生物力學(xué)的概念

生物力學(xué) （biomechanics ）生物力學(xué)是應(yīng)用力學(xué)原理和方法對生物體中的力學(xué)問題定量研究的生物物理學(xué)分支。其研究范圍從生物整體到系統(tǒng)、器官（包括血液、體液、臟器、骨骼等），從鳥飛、魚游、鞭毛和纖毛運(yùn)動(dòng)到植物體液的輸運(yùn)等。生物力學(xué)的基礎(chǔ)是能量守恒、動(dòng)量定律、質(zhì)量守恒三定律并加上描寫物性的本構(gòu)方程。生物力學(xué)研究的重點(diǎn)是與生理學(xué)、醫(yī)學(xué)有關(guān)的力學(xué)問題。依研究對象的不同可分為生物流體力學(xué)、生物固體力學(xué)和運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)等。

生物力學(xué)的淵源

生物力學(xué)一詞雖然在20世紀(jì)60年代才出現(xiàn)，但它所涉及的一些內(nèi)容，卻是古老的課題。例如，1582年前后伽利略得出擺長與周期的定量關(guān)系，并利用擺來測定人的脈搏率，用與脈搏合拍的擺長來表達(dá)脈搏率。1616年，英國生理學(xué)家W.哈維根據(jù)流體力學(xué)中的連續(xù)性原理，從理論上論證了血液循環(huán)的存在。到1661年，M．馬爾皮基在解剖青蛙時(shí)，在蛙肺中看到了微循環(huán)的存在，證實(shí)了咕維的論斷.G．A.博雷利在《論動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)》一書中討論了烏飛、魚游和心臟以及腸的運(yùn)動(dòng)。L.歐拉在1775年寫了一篇關(guān)于波在動(dòng)脈中傳播的論文。H．蘭姆在1898年預(yù)言動(dòng)脈中存在高頻波，現(xiàn)已得到證實(shí)。英國生理學(xué)家S.黑爾斯測量了馬的動(dòng)脈血壓，并尋求血壓與失血的關(guān)系。他解釋了心臟泵出的同歇流如何轉(zhuǎn)化成血管中的連續(xù)流。他在血液流動(dòng)中引進(jìn)了外周阻力概念，并正確指出：產(chǎn)生這種阻力的主要部位在細(xì)血管處。J.－L.－M．泊肅葉確立了血液流動(dòng)過程中壓降，流量和阻力的關(guān)系。O.夫蘭克解釋了心臟的力學(xué)問題。E．H．斯塔林提出了透過膜的傳質(zhì)定律，并解釋了人體中水的平衡問題。A．克羅格由于在微循環(huán)力學(xué)方面的貢獻(xiàn)獲得1920年諾貝爾獎(jiǎng)金，A.V．希爾因肌肉力學(xué)的工作獲得1922年諾貝爾獎(jiǎng)金，他們的工作為60年代開始的生物力學(xué)的系統(tǒng)研究打下基礎(chǔ)。

生物力學(xué)發(fā)展

在科學(xué)的發(fā)展過程中，生物學(xué)和力學(xué)相互促進(jìn)和發(fā)展著。哈維在1615年根據(jù)流體力學(xué)中的連續(xù)性原理，按邏輯推斷了血液循環(huán)的存在，并由馬爾皮基于1661年發(fā)現(xiàn)蛙肺微血管而得到證實(shí)；材料力學(xué)中著名的揚(yáng)氏模量是揚(yáng)為建立聲帶發(fā)音的彈性力學(xué)理論而提出的；流體力學(xué)中描述直圓管層流運(yùn)動(dòng)的泊松定理，其實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)是狗主動(dòng)脈血壓的測量；黑爾斯測量了馬的動(dòng)脈血壓，為尋求血壓和失血的關(guān)系，在血液流動(dòng)中引進(jìn)了外周阻力的概念，同時(shí)指出該阻力主要來自組織中的微血管；弗蘭克提出了心臟的流體力學(xué)理論；施塔林提出了物質(zhì)透過膜的傳輸定律；克羅格由于對微循環(huán)力學(xué)的貢獻(xiàn)，希爾由于肌肉力學(xué)的貢獻(xiàn)而先后(1920，1922)獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。到了20世紀(jì)60年代，生物力學(xué)成為一門完整、獨(dú)立的學(xué)科。

