生物力学

根据已经确立的力学原理来研究生物中的力学问题的学科。生物力学一词是20世纪60年代出现的，但它涉及的一些内容却是古老的课题。如1582年伽利略得出摆长与周期的关系后，用摆来测定人的脉搏率；1616年W.哈维根据流体力学中的连续性原理，论证了血液循环的存在；1775年L.欧拉写了一篇关于波在动脉中传播的论文；1840年至1841年J.-L.-M.泊肃叶确立了血液流动过程中压降、流量和阻力的关系。A.克罗格由于在微循环力学方面的贡献获得了1920年诺贝尔奖；A.V.希尔因肌肉力学方面的工作获得了1922年诺贝尔奖。这些工作为20世纪60年代开始的生物力学系统研究打下了基础。生物力学的分支学科有呼吸系统动力学、循环系统动力学、生物流变学等。

生物力学biomechanics

系力学的一个分支。是用力学的理论与方法研究人及其他动物体的力学行为与性质；分析生命过程中各种力学现象与过程；研究人体与其他动物体各部分之间的力学关系；研究人体与其他动物整体在空间运动的力学规律等。人体生物力学包括呼吸系统的气体力学、循环系统的流体力学、运动系统的机械力学等。研究生物力学对诊断呼吸系统、血液循环系统、骨骼肌肉系统某些疾病有重要意义；对于器官移植、骨科治疗、体育运动等都有重大意义。

生物力学

研究力与生物体运动、生理、病理之间关系的学科。通过生物力学的研究，人们可以用力学分析的手段去了解、学习、利用、治疗、保护、改造并配合创造生物。

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生物力学

采用力学方法研究生物系统的结构和功能的学科。侧重于研究人体生物力学问题，如人体一部分运动和其他部分的关系，每种生物材料内部的变形。应用于科学地进行体育训练、研究医学外科治疗及军事科学等方面。

生物力学biomechanics

是应用力学的理论与方法研究生物与人体的各种力学性质及行为，分析生命过程各种力学现象与过程，研究生物与人体各部分间，以及整体在空间和时间上发生位移和运动的力学规律的科学。它可分为宏观与微观生物力学。生物力学的研究对于人工器官的研究和推广应用、骨科治疗、血液循环及呼吸系统疾病的诊治等，均具有重要意义。

