4生物力学研究方法与技术.ppt

生物力学生物力学 biomechanics shengwu lixue生物力学是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题进行定量研究的生物物理学分支。

生物力学的研究范围从生物整体到系统、器官(包括血液、体液、脏器、骨骼等)，从鸟飞、鱼游、鞭毛和纤毛运动到植物体液的输运等。

生物力学的基础是能量守恒、动量定律、质量守恒三定律，并加上描写物性的本构方程。

生物力学重点是研究与生理学、医学有关的力学问题。

生物力学依据研究对象的不同，可细分为生物流体力学、生物固体力学和运动生物力学等。

生物力学的发展简史生物力学一词虽然在20世纪60年代才出现，但它所涉及的一些内容，却是古老的课题。

例如，1582年前后伽利略得出摆长与周期的定量关系，并利用摆来测定人的脉搏率，用与脉搏合拍的摆长来表达脉搏率等。

1616年，英国生理学家哈维根据流体力学中的连续性原理，从理论上论证了血液循环的存在；到1661年，马尔皮基在解剖青蛙时，在蛙肺中看到了微循环的存在，证实了哈维的论断；博雷利在《论动物的运动》一书中讨论了鸟飞、鱼游和心脏以及肠的运动；欧拉在1775年写了一篇关于波在动脉中传播的论文；兰姆在1898年预言动脉中存在高频波，现已得到证实；材料力学中著名的扬氏模量就是英国物理学家托马斯·扬为建立声带发音的弹性力学理论而提出的。

1733年，英国生理学家黑尔斯测量了马的动脉血压，并寻求血压与失血的关系，解释了心脏泵出的间歇流如何转化成血管中的连续流，他在血液流动中引进了外周阻力概念，并正确指出：产生这种阻力的主要部位在细血管处。

其后泊肃叶确立了血液流动过程中压降、流量和阻力的关系；夫兰克解释了心脏的力学问题；斯塔林提出了透过膜的传质定律，并解释了人体中水的平衡问题。

克罗格由于在微循环力学方面的贡献获得1920年诺贝尔奖金。

希尔因肌肉力学的工作获得1922年诺贝尔奖金。

他们的工作为60年代开始的生物力学的系统研究打下基础。

到了20世纪60年代，一批工程科学家同生理学家合作，对生物学、生理学和医学的有关问题，用工程的观点和方法，进行了较为深入的研究，使生物力学逐渐成为了一门独立的学科。

生物力学研究方法与应用生物力学是研究生物运动的力学过程、动力学规律以及机械特性的一门学科。

它是将力学原理和生物学相结合，运用计算机辅助分析得到生物体运动的途径。

早在古希腊时期，亚里士多德就曾研究过牛的奔跑和人类的步行，称之为“动力学”。

而生物力学则是在近代形成的。

随着科技的发展和研究者的努力，生物力学的应用领域越来越广泛。

本文将阐述生物力学的研究方法和应用。

生物力学研究方法生物力学的研究方法主要包括以下几个方面：1.实验法。

通过实验测量生物体运动时的各种参数，来研究运动规律和机械特性。

以运动员的跳高为例，我们可以通过实验测量出运动员起跳的初始速度、起跳的高度、跨越杠杆的速度等参数，来分析和研究运动员跳高的力学过程。

2.数值模拟。

通过计算机模拟生物体运动的过程，来研究运动规律和机械特性。

数值模拟可以通过建模获取生物体的各种状态参数，进而计算出机械特性指标。

例如，通过计算机模拟肌肉收缩过程，可以研究肌肉的力学特性和肌肉产生的驱动力。

3.实际观测。

通过实际观察生物体运动过程，来研究运动规律和机械特性。

例如，通过观测蜻蜓的飞行过程，可以研究其飞行特性并寻找优化方法。

生物力学的应用生物力学的应用范围极为广泛，可应用于医疗、体育、交通、安全等多个领域：1.医疗领域。

生物力学可以用于评估疾病和伤害的影响、治疗方案的制定和手术效果的评估。

例如，生物力学可以通过实验研究不同种类的人工关节假体在运动中的力学特性和生物相容性，为关节置换手术的设计提供依据。

2.体育领域。

生物力学可以用于分析诸如人体运动、姿势和运动员与运动装备之间的关系。

例如，生物力学可以通过实验研究运动员跳高的力学特性和姿势优化，为运动员提高运动成绩提供科学依据。

3.交通安全领域。

生物力学可以用于研究车辆和其他交通工具的碰撞安全性。

例如，生物力学可以通过实验模拟车辆碰撞，分析碰撞力大小及其对车内人员的危险程度，为改进车辆结构和安全性能提供依据。

结语生物力学是一门结合力学原理和生物学的学科，其研究方法主要包括实验法、数值模拟以及实际观测。

生物力学目前，在科研和临床领域，生物材料的开发及应用无疑是一次重大的变革：人造骨骼和关节、义齿、义眼等的出现（图1-1）在为患者解决生理、美观性问题的同时为社会带来巨大的经济利益。

生物材料即生物医学材料，是指具有天然器官组织的功能或天然器官部分功能的材料，它是生物医学科学中的最新分支学科，是生物、医学、化学、生物物理学和材料科学交叉形成的边缘学科，生物材料的研究与开发具有广泛的应用前景，它已成为最具活力的学科之一。

在生物材料的研发过程中，材料的强度、韧性等力学性能是衡量生物材料应用前景的重要指标之一，这就涉及到了一个古老而现代的学科——生物力学。

（a） (b) (c)图1-1 （a）人造骨骼和关节（b）义齿（c）义眼第一节生物力学的基本知识一、起源与发展其实，生物力学的起源要早于生物材料，它是研究生物和力学有关问题的学科。