生物力學(xué)研究現(xiàn)狀

60年代初，一批工程科學(xué)家同生理學(xué)家合作，對生物學(xué)、生理學(xué)和醫(yī)學(xué)的有關(guān)問題，用工程的觀點(diǎn)和方法，進(jìn)行了較為深入的研究。其中有些課題的研究逐漸發(fā)展成為生物力學(xué)的分支學(xué)科，如以研究生物材料的力學(xué)性能為主要內(nèi)容的生物流變學(xué)。它一般將生物材料分為體液、硬組織和軟組織，肌肉則屬較為特殊的一類。體液中以血液為研究的重點(diǎn)，主要研究血液的粘性和影響粘性的因素（如管徑、有形成分和紅細(xì)胞）以及流動(dòng)中紅細(xì)胞在管系支管中的比積分配問題，紅細(xì)胞本身的力學(xué)性質(zhì)，紅細(xì)胞之間的相互作用，紅細(xì)胞與管壁的作用等。對于軟組織，則以研究它的流變性質(zhì)，建立本構(gòu)關(guān)系為主，因?yàn)楸緲?gòu)關(guān)系不單是進(jìn)一步分析它的力學(xué)問題的基礎(chǔ)，而且具有臨床意義。對于硬組織，除了研究它的流變性質(zhì)外，對骨骼的消長與應(yīng)力的關(guān)系也進(jìn)行了大量研究。

各個(gè)系統(tǒng)，特別是循環(huán)系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題，是人們長期研究的對象。循環(huán)幕統(tǒng)動(dòng)力學(xué)主要研究血液在心臟、動(dòng)脈、微血管床、靜脈中流動(dòng)以及心臟、心瓣的力學(xué)問題。一方面研究其管系中的流動(dòng)，另一方面則著重分析局部的流態(tài)，如在管彎、管叉、駐點(diǎn)處的流態(tài)，這是因?yàn)閯?dòng)脈粥樣化的形成和惡化被認(rèn)為與局部流態(tài)有關(guān)。呼吸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)主要研究在呼吸過程中氣道內(nèi)氣體的流動(dòng)和肺循環(huán)中血液的流動(dòng)，以及氣血間氣體的交換。

所有這些工作，包括生物材料的流變性質(zhì)和動(dòng)力學(xué)的研究，不僅有助于對人體生理滴理過程的了解，而且還能為人工臟器的設(shè)計(jì)和制造提供科學(xué)依據(jù)。生物力學(xué)還研究植物體液的輸運(yùn)(見植物體內(nèi)的流動(dòng)）。

環(huán)境對生理的影響也是生物力學(xué)的一個(gè)研究內(nèi)容。眾所周知，氧對生物體的發(fā)育有很大影響，在缺氧環(huán)境下生物體發(fā)育較慢，在富氧環(huán)境下發(fā)育較快。即使在短期內(nèi)，環(huán)境的影響也是明顯的。實(shí)驗(yàn)表明：在含10%的氧氣、壓力為一個(gè)大氣壓（1大氣壓=101 325帕）的環(huán)境中的幼鼠，即使只生活24小時(shí)，在直徑為15～30微米的肺小動(dòng)脈壁下，也會(huì)出現(xiàn)大量的纖維細(xì)胞。若延續(xù)4～7天，纖維細(xì)胞則會(huì)過渡為典型的平滑肌細(xì)胞，這無疑會(huì)影響肺循環(huán)中血液的流動(dòng)。又如處于高加速度狀態(tài)中的人，其血液的慣性會(huì)有明顯的改變，懸垂器官會(huì)偏離原位，從而改變體內(nèi)血液的流動(dòng)狀態(tài)。

在設(shè)計(jì)水中航行的工具時(shí)，經(jīng)常需要考慮最佳外形。最佳推進(jìn)方式和最佳操縱方式。由于自然選擇，具有這些優(yōu)點(diǎn)的永生物較易生存下來洇此，研究某些水生物的運(yùn)動(dòng)可以得到一些值得借鑒的知識(shí)。例如，海豚是一種較高級的動(dòng)物，它具有高效率的推進(jìn)機(jī)制和很好的外形，特別是它的皮膚，分為兩層，其間充滿了彈性纖維和脂肪組織，具有特殊的減阻特性，在高速游動(dòng)時(shí)能夠保持層流邊界層狀態(tài)，這是因?yàn)樗钠つw對邊界層中壓力梯度變化十分敏感，能作適當(dāng)?shù)膹椥宰冃我越档湍鎵禾荻?，因而在高速游?dòng)時(shí)，表皮能產(chǎn)生波狀運(yùn)動(dòng)以抑制湍流的出現(xiàn)。又如纖毛蟲的運(yùn)動(dòng)是通過纖毛的特殊運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，在人的呼吸道內(nèi)也保持有這種低級生物的運(yùn)動(dòng)方式，即利用纖毛排除呼吸道內(nèi)的某些異物。總之，研究大自然中生物運(yùn)動(dòng)的意義是很明顯的。

生物力學(xué)特點(diǎn)

