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第二章 生物力学概论 1.生物力学: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，是研究力与生物体运动、生理、病理、之间关系。2.生物力学的意义：1.用力学方法和原理解决生物医学问题 2.生物力学的研究，加深了对血液流变特性与疾病等关系的理解。应用生物力学的研究成果，指导人工器官的设计。3.生物力学的研究范围：生物力学的研究范围从生物整体到系统、器官、从鸟飞到植物体液的运输等。目前热点正逐渐向细胞、分子层次发展。4.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。5.生物力学的重点是研究与生理学、医学有关的力学问题 6.研究步骤：1.建立合理的物理模型 2.确定本构方程 3.导出描述所研究对象的微分方程或积分方程 4.根据器官的工作环境，得到有意义的边界条件，运用解析方法或数值计算求解问题 5.修正乃至重新建立方程进行求解 6 探索理论与实验结果在实际中的运用。7.生物力学的研究特点：生物力学研究的对象是生物体 作为实验对象的生物材料，有在体和离体（在体分为麻醉状态和非麻醉状态）8.生物力学和生物医学工程学的关系：生物力学是生物医学工程学的理论基础，也是应用技术的基础。9.生物力学的趋势：生物力学的趋势朝着系统和微观两方面发展。10.生物力学的研究内容：目前的研究领域包括骨组织的结构与受力分析、血液在血管及毛细血管网络中的流动规律、心脏的瓣膜运动、生物材料的制备、细胞乃至分子层次的生物力学问题等。生物材料力学 生物流体力学 生物固体力学 运动生物力学 生物热力学 11.生物力学与其他力学最重要的差别是：去研究的对象是生物体。12.13.骨膜：紧贴在除关节面以外的骨表面的一侧致密纤维结缔组织膜，很坚韧，分内外两层，含有丰富的血管和神经。14.骨的力学性质：具有很高的抗拉、压性能 有一定的硬度 从骨的结构而言，经过生物优化过程，具有最优材料的力学性能，既优化为最大的强度，最省的材料，最轻的重量。15.骨的可塑性：在生长发育过程中，由于各种条件的影响使得骨的形态有所改变。16.骨的粘弹性：在外力的作用下，骨产生的形变与时间相关。17.骨的生物力学特性：骨的材料力学特性：是指骨组织本身的力学性能，与骨的几何形状无关 骨的结构力学特性：是指整个骨结构的力学性能，不但与骨的材料力学特性有关，而且受骨的几何特性的影响。18.骨承载能力的三要素：第一，要求骨有足够的强度。第二，要求骨有足够的刚度。第三，要求骨有足够的稳定性。骨的载荷和变形：人体在日常活动中都会对机体的每块骨产生复杂的力。即骨会承受来自多方的不同形式的载荷 19.一般而言，骨承受的压力负荷能力最大，其次是拉力、剪切力和扭转力。骨所承受的正常生理负荷是这些力的综合。20.骨的载荷与形变的特点：力与变形之间的关系，反映了完整骨的结构行为。1.骨的几何结构对抵抗特殊方向的力具有一定的特殊性 2.在决定骨的变形和断裂特性中，组成骨组织的物质特性也很重要 3.大骨抵抗力的能力优于小骨 4.骨是比较典型的弹塑性体。21.骨的应力与应变：当外力作用于骨时，骨以形变产生内部的阻抗以抗衡外力，即是骨产生的应力 特点：应力的大小等于作用于骨界面上的外力与骨横断面积之比。22.应变：骨的应变是指骨在外力作用下的局部变形。23.骨组织的基本生物力学特性：1.各向异性 2.弹性和坚固性 3.抗压力强、抗张力差 4.耐冲击力和持续力差 5.应力强度的方向性 6.骨的强度和刚度 7.机械力对骨的影响 8.骨是人体理想的结构材料 24.骨的力学性质和影响因素：1.性别、年龄的影响 2.骨的各向异性以及解剖部位的差异 3.骨干湿度的影响 4.加载速率的影响 5.应力集中的影响 25.骨的功能适应性：活的骨会随所受应力和应变的改变而改变 26.软组织特点：柔软易变形，具抗拉强度、但不抗弯和抗压。27.软组织的力学性质：具有非线性应力应变关系、粘弹性和各向异性的特点。28.