生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)基礎(chǔ)理論-生物力學(xué)

1.力學(xué)和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識理論力學(xué)，材料力學(xué)，連續(xù)介質(zhì)力學(xué)，流體力學(xué)等高等數(shù)學(xué)，數(shù)值分析，線性代數(shù)等 要求：2.基本的解剖生理學(xué)知識第一頁，共179頁。什么是生物力學(xué)？生物力學(xué)是解釋生命及其活動的力學(xué)，是力學(xué)與醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等多種學(xué)科相互結(jié)合、相互滲透而形成的一門新興交叉學(xué)科?！?，機(jī)械學(xué)，電子學(xué)，化學(xué)，材料學(xué)，……第二頁，共179頁。用力學(xué)方法和原理解決生物醫(yī)學(xué)問題生物力學(xué)的研究，加深了對血液流變特性與疾病的關(guān)系，骨力學(xué)特性與骨折的愈合關(guān)系，血液流動規(guī)律與心血管疾病的關(guān)系等的理解。應(yīng)用生物力學(xué)的研究成果，指導(dǎo)人工關(guān)節(jié)、人工心臟瓣膜等人工器官的設(shè)計。生物力學(xué)的意義第三頁，共179頁。人工心臟瓣膜的制作和質(zhì)量控制與監(jiān)測等還要涉及一系列工程問題，此外還有成本控制問題。了解心臟瓣膜開啟和關(guān)閉的機(jī)理，弄清人體心臟瓣膜的運動學(xué)和力學(xué)特性（定量生物力學(xué)）；解決人工心臟瓣膜材料問題（相容性、毒性、力學(xué)性質(zhì)和制備工藝等）；了解人工心臟機(jī)械瓣和生物瓣的力學(xué)特性和疲勞壽命，以及植入心臟后的長期生物效應(yīng)等。以人工心臟瓣膜這一典型的生物醫(yī)學(xué)工程項目為例：第四頁，共179頁。生物力學(xué)的研究范圍生物力學(xué)的研究范圍從生物整體到系統(tǒng)、器官(包括血液、體液、臟器、骨骼等)，從鳥飛、魚游、鞭毛和纖毛運動到植物體液的輸運等。目前熱點正逐漸向細(xì)胞、分子層次發(fā)展。生物力學(xué)的基礎(chǔ)是能量守恒、動量定律、質(zhì)量守恒三定律，并加上描寫物性的本構(gòu)方程。生物力學(xué)重點是研究與生理學(xué)、醫(yī)學(xué)有關(guān)的力學(xué)問題。第五頁，共179頁。生物力學(xué)的研究方法

進(jìn)行生物力學(xué)的研究首先要了解生物材料的幾何特點，進(jìn)而測定組織或材料的力學(xué)性質(zhì)，確定本構(gòu)方程、導(dǎo)出主要微分方程和積分方程、確定邊界條件并求解。對于上述邊界問題的解，需用生理實驗去驗證。若有必要，還需另立數(shù)學(xué)模型求解，以期理論與實驗相一致。第六頁，共179頁。研究步驟首先要考慮生物的形態(tài)、器官以及組織的解剖緒構(gòu)和微結(jié)構(gòu)，充分認(rèn)識研究對象的幾何特征，建立合理的物理模型；測定組織或材料的力學(xué)性質(zhì)，即確定本構(gòu)方程。對活組織的測量，困難是很大的。通常的做法是對所研究的材料通過分析先給出其本構(gòu)關(guān)系的某種數(shù)學(xué)表達(dá)式，在此數(shù)學(xué)表達(dá)式中保留若干待定常數(shù)，這些常數(shù)可以通過在體或離體實驗來確定；第七頁，共179頁。根據(jù)物理學(xué)中的基本原則(質(zhì)量守恒、動員守恒、能量守恒和等等)和生物組織的本構(gòu)方程，導(dǎo)出描述所研究對象的微分方程或積分方程；根據(jù)器官的工作環(huán)境，得到有意義的邊界條件，運用解析方法或數(shù)值計算求解問題：進(jìn)行生理實驗，以驗證上述問題的解的合理性，必要時對原模型加以修正乃至重新建立方程或邊界條件進(jìn)行求解，以期使理論與實驗一致；探討理論與實驗結(jié)果在實際中的應(yīng)用。第八頁，共179頁。生物力學(xué)的研究特點生物力學(xué)研究的對象是生物體。作為實驗對象的生物材料，有在體和離體。在體生物材料一般處于受力狀態(tài)（如血管、肌肉），一旦游離出來則處于自由狀態(tài)，即非生理狀態(tài)（如血管、肌肉一旦游離，即明顯收縮變短）。在體實驗分為麻醉狀態(tài)和非麻醉狀態(tài)兩種情況。第九頁，共179頁。生物力學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的相互關(guān)系

生物力學(xué)(Biomechanics)與生物醫(yī)學(xué)工程的關(guān)系就像力學(xué)與其他自然科學(xué)的關(guān)系一樣，它是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的理論基礎(chǔ)，它也是生物醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)。對于一個器官，生物力學(xué)則幫助我們了解其正常的功能，預(yù)示其變化可能導(dǎo)致的影響以及指出人為改進(jìn)的方法及可能性。正是由于生物力學(xué)的發(fā)展，對許多醫(yī)學(xué)及生理學(xué)上知其然而不知其所以然的現(xiàn)象有了較深刻的認(rèn)識。因而它已成為診斷學(xué)、外科學(xué)、修復(fù)術(shù)等等的基礎(chǔ)之一。第十頁，共179頁。歷史與發(fā)展伽利略?卡里勒（1564-1642）

曾是醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生，用單擺度量人的心率威廉?哈維（1578-1658）

證明了血液流動的單向性，提出了血液循環(huán)的概念雷內(nèi)?笛卡兒（1596-1650） 發(fā)現(xiàn)因身體暴露而減輕體重，奠定了新陳代謝研究的基礎(chǔ)G.A.Borelli（1608-1679） 意大利數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家和醫(yī)學(xué)家，第一個推導(dǎo)出天體以橢圓路徑運動的原因，其專著《論動物的運動》，闡明了肌肉的運動和身體的動力學(xué)問題，研究了鳥的飛行，魚的游動，和心臟和腸的運動第十一頁，共179頁。RobertBoyle（1627-1691） 研究了肺，闡述了水中的氣體與魚類呼吸的關(guān)系羅伯特?虎克（1635-1703） 虎克定律，細(xì)胞萊昂哈得?歐拉（1707-1783） 提出了脈搏波傳播方程JeanPoiseuille（1799-1869） 醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生，創(chuàng)造了用水銀壓力計測量狗的主動脈血壓的方法，發(fā)現(xiàn)了粘性流的Poiseuille定律第十二頁，共179頁。S.Hales

測量了馬的動脈血壓和動脈血管的膨脹特性。提出了血液流動的外周阻力的概念。 O.Frank(1899年）

提出了關(guān)于動脈系統(tǒng)功能的“風(fēng)箱”(Windkessel）模型。 第十三頁，共179頁。E.H.Starling

通過毛細(xì)血管壁的水分的輸運，提出了著名的Starhng定律。

A.Krogh

建立了微循環(huán)的力學(xué)模型，并因此而獲諾貝爾獎。A.V.Hill

關(guān)于肌肉收縮規(guī)律的研究。通過蛙縫匠肌攣縮實驗，建立了骨胳肌的功能模型。這一創(chuàng)造性的工作使Hill榮獲諾貝爾獎。而且，一直到目前為止，Hill模型依然是肌肉力學(xué)的主要基礎(chǔ)。

第十四頁，共179頁。本世紀(jì)60年代：馮元楨、錢煦、B．M．Zweifach、S．S．Sobin、J．Lighthill、R．Skalak和毛昭憲等國內(nèi)（70年代）：康振黃（四川大學(xué)），陶祖萊（中科院），吳云鵬（重慶大學(xué)），王君?。ㄈA中工學(xué)院），楊桂通（太原理工），柳兆榮（復(fù)旦大學(xué)），席葆樹（清華大學(xué)），吳望一（北京大學(xué)）。。。。。。第十五頁，共179頁。美國國家工程院院士(1979)，美國國家醫(yī)學(xué)研究院院士(1991)，美國國家科學(xué)院院士(1992)，臺灣“中央研究院”院士(1966)。曾獲國際微循環(huán)學(xué)會最高獎Landis獎、國際生物流變學(xué)會最高獎Poiseuille獎、美國機(jī)械工程師學(xué)會“百年大獎”(1981)、美國國家工程院“創(chuàng)始人獎”（1998）等。1966年以前,主要從事航空工程和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方面的研究并取得卓著成果，其第一部專著《空氣彈性力學(xué)》已成為氣動－彈性力學(xué)領(lǐng)域的經(jīng)典著作。1966年以后致力于生物力學(xué)的開拓，是舉世公認(rèn)的生物力學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人。馮元楨（Yuan-Cheng