生物力学

生物力学是研究生物中与力学有关问题的科学。从人的整体到各个器官，从植物体内水分的输运到鸟飞鱼游，都是生物力学的研究领域。生物力学发展历史久远。古希腊人就已经知道通过人心瓣的血液流动是单向的。血液循环的立论是十七世纪才由Harvey提出的。我国唐代就开始应用手法整复骨折，并在骨折局部用夹板固定，提倡“动静结合”，主张患者早期活动。在生物力学的发展历史中，有的学者从力学方面着手，研究力学问题。Leonardo da Vinci(1452～1519)对人体运动作过最早的系统观察，并写成“人体注记”。Galileo Galilei (1564～1642) 用与心搏合拍的摆长定量地测定了人的心率。René Descartes(1596～1650)用力学观点研究生理学，编写了第一部近代生理学的理论著作。Giovanni AlfonsoBorelli(1608～1679)结合数学、物理学和解剖学，写出了第一部关于动物运动的生物力学著作。Leonhard Euler(1707～1783)研究了动脉中的波传播，并从数学方面研究用有理形式把人的最大与最佳作功能力表述为力、速度和动作时间的函数。Otto frank(1865～1944)对心脏流体动力学理论，以及Balthasar Van Der Pol (1889～1959)对心脏模拟装置及研究等方面，都有过突出的贡献。本世纪以来，特别是六十年代以来，生物力学表现出划时代的进步。它所涉及应用的领域越来越广阔，理论研究与实践研究都得到深入发展，并更加一致。
近代生物力学的研究 与医学及生理学有关的力学问题是近代生物力学的研究重点，其主要研究领域有：
❶生物流变学：研究生物材料的流动和变形的规律，主要包括血液流变学、软组织力学和骨力学三个部分。血液流变学是研究血液的流变性质，以研究血液的粘度及影响血液粘度的各种因素为主。软组织力学是研究软组织的流变性质，以建立其本构关系为主。骨力学除研究本构关系外，还研究应力与生长、吸收的关系；
❷循环系统动力学：主要研究血液在心脏、动脉、微血管和静脉中的流动规律；
❸呼吸系统动力学：研究呼吸过程中，气道内的气体流动以及肺泡中氧气和血液的物质交换。
生物力学的研究有助于对人体生理和病理过程的了解，从而丰富了生理学和医学的内容，并为疾病诊断和治疗、人工器官的设计和研制等方面提供科学依据，为生理学、医学、体育科学等学科的发展，增加了新的活力。同时，通过生物力学对生命现象领域里许多崭新的力学问题的研究，又促进了整个力学内容的更新和发展。
现代生物力学的主要任务和基本内容 现代生物力学属于正在形成和发展中的新兴的交叉学科，就现状来说，其主要任务和基本内容可以归纳为以下三个方面：
(1) 采用力学的概念、理论和方法，确定生物组织和器官的力学性质，特别是其应力-应变史的规律，或者称为材料的“本构规律”，这是生物力学最基础的内容。在所有生物体材料的力学表现中，都显示有对历史过程的依赖性，即在物体上的任意一点处，任意一个时刻的应力。不仅取决于当时的应变，并且依赖于它的应变历史。这种依赖性，对于如结缔组织、胶原、弹性蛋白等类的被动性材料，表现为在恒定应变下的“应力松弛”，恒定应力下的“蠕变”，循环加载下的“滞后”，弹性模量之依赖于应变率，以及循环应力疲劳等现象。对于肌肉等可刺激性组织，应力-应变关系明显地依赖于刺激后的过程。研究任何器官的生物力学，都需要对这些组织的应力-应变的历史规律，作出数学描述，得出这些活组织的本构方程，并从理论和实验的结合上解决这些问题。
(2)研究生物机体的力学特性与其功能间的关系，研究生物机体的力学作用与所对应的各种生理、病理效应之间的关系。目的在于明确生物功能及其变化的力学作用基础，明确其间的规律性联系，以适应基础医学、临床医学、卫生保健、以及体育运动等多种有关人体科学的发展需要。这是现代生物力学发展的主要方向和研究的核心内容，目前还处于开拓阶段，正在不断深入和系统化。在生物力学流体方面，对血液流变学以及动脉硬化、血栓形成的生理学、病理学效应方面研究得较多，“临床血液流变学”、“临床血流动力学”等专门学科，正在逐步形成；通过对关节滑液的研究，发现风湿性关节炎与玻尿酸分子降解而使滑液由“非牛顿流体”变为“牛顿流体”有关。在生物固体力学方面，以“矫形生物力学”为例，目前已经应用于实际方面的有运动力学与运动疗法、内装假体与外装假体的设计与分析，矮形学、修复学等。
(3)通过对生物体材料力学性能的研究，有助于研制具有特定性能的人工材料； 通过对生物体结构在受力和运动时作用方式和规律的研究，探讨它在有关工程科学技术领域中的模拟和应用。这将是具有深远意义的任务。它将生命现象领域与非生命现象领域有关研究互相沟通，相得益彰。以对生物体内的力学研究所获取、发掘、移用、发展的知识和技术，在体外环境的工程应用中，具有巨大潜力。例如鲸鱼的外形研究，已经为巨型远洋货轮型线设计提供了提高航速的实际效果。骨的结构研究，有助于开展工程复合材料的研制。人体可动关节其摩擦系数之小和使用寿命之长，是目前工程机构中摩擦构件所远远不能比拟的，人们从对人体可动关节的研究中，可以得到许多有益的启发，为工程应用服务。
在生物力学的研究中，数学模型的建立和分析是一个重要环节。对模型问题求解以及对结果的分析，是建立生物功能的力学基础。生物力学所研究的材料对象，其性质比工程材料复杂的多。通过测试和实验来确定其性质，也比一般情况困难得多。例如在实验时往往要求将生物组织分离出来，并要求这些组织试样很小，保持组织在活体内的状态等等，满足这些要求往往是很困难的。现代生物力学研究的进展，取决于对活体组织本构关系的了解，取决于对所建立的边界值问题的求解，以及最终取决于离体研究结果和在体性能测定的一致性程度。

