华中科技大学同济医学院蔡荣泰生物力学 Biomechanics 1．绪论1.1 生物力学定义 生物力学是研究力与生物体运动.生理.病理之间关系的科学，也就是研究生物与力学有关的问题，或者说从力学的观点来研究生物学的问题，故研究内容非常广泛。生物学分类、生理学分类、力学分类。 生物的所有运动都是由力引起的。环境力：重心力、风力、水力、其他生物力、人造力等。生物体自身的主动力——肌力。生物学的基础是三大的定律——能量、质量、动量守恒定律，加上描述物性的本构方程，利用上述基本概念，可用来解释生物活动现象。 1. 2 生物力学研究目的通过生物力学的研究，可以用力学分析方法去了解、利用、治疗、防护、改造生物。 生物力学在对疾病治疗上所起的作用。通过生物力学分析，还可更好的发挥生物效能。 当前新型学科——仿生学（Bionics ）是模仿生物构造技术装置的科学，也是生物力学所要研究的。1. 3 生物力学研究内容2. 按研究对象的力学性质来分类：1.3. 1 生物运动学 目的是分析动物的运动，研究动物的能量（功和功率）、力和位移、速度、加速度之间的关系。 www.book118.com 生物流体力学研究血液、体液等流体的特性及在生物体体内的运动情况，生物与空气、水之间的相对运动。 www.book118.com 生物体力学 研究生物体内形状稳定部分的受力特性，包括医疗、体育器材的强度与变形情况。 硬组织——牙、骨骼。软组织——皮肤、内脏。 www.book118.com 综合生物力学 在实际工作中往往是存在多相介质的相互影响。如呼吸时存在气体与气管（支气管）弹性软组织间相互作用。血循时要考虑到粘流体（血液）与粘弹性物体（心.血管）间的相互作用。 1. 4 生物力学的研究方法 主要通过三条途径来解决问题：（1）用解析方法或数值方法来求解数学模型（2）用试验方法来测定物理模型或实物试件。（3）对现场进行分析研究。 存在的问题与困难：生物体结构的差异（性别、年龄、体质、营养、职业、心理）、试件状态（整理、离体）（供血、失血）(新鲜、陈腐、冷冻) 等。1.5 生物力学在医学中应用 2. 生物运动学Biokinesiology 生物运动学又称运动生物学，它将力学与解剖学、生理学相结合，分析生物运动的空间特征与时间特征，分析这些特征与生物的内力、外力、能量和功率之间的关系。3. 1 运动动作分析 人体的动作是由一系列运动动作所构成，所以生物运动学运动学研究的中心内容是分析人的各种动作，了解各种动作的规律，据此设计新的操作动作，提高技能。 动作分析包括：动作结构分析、动作解剖分析、动作生理分析。2.1. 1 动作的结构分析 通常从三个方面对动作结构进行分析。（1）运动学分析(Kinematics) 指对动作的时间和空间规律所进行的分析，主要研究运动的轨迹、速度与加速度。 首先要建立人体的座标系统，通常以垂直地面的轴为垂直轴，人体前后方向为矢状轴。人体侧向为冠状轴。由垂直轴和矢状轴组成平面为矢状面，由垂直轴与冠状轴组成为冠状面，由冠状轴与矢状轴组成为水平面。 （2）动力学分析（Kinetics ） 主要是分析各部分在动作时各个力之间、力与加速度、速度之间的关系。 力按作用性质可分为内力与外力，也可分为动力和制动力。内力主要为肌肉收缩产生，外力则有重力、惯性力、摩擦力、支反力、介质阻力等。（3）能量消耗和功率分析 人体一切活动都要消耗能量是由营养物质（糖.脂肪.蛋白质）在体内分解释放能量来补充的。生理学上通常把能量在体内的释放.