B.Feng)第十六頁，共179頁。生物力學(xué)的趨勢將朝著系統(tǒng)和微觀兩個方面發(fā)展，重點在于建立生物體各層次上的力學(xué)模型，并使其符合生物實際。通過細(xì)胞層次和生物分子層次的力學(xué)研究，加深對人工材料與人工器官的發(fā)展，并為控制活組織生長提供依據(jù)。生物力學(xué)對神經(jīng)肌肉控制系統(tǒng)的了解、對于開發(fā)功能性人工假肢和機(jī)器人、研制傷殘人運動輔助系統(tǒng)、改善勞動環(huán)境和提高生產(chǎn)效率都具有重要意義。生物力學(xué)的趨勢納米機(jī)器人生物力學(xué)分析軟件第十七頁，共179頁。生物力學(xué)的研究內(nèi)容目前在生物力學(xué)研究方面較為矚目的研究領(lǐng)域包括骨組織的結(jié)構(gòu)與受力分析、血液在血管及毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)中的流動規(guī)律、心臟的瓣膜運動、生物材料的制備、細(xì)胞乃至分子層次的生物力學(xué)問題等。生物材料力學(xué)生物流體力學(xué)生物固體力學(xué)運動生物力學(xué)生物熱力學(xué)第十八頁，共179頁。生物材料力學(xué)生物體材料力學(xué)特性本構(gòu)方程（constitutiveequation）：應(yīng)力～應(yīng)變，應(yīng)力～應(yīng)變率多以實驗為前提，建立經(jīng)驗的本構(gòu)方程流變學(xué)：物質(zhì)變形和流動實驗：在體和體外硬組織：牙齒，骨骼等軟組織：肌肉，皮膚，血管及生物膜

第十九頁，共179頁。生物材料的特點：多相(multi-phase)，非均勻(heterogeneous>homogeneous)，各向異性(anisotropic)>isotropic進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用的生物材料：人工骨關(guān)節(jié)，人工牙齒，人工血管人工骨骼，輕、堅固、承重人工牙齒人工血管柔軟、韌性、相容性第二十頁，共179頁。組織工程材料復(fù)合材料金屬支架材料組織工程骨軟骨支架第二十一頁，共179頁。生物流體力學(xué)體液流動內(nèi)流和外流心血管系統(tǒng)血管床的形態(tài)復(fù)雜性周期性脈動流血管壁：非線性粘彈性、血液的非牛頓性、脈搏波的傳播和反射。生物流體力學(xué)是研究生物心血管系統(tǒng)、消化呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、內(nèi)分泌以及游泳、飛行等與水動力學(xué)、空氣動力學(xué)、邊界層理論和流變學(xué)有關(guān)的力學(xué)問題。血流動力學(xué)是生物流體力學(xué)的重要研究內(nèi)容之一。

人工心臟，設(shè)計要符合流體力學(xué)要求第二十二頁，共179頁。血管支架在血管中長期存在，要考慮對血管的影響設(shè)計不當(dāng)會影響血流，加重沉積第二十三頁，共179頁。生物固體力學(xué)生物固體力學(xué)是利用材料力學(xué)、彈塑性理論、斷裂力學(xué)的基本理論和方法，研究生物組織和器官中與之相關(guān)的力學(xué)問題。第二十四頁，共179頁。運動生物力學(xué)運動生物力學(xué)是用靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)的基本原理結(jié)合解剖學(xué)、生理學(xué)等研究人體運動的學(xué)科。用理論力學(xué)的原理和方法研究生物是個開展得比較早、比較深入的領(lǐng)域。體育運動、宇航、運動仿生生物體運動原理康復(fù)醫(yī)學(xué)工程：包括各類假肢的優(yōu)化和設(shè)計，足部應(yīng)力、關(guān)節(jié)運動等第二十五頁，共179頁。航天員失重訓(xùn)練美軍機(jī)械狗bigdog體育訓(xùn)練第二十六頁，共179頁。生物熱力學(xué)新陳代謝非平衡態(tài)開放（能量交換）系統(tǒng)生物傳熱：冷凍療法的熱量控制，生物傳熱控制方程

生物體本身就是一個復(fù)雜的非平衡的熱力學(xué)系統(tǒng)，生命維持過程中的物質(zhì)和能量的運輸、交換、補(bǔ)充、消耗都依賴于熱力學(xué)而存在。第二十七頁，共179頁。應(yīng)用：航空航天疾病診療第二十八頁，共179頁。人體工程生物力學(xué)人體工程生物力學(xué)（human

body

engineering

biomechanics）：

是研究人與勞動工具之間的力學(xué)作用關(guān)系的科學(xué)，是人體工程學(xué)和生物力學(xué)相互交叉形成的學(xué)科。主要研究內(nèi)容是：針對各種工作環(huán)境和條件，研究如何預(yù)防人體慢性損傷，避免勞動職業(yè)病以及如何提高勞動生產(chǎn)率，減輕勞動疲勞度，以達(dá)到人們在生產(chǎn)勞動中安全、高效率且舒適的目的。第二十九頁，共179頁。第一節(jié)骨的力學(xué)性質(zhì)第三十頁，共179頁。成人全身骨約占體重的20％，有206塊骨。按部位：顱骨軀干骨四肢骨中軸骨按形態(tài)：長骨（一體兩端）、

短骨、扁骨、不規(guī)則骨一、骨第三十一頁，共179頁。骨的化學(xué)成分和物理性質(zhì)有機(jī)質(zhì)：大量排列規(guī)則的膠原纖維束和粘多糖蛋白等。作為骨支架，賦予骨彈性和韌性，使骨具有基本形態(tài)。無機(jī)質(zhì)：堿性磷酸鈣等。使骨挺硬堅實。煅燒骨

脫鈣骨

第三十二頁，共179頁。

骨由骨膜、骨質(zhì)和骨髓構(gòu)成，有豐富的血管和神經(jīng)?；铙w內(nèi)的每一塊骨都是一個活的器官。骨膜骨髓骨密質(zhì)骨松質(zhì)骺線外板內(nèi)板板障骨膜骨的構(gòu)造第三十三頁，共179頁。骨膜骨髓骨密質(zhì)骨松質(zhì)骺線外板內(nèi)板板障骨膜骨髓骨質(zhì)骨密質(zhì)骨松質(zhì)骨膜紅骨髓黃骨髓骨顱骨骨密質(zhì)骨松質(zhì)-板障內(nèi)板外板血管、淋巴和神經(jīng)骨的構(gòu)造第三十四頁，共179頁。骨膜緊貼在除關(guān)節(jié)面以外的骨表面的一層致密纖維結(jié)締組織膜，很堅韌，分為內(nèi)外兩層。內(nèi)層中有一些細(xì)胞可分化為成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞。骨膜內(nèi)含有豐富的血管和神經(jīng)，對骨起營養(yǎng)作用。

骨膜第三十五頁，共179頁。骨膜內(nèi)的成骨細(xì)胞在生長發(fā)育期能形成新骨，使骨長粗。成年以后則處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，但在骨折時，成骨細(xì)胞可再增生活動，促進(jìn)骨的愈合。骨膜內(nèi)的破骨細(xì)胞能破壞骨質(zhì)。成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞對骨的發(fā)生、生長改造、修復(fù)起著重要作用。第三十六頁，共179頁。骨質(zhì)分骨密質(zhì)和骨松質(zhì)兩類。骨密質(zhì)：在骨的表面，由層層緊密排列的骨板構(gòu)成，結(jié)構(gòu)致密堅硬，抗壓、抗扭曲力強(qiáng)。

第三十七頁，共179頁。骨松質(zhì)骨松質(zhì)：骨松質(zhì)在骨密質(zhì)的內(nèi)面，結(jié)構(gòu)疏松，彈性較大，由許多片狀的骨小梁交織排列而成。呈蜂窩狀，骨小梁與壓力的傳遞方向一致，能承受很大的壓力。第三十八頁，共179頁。