粘弹性:1)应力松弛：当材料发生应变时，若保持应变一定，则相应的应力将随时间的增加而下降 2）蠕变：若应力保持一定，物体应变随时间的增大而增大的现象（皮肤的扩张需要生物学的蠕变）3）对物体做周期性的加载和卸载，加载时的应力应变曲线同卸载时的曲线不重合，称为滞后。29.皮肤的生物力学特性：1.收到循环加载和卸载时有滞后现象 2应力应变关系是非线性的 3在保持常应变时，具有应力松弛现象，且应力松弛依赖于相应的应变水平 4当保持常应力时，表现为蠕变现象，蠕变依赖于相应的应力水平 5皮肤的各向异性可以由不同方向上的应力应变关系看出，皮肤的蠕变和应力松弛，也表现出各向异性 30.肌肉：肌肉分为三类：骨骼肌、心肌、平滑肌。这三类肌肉组成要素相同，收缩的生化机理也相似。但结构功能及力学性质有很大差别 31.肌肉除了具有一般软组织材料力学性质以外，还具有独特的性质主动收缩产生主动张力。32.肌肉的特性：收缩性；兴奋性：展长性；弹性。33.肌肉的分类：平形状结构：有利于活动范围，不利于力量呈现。羽状结构：产生的力大胆活动范围小。34.肌小节：一条肌源纤维内两条 Z线之间的部分称为肌小结，是肌肉收缩的基本结构体。35.肌肉收缩与时间：在实验条件下，肌肉受到一次刺激所引起的一次收缩称为单收缩。包括三个时期：潜伏期；缩短期；舒张期。36.收缩总和：在实验条件下，肌肉受到一连串的刺激，若后一刺激落在前一刺激的舒张期内，则肌肉不再舒张，而出现一个比前一次收缩幅度更高的收缩，称为收缩总和。37.强直收缩：指在一定频率的连续刺激下，肌肉收缩不断总和，使肌肉处于持续的收缩状态，称为强直收缩。其最大的特点是刺激频率越高，产生的张力越大，在松弛态下应力很小。38.肌肉的收缩形式：1.等长收缩：当肌肉收缩产生的张力等于外力时，肌肉收缩但长度不变，这种收缩形式称等长收缩。（是肌肉静力性工作的基础）特点：张力等于负荷。2.等张收缩：若使肌肉两端完全游离，收缩是就能自由缩短，不负担任何重量，也几乎不发生张力变化，这种叫等张收缩。特点：所加负荷不变，产生的张力随关节角度改变而改变，因而其收缩速度在不同关节角度也有所不同 所谓等张收缩，实际上是指负荷在关节某一角度是的张力。39.肌肉收缩的力学性质：基本性能：化学能转变为机械能 表征肌肉活动的生物力学指标：1.肌张力：肌肉端部测得的力 2.收缩速度：肌肉长度变化的速度 肌肉收缩力学探讨的内容：1.张力和速度 2.张力和长度 3.张力和时间 40.肌肉张力类型：被动张力：松弛状态下，无刺激的张力 主动张力：刺激下，由主动收缩产生的张力 41.1.骨骼肌未激活状态下被动张力可忽略不计 2.心肌的被动张力不可忽略，但是一般比主动张力小 3.平滑肌的被动张力要大得多，甚至可以等于或大于主动张力 42.肌肉收缩的负荷：前负荷、后负荷和肌肉本身的功能状态。43.Hill 方程：方程表明：在挛缩状态下，肌肉单位时间从化学反应所获得的机械能是常量。44.Hill 方程适用条件：骨骼肌 强直状态 快速释放 Hill 方程不适用条件：肌肉未收缩，没有主动收缩的状态。单收缩 缓慢释放 45.张力和强度：1.前负荷是肌肉有一定的初长度 2.前负荷决定肌肉的初长度，影响肌肉的最大张力。（肌肉长度增加到稍长于静息长度时，产生最大张力）46.后负荷与速度：后负荷是指肌肉开始收缩时才能遇到的负荷，它不增加肌肉的初长度，但能阻碍收缩时肌肉的缩短 当肌张力后负荷时，先有张力上升，等长收缩 当肌张力=后负荷时，再有长度下降，等张收缩 47.张力与时间：肌肉产生的张力与收缩时间成正比。收缩时间越长产生的张力越大，直到最大张力 张力大小，取决于活化的横桥数目。48.整块肌肉可认为是许多三单元模型混联构成，模型的串联构成肌肉的长度，模型的并联构成肌肉的厚度。49.有多个模型串联而成的肌肉，肌肉长度的增加，会提高其收缩速度，但不影响其收缩力 在许多模型并联而成的肌肉断面上，肌肉横断面的增加，会增加肌肉收缩力，但不影响肌肉的收缩速度。50.肌纤维的应力计算：1.肌肉被分割成有限单元 2.每一个有限单元包含一个肌纤维和一个积分点 3.应力作用下，肌纤维拉长 4.每一个肌纤维用一个三元件 Hill 模型表示 51.