生物力學(xué)概論

1、第二章 生物力學(xué)概論1. 生物力學(xué):生物力學(xué)是應(yīng)用力學(xué)原理和方法對生物體中的力學(xué)問題進(jìn)行定量研究的生物物理學(xué)分支，是研究力與生物體運(yùn)動(dòng)、生理、病理、之間關(guān)系。2. 生物力學(xué)的意義：1.用力學(xué)方法和原理解決生物醫(yī)學(xué)問題2.生物力學(xué)的研究，加深了對血液流變特性與疾病等關(guān)系的理解。應(yīng)用生物力學(xué)的研究成果，指導(dǎo)人工器官的設(shè)計(jì)。3. 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、從鳥飛到植物體液的運(yùn)輸?shù)?。目前熱點(diǎn)正逐漸向細(xì)胞、分子層次發(fā)展。4. 生物力學(xué)的基礎(chǔ)是能量守恒、動(dòng)量定律、質(zhì)量守恒三定律，并加上描寫物性的本構(gòu)方程。5. 生物力學(xué)的重點(diǎn)是研究與生理學(xué)、醫(yī)學(xué)有關(guān)的力學(xué)問題6. 研究步

2、驟：1.建立合理的物理模型 2.確定本構(gòu)方程3.導(dǎo)出描述所研究對象的微分方程或積分方程4.根據(jù)器官的工作環(huán)境，得到有意義的邊界條件，運(yùn)用解析方法或數(shù)值計(jì)算求解問題5.修正乃至重新建立方程進(jìn)行求解6探索理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在實(shí)際中的運(yùn)用。7. 生物力學(xué)的研究特點(diǎn)：生物力學(xué)研究的對象是生物體 作為實(shí)驗(yàn)對象的生物材料，有在體和離體（在體分為麻醉狀態(tài)和非麻醉狀態(tài)）8. 生物力學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的關(guān)系：生物力學(xué)是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的理論基礎(chǔ)，也是應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)。9. 生物力學(xué)的趨勢：生物力學(xué)的趨勢朝著系統(tǒng)和微觀兩方面發(fā)展。10. 生物力學(xué)的研究內(nèi)容：目前的研究領(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)

3、絡(luò)中的流動(dòng)規(guī)律、心臟的瓣膜運(yùn)動(dòng)、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(yùn)動(dòng)生物力學(xué) 生物熱力學(xué)11. 生物力學(xué)與其他力學(xué)最重要的差別是：去研究的對象是生物體。12.13. 骨膜：緊貼在除關(guān)節(jié)面以外的骨表面的一側(cè)致密纖維結(jié)締組織膜，很堅(jiān)韌，分內(nèi)外兩層，含有豐富的血管和神經(jīng)。14. 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)材料的力學(xué)性能，既優(yōu)化為最大的強(qiáng)度，最省的材料，最輕的重量。15. 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。16. 骨的粘彈性：在外力的作用

4、下，骨產(chǎn)生的形變與時(shí)間相關(guān)。17. 骨的生物力學(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(gè)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的影響。18. 骨承載能力的三要素：第一，要求骨有足夠的強(qiáng)度。 第二，要求骨有足夠的剛度。第三， 要求骨有足夠的穩(wěn)定性。骨的載荷和變形：人體在日?；顒?dòng)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19. 一般而言，骨承受的壓力負(fù)荷能力最大，其次是拉力、剪切力和扭轉(zhuǎn)力。骨所承受的正常生理負(fù)荷是這些力的綜合。20. 骨的載荷與形變的特點(diǎn)：力與變形之間的關(guān)系，反映了完整骨

5、的結(jié)構(gòu)行為。1. 骨的幾何結(jié)構(gòu)對抵抗特殊方向的力具有一定的特殊性2. 在決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3. 大骨抵抗力的能力優(yōu)于小骨4. 骨是比較典型的彈塑性體。21. 骨的應(yīng)力與應(yīng)變：當(dāng)外力作用于骨時(shí)，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(diǎn)：應(yīng)力的大小等于作用于骨界面上的外力與骨橫斷面積之比。22. 應(yīng)變：骨的應(yīng)變是指骨在外力作用下的局部變形。23. 骨組織的基本生物力學(xué)特性：1.各向異性 2.彈性和堅(jiān)固性 3.抗壓力強(qiáng)、抗張力差 4.耐沖擊力和持續(xù)力差 5.應(yīng)力強(qiáng)度的方向性 6.骨的強(qiáng)度和剛度 7.機(jī)械力對骨的影響 8.骨是人體理想的結(jié)構(gòu)材料24.

