本课程的特点和要求

力学和生物学、医学、生理学等相结合

力学

生物

学

医

学

生理

学

内容繁杂，相互之间关联性不强：“生物流体力学”、“生物固体力学”、”生物流变学

”、“流体、热和质量的传递过程”、“运动生物力学”等，甚至还可以分出更为细微的

教程，如“循环系统力学”、“心血管流体力学”、“动脉中的血液流”、“心脏力学”

、“骨骼与关节”等

力学

理论力学流体力学固体力学弹塑性力学

理论建模水平理论建模水平

对生理学对生理学、、解剖学等生物学和医学基础的要求也很广泛解剖学等生物学和医学基础的要求也很广泛

考核

•以上课的内容为主

•作业占30％

•期末考试占70％

第一章生物力学概论

•什么是生物力学：研究对象、目的和意义

•生物医学工程简介

•生物力学在生物医学工程中的位置

•生物力学发展史

•现代生物力学的主要内容

•生物力学的未来和发展趋势

本章主要内容

1.1生物力学：

它的研究对象、目的和意义

“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。

•目前热点正逐渐向细胞、分子层次发展。

1.1.2生物力学的意义

•用力学方法和原理解决生物医学问题

•生物力学的研究，加深了对血液流变特性与疾病

的关系，骨力学特性与骨折的愈合关系，血液流

动规律与心血管疾病的关系等的理解。应用生物

力学的研究成果，指导人工关节、人工心脏瓣膜

等人工器官的设计。

例：罗叶泵

1.1.3生物力学的研究对象

•目前在生物力学研究方面较为瞩目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

1.1.3.1生物材料力学

•生物体材料

•力学特性

•本构方程：应力～应变，应力～应变率

•流变学：物质变形和流动

•实验：在体和体外

•多相、非均匀、各相异性特征：半经验

生物力学与其他力学分支最重要的差别是：其

研究的对象是生物体。因此，在研究生物力学问题

时，实验对象所处的环境十分重要。作为实验对象

的生物材料，有在体和离体之分。在体生物材料一

般处于受力状态（如血管、肌肉），一旦游离出来

则处于自由状态，即非生理状态(如血管、肌肉一

旦游离，当即明显收缩变短)。两种状态材料的实

验结果差异较大。

在体实验分为麻醉状态和非麻醉状态两种情况。至于离

体实验，在对象游离出来后，根据要求可以按整体正位进行

实验，或进一步加工成试件进行实验。不同的实验条件和加

工条件，对实验结果的影响很大。这正是生物力学研究的特

点。

环境的影响

环境对生理的影响也是生物力学的一个研究内容。众所周知，

氧对生物体的发育有很大影响，在缺氧环境下生物体发育较慢，

在富氧环境下发育较快。即使在短期内，环境的影响也是明显的。

实验表明：在含10%的氧气、压力为一个大气压的环境中的幼鼠，

即使只生活24小时，在直径为15～30微米的肺小动脉壁下，也

会出现大量的纤维细胞。若延续4～7天，纤维细胞则会过渡为典

型的平滑肌细胞，这无疑会影响肺循环中血液的流动。又如处于

高加速度状态中的人，其血液的惯性会有明显的改变，悬垂器官

会偏离原位，从而改变体内血液的流动状态。

1.1.3.2生物流体力学

生物流体力学是研究生物心血管系统、消化呼吸系统、泌尿系

统、内分泌以及游泳、飞行等与水动力学、空气动力学、边界层理

论和流变学有关的力学问题。

•体液流动

•内流和外流

•心血管系统

•血管床的形态复杂性

•周期性脉动流

•血管壁：非线性粘弹性、血液的非牛顿性、脉搏波的传播和反射

1.1.3.3生物固体力学

生物固体力学是利用材料力学、弹塑性理论、

断裂力学的基本理论和方法，研究生物组织和器

官中与之相关的力学问题。

生物

固体力学

结构

形状功能

1.1.3.4运动生物力学

运动生物力学是用静力学、运动学和动力学的基本原

理结合解剖学、生理学等研究人体运动的学科。用理论

力学的原理和方法研究生物是个开展得比较早、比较深

入的领域。

•体育运动、宇航、运动仿生

•生物体运动原理

•康复医学工程：包括各类假肢的优化和设计，足部应力、关