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生物力学

生物力学是生物物理学的一个组成部分，它的基本任务是应用物理力学的方法和理论来研究生物和人体在宏观和微观水平上的力学性质和行为，分析发生在生命活动过程中的各种力学现象和过程，了解生物和人体一部分相对于另一部分以及整个机体在空间和时间上发生位移和运动的力学规律。
生物力学发展史 生物力学的出现虽然只不过是近几十年的事，但是对其中个别问题的研究却已有相当悠久的历史。早在一世纪初期，Galenus (131～201)就在实验中证明，肌肉收缩可引起关节运动。十六世纪到十七世纪时，意大利物理学家Galileo (1564～1640)用单摆测定了人的心率。意大利医生和数学家Borelli (1608～1679)具体测定了人体的重心，分析了人体四肢的运动，并把动物和人体对于周围环境的运动划分为脱离地球(如行走、奔跑和跳跃)、脱离周围环境(如游泳、飞行等)和身体倾向支点 （如爬高等） 三种不同类型。StephenHales (1677～1761)成功地测量了人体的动脉血压和心排血量，并研究了它们两者之间的关系，他还测量了心脏和主动脉的可扩张性，即弹性。对于血液的流动，他提出了末梢阻力的概念，并认为这种阻力的主要发生部位是在组织中毛细血管内。数学家Euler对动脉的脉动波进行了分析，写出了有关动脉脉冲波理论的专著。十八世纪，法国学者Poiseuille (1799～1869)专门研究了血液在毛细管中的流动规律，并提出了血液流动中的粘滞性和阻力的概念。Starling (1886～1926)于1899年第一个成功地用在小牛腹膜上加盖一层半透膜的方法测定了人体的胶体渗透压，并阐明了它在人体毛细血管内外的水移动和平衡中的重要作用。同时Werthin研究了生物组织的应力和应变关系，并发现这种关系不服从虎克定律，认识到生物组织不是一个虎克体。十九世纪，Frank (1865～1944)研究了心脏推动血液循环的动力学，Hill对肌肉的力学性质和力学行为进行了研究，并获得了诺贝尔奖金。Lamb (1849～1934)基于对动脉的力学性质和力学行为的研究，提出了血液沿着动脉管流动时会产生高频波的推测，这一推测已在近年来的实验中得到了证实。这些生物力学问题的研究和分析，一方面加深了对动物和人体解剖学和生理学的认识，另一方面对力学本身的发展也起了巨大的促进作用。例如，粘滞液体的流体力学理论就是起源于Poiseuille所进行的血液沿毛细管流动的实验。
生物力学的研究对象和范围 生物力学可划分为宏观生物力学和微观生物力学两个范畴。
宏观生物力学的研究内容主要有以下几个方面：
(1) 生物系统的运动力学： 生物机体和人体由相互联结在一起的个别部分或个别环节构成。因此，生物机体和人体在空间中的运动是以构成身体和个别部分和个别环节相互之间所发生的位置移动为基础的。例如，生物机体和人体内，由骨骼和肌肉构成的运动装置，是决定人体在空间中运动的主要构成部分和环节。从力学角度来看，骨骼就是扛杆，支点可能是关节或其它点，肌肉则是人体运动所需内力的源泉，肌肉二端多附于骨的二端，一为起点，另一点为止点。肌肉与骨骼的这种联结，使得肌肉收缩时，产生力和作功，并可使其附着之骨绕关节转动从而实现整个人体或其组成部分在空间中的移动。研究肌肉收缩时所产生的张力及其作用于起点和止点所形成的力偶，分析肌肉收缩可使骨绕轴旋转的扛杆作用以及人体中三种扛杆类型的特点： 其拉角、阻角以及杠杆结构对骨绕轴旋转的性质和自由度数目的影响等都属于研究生物系统运动的宏观生物力学的重要内容。