骨密質(zhì)和骨松質(zhì)的分布

長骨骨干：有很厚的骨密質(zhì)，骨干中央為骨髓腔。

長骨骨骺及短骨：表面有一層薄的骨密質(zhì)，中央為骨松質(zhì)。

扁骨：內(nèi)外表面都是骨密質(zhì)形成的骨板，中央為骨松質(zhì)第三十九頁，共179頁。骨髓在胎兒和幼兒時期全部都是紅骨髓，具有造血功能。隨著年齡的增長(約5—7歲)，骨髓腔中的紅骨髓逐漸被脂肪組織所代替，顏色變黃稱為黃骨髓，失去造血功能。但當(dāng)大失血或嚴(yán)重貧血時，黃骨髓可再轉(zhuǎn)變?yōu)榧t骨髓，恢復(fù)造血功能。在骨骺、短骨及扁骨的骨松質(zhì)內(nèi)的紅骨髓終生保持造血功能。充填于骨髓腔和骨松質(zhì)的網(wǎng)眼內(nèi)。第四十頁，共179頁。骨的顯微結(jié)構(gòu)

作用：骨組織具有支持和保護(hù)作用。骨質(zhì)、骨膜（血管、神經(jīng)）、骨髓骨組織骨細(xì)胞：多突起，位于骨陷窩內(nèi)，埋

藏在固體狀態(tài)基質(zhì)中．基質(zhì)：基質(zhì)和纖維排列成緊密的骨板。具有一定的形狀和強(qiáng)大的堅韌

性和彈性。第四十一頁，共179頁。二、骨的力學(xué)性質(zhì)具有很高的抗拉、壓性能有一定的硬度從骨的結(jié)構(gòu)而言，經(jīng)過生物優(yōu)化過程，具有最優(yōu)的力學(xué)性能，既優(yōu)化為最大的強(qiáng)度、最省的材料、最輕的重量。骨的可塑性：在生長、發(fā)育過程中，由于各種條件的影響使得骨的形態(tài)有所改變。骨的粘彈性：在外力作用下，骨產(chǎn)生的形變與時間相關(guān)。第四十二頁，共179頁。

包括骨的材料力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)力學(xué)特性。骨的材料力學(xué)特性：

是指骨組織本身的力學(xué)性能，與骨的幾何形狀無關(guān)。骨的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性：

是指整個骨結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，不但與骨的材料力學(xué)特性有關(guān)，而且受骨的幾何特性即形狀、尺寸等的影響。骨的生物力學(xué)特性有生命非均勻、各向異性的復(fù)合材料接近于工程材料，用工程學(xué)方法分析骨的力學(xué)性能第四十三頁，共179頁。骨的結(jié)構(gòu)特性：常用的指標(biāo)有最大應(yīng)力、彈性應(yīng)力、最大應(yīng)變、彈性應(yīng)變。骨生物力學(xué)的常用指標(biāo)骨的材料特性：常用的指標(biāo)有最大載荷、彈性載荷、最大撓度、彈性撓度。第四十四頁，共179頁。衡量骨承載能力的三要素：第一，要求骨有足夠的強(qiáng)度。即指骨在承載負(fù)荷的情況下抵抗破壞的能力。第二，要求骨有足夠的剛度。

即指骨在外力作用下抵抗變形的能力。第三，要求骨有足夠的穩(wěn)定性。

即指骨保持原有平衡形態(tài)的能力。（一）、骨的承載能力第四十五頁，共179頁。人體在日常生活與運動中都會對機(jī)體的每塊骨產(chǎn)生復(fù)雜的力。即骨會承受來自多方的不同形式的載荷。（二）、骨的載荷及變形載荷即為外力，是一物體對另一物體的作用。當(dāng)力和力矩以不同方式施加于骨時，骨將受到拉伸a、壓縮b、彎曲c、剪切d、扭轉(zhuǎn)e和復(fù)合f等載荷。第四十六頁，共179頁。1.拉伸載荷在骨的兩端受到一對大小相等、方向相反沿軸線的力的作用。骨受力后，能夠?qū)е鹿趋纼?nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力和應(yīng)變，使骨伸長并同時變細(xì)。例如在進(jìn)行吊環(huán)運動時上肢骨被拉伸。第四十七頁，共179頁。

2.壓縮載荷施加于骨組織表面的兩個沿軸線的大小相等、方向相對的載荷。該載荷在骨組織內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力和應(yīng)變。如舉重運動員舉起杠鈴后上肢和下肢骨被壓縮。第四十八頁，共179頁。

3.彎曲載荷

特點：骨骼在彎曲載荷時，其中性軸兩旁一側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力和拉應(yīng)變，另一側(cè)則產(chǎn)生壓應(yīng)力和壓應(yīng)變，在中性軸上則沒有應(yīng)力和應(yīng)變。應(yīng)力的大小與至骨骼中性軸距離成正比，即距中性軸越遠(yuǎn)，其應(yīng)力就越大。使骨沿其軸線發(fā)生彎曲形變的載荷。例如當(dāng)脊柱前屈或后伸時脊柱的彎曲則為彎曲載荷。第四十九頁，共179頁。在骨的表面受到一對大小相等、方向相反且相距很近的力的作用。在骨內(nèi)部也會產(chǎn)生剪切應(yīng)力和應(yīng)變。例如車床剪切斷肢體時即為剪切載荷。4.剪切載荷第五十頁，共179頁。加在骨上并使其沿軸線發(fā)生扭轉(zhuǎn)的載荷即為扭轉(zhuǎn)載荷。如作轉(zhuǎn)身動作時，下肢骨受到的扭轉(zhuǎn)作用。在生理狀態(tài)下，扭轉(zhuǎn)載荷常見于前臂、脊柱的旋轉(zhuǎn)與骨關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)活動中。當(dāng)骨受到扭轉(zhuǎn)時，所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力便分布在整個骨骼結(jié)構(gòu)中。

5.扭轉(zhuǎn)載荷第五十一頁，共179頁。

6.復(fù)合載荷人體在運動時，由于骨的幾何結(jié)構(gòu)不規(guī)則，同時又受到多種不定的載荷，往往使骨處于兩種或多種載荷的狀態(tài)，即為復(fù)合載荷。如人體在受傷骨折時，往往是幾種作用力的復(fù)合。像跌倒后發(fā)生的橈骨遠(yuǎn)端骨折，便是既有剪切力又有壓縮力等多種力綜合作用的結(jié)果。第五十二頁，共179頁。骨承受不同載荷的能力一般而言，骨承受壓力負(fù)荷的能力最大，其次是拉力、剪切力和扭轉(zhuǎn)力。

骨所受的正常生理負(fù)荷是這些力的綜合。第五十三頁，共179頁。

持續(xù)載荷對骨也會產(chǎn)生一定的影響。即骨受到持續(xù)低載荷作用一段時間后，其組織會產(chǎn)生緩慢變形或蠕變。在加載后的最初數(shù)小時（6～8小時），其蠕變現(xiàn)象最顯著，隨后蠕變的速率則會降低。

第五十四頁，共179頁。

骨骼在承受各種不同載荷時會發(fā)生不同程度的變形，如腰脊柱前凸即是受力變形。根據(jù)骨骼受載形式及受載后的變形形式，一般可將其變形分為拉伸、壓縮、剪切、彎曲和扭轉(zhuǎn)等五種基本變形。骨的基本變形第五十五頁，共179頁。在中等量負(fù)荷時，負(fù)荷骨會出現(xiàn)變形，當(dāng)負(fù)荷去除時，骨的原有形狀和幾何學(xué)結(jié)構(gòu)便恢復(fù)。如果骨骼系統(tǒng)遭受嚴(yán)重創(chuàng)傷，超過了其所能承受的負(fù)荷，則會引起嚴(yán)重變形，并可能發(fā)生骨斷裂?！锪妥冃沃g的關(guān)系，反映了完整骨的結(jié)構(gòu)行為。骨的載荷與形變關(guān)系特點第五十六頁，共179頁。骨所承受的力越大，引起骨的變形就越嚴(yán)重，而且易引起骨的斷裂。骨在承受軸向力(axialforce)與承受彎曲(bending)或扭轉(zhuǎn)力(torsionalforce)方面存在有很大差異?！餂Q定骨斷裂抵抗力和變形特征的主要因素是骨所承受力的大小、力的方向和力的作用點，及組成骨組織的材料特性等。第五十七頁，共179頁。

★大骨抵抗力的能力優(yōu)于小骨?！镌跊Q定骨的變形和斷裂特性中，組成骨組織的物質(zhì)特性也很重要?！锕堑膸缀谓Y(jié)構(gòu)對抵抗特殊方向的力具有一定的特殊性。★骨是比較典型的彈塑性體。第五十八頁，共179頁。（三）、骨的應(yīng)力與應(yīng)變