6、骨的力學(xué)性質(zhì)和影響因素：1.性別、年齡的影響 2.骨的各向異性以及解剖部位的差異 3.骨干濕度的影響 4.加載速率的影響 5.應(yīng)力集中的影響25. 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26. 軟組織特點(diǎn)：柔軟易變形，具抗拉強(qiáng)度、但不抗彎和抗壓。27. 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(diǎn)。28. 粘彈性:1)應(yīng)力松弛：當(dāng)材料發(fā)生應(yīng)變時(shí)，若保持應(yīng)變一定，則相應(yīng)的應(yīng)力將隨時(shí)間的增加而下降 2）蠕變：若應(yīng)力保持一定，物體應(yīng)變隨時(shí)間的增大而增大的現(xiàn)象（皮膚的擴(kuò)張需要生物學(xué)的蠕變） 3）對物體做周期性的加載和卸載，加載時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線同卸載時(shí)的曲線不重合，稱為

7、滯后。29. 皮膚的生物力學(xué)特性：1.收到循環(huán)加載和卸載時(shí)有滯后現(xiàn)象 2應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是非線性的 3在保持常應(yīng)變時(shí)，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 4當(dāng)保持常應(yīng)力時(shí)，表現(xiàn)為蠕變現(xiàn)象，蠕變依賴于相應(yīng)的應(yīng)力水平 5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30. 肌肉：肌肉分為三類：骨骼肌、心肌、平滑肌。這三類肌肉組成要素相同，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31. 肌肉除了具有一般軟組織材料力學(xué)性質(zhì)以外，還具有獨(dú)特的性質(zhì)主動(dòng)收縮產(chǎn)生主動(dòng)張力。32. 肌肉的特性：收縮性；興奮性：展長性；彈性。33. 肌肉的分類：平形

8、狀結(jié)構(gòu)：有利于活動(dòng)范圍，不利于力量呈現(xiàn)。 羽狀結(jié)構(gòu)：產(chǎn)生的力大膽活動(dòng)范圍小。34. 肌小節(jié)：一條肌源纖維內(nèi)兩條Z線之間的部分稱為肌小結(jié)，是肌肉收縮的基本結(jié)構(gòu)體。35. 肌肉收縮與時(shí)間：在實(shí)驗(yàn)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(gè)時(shí)期：潛伏期；縮短期；舒張期。36. 收縮總和：在實(shí)驗(yàn)條件下，肌肉受到一連串的刺激，若后一刺激落在前一刺激的舒張期內(nèi)，則肌肉不再舒張，而出現(xiàn)一個(gè)比前一次收縮幅度更高的收縮，稱為收縮總和。37. 強(qiáng)直收縮：指在一定頻率的連續(xù)刺激下，肌肉收縮不斷總和，使肌肉處于持續(xù)的收縮狀態(tài)，稱為強(qiáng)直收縮。其最大的特點(diǎn)是刺激頻率越高，產(chǎn)生的張力越大，在松弛態(tài)下應(yīng)力很小

9、。38. 肌肉的收縮形式：1.等長收縮：當(dāng)肌肉收縮產(chǎn)生的張力等于外力時(shí)，肌肉收縮但長度不變，這種收縮形式稱等長收縮。（是肌肉靜力性工作的基礎(chǔ)）特點(diǎn)：張力等于負(fù)荷。 2.等張收縮：若使肌肉兩端完全游離，收縮是就能自由縮短，不負(fù)擔(dān)任何重量，也幾乎不發(fā)生張力變化，這種叫等張收縮。 特點(diǎn)：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(shí)際上是指負(fù)荷在關(guān)節(jié)某一角度是的張力。39. 肌肉收縮的力學(xué)性質(zhì)：基本性能：化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能 表征肌肉活動(dòng)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

10、力和速度 2.張力和長度 3.張力和時(shí)間40. 肌肉張力類型：被動(dòng)張力：松弛狀態(tài)下，無刺激的張力 主動(dòng)張力：刺激下，由主動(dòng)收縮產(chǎn)生的張力41. 1.骨骼肌未激活狀態(tài)下被動(dòng)張力可忽略不計(jì)2.心肌的被動(dòng)張力不可忽略，但是一般比主動(dòng)張力小3.平滑肌的被動(dòng)張力要大得多，甚至可以等于或大于主動(dòng)張力42. 肌肉收縮的負(fù)荷：前負(fù)荷、后負(fù)荷和肌肉本身的功能狀態(tài)。43. Hill方程：方程表明：在攣縮狀態(tài)下，肌肉單位時(shí)間從化學(xué)反應(yīng)所獲得的機(jī)械能是常量。44. 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：肌肉未收縮，沒有主動(dòng)收縮的狀態(tài)。 單收縮 緩慢釋放45. 張力和強(qiáng)度：1.前負(fù)荷是

11、肌肉有一定的初長度 2.前負(fù)荷決定肌肉的初長度，影響肌肉的最大張力。 （肌肉長度增加到稍長于靜息長度時(shí)，產(chǎn)生最大張力）46. 后負(fù)荷與速度：后負(fù)荷是指肌肉開始收縮時(shí)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(shí)肌肉的縮短 當(dāng)肌張力<后負(fù)荷時(shí)，先有張力上升，等長收縮 當(dāng)肌張力=后負(fù)荷時(shí)，再有長度下降，等張收縮47. 張力與時(shí)間：肌肉產(chǎn)生的張力與收縮時(shí)間成正比。收縮時(shí)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。48. 整塊肌肉可認(rèn)為是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。49. 有多個(gè)模型串聯(lián)而成的肌肉，肌肉長度的增加，會提