(2) 生物组织的材料力学： 生物机体及其组成部分，大体可分为硬组织(如骨、软骨)、软组织(如内脏、血管、气管、皮肤、肌肉、韧带、腱等)和液体组织(血液、淋巴液、组织液等)。骨，尤其是其中的管状骨的主要作用是载负重量，是人体的支柱。实验表明，骨的坚韧性仅次于钢。骨的这种坚韧性的获得是与骨的构成成分——骨小梁的结构、形状和排列合乎力学的要求有关。软骨的特点是具有极大的柔韧性。软骨垫于骨与骨之间，不仅可使两骨间的接触更加密切，而且也可使其有弹簧作用，以缓冲身体运动时的震动。各种软组织，尤其是其中的肌肉组织，有良好的弹性。从反映这一特性的应力和应变的关系来看，它们均为非线性的，即应变和应力不完全呈正比关系，而且应力和应变又与时间有关。各种软组织的这种力学特性是生物经过长期的自然选择的结果，只有具备这些特性才有可能使人体器官和组织在各种不同条件下获得更佳的功能。各种软组织的这些力学特性取决于他们的非均匀的和各向异性的构成成分。其中弹力纤维和胶原纤维的含量及其组成比例、构造的特点和力学特性起着主要作用。因此，研究骨骼、软骨、肌肉、脏器等生物组织的应力和应变关系及其在静力和动力(振动、冲击)作用下变化的特点； 阐明应力波传播的规律以及应力状态对骨等生物组织的增生的影响； 了解骨骼等生物组织的疲劳和断裂与应力幅度、密度、温度以及生物组织自身的结构成分的关系；建立各种半经验的应力和应变关系的模型，如应变位能模型、三元素、四元素的线性和非线性弹性模型以及构造模型，以深化对生物组织的力学性质的认识，都属于生物组织的材料力学的主要研究内容。
(3) 生物流体力学：生物机体的特点之一，就是与外界环境处于不断的物质和能量的交换中。而物质和能量的交换常通过流体（气体和液体）在生物机体内部之间以及机体和外界环境之间不断流动来实现的。流体在生物机体内部之间的流动既包括动物和人体的血液循环、细胞内外和组织间隙之间体液的流动以及呼吸系统内部气体的流动，也包括植物体内水汁的流动。因此，研究流体（气体和液体）在生物机体内部以及与外界环境之间不断流动的力学规律；了解流体的流量、流速和流态之间的相互关系以及流体沿之流动的管道 (如血管、淋巴管、组织和细胞间隙、气管、支气管) 的力学和理化性质对流速、流量和流态的影响，是生物系统内部流体力学的主要任务。
此外，生物机体和人体是生活在主要由流体，即气体或液体构成的外环境中。因此，研究生物机体和人体在液体或气体中发生位置移动和运动与流体之间的力学作用规律，如水生动物，尤其是鱼类在水中高速度、长距离游动的高度机动灵活性与它们的低阻力的形体结构、高效率的推进方式（以喷水作用推动和摆动推进）以及力学行为的高度稳定性与机动性的关系和流体力学的机理，则是生物系统外部流体力学的研究内容。
(4) 生物系统结构的静力学和动力学： 研究内容包括人体的整体骨架、头颈系统、脊椎-韧带系统、胸腔骨架以及关节的静力学性质和在受到冲击、振动等外力作用时的动力学反应；了解冲击和载荷下脑组织、主动脉血管等的耐受性，引起损伤的力学机理以及受损伤时的结构稳定性等。
(5) 生物流变学： 它着重研究生物机体和人体及其组成部分——器官、组织和细胞的流变性以及发生在生命活动过程中的各种流变现象。
从分子及其相互作用角度研究各种动植物细胞、亚细胞结构(细胞膜、核膜等)以及它们的构成成分蛋白质和核酸等生物大分子的力学性质，探讨发生在细胞内、细胞膜及核膜内以及核酸和蛋白质中的力学现象，是微观生物力学的主要研究内容。