骨力學(xué)包含二個最基本的元素，即應(yīng)力和應(yīng)變。1.骨的應(yīng)力

概念：當(dāng)外力作用于骨時，骨以形變產(chǎn)生內(nèi)部的阻抗以抗衡外力，即是骨產(chǎn)生的應(yīng)力。特點：應(yīng)力的大小等于作用于骨截面上的外力與骨橫斷面面積之比，單位為Pascal(Pa=N/m2)，即牛頓/平方米。第五十九頁，共179頁。作用：應(yīng)力對骨的改變、生長和吸收起著調(diào)節(jié)作用，應(yīng)力不足會使骨萎縮，應(yīng)力過大也會使骨萎縮。因此，對于骨來說，存在一個最佳的應(yīng)力范圍。種類：根據(jù)作用于骨的力不同，其內(nèi)部分別會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力，如壓應(yīng)力、拉壓力等。第六十頁，共179頁。2.應(yīng)變概念：骨的應(yīng)變是指骨在外力作用下的局部變形。其大小等于骨受力后長度的變化量與原長度之比，即形變量與原尺度之比。一般以百分比來表示。由壓力、形變和樣本的大小計算出應(yīng)力和應(yīng)變的大小當(dāng)骨承受了很重的力并超出其耐受應(yīng)力與應(yīng)變的極限時，便可造成骨骼損傷甚至發(fā)生骨折。第六十一頁，共179頁。彈性模量E：表示材料在受到外界拉力或壓力作用時的抗變形能力。E=σ/ε線性彈性材料的E為常數(shù)——胡克型材料，即應(yīng)力應(yīng)變的變化曲線為一條斜率恒定的直線。金屬、塑料等材質(zhì)在有限負(fù)荷內(nèi)為線性生物材料為復(fù)雜的彈性性質(zhì)。

3.應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。第六十二頁，共179頁。

4.應(yīng)力-應(yīng)變曲線表示應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系。應(yīng)力-應(yīng)變曲線分成兩個區(qū)：彈性變形區(qū)和塑性變形區(qū)。塑性區(qū)：屈服點以后的區(qū)。此時已出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損壞和永久變形。當(dāng)載荷超過彈性極限后，骨發(fā)生斷裂即骨折。彈性變形區(qū)內(nèi)的載荷不會造成永久性形變（如骨折）。彈性區(qū)末端點或塑性區(qū)初始點稱屈服點。該點對應(yīng)的應(yīng)力是產(chǎn)生骨最大應(yīng)力的彈性形變，亦稱為彈性極限。第六十三頁，共179頁?！飳?dǎo)致骨折所需的應(yīng)力叫骨的最大應(yīng)力或極限強(qiáng)度。★在應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性區(qū)的斜率叫彈性模量或楊氏模量(Young‘sModules)，表示材料抗形變的能力。一般而言，彈性模量是一個常數(shù)。彈性模量越大，產(chǎn)生一定應(yīng)變所需的應(yīng)力越大。第六十四頁，共179頁。骨的縱向和橫向彈性性質(zhì)是不同的，骨是各向異性的。骨的縱向和橫向彈性性質(zhì)是不同的，橫向上更脆弱，硬度也小。兩者在屈服應(yīng)力、極限應(yīng)力以及應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率上差別可見。泊松比（Poisson’sratio）:等于橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比（ν），即

ν=ε橫向/ε縱向一般ν約為0.3，即縱向形變是橫向形變的3倍。

第六十五頁，共179頁。概念：達(dá)到極限負(fù)荷時的應(yīng)力－應(yīng)變曲線下面的面積表示導(dǎo)致骨折所需要的能量。一般骨的生理負(fù)荷使骨產(chǎn)生彈性變形，是彈性區(qū)內(nèi)骨所能承受應(yīng)力的大小。當(dāng)外力去除后，彈性區(qū)內(nèi)的能量能同時被骨釋放，使骨恢復(fù)原狀。但當(dāng)骨不斷受到外力重復(fù)作用時，其應(yīng)變能量不能被及時完全釋放，經(jīng)積累后可能會損壞材料的結(jié)構(gòu)，臨床上則表現(xiàn)為疲勞性骨折。5.骨應(yīng)變能量第六十六頁，共179頁。反復(fù)加載和卸載過程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線，即骨的彈性滯后的現(xiàn)象。從熱力學(xué)觀點看，負(fù)荷加載過程中，傳入骨骼的能量與卸載過程中釋放的能量不同。曲線從A到B到C，負(fù)荷增加，能量差變得也越大?！皝G失”的能量損耗在骨骼內(nèi)部摩擦引起的發(fā)熱上，也損耗在大負(fù)荷引起的材料損傷上。第六十七頁，共179頁。

【1】各向異性

骨的結(jié)構(gòu)為中間多孔介質(zhì)的各向異性體，其不同方向的力學(xué)性質(zhì)不同，即各向異性。

【2】彈性和堅固性

骨的有機(jī)成分組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使骨具有彈性，并具有抗張能力。骨的無機(jī)物填充在有機(jī)物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，使骨具有堅固性，具有抗壓能力。（四）骨組織的基本生物力學(xué)特性第六十八頁，共179頁。

【3】.抗壓力強(qiáng)、抗張力差

骨對縱向壓縮的抵抗最強(qiáng)，即在壓力情況下不易損壞，在張力情況下易損壞。

【4】.耐沖擊力和持續(xù)力差

骨對沖擊力的抵抗比較小。同其他材料相比，其持續(xù)性能、耐疲勞性能較差。

【5】.應(yīng)力強(qiáng)度的方向性

皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨的結(jié)構(gòu)不同，承受的力量及兩者的剛度也不同。皮質(zhì)骨的剛度比松質(zhì)骨大，變形程度則較之要小。兩者的各向異性對應(yīng)力的反應(yīng)在不同方向各不相同。第六十九頁，共179頁。A.骨的強(qiáng)度是指骨在承受載荷時所具有的足夠的抵抗破壞的能力，以致不發(fā)生破壞。B.骨的剛度是指骨具有足夠的抵抗變形的能力。在某種載荷作用下，骨雖不發(fā)生斷裂，但如果變形過大，往往會影響骨結(jié)構(gòu)與功能。

骨結(jié)構(gòu)的剛度由彈性范圍內(nèi)的曲線斜率表示。

【6】骨的強(qiáng)度和剛度第七十頁，共179頁。①壓應(yīng)力―肌收縮時所產(chǎn)生的壓應(yīng)力能防止拉伸骨折的發(fā)生；②骨的大小和形狀――骨的橫截面積的大小及骨組織在骨中軸周圍的分布、形狀等均可影響骨強(qiáng)度和剛度。影響骨強(qiáng)度與剛度的因素有：第七十一頁，共179頁?！?】.機(jī)械力對骨的影響

機(jī)械應(yīng)力與骨組織之間存在著生理平衡。骨對生理應(yīng)力刺激的反應(yīng)是處于動態(tài)平衡狀態(tài)，應(yīng)力越大，骨組織增生和骨密質(zhì)增厚越明顯?！?】.骨是人體理想的結(jié)構(gòu)材料

骨具有強(qiáng)度大質(zhì)量輕的特點。第七十二頁，共179頁。（五）骨的力學(xué)性質(zhì)與影響因素成熟的骨密質(zhì)壓縮強(qiáng)度最大，骨松質(zhì)強(qiáng)度小于骨密質(zhì)。干燥骨的抗拉強(qiáng)度要比新鮮骨高20%以上，彈性模量有所增加。但脆性明顯增加，當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.4%即破壞，鮮骨最大應(yīng)變1.2%。加載速度增加，骨的強(qiáng)度，剛性也隨之增加，吸收能量也增加。第七十三頁，共179頁。應(yīng)力集中會使強(qiáng)度下降。如骨外科手術(shù)中，由于螺釘或螺栓太緊，引起局部應(yīng)力集中導(dǎo)致骨的吸收，結(jié)果固定變松。第七十四頁，共179頁。1、骨形態(tài)結(jié)構(gòu)的功能適應(yīng)性骨是有生命的材料。隨著它受到的應(yīng)力和應(yīng)變情況，通過自身修復(fù)來改變其性質(zhì)和外形，實現(xiàn)外表的再造。（六）、骨的功能適應(yīng)性活的骨會隨所受應(yīng)力和應(yīng)變的改變而改變——骨的功能適應(yīng)性。第七十五頁，共179頁。骨骼組織為了適應(yīng)各種力學(xué)功能的需要，不僅在形態(tài)結(jié)構(gòu)作了最佳搭配，而且對自身的組織結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了優(yōu)化組合。例如骨組織的結(jié)構(gòu)與其內(nèi)部應(yīng)力分布有關(guān)，應(yīng)力大的部位骨組織密度大，應(yīng)力小的部位骨密度小。骨組織能用最少的骨量來滿足運動所需的骨強(qiáng)度。2、骨組織結(jié)構(gòu)的功能適應(yīng)性第七十六頁，共179頁。骨塑形系指改變骨的形狀，骨重建則是骨轉(zhuǎn)換的一種特殊形式。在生長期幾乎所有的骨面都在進(jìn)行骨吸收和骨形成，以適應(yīng)骨長長和長粗的需要。當(dāng)骨生長結(jié)束后，骨的形成與吸收仍在進(jìn)行，為骨重建。