生物力學(xué)與其他力學(xué)分支最重要的差別是：研究的對象是生物體。因此，在研究生物力學(xué)問題時(shí)，實(shí)驗(yàn)對象所處的環(huán)境十分重要。作為實(shí)驗(yàn)對象，一般有在體(in vivo)和離體(in vitro)之分，而實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也相應(yīng)地出現(xiàn)差異?；铙w狀態(tài)的生物材料，即自然狀態(tài)下的生物材料，一般說來是處于受力狀態(tài)的。但被游離出來以后，處于所謂自由狀態(tài)，就不同于在體狀態(tài)了。例如血管一離體，長度會(huì)明顯縮短，肺在離體后就會(huì)萎縮。在體實(shí)驗(yàn)分為麻醉狀態(tài)和非麻醉狀態(tài)兩種情況。至于離體實(shí)驗(yàn)，在對象游離出來后，根據(jù)要求可以按整體正位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，或進(jìn)一步加工成試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。不同的實(shí)驗(yàn)條件和加工條件，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響很大。這正是生物力學(xué)研究的特點(diǎn)。

生物固體力學(xué)

生物固體力學(xué)是利用材料力學(xué)、彈塑性理論、斷裂力學(xué)的基本理論和方法，研究生物組織和器官中與之相關(guān)的力學(xué)問題。在近似分析中，人與動(dòng)物骨頭的壓縮、拉伸、斷裂的強(qiáng)度理論及其狀態(tài)參數(shù)都可應(yīng)用材料力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)公式。但是，無論在形態(tài)還是力學(xué)性質(zhì)上，骨頭都是各向異性的。

20世紀(jì)70年代以來，對骨骼的力學(xué)性質(zhì)已有許多理論與實(shí)踐研究，如組合桿假設(shè)，二相假設(shè)等，有限元法、斷裂力學(xué)以及應(yīng)力套方法和先測彈力法等檢測技術(shù)都已應(yīng)用于骨力學(xué)研究。骨是一種復(fù)合材料，它的強(qiáng)度不僅與骨的構(gòu)造也與材料本身相關(guān)。骨是骨膠原纖維和無機(jī)晶體的組合物，骨板由縱向纖維和環(huán)向纖維構(gòu)成，骨質(zhì)中的無機(jī)晶體使骨強(qiáng)度大大提高。體現(xiàn)了骨以最少的結(jié)構(gòu)材料來承受最大外力的功能適應(yīng)性。

木材和昆蟲表皮都是纖維嵌入其他材料中構(gòu)成的復(fù)合材料，它與由很細(xì)的玻璃纖維嵌在合成樹脂中構(gòu)成的玻璃鋼的力學(xué)性質(zhì)類似。動(dòng)物與植物是由多糖、蛋白質(zhì)類脂等構(gòu)成的高聚物，應(yīng)用橡膠和塑料的高聚物理論可得出蛋白質(zhì)和多糖的力學(xué)性質(zhì)。粘彈性及彈性變形、彈性模量等知識(shí)不僅可用于由氨基酸組成的蛋白質(zhì)，也可用來分析有關(guān)細(xì)胞的力學(xué)性質(zhì)。如細(xì)胞分裂時(shí)微絲的作用力，肌絲的工作方式和工作原理及細(xì)胞膜的力學(xué)性質(zhì)等。

生物固體力學(xué)中關(guān)于骨的研究，可以追溯到19世紀(jì)，大量的研究者對骨組織進(jìn)行了研究，直到19世紀(jì)末，Wollf提出了著名的Wollf's Law. 他認(rèn)為骨組織是一種自優(yōu)化的組織，其結(jié)構(gòu)會(huì)隨著外載的變化而逐漸變化，從而達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)。以后，研究者進(jìn)行了大量研究，基于此定律提出了不少的理論及數(shù)學(xué)模型。其中較為著名教授有S.C Cowin ,D. R Carter , Husikes。在國內(nèi)，吉林大學(xué)的朱興華教授也做了大量工作。

生物流體力學(xué)

生物流體力學(xué)是研究生物心血管系統(tǒng)、消化呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、內(nèi)分泌以及游泳、飛行等與水動(dòng)力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、邊界層理論和流變學(xué)有關(guān)的力學(xué)問題。

人和動(dòng)物體內(nèi)血液的流動(dòng)、植物體液的輸運(yùn)等與流體力學(xué)中的層流、湍流、滲流和兩相流等流動(dòng)型式相近。在分析血液力學(xué)性質(zhì)時(shí)，血液在大血管流動(dòng)的情況下，可將血液看作均質(zhì)流體。由于微血管直徑與紅細(xì)胞直徑相當(dāng)在微循環(huán)分析時(shí)，則可將血液看作兩相流體。當(dāng)然，血管越細(xì)，血液的非牛頓特性越顯著。

