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生物力学 Biomechanics华中科技大学同济医学院公共卫生学院 蔡荣泰 教授10/10/1华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第1页1绪论10/10/2华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第2页1.1生物力学定义 生物力学是研究力与生物体运动.生理.病理之间关系科学，也就是硕士物与力学相关问题，或者说从力学观点来硕士物学问题，故研究内容非常广泛。10/10/3华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第3页 生物学分类、生理学分类、力学分类。生物全部运动都是由力引发。环境力：重心力、风力、水力、其它生物力、人造力等。生物体本身主动力肌力。10/10/4华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第4页 生物学基础是三大定律能量、质量、动量守恒定律，加上描述物性本构方程，利用上述基本概念，可用来解释生物活动现象。10/10/5华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第5页 1.2生物力学研究目 经过生物力学研究，能够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作用。经过生物力学分析，还可更加好发挥生物效能。当前新型学科仿生学（Bionics）是模仿生物结构技术装置科学，也是生物力学所要研究。10/10/6华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第6页1.3 生物力学研究内容2.按研究对象力学性质来分类：1.3.1 生物运动学 目标是分析动物运动，研究动物能量（功和功率）、力和位移、速度、加速度之间关系。10/10/7华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第7页1.3.2 生物流体力学研究血液、体液等流体特征及在生物体体内运动情况，生物与空气、水之间相对运动。10/10/8华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第8页1.3.3 生物体力学 硕士物体内形状稳定部分受力特征，包含医疗、体育器材强度与变形情况。硬组织牙、骨骼。软组织皮肤、内脏。10/10/9华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第9页1.3.4 综合生物力学 在实际工作中往往是存在多相介质相互影响。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）间相互作用。10/10/10华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第10页1.4生物力学研究方法 主要经过三条路径来处理问题：（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。10/10/11华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第11页 存在问题与困难：生物体结构 差异（性别、年纪、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10/10/12华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第12页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，分析生物运动空间特征与时间特征，分析这些特征与生物内力、外力、能量和功率之间关系。10/10/13华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第13页3.1运动动作分析人体动作是由一系列运动动作所组成，所以生物运动学运动学研究中心内容是分析人各种动作，了解各种动作规律，据此设计新操作动作，提升技能。动作分析包含：动作结构分析、动作解剖分析、动作生理分析。10/10/14华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第14页2.1.1动作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)指对动作时间和空间规律所进行分析，主要研究运动轨迹、速度与加速度。首先要建立人体座标系统，通常以垂直地面轴为垂直轴，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。10/10/15华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第15页（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。10/10/16华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第16页（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。生理学上通常把能量在体内释放.转移和利用称为能量代谢（energymetablism），依据机体状态可将能量代谢分为：基础代谢、平静代谢与运动代谢。肌肉活动时能量起源有三种方式：ATP系列、需氧系列、乳酸系列。10/10/17华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第17页 肌肉活动所消耗能量在普通条件下1525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）（1cal4.187J）机械功单位是千克.米（kg.m）即将1千克物体提升1米所做 功。kg.m0.0024千卡热量，故机械做功也可折算为热量。10/10/18华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第18页 用能量消耗可作为运动强度度量，也可用来测量不一样工具和作业方法效率，但不能衡量技能作业.脑力活动等强度。2.1.2动作解剖分析 即用解剖学知识来分析骨骼肌工作，因动作主动力来自肌肉，肌肉发挥又与神经调整、肌肉形态结构、与骨之间相对位置等相关。10/10/19华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第19页 从力学角度来说，人运动系统是杠杆系统，外力与肌肉之间平衡符合杠杆定律。几个基本概念：力（forceF）:作用物体改变动量，单位为牛顿（NewtonN），为1kg质量产生1米/秒加速度所需力。N=kg.ms-2F=m.s-2千克力（kilopondkpkg.f）指1kg质量所产生重力。1kp9.8N磅力（poundal1b.f）4.45N 10/10/20华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第20页 应力（stress）：是物体内力作用于某平面单位面积力，以抵抗所致变性外力。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形变，总应变是全部形变，单位应变是指单位长度形变。10/10/21华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第21页 弹性（elasticity）：是指产生形变力除去后，材料回复原来大小趋势。在百分比极限以下，应力与应变成正比（Hooke定律），超出百分比极限，则不成正比。应力大于弹性程度，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垂直距离（力臂）之乘积。10/10/22华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第22页最大肌力与年纪、性别、体格、训练、施力时动机等相关。普通1525岁可达“峰值”，到5060岁则降到7585，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4628踢力4032背力1097410/10/23华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第23页 肌肉运动实际上是以肌群形式（包含原动肌、协同肌、反抗肌、固定肌），各部位肌力不一样，故惯用三种施力方式（握、踢、背）最大肌力来综合表示个体肌肉做功效力。10/10/24华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第24页 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，重力线经过腰椎齿突，髋关节之后和膝关节前方。人体姿势发生改变，其重心位置也随之改变。相同情况下，女性重力比男性低12。在某特定情况下，如躬腰、后仰重心位置可移出体外。10/10/25华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第25页2.1.3动作生理分析2.2运动动作分类 人体或某一部分移动改变及所伴随形态改变称为动作。