30～40歲后，骨形成的速率慢于骨形成，最終的結(jié)果是骨量隨年齡的增加而降低，骨脆性增加。3、骨塑形、骨重建和年齡相關(guān)性骨丟失第七十七頁，共179頁。第二節(jié)軟組織的力學(xué)性質(zhì)生物固體硬組織（甲殼、頭發(fā)、指甲、軟骨和骨骼等）軟組織（血管、氣管、肌肉和皮膚等）被動軟組織：只能被動承受外力。如皮膚、腱和血管。主動軟組織:自身能產(chǎn)生主動力做功。第七十八頁，共179頁。軟組織的力學(xué)性質(zhì)：具有非線性應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系、粘彈性和各向異性的特點。軟組織特點：柔軟易變形，具抗拉強(qiáng)度、但不抗彎和抗壓。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

對試件以恒定的應(yīng)變速率加載，達(dá)到預(yù)定的張力后立即以相同的速度卸載，就得到試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。第七十九頁，共179頁。應(yīng)力松弛（relaxation）:當(dāng)材料發(fā)生應(yīng)變時，若保持應(yīng)變一定，則相應(yīng)的應(yīng)力將隨時間的增加而下降。軟組織的力學(xué)性質(zhì)——粘彈性第八十頁，共179頁。蠕變（creep）:若應(yīng)力保持一定，物體應(yīng)變隨時間的增大而增大的現(xiàn)象。第八十一頁，共179頁。對物體做周期性的加載和卸載。滯后：加載時的應(yīng)力應(yīng)變曲線同卸載時的應(yīng)力應(yīng)變曲線不重合，稱為滯后。第八十二頁，共179頁。軟組織的研究內(nèi)容荷載與伸長關(guān)系趨于穩(wěn)定過程的分析

一般生物軟組織的力學(xué)實驗都需要經(jīng)過重復(fù)多次（>5次）循環(huán)加載和卸載過程，才能得到穩(wěn)定的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，這一過程稱成為預(yù)調(diào)。

每次加載卸載過程中，應(yīng)力響應(yīng)都會出現(xiàn)滯后環(huán)，這就是所謂的滯后現(xiàn)象。但滯后環(huán)會逐漸減弱，最后也趨于一個穩(wěn)定的狀態(tài)。對穩(wěn)定后荷載-伸長規(guī)律的分析第八十三頁，共179頁。皮膚的結(jié)構(gòu)和功能軟組織，非線性黏彈性材料。一、皮膚

人體皮膚的結(jié)構(gòu)分為表皮、真皮和皮下組織。第八十四頁，共179頁。皮膚的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系反映皮膚在不同應(yīng)力作用下組織形變的能力，是反映皮膚粘彈性的一個指標(biāo)。

Lanir和Fung在1974年測得了兔腹部皮膚在體（時）情況下的二維力學(xué)性質(zhì)，而后Schneider等在同樣的裝置上進(jìn)行了人體皮膚的二維應(yīng)力-應(yīng)變實驗。兔腹部皮膚的力-伸長率關(guān)系曲線。皮膚應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的非線性以及應(yīng)力相應(yīng)的滯后現(xiàn)象是由皮膚的各向異性造成的。

根據(jù)實驗結(jié)果，他們首次證明了皮膚的力學(xué)性質(zhì)是具有由正交各向異性的，并且當(dāng)以常應(yīng)變率加載-卸載時應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系基本與應(yīng)變率無關(guān)。第八十五頁，共179頁。松弛時間內(nèi)，皮膚松弛程度越大，則其粘彈性越低。它有賴于相應(yīng)的應(yīng)變水平，如果初始應(yīng)變低于某一定值，則經(jīng)過一段時間后，應(yīng)力曲線則成水平曲線，如下圖所示：

皮膚的應(yīng)力松弛第八十六頁，共179頁。蠕變

由于皮膚具有蠕變特性，所以在擴(kuò)張器注水?dāng)U張時能被逐漸擴(kuò)張；同時應(yīng)力松弛特性的存在允許皮膚能進(jìn)行下一次的注水。

Gibson將蠕變分為機(jī)械性蠕變和生物學(xué)蠕變。后者伴有代謝的增加和組織增殖，故皮膚的擴(kuò)張屬于生物學(xué)蠕變。第八十七頁，共179頁。Schneider以豚鼠為實驗?zāi)Ｐ停芯堪l(fā)現(xiàn)，擴(kuò)張后皮膚的應(yīng)變下降了67.4%，最大剛性下降了64.9%，抗拉強(qiáng)度下降了35%，說明擴(kuò)張后皮膚的彈性和強(qiáng)度降低。Timmenga以兔作為動物模型，得到了相似的結(jié)論，擴(kuò)張后皮膚剛性下降了60%，最大剛性和斷裂點之間的畸變增加了20%，說明擴(kuò)張后皮膚的粘彈性降低。Bartell研究了鼠、豚鼠、狗、豬等動物擴(kuò)張后的皮膚生物力學(xué)、組織學(xué)和擴(kuò)張?zhí)匦裕ㄟ^和人的皮膚（來源于行腹壁整形術(shù)的患者）的比較后發(fā)現(xiàn)，狗皮膚的生物力學(xué)特性與人皮膚的最為接近，可作為研究人體皮膚擴(kuò)張術(shù)的最理想的模型。皮膚擴(kuò)張后的生物力學(xué)特性第八十八頁，共179頁。

可以看出，在實驗的100秒內(nèi)，蠕變基本上是對數(shù)時間的線性函數(shù)。Jaminson和Galford等人都做了皮膚的蠕變實驗，

圖為猴子頭部皮膚的蠕變實驗曲線。

第八十九頁，共179頁。皮膚是粘彈性體，有如下生物力學(xué)特性：受到循環(huán)加載和卸載時有滯后現(xiàn)象；應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是非線性的；在保持常應(yīng)變時，具有應(yīng)力松弛現(xiàn)象，且應(yīng)力松弛依賴于相應(yīng)的應(yīng)變水平；當(dāng)保持常應(yīng)力時，表現(xiàn)為蠕變現(xiàn)象，蠕變依賴于相應(yīng)的應(yīng)力水平；皮膚的各向異性可以由不同方向上的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系看出，皮膚的蠕變和應(yīng)力松弛，也表現(xiàn)出各向異性。第九十頁，共179頁。二、肌肉肌肉除了具有一般軟組織材料力學(xué)性質(zhì)以外，還具有其獨特的性質(zhì)——主動收縮產(chǎn)生主動張力。肌肉分為三類：骨骼肌、心肌、平滑肌。這三類肌肉組織組成要素相同，收縮的生化機(jī)理也相似。但結(jié)構(gòu)、功能及力學(xué)性質(zhì)有很大差別。第九十一頁，共179頁。肌肉的特性收縮性：肌肉縮短的能力。興奮性：肌肉接受和響應(yīng)刺激的能力。展長性：肌肉拉伸的能力彈性：肌肉拉伸或收縮之后恢復(fù)原狀的能力。第九十二頁，共179頁。根據(jù)肌肉纖維的排列結(jié)構(gòu)肌肉分為平行狀結(jié)構(gòu)，羽狀結(jié)構(gòu)。平行狀結(jié)構(gòu)：肌束與肌肉長軸或者收縮方向平行排列。有利于活動范圍，不利于力量呈現(xiàn)。羽狀結(jié)構(gòu)：肌纖維沿肌肉長軸的肌腱或肌膜成一個小角度（<15度），產(chǎn)生的力大但活動范圍小。解剖橫截面積：與整塊肌肉縱軸（長軸）相垂直的橫斷面叫解剖橫截面積。生理橫截面積：橫切整塊肌肉所有肌纖維所得到的橫斷面叫做生理橫截面積。第九十三頁，共179頁。第九十四頁，共179頁。骨骼肌細(xì)胞為多核纖維狀細(xì)胞：細(xì)胞膜（肌膜）——內(nèi)凹形成橫管細(xì)胞質(zhì)（肌漿）肌漿網(wǎng)——終末池（縱管系統(tǒng)）線粒體肌紅蛋白肌原纖維——細(xì)胞核（多核）肌管系統(tǒng)骨骼肌類型相關(guān)橫紋肌小節(jié)：一條肌原纖維內(nèi)兩條Z線（細(xì)暗帶）之間部分稱為肌小節(jié)，是肌肉收縮的基本結(jié)構(gòu)體。第九十五頁，共179頁。肌微絲的分子結(jié)構(gòu)：每條肌原纖維由許多肌微絲組成。肌微絲粗肌絲細(xì)肌絲由許多肌球蛋白(myosin)分子按特定規(guī)律排列而成。肌球蛋白頭部有一膨大部--橫橋：①能與細(xì)肌絲上的結(jié)合位點發(fā)生可逆性結(jié)合；②具有ATP酶的作用，與結(jié)合位點結(jié)合后,分解ATP提供橫橋扭動(肌絲滑行)和作功的能量。肌動蛋白(actin)表面有與橫橋結(jié)合的位點，靜息時被原肌球蛋白掩蓋原肌球蛋白(tropomyosin)靜息時掩蓋橫橋結(jié)合位點；肌鈣蛋白與Ca2+結(jié)合變構(gòu)后,使原肌球蛋白位移，暴露出結(jié)合位點。