转移和利用称为能量代谢（energy metablism ），根据机体状态可将能量代谢分为：基础代谢、安静代谢与运动代谢。 肌肉活动时能量来源有三种方式：ATP 系列、需氧系列、乳酸系列。肌肉活动所消耗的能量在一般条件下15—25 ％可转化为机械能做功，其余大部分转化为热能散失。 热量单位是千卡（kcal ）或千焦耳（kJ ） （1cal ＝4.187J ） 机械功的单位是公斤.米（kg.m ）即将1公斤物体提高1米所做的功。 kg.m ＝0.0024 千卡热量，故机械做功也可折算为热量。用能量消耗可作为运动强度的度量，也可用来测量不同工具和作业方法的效率，但不能衡量技能作业.脑力活动等强度。www.book118.com 动作的解剖分析 即用解剖学的知识来分析骨骼肌的工作，因动作的主动力来自肌肉，肌肉的发挥又与神经调节、肌肉形态结构、与骨之间相对位置等有关。 从力学角度来说，人运动系统是杠杆系统，外力与肌肉之间的平衡符合杠杆定律。 几个基本概念： 力（force F ）:作用物体改变的动量，单位为牛顿（Newton N ），为1kg 质量产生1米/秒加速度所需的力。N=kg.ms-2 F=m.s-2 公斤力（kilopond kp kg.f ）指1kg 质量所产生的重力。1kp ＝9.8N 磅力（poundal 1b.f ）＝4.45N 应力（stress ）：是物体内力作用于某平面单位面积的力，以抵抗所致变性的外力。应力有两种——正常应力和剪应力。 应变（strain ）：是指物体受力后所发生的形变，总应变是全部形变，单位应变是指单位长度形变。 弹性（elasticity ）：是指产生形变的力除去后，材料回复原来大小的趋势。在比例极限以下，应力与应变成正比（Hooke 定律），超过比例极限，则不成正比。应力大于弹性限度，则不能恢复原形，产生永久形变。 力矩（moment of force ）；是力绕一点产生转动效果，力矩是力与转动点到力作用线的垂直距离（力臂）之乘积。最大肌力与年龄、性别、体格、训练、施力时动机等有关。一般15—25 岁可达“峰值”，到50—60 岁则降到75—85 ％，女性约为男性2/3 左右。 男女最大肌力（kg ） 施力方式男性女性 握力46 28 踢力40 32 背力109 74 	 肌肉运动实际上是以肌群的形式（包括原动肌、协同肌、对抗肌、固定肌），各部位肌力不同，故常用三种施力方式（握、踢、背）的最大肌力来综合表示个体肌肉做功能力。 人体直立位时重心（c）约位于身高5/9 ，在第二骶骨椎前7cm 处，重力线通过腰椎齿突，髋关节之后和膝关节前方。人体姿势发生变化，其重心位置也随之变化。相同情况下，女性重力比男性低1—2 ％。在某特定情况下，如躬腰、后仰重心位置可移出体外。 www.book118.com 动作的生理分析2.2 运动动作的分类 人体或某一部分的移动变化及所伴随的形态变化称为动作。有多种分类方法，如按人体部位来分：手指动作、上肢动作、下肢动作、全身动作。按操作来分：定位动作、反复动作、连续动作、逐次动作。还可按单一动作和组合动作来分类。 在分析人体运动时，可将人体简化为适当的计算模型——刚体铰链系统，仅介绍Hanavan 简化模型，即把躯体分为15 个单元（刚体），关节分为14 个铰链。 3. 3 颅脑冲击性分析 目前以外事故（车祸、工伤、战争）已上升为青壮年主要死因，其中大多数又是因颅脑损伤引所致。对颅脑的保护.伤后修复与治疗成为重要研究课题.并发展出颅脑损伤生物力学学科，它是研究损伤机制、伤势判断、发展过程为治疗措施提供科学依据。 