研究生物力学的医学意义 生物力学的研究能更正确地了解人体各器官的正常生理功能及其在各种病理条件下发生变化的原因，这样就为临床医学正确的调整或防治措施提供了依据。例如，对生物和人体组织的材料力学的研究，对人造器官(如假手、假肢，人工心脏瓣膜和人造关节等)的研制和推广应用具有重要意义。在心脏瓣膜的置换术上，目前已愈来愈多地采用牛心包或猪心瓣膜制成的所谓人工生物瓣膜来代替人工的金属球形或碟形瓣膜。其重要原因之一就在于人工生物瓣膜与人工金属机械瓣膜相比，前者更加接近于人体的生理的心脏瓣膜。骨骼、软骨、关节和韧带等组织的坚韧性和柔顺性以及肌肉和其它软组织的粘弹性等力学性质的研究对伤骨科了解致伤因素的作用机理，掌握人体组织在外力作用下发生断裂和移位的规律性是有帮助的，从而可正确地制订防治骨折和损伤发生的有效措施。尤其是对于探讨中医伤骨科的一些行之有效的治疗方法的生物力学原理是十分重要的。例如，对骨折的治疗，西医多采用手术切开，用钢板或坚强的髓内针内固定等方法进行整复； 而中医治疗骨折却是用非手术疗法，即以“动静结合”为指导思想，采用不同手法的小夹板固定为特点的整复。经研究证明，中医对骨折复位所采用的不同手法是以骨折后移位程度和方向，即角移位、侧向移位、重迭移位、旋转和分离移位等不同类型为基础的。有关生物组织的力学性质和力学行为的了解和认识对于外科，尤其是整形外科也是不可缺少的。
血液循环系统和呼吸系统的流体力学研究对于某些心血管系统疾病(如先天性心脏病、心肌缺血性疾病和高血压病等)以及呼吸系统疾病 (如肺心病、肺气肿等)的病因分析、诊断及鉴别诊断、治疗与预防，都有重要意义。血液循环系统的流体力学对于中医的脉象研究及其客观化、定量化有重要作用。从生物力学的角度来看，中医的传统切脉是不同程度的外加扰动 (浮取、中取、沉下的)桡动脉血流、血管壁运动及由心脏发出的脉动波传播的综合反应。根据生物流体力学的理论和方法，不仅可以阐明中医切脉的科学道理，而且亦可以把脉象从传统的依靠人体自我感觉和经验分析的描述变为若干物理量的客观定量分析。换言之，应用流体力学的理论和方法研究中医的脉象，不仅可为中医建立脉象的客观分析指标，而且也可为揭示整个心血管的功能动态变化规律提供更佳的无创伤性检查技术。
生物系统的运动力学对于体育运动和健康锻炼，都有重要意义。因为有关人体的运动力学知识也是提高竞技水平和制订科学训练方案的主要科学依据。生物系统的运动力学对于改善人类的劳动过程，降低体力消耗和提高劳动生产率以及减少、消除和预防某些职业病(如肌肉损伤、下肢静脉曲张等)的发生，也有十分重要意义。
生物系统经过长期自然选择和进化，形成了许多运动器官工作活动的力学合理性和协调性。例如，研究由骨骼和肌肉组成的支点运动装置，水生动物的流线体型及各个器官结构和功能的力学合理性和协调性，对于模仿这些力学合理性来设计和制造新的机器，改进和完善现有的工程技术以及设计和制作人工生物医学材料，并在此基础上设计和制造人工器官和组织都有重要意义。由此可见，生物力学不仅与以模仿生物系统结构和功能的合理力学原理来建造工程技术系统的仿生学以及制作人工器官为主要内容的生物医学工程学均有着密切关系，而且也是这两门新兴边缘学科的基本理论之一。
生物系统和非生命系统的一个主要不同处，就在于生物体是一个高度组织起来的和具有高度自动调节和自动控制的机构。从这个意义上来看，生物体的力学性质和力学行为以及发生在生命活动过程中的各种力学现象和过程同样具有自动调节和自动控制的能力。因此，生物力学也为研究和分析生物和人体内的各种控制和调节系统及其工作原理的生物控制论提供基本理论。

生物力学

biomechanics