第九十六頁，共179頁。

肌微絲滑動示意圖(a)靜止?fàn)顟B(tài)(b)收縮狀態(tài)(c)弛張狀態(tài)肌動蛋白與肌球蛋白為收縮蛋白；原肌球蛋白與肌鈣蛋白為調(diào)節(jié)蛋白。第九十七頁，共179頁。（1）靜息時，肌球蛋白與肌動蛋白之間受肌鈣蛋白-原肌球蛋白的抑制不能結(jié)合。（2）動作電位產(chǎn)生并傳入肌細(xì)胞后，肌漿中鈣離子濃度升高,肌鈣蛋白的C亞基與鈣離子結(jié)合，使肌鈣蛋白的構(gòu)型發(fā)生改變。I亞單位將此信息傳遞給原肌球蛋白，原肌球蛋白的構(gòu)型發(fā)生改變。（3）原肌球蛋白的抑制作用解除，肌球蛋白與肌鈣蛋白的結(jié)合位點暴露。肌動蛋白與橫橋結(jié)合。橫橋上的ATP酶被激活，降解ATP。肌絲滑動學(xué)說第九十八頁，共179頁。（4）ATP提供的能量使橫橋向M線扭動，細(xì)肌絲向粗肌絲滑動，整個肌小節(jié)縮短；ADP被釋放。（5）其余的ATP繼續(xù)結(jié)合到肌球蛋白頭部。（6）肌球蛋白頭部恢復(fù)原來位置，降解ATP的能量儲存在頭部以激發(fā)下一次擺動，直到鈣離子同肌鈣蛋白解離。肌肉第九十九頁，共179頁。興奮—收縮耦聯(lián)：肌細(xì)胞膜的電位變化（AP）肌肉收縮（肌絲滑行）將肌膜電位變化為特征的興奮和以肌纖維長度變化為基礎(chǔ)的收縮聯(lián)系起來的過程。Ca2+?第一百頁，共179頁。第一百零一頁，共179頁。在實驗條件下，肌肉受到一次刺激所引起的一次收縮稱為單收縮。包括三個時期：潛伏期——從刺激開始到肌肉收縮所經(jīng)歷的一段時間?？s短期——從開始縮短到產(chǎn)生最大收縮的時間間隔。舒張期——從肌肉最大縮短到恢復(fù)原來初長的一段時間。肌肉收縮與時間第一百零二頁，共179頁。第一百零三頁，共179頁。收縮總和——在實驗條件下，肌肉受到一連串刺激，若后一刺激落在前一刺激所引起的收縮的舒張期內(nèi)，則肌肉不再舒張，而出現(xiàn)一個比前一次收縮幅度更高的收縮稱為收縮的總和。第一百零四頁，共179頁。指在一定頻率的連續(xù)刺激下，肌肉收縮不斷地總和，使肌肉處于持續(xù)的縮短狀態(tài)，稱為強(qiáng)直收縮。（臨界融合頻率）強(qiáng)直收縮第一百零五頁，共179頁。在電刺激或化學(xué)刺激下骨骼肌收縮產(chǎn)生張力。其最大特點是刺激頻率越高，產(chǎn)生張力越大另一特點：在松弛態(tài)下應(yīng)力很小，可忽略不計收縮曲線完全強(qiáng)直不完全強(qiáng)直第一百零六頁，共179頁。1、等長收縮當(dāng)肌肉收縮產(chǎn)生的張力等于外力時，肌肉積極收縮但長度不變，這種收縮形式稱等長收縮。肌肉沒有做外功，但仍消耗很多能量。

等長收縮是肌肉靜力性工作的基礎(chǔ)，在人體運動中對運動環(huán)節(jié)固定、支持和保持身體某種姿勢起重要作用。張力等于負(fù)荷肌肉的收縮形式（一）等長收縮與等張收縮第一百零七頁，共179頁。

2、等張收縮

如果使肌肉兩端完全游離，收縮時就能自由縮短，不負(fù)擔(dān)任何重量，也幾乎不發(fā)生張力變化，這種收縮叫等張收縮。所加負(fù)荷不變，產(chǎn)生的張力隨關(guān)節(jié)角度改變而改變，因而其收縮速度在不同關(guān)節(jié)角度也有所不同。所謂等張收縮，實際上是指負(fù)荷在關(guān)節(jié)某一角度時的張力。第一百零八頁，共179頁。1、縮短收縮

指肌肉收縮所產(chǎn)生的張力大于外加的阻力時，肌肉縮短，并牽引骨杠桿做相向運動的一種收縮形式?？s短收縮時肌肉起止點靠近，又稱向心收縮。2、拉長收縮

當(dāng)肌肉收縮所產(chǎn)生的張力小于外力時，肌肉積極收縮但被拉長，這種收縮形式稱拉長收縮。拉長收縮時肌肉起止點逐漸遠(yuǎn)離，又稱離心收縮。（二）縮短收縮與拉長收縮

第一百零九頁，共179頁。肌肉的基本機(jī)能:化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能表征肌肉活動的生物力學(xué)指標(biāo):

1.肌張力:肌肉端部測得的力

2.收縮速度:肌肉長度變化的速度肌肉收縮力學(xué)探討的內(nèi)容：

1.張力與長度

2.張力與速度

3.張力與時間肌肉收縮的力學(xué)性質(zhì)第一百一十頁，共179頁。肌肉收縮時產(chǎn)生的內(nèi)部拉力（一般稱張力）。肌纖維具有主動收縮性，此外，肌纖維及其周圍的結(jié)締組織還可以被動承載，因此，整塊肌肉伸縮時的張力是主動張力與被動張力之和。肌肉張力類型被動張力：松弛狀態(tài)下，無刺激時的張力主動張力：刺激（非負(fù)載）下，由主動收縮產(chǎn)生的張力。第一百一十一頁，共179頁。骨骼肌未激活狀態(tài)下被動張力可忽略不計。心肌的被動張力不可忽略，但是一般比主動張力小。平滑肌的被動張力要大得多，甚至可以等于或大于主動張力。第一百一十二頁，共179頁。肌肉收縮的負(fù)荷能影響肌肉收縮時作功能力或其力學(xué)表現(xiàn)的因素至少有三個，即前負(fù)荷、后負(fù)荷和肌肉本身的功能狀態(tài)（即肌肉收縮能力）。前負(fù)荷——在肌肉收縮前就加在肌肉上的負(fù)荷。后負(fù)荷—是在肌肉開始收縮時才能遇到的負(fù)荷，它不增加肌肉的初長度，但能阻礙收縮時肌肉的縮短。第一百一十三頁，共179頁。Hill方程——肌肉的力學(xué)性質(zhì)上世紀(jì)30年代,Hill的經(jīng)典性的工作,奠定了骨骼肌力學(xué)的基礎(chǔ).取青蛙的縫匠肌為試樣,兩端夾緊,保持長度為L0.以足夠高的頻率和電壓加電刺激,使攣縮產(chǎn)生張力T0.然后將肌肉的一端松開,使其張力降為T(T<T0）,則肌肉纖維以速度v縮短.