www.book118.com 颅脑的组成和力学性质 头皮（皮层、皮下层、帽状腱膜层、蜂窝组织、颅骨外衣） 颅骨(共23 块、分面颅与脑颅，主要有额骨、顶骨、枕骨) www.book118.com 颅骨损伤分类 按伤口形状（线形骨折、穿孔、凹陷），按伤口情况（闭合性和开放性）,按发生部位（颅骨骨折、颅底骨折）等分类。 颅骨损伤有冲击伤：即在撞击点及附近的损伤。 颅骨损伤有对冲伤：在撞击点对面极点处的损伤。 www.book118.com 影响颅骨骨折的因素（1）撞击作用区域大小；（2）打击物的动量；（3）人受力时的运动状态；（4）受力点的位置；（5）其他（击物形状、打击角度） www.book118.com 脑损伤 脑损伤是外伤中最严重的伤害之一，也是意外事故中死亡最高的。颅骨骨折可损伤脑组织.有时颅损伤本身也吸收了较多能量，从而减缓了脑损伤的严重程度。有时颅骨损伤严重而脑损伤不重，也有在颅骨完整的情况下，出现脑致命伤。 1. 短暂意识障碍清醒、无记忆丧失 2. 意识障碍清醒、对撞击后的事失去记忆（外伤性健忘） 3. 意识障碍＋记忆丧失清醒，不仅对撞击后，对撞击前的事也失去记忆（逆性健忘） 4. 昏迷持续性植物神经功能障碍 5. 死亡颅脑损伤严重程度与撞击加速度、撞击延续时间等有关。通过对模型人、动物、尸体和志愿者的撞击研究，已获得一些反应头部损伤严重程度的准则，如GSI （Gadd severity index ）HIC （Head injury criterion ）等。 颅脑损伤假说：压力梯度空穴假说、旋转假说、弯曲—伸拉假说2. 4 骨的力学性质和损伤www.book118.com 骨的基本力学性质 骨骼具有支持、运动、和保护功能，人体共206 块骨，按部位可分为颅骨、躯干骨、四肢骨，按形态分为长骨、短骨、扁骨、不规则骨和气骨。 从力学观点来看，骨是非常复杂又是最理想的等强度优化结构。骨的重量比铸铁轻3倍，柔性却比铁大10 倍，并具可塑性，在承受外力时可吸收6倍的能量。骨的力学性质取决于其构成物质与构造关系。骨组织：细胞（成骨细胞、骨细胞、破骨细胞） 细胞间质（纤维、粘合物、矿物质）有机物—细胞、胶原、粘多糖、脂类及其他蛋白质（酶、涎蛋白）。无机物—羟磷灰石结晶、无定形磷酸钙、枸橼酸盐、钾、钠、氟等水（45 ％） 骨居有形态、强度、弹性等特点。对骨进行力学分析，重要了解在拉伸、压缩、剪切状态下的极限强度、极限应变。但差异性较大，受年龄、性别、职业、遗传、营养等因素影响，青年人骨强度比老年人高10 ％以上，男性比女性高5％左右。www.book118.com 应力对骨生长的影响 应力增加可使骨中基质呈碱性，使基质中溶解带有碱性的磷酸盐沉积下来，骨中无机盐成分增加，其抗压性能也增加，相反，如应力减少，则基质呈酸性，它会溶解骨中一部分无机盐，并将其排出体外。 Dietrik 试验将志愿者从腰部以下用石膏固定6—8 星期，使这一部分骨不再受力，此期测定他们从食物中摄取的无机盐含量以及从尿粪中排泄的无机盐含量，结果表明排出总量大于摄入总量，说明骨中无机盐成分在减少。除去石膏，令受试着恢复活动再重复上述测定，结果表明摄取的无机盐总量大于排泄总量，骨逐渐复原。 以上说明比较高的应力持续作用下，一部分骨细胞变成了成骨细胞，它是一种半圆形或立方形的单核细胞，整齐排列在应力较大的区域，其胞浆呈碱性，能促使无机盐沉积。电镜观察表明，成骨细胞还可以产生纤维和粘多糖蛋白等细胞间质，它们和无机盐共同组成骨质，这些骨质将成骨细胞包围