09生物力学与血液流.pptVIP

第9章生物力学与血液流变学 本章主要内容： 骨骼生物力学 人体运动力学 血液循环力学 前言 概念：生物力学是力学与生物学、医学等学科之间相互渗透的边缘学科。 目的：试图从力学的角度来了解生命。 方法：用经典力学、固体力学、流体力学的知识来解释生物的某些现象；用力学的方法定量地分析研究生命系统的功能与构造的关系，进而探讨生命的整个力学过程。 研究领域：骨骼生物力学、人体运动力学、血液循环力学、呼吸流变学和生物热力学。 仅介绍前三个方面的内容，重点介绍血液循环力学 第1节 骨骼生物力学Skeleton Biomechanics 概念 骨骼生物力学研究骨骼体系的力学问题、骨的微观结构与宏观力学效应的关系、骨的耦合力学效应、骨的生长与断裂的力学问题及骨骼生长的控制论等。 骨骼生物力学的一些基本概念 （一）强度、刚度、稳定性 成人的骨可称为构件。任何一构件在人正常的运动、劳动或生活中起承受载荷外力的作用。构件的承载能力主要由三个方面来衡量： 一、构件要有足够的强度，即构件在载荷作用下抵抗破坏（骨折）的能力，其强度与其结构和质量密度有关； 二、构件要有足够的刚度，即构件在外力作用下抵抗变形的能力； 三、构件具有足够的稳定性，即构件保持其原有平衡形态的能力。 第1节 骨骼生物力学Skeleton Biomechanics （二）外力与内力 作用在骨骼上的力可分为外力和内力。外力又称为载荷，是一物体对另一物体的作用。外力对物体产生的外部效应可引起物体运动和平衡，对物体产生的内部效应则引起物体的变形，甚至使物体发生破坏。骨骼也是这样。 任何物体在外力作用下，它的长短和形状都有或多或少的改变，物体因外力作用而发生形状的改变，叫作形变。物体发生形变时，物体内部分子间就伴随产生一种抵抗力，这即是内力。可见，内力是用来抵抗外力对物体的作用的，它力图使物体恢复原状。因此，外力越大，内力也就越大。 （三）弹性和形变 用手拉长弹簧，当外力除去后，弹簧就能完全恢复原状，这种性质叫做“弹性”。具有弹性的物体叫“弹性体”。若去除外力后不能恢复原状，则该物体具有的这种保持形变的性质，叫作“塑性”。如果有能恢复原状的形变，叫“弹性形变”，不能恢复原状的形变叫“永久形变”或“塑性形变”。当外力不超过某一个限度时，物体才能表现出弹性这一性质，这一限度称为“弹性限度”。 形变的大小不仅与作用在骨骼上的外力有关，并且与骨骼的几何形状以及骨质的物理性质有关，骨骼所以发生形变，是因为在外力作用下组成骨骼的各细胞间的相对位置发生了变化。 第1节 骨骼生物力学Skeleton Biomechanics （四）应力 单位面积上内力的大小，叫做“应力”。通常外力作用是不规则的，所以引起的内力方向并不一定在一条直线上，有时既不与截面垂直，又不与截面平行。可把应力分解成正应力（垂直于截面的应力分量）和剪应力（与截面平行的应力分量）。 （五）各向异性 密质骨和松质骨均呈各向异性。各向异性材料在不同方向受载时，显示不同的力学性能。由于骨的结构在横向和纵向上不同，因而骨的强度也随所加载荷的方向而异。所以骨在最经常承受载荷的方向，其强度和刚度最大。 第1节 骨骼生物力学Skeleton Biomechanics 不同载荷下骨的力学性能 骨骼在承受不同的外力时，以不同方向的力或力矩施加在构件上，可产生多种形变。一般说，不外乎以下几种基本形式：压缩、拉伸、弯曲、剪切、扭转和联合载荷。当外力超过正常骨的容许范围时，就会发生骨折，骨折断裂的类型与外力相关。 第1节 骨骼生物力学Skeleton Biomechanics 骨骼生物力学的临床应用举例 人工关节材料的选择 选择人工关节材料的基本要求：与骨组织间有良好的生理相容性与耐腐蚀性；有足够高的强度与疲劳寿命、抗磨损性；有良好的可加工性等。 已被用做人工关节材料的有：超高分子聚乙烯、不锈钢、钛合金、钴铬钼合金、陶瓷、硅橡胶和炭质材料，其中陶瓷材料正逐渐受到重视。 从临床上看，以上材料的应用还未引起抗原性反应和致癌。金属材料的磨屑可增加感染率。单纯的钛抗磨损的能力较差，但钛合金则能提高抗磨损性能。钴铬钼合金也有很好的耐磨损性，但与骨相比，其刚硬度太大。炭质材料有优良的生物相容性，力学性质上，有很强的耐磨性，与密质骨比较接近，其疲劳寿命也比较强，但其强度较低，目前只用于小关节。 第2节 人体运动力学Human Sport Mechanics 前 言