在物竞天择的原始社会，人类为生存和基本生活而早已无意识或有意思的应用了生物力学的一些基本原理来生产、生活（图1-2）。

图1-2 原始的生物力学应用现代生物力学大约起源于20世纪60年代末，生物力学和运动生物力学发展进入了形成和发展时期。

在这一时期专家们对于人和动物运动的生物力学特性进行了积极的研究，下面一些学者的科学研究广为人知：亚历山大1970年的《生物力学》；1974年武科布罗多维奇对于动物运动进行了数学模拟，并因此促进了机器人制造技术的发展；19 68年希利杰博兰德创建了有关动物以均匀步法进行运动的理论；1968年苏霍诺夫创建了陆地脊椎动物运动的一般体系；哈顿有关人支撑运动体系调控机制的研究；米勒有关人运动生物力学问题的研究。

1967年召开了第一次国际生物力学学术讨论会。

1973年正式成立了国际生物力学学会（International Society of Biomechanics,ISB）,这标志着生物力学学科的正式建立。

这一时期在苏联运动训练学作为一门独立学科形成了，而在此之前它只是在体育教育学的范畴内发展的。

细胞生物力学中的生物力学模型与实验方法细胞生物力学是研究细胞内部和外部受力的科学领域，涉及到生物材料力学、生物流变学、细胞形态学等多个学科。

在实际研究中，我们需要建立合理的生物力学模型和实验方法来帮助我们更好地理解细胞生物力学的本质。

一、生物力学模型1.1 力学模型细胞内部的受力主要有两类：机械压力和内部弹性力。

机械压力即外部施加在细胞上的力，比如通过细胞培养板施加压力或者通过流体力学施加剪切力；内部弹性力则是由于细胞本身形态变化引起的弹性反力。

针对这些受力，研究者设计了各种力学模型，其中最基础的力学模型就是弹性体模型。

在这种模型中，细胞被看做一个弹性体，它可以在受力的情况下发生弹性变形。

弹性体模型可以用于分析细胞内部的力学行为，比如细胞膜的变形、内部水平面的变形等等。

除此之外，还有其他一些生物力学模型，比如网络模型、粘弹性模型等。

这些模型主要是为了更好地描述细胞生物力学行为中的复杂性而设计的。

1.2 生物力学仿真生物力学仿真是利用计算机模拟来分析细胞生物力学的一种方法。

通过仿真，可以模拟细胞受力的过程，同时也能够可视化地表示细胞的力学行为。

生物力学仿真在模型验证和预测方面是非常有用的。

通过仿真，我们可以更好地理解细胞内部的力学行为，同时也可以测试生物力学模型的有效性。

二、实验方法2.1 细胞力学测试细胞力学测试是通过特殊的设备来测量细胞在外部施力下的弹性反应。

常用的细胞力学测试方法有：（1）牵引力显微镜测试：利用牵引力显微镜来测量细胞在外部施力下的反应。

这种测试方法可以模拟细胞在生理环境下受到的外力，对于研究细胞内部的调节机制非常有用。

（2）应力杆测试：应力杆测试是一种常用的测试方法，它通过将细胞贴在一个金属板上，在顶部施力，从而观察细胞在不同外力下的形态变化。

2.2 流体力学测试流体力学测试是研究细胞内部流体运动的一种方法。

通过这种方法，可以探究细胞内液体的流动特性以及对液体流动的控制机制。

生物力学的研究与应用生物力学是一门研究生物体运动的科学，它结合了生物学和力学的原理，通过对生物体运动的分析和模拟研究，推动了医学、体育和工程学等领域的发展。

本文将介绍生物力学的研究内容和应用，并探讨其在不同领域中的重要性和前景。

一、生物力学的研究内容1.生物力学的基本原理生物力学主要研究生物体的运动机制和相关生理问题。

其中力学是研究物质在受力作用时的力学行为和力学规律，而生物学是研究生命体的结构、功能和运动方式。

生物力学通过这两个学科的融合，研究生物体的运动途径、速度、力量、应力分布等。

2.生物力学的实验方法生物力学的研究需要准确的实验数据支持。

常用的实验方法包括人体运动分析、生物体仿真实验、组织细胞力学实验等。

其中，人体运动分析是通过使用高速摄像机、力传感器等设备来记录和分析生物体运动的细节，以得出与运动相关的参数和结论。

3.生物力学的建模和仿真生物力学的研究还包括对生命体运动行为的建模和仿真。

通过对生物体结构、组织和各个部位功能的深入了解，可以建立相应的数学模型，并通过计算机仿真来预测和探究生物体的运动机制。

这种建模和仿真的研究方法在医学手术规划、人体姿势优化设计等方面具有重要的应用价值。

二、生物力学在医学领域中的应用1.康复医学生物力学为康复医学提供了重要的支持。

通过对人体肌肉、关节等组织结构和运动机制的研究，可以制定出更加科学和个性化的康复计划。

康复医学在运动损伤、脊柱疾病、假肢设计等方面的应用，都离不开生物力学的知识和方法。

2.运动和运动损伤研究生物力学对运动和运动损伤的研究有着重要影响。

通过对不同运动形式的分析和仿真，可以帮助运动员优化训练计划，提高运动表现。

同时，生物力学还可以研究运动损伤的机理和预防方法，为运动员提供更好的保护。

3.人体工程学人体工程学是研究人体与工作环境相互关系的学科，生物力学为人体工程学提供了重要的理论基础。

通过对人体姿势、工作方式等进行分析和仿真，可以设计出更人性化和安全的工作环境和工具，提高劳动效率和健康水平。