节运动等

在运动生物力学的研究中，首先要建立人体力

学模型，通常把人设想为由有限个以球铰联结的链

系统。因为人体各相邻分体之间存在肌肉作用力，

所以人体力学模型应是包含肌肉动力系统的特殊刚

体系。人与动物的骨骼和肌肉的受力状态，如手提

重物时手臂骨骼与二头肌的受力，脊柱与脊柱肌的

受力等可用静力学方程求解。

在人体运动中，应用动力学的基本原理、

方程去分析计算运动员跑、跳、投掷等多种

运动项目的极限能力，其结果与奥林匹克运

动会的记录非常相近。在创伤生物力学方面，

以动力学的观点应用有限元法，计算头部和

颈部受冲击时的频率响应并建立创伤模型，

从而改进头部和颈部的防护并可加快创伤的

治疗。

1.1.3.5生物热力学

•新陈代谢

•非平衡态开放（能量交换）系统

•生物传热：冷冻疗法的热量控制，生物传热控制方程

1.1.3.6人体工程生物力学

人体工程生物力学：

（humanbodyengineeringbiomechanics）是研究人与劳动工具

之间的力学作用关系的科学，是人体工程学和生物力学相互交叉形

成的学科。

人体工程生物力学的主要研究内容是：针对各种工作环境和条

件，研究如何预防人体慢性损伤，避免劳动职业病以及如何提高劳

动生产率，减轻劳动疲劳度，以达到人们在生产劳动中安全、高效

率且舒适的目的。人体工程生物力学是一门新兴学科，目前各项研

究才刚刚开始。随着人类追求舒适、安全、高效率地参加生产劳动

的愿望，这门学科将得到快速发展。

1.2 生物力学发展史

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。

独立学科： 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。其中有些

课题的研究也逐渐发展成为生物力学的分支学科，如

以研究生物材料的力学性能为主要内容的生物流变学

等。

更早的渊源

伽利略（1564～1642）：心率

哈维（1578～1658）：心输出，血循环假说

Borelli(1680)：运动力学模型

Euler：脉搏在动脉内传播的基本方程

T. Young：声带发声，杨氏模量的引出

近代发展

• 近代发展

• Frank的风箱模型

• Hill的肌肉力学，希尔因肌肉力学的工作获得1922年诺贝尔奖金

• Krogh的微循环力学模型，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

• 黑箱模型的优点和缺陷

• 为复杂系统建模

• 主观任意性

• 现代生物力学之父

• 冯元桢

1.3 生物力学的研究方法

进行生物力学的研究首先要了解生物材料

的几何特点，进而测定组织或材料的力学性

质，确定本构方程、导出主要微分方程和积

分方程、确定边界条件并求解。对于上述边

界问题的解，需用生理实验去验证。若有必

要，还需另立数学模型求解，以期理论与实

验相一致。

研究步骤

一． 首先要考虑生物的形态、器官以及组织的解剖绪构和微结构，

充分认识研究对象的几何特征，建立合理的物理模型；

二． 测定组织或材料的力学性质，即确定本构力程。对活组织的测

量，困难是很大的。通常的做法是对所研究的材料通过分析先

给出其本构关系的某种数学表达式，在此数学表达式中保留若

干待定常数，这些常数可以通过在体或离体实验来确定；

三． 根据物理学中的基本原则(质量守恒、动员守恒、能量守恒和

等等)和生物组织的本构方程，导出描述所研究对象的微分方

程或积分方程；

一． 根据器官的工作环境，得到有意义的边界条件；

二． 运用解析方法或数值计算求解问题：

三． 进行生理实验，以验证上述问题的解的合理性，必要时对

原模型加以修正乃至重新建立方程或边界条件进行求解，

以期使理论与实验一致；

四． 探讨理论与实验结果在实际中的应用。

研究步骤

1.4 生物力学与生物医学工程

什么是生物医学工程

生物医学工程（Biomedical Engineering, BME）是运用自然

科学和工程技术的原理和方法，研究人的生理、病理过程，揭示