人體內(nèi)血液的流動(dòng)大都屬于層流，在血液流動(dòng)很快或血管很粗的部位容易產(chǎn)生湍流。在主動(dòng)脈中，以峰值速度運(yùn)動(dòng)的血液勉強(qiáng)處于層流狀態(tài)，但在許多情況下會(huì)轉(zhuǎn)變成湍流。尿道中的尿流往往是湍流。而通過毛細(xì)血管壁的物質(zhì)交換則是一種滲流。對于血液流動(dòng)這樣的內(nèi)流，因心臟的搏動(dòng)血液流動(dòng)具有波動(dòng)性，又因血管富有彈性故流動(dòng)邊界呈不固定型。因此，體內(nèi)血液的流動(dòng)狀態(tài)是比較復(fù)雜的。

對于外流，流體力學(xué)的知識(shí)也用于動(dòng)物游泳的研究。如魚的體型呈流線型，且易撓曲，可通過興波自我推進(jìn)。水洞實(shí)驗(yàn)表明，在魚游動(dòng)時(shí)的流體邊界層內(nèi)，速度梯度很大，因而克服流體的粘性阻力的功率也大。小生物和單細(xì)胞的游動(dòng)，也是外流問題。鞭毛的波動(dòng)和纖毛的拍打推動(dòng)細(xì)胞表面的流體，使細(xì)胞向前運(yùn)動(dòng)。精子用鞭毛游動(dòng)，水的慣性可以忽略，其水動(dòng)力正比于精子的相對游動(dòng)速度。原生動(dòng)物在液體中運(yùn)動(dòng)，其所受阻力可以根據(jù)計(jì)算流場中小顆粒的阻力公式(斯托克斯定律)得出。

此外，空氣動(dòng)力學(xué)的原理與方法常用來研究動(dòng)物的飛行。飛機(jī)和飛行動(dòng)物飛行功率由兩部分組成：零升力功率和誘導(dǎo)功率。前者用來克服邊界層內(nèi)的空氣粘性阻力；后者用來向下加速空氣，以提供大小等于飛機(jī)或飛行動(dòng)物重量的升力。鳥在空中可以通過前后拍翅來調(diào)節(jié)滑翔角度，這與滑翔機(jī)襟翼調(diào)節(jié)的作用一樣。風(fēng)洞已用于研究飛行動(dòng)物的飛行特性，如禿鷲、蝙蝠的滑行性能與模型滑翔機(jī)非常相似。

運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)

運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)是用靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的基本原理結(jié)合解剖學(xué)、生理學(xué)研究人體運(yùn)動(dòng)的學(xué)科。用理論力學(xué)的原理和方法研究生物是個(gè)開展得比較早、比較深入的領(lǐng)域。

在人體運(yùn)動(dòng)中，應(yīng)用層動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的基本原理、方程去分析計(jì)算運(yùn)動(dòng)員跑、跳、投擲等多種運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的極限能力，其結(jié)果與奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)的記錄非常相近。在創(chuàng)傷生物力學(xué)方面，以動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)應(yīng)用有限元法，計(jì)算頭部和頸部受沖擊時(shí)的頻率響應(yīng)并建立創(chuàng)傷模型，從而改進(jìn)頭部和頸部的防護(hù)并可加快創(chuàng)傷的治療。

人體各器官、系統(tǒng)，特別是心臟—循環(huán)系統(tǒng)和肺臟—呼吸系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題、生物系統(tǒng)和環(huán)境之間的熱力學(xué)平衡問題、特異功能問題等也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。生物力學(xué)的研究，不僅涉及醫(yī)學(xué)、體育運(yùn)動(dòng)方面，而且已深入交通安全、宇航、軍事科學(xué)的有關(guān)方面。

生物力學(xué)與中國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)結(jié)合

中國的生物力學(xué)研究，有相當(dāng)一部分與中國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)結(jié)合。因而在骨骼力學(xué)、脈搏波、無損檢測、推拿、氣功、生物軟組織等項(xiàng)目的研究中已形成自己的特色。

進(jìn)行生物力學(xué)的研究首先要了解生物材料的幾何特點(diǎn)，進(jìn)而測定組織或材料的力學(xué)性質(zhì)，確定本構(gòu)方程、導(dǎo)出主要微分方程和積分方程、確定邊界條件并求解。對于上述邊界問題的解，需用生理實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證。若有必要，還需另立數(shù)學(xué)模型求解，以期理論與實(shí)驗(yàn)相一致。

其次作為實(shí)驗(yàn)對象的生物材料，有在體和離體之分。在體生物材料一般處于受力狀態(tài)(如血管、肌肉)，一旦游離出來，則處于自由狀態(tài)，即非生理狀態(tài)(如血管、肌肉一旦游離，當(dāng)即明顯收縮變短)。兩種狀態(tài)材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異較大。