12、高其收縮速度，但不影響其收縮力在許多模型并聯(lián)而成的肌肉斷面上，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。50. 肌纖維的應(yīng)力計(jì)算：1.肌肉被分割成有限單元 2.每一個(gè)有限單元包含一個(gè)肌纖維和一個(gè)積分點(diǎn) 3.應(yīng)力作用下，肌纖維拉長 4.每一個(gè)肌纖維用一個(gè)三元件Hill模型表示51. 心肌的特點(diǎn)：1.時(shí)刻不能缺氧 2.節(jié)律性強(qiáng)，不允許攣縮（不能處于強(qiáng)直狀態(tài)） 3.松弛狀態(tài)心肌靜息張力具有重要性 4.心肌長度工作范圍有限52. 血管：血管系統(tǒng)是由動(dòng)脈、毛細(xì)血管、靜脈構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)封閉的回路。 最大的特點(diǎn)是具有粘彈性53. 血管的功能：運(yùn)送血液的管道，分配血液 實(shí)現(xiàn)物質(zhì)交換的場所

13、54. 血管壁分為內(nèi)層，中層，外層。中層是力學(xué)性質(zhì)的主要提供者55. 血管壁的力學(xué)性能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56. 三種組織的空間結(jié)構(gòu)：平滑肌：螺旋形排列，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)，57. 血管為各向異性材料：血管壁張力由兩部分組成：彈性張力 平滑肌產(chǎn)生的主動(dòng)張力彈性張力:周向抗載荷能力比軸向強(qiáng)58. 流體的定義：流體是流動(dòng)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，直至剪切力停止運(yùn)動(dòng)。59. 流體的運(yùn)動(dòng)：宏觀運(yùn)動(dòng)：外力引起 微觀運(yùn)

14、動(dòng)：自身熱運(yùn)動(dòng)60. 流體力學(xué)：流體在外力作用下的宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律。61. 流體的特點(diǎn)：流動(dòng)性：流體沒有固定的形狀，其形狀取決于限制它的固體邊界；流體各個(gè)部分之間很容易發(fā)現(xiàn)相對運(yùn)動(dòng)，這就是流體的流動(dòng)性。62. 運(yùn)動(dòng)流體：受到剪切應(yīng)力作用發(fā)生了連續(xù)形變的流體就稱為運(yùn)動(dòng)流體靜止流體：不受剪切應(yīng)力的流體就不發(fā)生變形，稱為靜止流體63. 流體中存在的切應(yīng)力是流體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的充分必要條件。64. 粘滯性：流體的粘滯性是指流體自身阻止其產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)。流體只有在流動(dòng)的情況下才能展現(xiàn)其粘滯性。粘性內(nèi)摩擦力產(chǎn)生的原因：由于分子間的吸引力 由于分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量交換65. 表面張力：液體自由表面有明顯的欲成

15、球形的收縮趨勢，引起這種收縮趨勢的力稱為表面張力。原因：有分子的內(nèi)聚力引起的作用結(jié)果：是液體表面好像是一張均勻的緊繃的彈性膜66. 流體的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變率：流體在剪切力作用下流動(dòng)，流體的流動(dòng)性與其分子間距d成正比流體的剪應(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)力下的流動(dòng)剪應(yīng)力和剪應(yīng)變率關(guān)系用黏度表示67. 牛頓的粘性定律：對于大多數(shù)流體，實(shí)驗(yàn)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)（黏度）68. 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，其物理特性與書相似。69. 非牛頓流體的基本特點(diǎn)：1.粘度隨剪變率改變 2.存

16、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70. 無屈服應(yīng)力非牛頓流體：沒有屈服應(yīng)力，流動(dòng)曲線都過坐標(biāo)原點(diǎn)。71. 膨脹性流體：粘度隨流體剪變率增大而增大擬塑性流體：粘度隨流體剪變率增大而減小72. 有屈服應(yīng)力非牛頓流體：存在屈服應(yīng)力，流動(dòng)曲線都不過坐標(biāo)原點(diǎn)，而是在縱軸上有截距。73. 脹塑性流體：粘度隨剪變率增大而增大假塑性流體：粘度隨著剪變率增大而減小（血液）賓漢流體：當(dāng)溫度一定時(shí)，其粘度是常量。74. 屈服應(yīng)力和流體的性質(zhì)有關(guān)，不同的非牛頓流體的屈服應(yīng)力一般都不同。即0不同。75. 粘度測得方法：毛細(xì)粘度計(jì) Couetter粘度計(jì) 錐-板粘度計(jì)76. 紅細(xì)胞比容：紅細(xì)胞總?cè)莘e在血樣容積中所占百分比血液是由血漿和懸浮其中的血細(xì)胞組成的紅色粘稠流體。77. 血漿的主要作用是運(yùn)載血細(xì)胞，運(yùn)輸維持人體生命活動(dòng)所需的物質(zhì)和體內(nèi)產(chǎn)生的廢物等。78. 血量：是指全身血液的總量循環(huán)血量：血量的大部分在心血管系統(tǒng)中快速循環(huán)流動(dòng)，稱循環(huán)血量儲存血量：滯留在肝