心肌的特点：1.时刻不能缺氧 2.节律性强，不允许挛缩（不能处于强直状态）3.松弛状态心肌静息张力具有重要性 4.心肌长度工作范围有限 52.血管：血管系统是由动脉、毛细血管、静脉构成的网络，是一个封闭的回路。最大的特点是具有粘弹性 53.血管的功能：运送血液的管道，分配血液 实现物质交换的场所 54.血管壁分为内层，中层，外层。中层是力学性质的主要提供者 55.血管壁的力学性能主要取决于中层的胶原纤维、弹性纤维和平滑肌的性质、含量及空间构型 56.三种组织的空间结构：平滑肌：螺旋形排列，螺距很短 弹性纤维：形成纵向裂隙网络结构 胶原纤维：波纹状网状网络，57.血管为各向异性材料：血管壁张力由两部分组成：弹性张力 平滑肌产生的主动张力 弹性张力:周向抗载荷能力比轴向强 58.流体的定义：流体是流动的或在剪切力作用下不断形变的物质。流体不能抵抗任何剪切力作用下的剪切变形趋势（体积不变）。在剪切力作用下，流体发生连续剪切变形，直至剪切力停止运动。59.流体的运动：宏观运动：外力引起 微观运动：自身热运动 60.流体力学：流体在外力作用下的宏观运动规律。61.流体的特点：流动性：流体没有固定的形状，其形状取决于限制它的固体边界；流体各个部分之间很容易发现相对运动，这就是流体的流动性。62.运动流体：受到剪切应力作用发生了连续形变的流体就称为运动流体 静止流体：不受剪切应力的流体就不发生变形，称为静止流体 63.流体中存在的切应力是流体处于运动状态的充分必要条件。64.粘滞性：流体的粘滞性是指流体自身阻止其产生相对运动的性质。流体只有在流动的情况下才能展现其粘滞性。粘性内摩擦力产生的原因：由于分子间的吸引力 由于分子不规则运动的动量交换 65.表面张力：液体自由表面有明显的欲成球形的收缩趋势，引起这种收缩趋势的力称为表面张力。原因：有分子的内聚力引起的 作用结果：是液体表面好像是一张均匀的紧绷的弹性膜 66.流体的剪应力和剪应变率：流体在剪切力作用下流动，流体的流动性与其分子间距 d成正比 流体的剪应力：单位面积上的作用力 剪应变率：用于描述流体在剪应力下的流动 剪应力和剪应变率关系用黏度表示 67.牛顿的粘性定律：对于大多数流体，实验结果表明：平板拉力 F与平板面积 A平板速度u 成正比，与平板间距 y 成反比且与流体性质相关（黏度）68.生物流体一般为非牛顿流体。全血属于非牛顿流体。但血浆属于牛顿流体，其物理特性与书相似。69.非牛顿流体的基本特点：1.粘度随剪变率改变 2.存在屈服应力 3.具有触变性 4.具有塑性：弹性极限 形变程度 断裂 70.无屈服应力非牛顿流体：没有屈服应力，流动曲线都过坐标原点。71.膨胀性流体：粘度随流体剪变率增大而增大 拟塑性流体：粘度随流体剪变率增大而减小 72.有屈服应力非牛顿流体：存在屈服应力，流动曲线都不过坐标原点，而是在纵轴上有截距。73.胀塑性流体：粘度随剪变率增大而增大 假塑性流体：粘度随着剪变率增大而减小（血液）宾汉流体：当温度一定时，其粘度是常量。74.屈服应力和流体的性质有关，不同的非牛顿流体的屈服应力一般都不同。即0不同。75.粘度测得方法：毛细粘度计 Couetter粘度计 锥-板粘度计 76.红细胞比容：红细胞总容积在血样容积中所占百分比 血液是由血浆和悬浮其中的血细胞组成的红色粘稠流体。77.血浆的主要作用是运载血细胞，运输维持人体生命活动所需的物质和体内产生的废物等。78.血量：是指全身血液的总量 循环血量：血量的大部分在心血管系统中快速循环流动，称循环血量 储存血量：滞留在肝、肺、腹腔静脉及皮下静脉丛处、流动很慢的血液称为储存血量。79.比重：物质的单位体积重量 80.渗透压恒定的意义：正常情况下，血细胞内外渗透压是相等的。渗透压的恒定为维持血液的有形成分，特别是红细胞的形态、理化性质及正常生理活动有重要意义。81.在低渗透压中：水分子由介质流入细胞内，使红细胞形体增大，红细胞的变形性降低。在高渗透压介质中：导致红细胞膜的硬度增加，红细胞的变形性降低。82.血液粘度：血液粘度是血液流变学的一个重要指标 83.影响血液粘度的因素：切变率 红细胞压积 红细胞聚集 红细胞变形 血液粘度