、血液循环力学。

血液循环力学是生物力学的一个分支，研究心血管系统中血液流动规律和血液同血管壁相互作用规律。

循环系统动力学以心血管系统中血液的流动作为研究对象，将力学的理论和方法同生物学、生理学、医学的原理和方法有机地结合起来，力图用力学的理论和方法解释并分析血液循环系统中因血液流动而出现的生理现象，阐明血液的基本流动规律和某些心血管疾病对血液流动的可能影响，有助于心血管疾病的诊断和防治。

4、生物热力学。

机体利用新陈代谢产生的能量来维持正常生命，从热力学角度可定量地测量一个生物化学反应过程或生物过程中一定数量的能量所能完成的工作。

因此，生物热力学可被定义为对机体的生物和化学过程中与能量相关的定量研究，重点是生物化学反应和生物过程中的热力学规律和应用，主要内容包括Gibbs 自由能和热力学平衡等热力学规律以及与热力学相关的研究如机体内能量转换、蛋白质结构和结合以及物质跨膜输运等受能量控制的生物化学反应或生物过程。

中国的生物力学研究，有相当一部分与中国传统医学结合。

因而在骨骼力学、脉搏波、无损检测、推拿、气功、生物软组织等项目的研究中已形成自己的特色。

生物力学的研究要同时从力学和组织学、生理学、医学等两大方面进行研究，即将宏观力学性质和微观组织结构联系起来，因而要求多学科的联合研究或研究人员具有多学科的知识。

参考文献：
1、《运动生物力学理论与方法》李世明
2、《生物学教学》1998年03期
3、《现代运动生物力学（第二版）》郑秀媛等
4、《医用生物力学》杂志
5、《血液循环力学》 C.G.卡罗T.J..佩德利。