Hill不僅測定T、v與T0

的關(guān)系,還測定了肌肉縮短時產(chǎn)生的熱量,以及維持?jǐn)伩s狀態(tài)所需的熱量。第一百一十四頁，共179頁。Hill方程表明：在攣縮狀態(tài)下,單位時間內(nèi)從化學(xué)反應(yīng)獲得的機(jī)械能是常量.假設(shè)，單位時間內(nèi)肌肉收縮的能量與速度成正比，則Hill方程可寫成如下形式：張力T，攣縮張力T0

，縮短速度v，其中a，b為常數(shù)。

E：是肌纖維單位時間釋放的總能量，A：單位時間散失的熱能，S：單位時間肌肉收縮所需能量，W=Tν：是克服拉力T發(fā)生運動所作的功率。

其中a,b,T0是三個獨立的常數(shù)，是肌肉的初長度，溶液溫度與成份，鈣離子濃度與藥品等因素的函數(shù)。第一百一十五頁，共179頁。Hill方程適用條件：骨骼肌強(qiáng)直狀態(tài)快速釋放Hill方程不適用條件：肌肉未受刺激，沒有主動收縮的狀態(tài)。單收縮緩慢釋放第一百一十六頁，共179頁。前負(fù)荷使肌肉具有一定的初長度。前負(fù)荷決定肌肉的初長度，影響肌肉的最大張力。1.張力與長度肌纖維被牽拉或縮短時，張力的變化主要歸因于肌節(jié)結(jié)構(gòu)的變化，前負(fù)荷決定了肌肉的初長度。第一百一十七頁，共179頁。最適前負(fù)荷：能夠產(chǎn)生最大肌張力的前負(fù)荷。最適初長度：能夠產(chǎn)生最大肌張力的初長度（肌節(jié)2-2.2nm）。現(xiàn)象：肌肉長度增加到稍長于靜息長度時，產(chǎn)生最大張力。哺乳類骨骼肌舒張時肌節(jié)單元長2-3um,收縮時1um第一百一十八頁，共179頁。肌肉初長度處于適宜水平時，肌節(jié)（由粗、細(xì)肌絲平行構(gòu)成）長度約2.0微米，粗（主要由肌球蛋白組成）、細(xì)（主要由肌動蛋白組成）肌絲正處于最理想的重疊狀態(tài)，因而起作用的橫橋（隸屬于粗肌絲，可以和細(xì)肌絲相應(yīng)的位點進(jìn)行可逆性結(jié)合）數(shù)目最多，表現(xiàn)收縮張力最大。與此相反，如果肌肉拉得太長，粗、細(xì)肌絲趨向分離，起作用的橫橋數(shù)目減少，肌肉張力下降；同樣，如果肌肉過于縮短，細(xì)肌絲發(fā)生變形交錯，起作用的橫橋數(shù)目亦減少，肌張力將急劇下降。

肌微絲滑動示意圖(a)靜止?fàn)顟B(tài)(b)收縮狀態(tài)(c)弛張狀態(tài)第一百一十九頁，共179頁。肌纖維張力--長度曲線：張力變化主要依賴于肌節(jié)內(nèi)結(jié)構(gòu)的變化，并因此形成了特殊的肌纖維張力--長度曲線。當(dāng)肌節(jié)處于靜息長度時（2μm左右）張力最大；當(dāng)肌節(jié)長度達(dá)到3.6μm后，主動張力卻變?yōu)榱?。第一百二十頁，?79頁。2.張力與收縮速度肌肉向心收縮或離心收縮的速度與負(fù)荷之間存在一定的關(guān)系。肌肉向心收縮時，收縮速度與負(fù)荷成反比。當(dāng)負(fù)荷為零時，收縮速度最快負(fù)荷增大，則縮短的越來越慢。當(dāng)負(fù)荷與肌肉張力相等時，肌肉不再收縮，為等長收縮。當(dāng)負(fù)荷繼續(xù)增大，為離心收縮，負(fù)荷越大，肌肉也越長。第一百二十一頁，共179頁。后負(fù)荷—是在肌肉開始收縮時才能遇到的負(fù)荷，它不增加肌肉的初長度，但能阻礙收縮時肌肉的縮短。當(dāng)肌張力<后負(fù)荷時，先有張力上升，—等長收縮。當(dāng)肌張力=后負(fù)荷時，再有長度下降，—等張收縮。后負(fù)荷與速度第一百二十二頁，共179頁。攣縮狀態(tài)的蛙縫匠肌快速釋放實驗中測得的等張收縮時T,v數(shù)據(jù)Hill方程的張力-速度關(guān)系：骨骼肌從等長攣縮狀態(tài)下快速釋放時的張力-速度關(guān)系。肌肉產(chǎn)生的張力與它縮短的初速度呈反比。當(dāng)后負(fù)荷增加到某一數(shù)值時，肌肉產(chǎn)生的張力達(dá)到最大值，肌肉不縮短，初速度為零，P0點?！乳L收縮。P0點左側(cè)所有點，肌肉既產(chǎn)生張力又收縮，為等張收縮。曲線最左側(cè)，張力為零，速度最大稱為Vmax。P0

其中，c=T0/a收縮速度，取決于能量釋放速率和肌球蛋白ATP酶的活性，與活化的橫橋數(shù)目無關(guān)第一百二十三頁，共179頁。3.張力與時間肌肉產(chǎn)生的張力與收縮時間成正比。收縮時間越長產(chǎn)生的張力越大，直到最大張力。張力大小，取決于活化的橫橋數(shù)目。第一百二十四頁，共179頁。Hill肌肉模型-功能狀態(tài)整塊肌肉的力學(xué)特性較為復(fù)雜，為便于研究，可將其表示為三單元模型。該模型反應(yīng)了肌肉的張力收縮以及張力-伸長關(guān)系。收縮元代表肌肉中有活性的主動收縮成分，當(dāng)肌肉興奮時可產(chǎn)生主動張力，其張力的大小與其微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，骨骼肌處于休息狀態(tài)時，收縮元對張力沒有貢獻(xiàn)。并聯(lián)彈性元代表肌肉被動狀態(tài)下的力學(xué)特性，主要與主動收縮元周圍的結(jié)締組織有關(guān)。串聯(lián)彈性元主要代表主動收縮元的固有特性及與之相串聯(lián)的部分結(jié)締組織。第一百二十五頁，共179頁。松弛態(tài)下肌肉力學(xué)性質(zhì)兩種肌絲、橫橋、Z盤激活態(tài)下肌肉力學(xué)性質(zhì)第一百二十六頁，共179頁。由多個模型串聯(lián)而成的肌肉，各個收縮元產(chǎn)生相同的收縮力，每個模型受到的外力相等，等于整塊肌肉兩端的外力，整塊肌肉的伸長或縮短的總長度等于各個模型伸長或縮短的長度之和。由此可見，肌肉長度的增加，會提高其收縮速度，但不影響其收縮力。

在多個模型并聯(lián)而成的肌肉斷面上，各個模型產(chǎn)生同樣的變形與同樣的收縮速度，而整塊肌肉兩端的作用力是各個模型作用力之和。因此，肌肉橫斷面的增加，會增加肌肉收縮力，但不影響肌肉的收縮速度。整塊肌肉可認(rèn)為是由許多三單元模型混聯(lián)構(gòu)成，模型的串聯(lián)構(gòu)成肌肉的長度，模型的并聯(lián)構(gòu)成肌肉的厚度。第一百二十七頁，共179頁。肌纖維內(nèi)的應(yīng)力計算（有限元模型）—確定肌纖維方向上的應(yīng)力，肌肉建模和其它形變建模。1、肌肉被分割成有限單元2、每一個有限單元包含一個肌纖維和一個積分點3、應(yīng)力作用下，肌纖維拉長4、每個肌纖維用一個三元件Hill模型表示。第一百二十八頁，共179頁。第一百二十九頁，共179頁。與骨骼肌相比心肌的特點時刻不能缺氧節(jié)律性強(qiáng)，不允許攣縮（不能處于強(qiáng)直狀態(tài)）松弛狀態(tài)心肌靜息張力具有重要性心肌長度工作范圍有限第一百三十頁，共179頁。三、血管血管系統(tǒng)是由動脈、毛細(xì)血管、靜脈構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，是一個封閉的回路。最大的特點就是具有粘彈性。血管的功能：運送血液的管道，分配血液實現(xiàn)物質(zhì)交換的場所第一百三十一頁，共179頁。血管的組成血管壁可分為內(nèi)層、中層、外層。

內(nèi)層：內(nèi)皮細(xì)胞、基質(zhì)膜和一層由纖細(xì)的膠原纖維、彈性纖維和平滑肌組成的松散聚集物構(gòu)成。有向血管內(nèi)外輸送物質(zhì)的作用。