有各种分类方法，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、重复动作、连续动作、逐次动作。还可按单一动作和组合动作来分类。10/10/26华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第26页 在分析人体运动时，可将人体简化为适当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。10/10/27华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第27页3.3颅脑冲击性分析 当前以外事故（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。对颅脑保护.伤后修复与治疗成为主要研究课题.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、发展过程为治疗办法提供科学依据。10/10/28华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第28页2.3.1颅脑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)10/10/29华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第29页2.3.2 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：即在撞击点及附近损伤。颅骨损伤有对冲伤：在撞击点对面极点处损伤。10/10/30华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第30页2.3.3影响颅骨骨折原因（1）撞击作用区域大小；（2）打击物动量；（3）人受力时运动状态；（4）受力点 位置；（5）其它（击物形状、打击角度）10/10/31华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第31页2.3.4脑损伤 脑损伤是外伤中最严重伤害之一，也是意外事故中死亡最高。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，也有在颅骨完整情况下，出现脑致命伤。10/10/32华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第32页 1.短暂意识障碍 清醒、无记忆丧失 2.意识障碍 清醒、对撞击后事失去记忆（外伤性健忘）3.意识障碍记忆丧失 清醒，不但对撞击后，对撞击前事也失去记忆（逆性健忘）4.昏迷 连续性植物神经功效障碍 5.死亡 外力 应力变性10/10/33华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第33页 颅脑损伤严重程度与撞击加速度、撞击延续时间等相关。经过对模型人、动物、尸体和志愿者撞击研究，已取得一些反应头部损伤严重程度准则，如GSI（Gaddseverityindex）HIC（Headinjurycriterion）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10/10/34华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第34页2.4骨力学性质和损伤2.4.1骨基本力学性质骨骼含有支持、运动、和保护功效，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等强度优化结构。骨重量比铸铁轻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倍能量。骨力学性质取决于其组成物质与结构关系。10/10/35华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第35页骨组织：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、脂类及其它蛋白质（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）10/10/36华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第36页 骨居有形态、强度、弹性等特点。对骨进行力学分析，主要了解在拉伸、压缩、剪切状态下极限强度、极限应变。但差异性较大，受年纪、性别、职业、遗传、营养等原因影响，青年人骨强度比老年人高10以上，男性比女性高5左右。10/10/37华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第37页2.4.2应力对骨生长影响 应力增加可使骨中基质呈碱性，使基质中溶解带有碱性磷酸盐沉积下来，骨中无机盐成份增加，其抗压性能也增加，相反，如应力降低，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。10/10/38华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第38页Dietrik试验将志愿者从腰部以下用石膏固定68星期，使这一部分骨不再受力，此期测定他们从食物中摄取无机盐含量以及从尿粪中排泄无机盐含量，结果表明排出总量大于摄入总量，说明骨中无机盐成份在降低。除去石膏，令受试着恢复活动再重复上述测定，结果表明摄取无机盐总量大于排泄总量，骨逐步复原。10/10/39华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第39页 以上说明比较高应力连续作用下，一部分骨细胞变成了成骨细胞，它是一个半圆形或立方形单核细胞，整齐排列在应力较大区域，其胞浆呈碱性，能促使无机盐沉积。电镜观察表明，成骨细胞还能够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，使细胞合成活动逐步停顿，胞浆降低，胞体变形，于是成骨细胞变成了骨细胞，使骨有效承载面积加大。10/10/40华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第40页 假如应力降低后，骨细胞则变成破骨细胞，它产生酸性磷酸盐酶能够溶解骨中粘多糖蛋白、胶原纤维和无机盐，在破骨细胞活动期内还会产生大量二氧化碳，溶解后碳酸更促成了无机盐溶解。结果降低骨有效截面。10/10/41华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第41页2.4.3骨损伤与处理骨在受到较强外力作用，可能出现裂纹、折断或破碎，称为骨折。对于不严重骨折，在经过一段时期后能够自然愈合。10/10/42华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第42页（1）血肿形成与凝结。在断裂处周围血管破裂出血，形成血肿，在68小时内血肿形成血凝块，使断裂处得到初步衔接。（2）血凝体机化。在血凝块形成后，周围毛细血管不停增生，而且纤维母细胞、巨噬细胞等侵入并取代血凝块，在23周后形成纤维组织组成骨痂，称为“纤维性骨痂”。10/10/43华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第43页（3）原始骨痂形成。在骨折断口附近骨膜开始增生和加厚，成骨细胞大量增生并产生新骨组织，成称原始骨痂，断口内纤维性骨痂也逐步变成软骨，经增生、钙化形成中间骨痂，48周后中间骨痂与内外骨痂合并为一整体，此时骨已初步愈合并能承受一定外力。10/10/44华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第44页（4）新生骨形成。在成骨细胞和破骨细胞共同努力下将原始骨痂逐步改造成正常骨，使其力学性征基本上到达甚至超出骨折前水平、时间可长达24年（普通随年纪增加而增加）最终骨髓腔正常开放，骨折处只留下轻微痕迹。10/10/45华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第45页 骨折治疗通常包含复位、固定和功效锻炼三个方面（1）复位 其作用是使断骨复位到断前相对位置，只有断口两端恢复接触，才能完成愈合过程。复位包含手法复位和手术复位。（2）固定 目标是使复位后骨相对位置被固定下来，不出现畸形。10/10/46华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第46页 近年来经过生物力学研究，依据骨功效适应性理论，单纯固定只有消极维形作用，如对骨施加一定压力能够加速生长愈合。固定方式又分为内固定与外固定两种，内固定是经过手术用钢板连接在骨上，能很好确保愈合形状。如在钢板上预加拉伸力，可使骨受到压力而加速愈合。要注意在加压之前应分析该骨在正常情况下受力方向与协力作用点，使所加压力方向和作业点与骨实际承受力相符合。外固定有石膏固定、牵引、夹板等。10/10/47华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第47页（2）功效锻炼 在固定阶段尤其是后期应为骨正常工作做准备，即进行功效锻炼，使骨逐步接收外力，又是循环.肌肉逐步适应正常活动，正常输送营养，促进骨代谢。确保条件：微动、血运、应力。10/10/48华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第48页10/10/49华中科技大学同济医学院 蔡荣泰第49页