中層：平滑肌、膠原纖維和彈性纖維組成的同心筒形結(jié)構(gòu)。—力學(xué)性質(zhì)的主要提供者。

外層：松散結(jié)締組織。第一百三十二頁，共179頁。血管壁的力學(xué)性質(zhì)主要取決于中層的膠原纖維、彈性纖維和平滑肌的性質(zhì)、含量及空間構(gòu)型。第一百三十三頁，共179頁。平滑?。郝菪闻帕?，螺距很短彈性纖維：形成縱向裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)膠原纖維：波紋狀網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，血管一般擴(kuò)張壓不伸展血管擴(kuò)張一定程度伸展到原有長度產(chǎn)生張力繼續(xù)擴(kuò)張產(chǎn)生極大張力阻礙血管進(jìn)一步擴(kuò)張三種組織的空間結(jié)構(gòu)第一百三十四頁，共179頁。非血管組織的松弛曲線比較三種組織的滯后環(huán)和應(yīng)力松弛比較彈性纖維無論滯后環(huán)還是應(yīng)力松弛均較弱，接近彈性體。膠原纖維有明顯的滯后環(huán)和應(yīng)力松弛，很小的應(yīng)變就會引起很高的應(yīng)力。平滑肌易于變形，小應(yīng)力能造成大變形，滯后環(huán)大；當(dāng)應(yīng)變不變時，應(yīng)力可完全松弛。第一百三十五頁，共179頁。血管壁的三種成分的含量是變化的。血管壁內(nèi)彈性纖維和膠原纖維的含量比：從胸主動脈為2；其他動脈為0.5。從主動脈，大動脈到分支動脈，平滑肌百分比越來越高。第一百三十六頁，共179頁。平滑肌含量：主動脈<大動脈<分置動脈主動脈小動脈毛細(xì)血管小靜脈靜脈內(nèi)皮彈性組織平滑肌纖維組織第一百三十七頁，共179頁。血管的力學(xué)特點血管具有軟組織材料的一般力學(xué)特性：蠕變、松弛和滯后等粘彈性特性，加載速度對它的力學(xué)性質(zhì)會產(chǎn)生影響。其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是非線性的。彈性模量隨載荷或變形量的增加而增大。第一百三十八頁，共179頁。血管壁的張力由兩部分組成彈性張力TE平滑肌產(chǎn)生的主動張力TA彈性張力：周向抗載荷能力比軸向強(qiáng)。周向張力σθ

σθ=ΔP?R/h軸向張力σx

σx=ΔP?R/2hΔP：血管壁內(nèi)外壓力差，R：管徑，h：管壁厚度。血管為各向異性材料第一百三十九頁，共179頁。人工血管人工血管是以尼龍、滌綸、聚四氟乙?。≒TFE）等合成材料人工制造的血管代用品，適用于全身各處的血管轉(zhuǎn)流術(shù)。第一百四十頁，共179頁。目前用機(jī)器編織的人工血管有兩種：一種是平織，又稱機(jī)織；織物纖維緊密，具有豐富的伸展性，多孔性細(xì)致而小，但其斷端容易松散，呈毛刷狀，質(zhì)地堅硬、縫合困難。另一種是針織，又稱線圈編織。用纖維作線圈式編織，伸展性較差，多孔性大，質(zhì)地柔軟，其斷端不易松散、縫合容易最初用的材料為尼龍(Nylon)，后因其穩(wěn)定性差，在機(jī)體內(nèi)被破壞，缺點很多因而廢棄。目前普遍應(yīng)用的人工血管材料為聚酯及聚四氟乙烯，大多數(shù)使用的是針織人工血管。第一百四十一頁，共179頁。人工血管的應(yīng)用（1）動脈疾病：用替代或者架橋（血管旁路手術(shù)）的方式來來恢復(fù)血液的通路從而來治療胸主動脈、腹主動脈、骼動脈等血管段。動脈疾病，如動脈栓塞或者動脈瘤。（2）靜脈疾?。嚎梢蕴娲蛘呒軜颍ㄑ芘月肥中g(shù)）的方式來治療靜脈疾病，如布－加氏綜合癥。（3）動－靜脈瘺：可以運用在慢性腎病的血液透析過程中，在四肢部分連接自身動脈和靜脈，形成一條可反復(fù)穿刺的血液透析通路第一百四十二頁，共179頁。新型人工血管（1）碳涂層血管

可以顯著顯著提高血管開通率。均勻鑲嵌于血管內(nèi)壁的碳原子與血管壁有機(jī)的結(jié)合成一體，具有良好的生物相容性，與組織無反應(yīng)。碳涂層微弱的負(fù)電荷排斥血小板在管壁的沉積，有效減少血栓形成機(jī)會；碳涂層不利于平滑肌細(xì)胞生長和播散，減少間質(zhì)增生，可以顯著顯著提高血管開通率。第一百四十三頁，共179頁。由于一般合成人工血管的生物相容性尚未達(dá)到理想狀態(tài)，所以可以在這些高分子材料表面接上一層生物材料，以進(jìn)一步提高其生物相容性，這就是生物混合型人工血管。（2）蛋白或明膠涂層血管第一百四十四頁，共179頁。特別的袖狀由電腦三維立體模型設(shè)計，優(yōu)化流出道血流動力學(xué)，減少吻合口處內(nèi)膜增生，顯著增加開通率。且內(nèi)膜附碳涂層，減少血小板沉積。（3）袖狀血管第一百四十五頁，共179頁。血液的力學(xué)性質(zhì)第三節(jié)第一百四十六頁，共179頁。流體的定義流體是流動的或在剪切力作用下不斷形變的物質(zhì)。流體不能抵抗任何剪切力作用下的剪切變形趨勢（體積不變）。在剪切力作用下，流體發(fā)生連續(xù)剪切變形，直至剪切力停止作用。流體的運動宏觀運動：外力引起微觀運動：自身熱運動流體力學(xué)：流體在外力作用下的宏觀運動規(guī)律。一、流體的力學(xué)性質(zhì)第一百四十七頁，共179頁。流體的特點流動性第一百四十八頁，共179頁?？蓧嚎s性及膨脹性第一百四十九頁，共179頁。粘滯性

流體的粘滯性是指流體自身阻止其產(chǎn)生相對運動的性質(zhì)。流體只有在流動的情況下才能展現(xiàn)其粘滯性。第一百五十頁，共179頁。表面張力毛細(xì)現(xiàn)象第一百五十一頁，共179頁。流體在剪切力作用下流動，流體的流動性與其分子間距d成正比。固體液體

流體的剪應(yīng)力：單位面積上的作用力。剪應(yīng)變率：用于描述流體在剪應(yīng)力作用下的流動。剪應(yīng)力與剪應(yīng)變率關(guān)系用黏度表示。流體的剪應(yīng)力與剪應(yīng)變率第一百五十二頁，共179頁。牛頓的粘性定律

對于大多數(shù)流體，實驗結(jié)果表明：平板拉力F與平板面積A、平板速度u成正比，與平板間距y成反比，且與流體性質(zhì)相關(guān)（粘度）。第一百五十三頁，共179頁。流體牛頓流體：流體的黏度為常數(shù)，具有線性特性的流體。非牛頓流體：具有非線性剪應(yīng)力與剪應(yīng)變關(guān)系的流體。生物流體一般為非牛頓流體。全血屬于非牛頓流體。但血漿屬于牛頓流體，其物理特性與水相似。第一百五十四頁，共179頁。非牛頓流體力學(xué)的研究始于1867年J.C.麥克斯韋提出線性粘彈性模型，由于粘彈性流體問題復(fù)雜以及當(dāng)時流體力學(xué)大量的研究工作主要集中在牛頓流體方面，所以進(jìn)展十分緩慢。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后,化學(xué)纖維、塑料、石油等工業(yè)的迅速發(fā)展，向非牛頓流體力學(xué)提出了社會需求;應(yīng)用數(shù)學(xué)、流體力學(xué)等學(xué)科的不斷提高,為非牛頓流體力學(xué)提供理論基礎(chǔ)。

1950年J.G.奧爾德羅伊德提出建立非牛頓流體本構(gòu)方程的基本原理，把線性粘彈性理論推廣到非線性范圍。以后，W.諾爾、J.L.埃里克森、R.S.里夫林、C.特魯斯德爾等人對非線性粘彈性理論的發(fā)展也作出貢獻(xiàn)。

1976年K.沃爾特斯等人創(chuàng)辦國際性專門刊物《非牛頓流體力學(xué)雜志》(JournalofNon-NewtonianFluidMechanics)。70年代后期出版了非牛頓流體力學(xué)、聚合物加工、流變技術(shù)等非牛頓流體力學(xué)的專門著作。非牛頓流體力學(xué)已發(fā)展成為一個獨立的學(xué)科。

非牛頓流體力學(xué)簡史

第一百五十五頁，共179頁。1、粘度隨剪變率改變：非牛頓流體的基本特點形變，流動屈服應(yīng)力這是與牛頓流體的最大區(qū)別！2、存在屈服應(yīng)力3、具有觸變性：4、具有塑性:彈性極限<形變程度<斷裂第一百五十六頁，共179頁。非牛頓流體分類：非牛頓流體分類{{有屈服應(yīng)力無屈服應(yīng)力膨脹性流體擬塑性流體脹塑性流體假塑性流體賓