上游充通大￥ SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 人体生物力学概论 梁夫友 船舶海洋与建筑工程学院 上海交通大学
人体生物力学概论 梁夫友 船舶海洋与建筑工程学院 上海交通大学
上岸充通大学 一、人体的解剖学结构 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 骨骼系统：身体支撑 神经系统：活动调控 循环系统：血液循环 呼吸系统：气体交换 消化系统： 营养吸收 肌肉系统： 力的发生 Skeletal System Nervous System Circulatory System Respiratory System Digestive System Muscle System
一、人体的解剖学结构 骨骼系统：身体支撑 神经系统：活动调控 循环系统：血液循环 呼吸系统：气体交换 消化系统：营养吸收 肌肉系统：力的发生 宏观系统
上浒充通大￥ 微观世界 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 细胞、细胞核、DNA/RNA、蛋白质、氨基酸 DNA RNA copies RNA recipe DNA coutains genes.which are made of mucleotides nucleus RNA leaves the nucleus protein ribosome RNA copies recipes from DNA and The protein leaves the nucleus so the ribosomes can make proteins according to the recipes
细胞、细胞核、DNA/RNA、蛋白质、氨基酸 微观世界
人体大观 上游充通大粤 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 由10o万亿个细胞组成 有200块骨头、980多块肌肉 有4000-5000毫升血液 有约308亿根毛细血管，长度达O万公里以上 心脏一生要跳动20亿次以上（假设寿命为80岁） 一生需要消耗1O0吨食物、50-。0吨水 每舔一下邮票，需要消耗◎卡洛里的能量 人每天有YOoo0个想法，但只有58受意识控制 大脑的信息处理能力超过每秒0o万亿次运算能力的超算
人体大观 由100万亿个细胞组成 有206块骨头、600多块肌肉 有4000-5000毫升血液 一生需要消耗10-15吨食物、50-80吨水 每舔一下邮票，需要消耗0.1卡洛里的能量 心脏一生要跳动25亿次以上（假设寿命为80岁） 有约300亿根毛细血管，长度达10万公里以上 人每天有70000个想法，但只有5%受意识控制 大脑的信息处理能力超过每秒100万亿次运算能力的超算
上帝充通大粤 二、生物力学的定义及研究对象 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 生物力学是利用力学手段研究生物系统的结构和功能的交叉学科。 经典生物力学 ·运动力学：力与运动效率的关系、运动损伤等 骨骼肌力学：力的发生、传导原理等 计算生物力学 ·整形力学：骨骼受力、变形、应力集中等 ·心血管力学：血液流动、心脏搏动、血管变形等 现代生物力学 ·组织生物力学：组织变形、分化、重构等 ·细胞生物力学：细胞的粘附、迁移和运动等 ·分子动力学：蛋白质的表达、转化等
二、生物力学的定义及研究对象 经典生物力学 ▪运动力学：力与运动效率的关系、运动损伤等 ▪骨骼肌力学：力的发生、传导原理等 ▪整形力学：骨骼受力、变形、应力集中等 ▪心血管力学：血液流动、心脏搏动、血管变形等 现代生物力学 ▪组织生物力学：组织变形、分化、重构等 ▪细胞生物力学：细胞的粘附、迁移和运动等 ▪分子动力学：蛋白质的表达、转化等 生物力学是利用力学手段研究生物系统的结构和功能的交叉学科。 计算生物力学
上游充通大粤 三、人体组织的生物力学特性 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 构成人体的组织具有微可压缩、可变形的共同特点， 但不同组织的力学特性差异巨大 ·骨骼：强度高（是同等质量钢材的5倍），微可变形，抗高压但不抗剪切 ·肌肉：强度低于骨骼，可伸展、收缩，可变形能力强 ·肌腱：强度为骨骼肌的500倍，可变形能力强 ·血管：强度略低于肌肉，可伸展、收缩，可变形能力强 ·关节滑液：不可压缩，超低的摩擦系数 ·血液：不可压缩，多相流特性
三、人体组织的生物力学特性 • 骨骼：强度高（是同等质量钢材的5倍），微可变形，抗高压但不抗剪切 • 肌肉：强度低于骨骼，可伸展、收缩，可变形能力强 • 肌腱：强度为骨骼肌的500倍，可变形能力强 • 血管：强度略低于肌肉，可伸展、收缩，可变形能力强 • 关节滑液：不可压缩，超低的摩擦系数 • 血液：不可压缩，多相流特性 构成人体的组织具有微可压缩、可变形的共同特点， 但不同组织的力学特性差异巨大
上帝充通大粤 四、生物力学的研究方法 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY ·体外实验（分离生体材料进行拉伸、压缩、疲劳等实验) (a) (b) (c) C-Stress 250 L-Stress ×1:0.7 250 0.7:1 200 200 10.5 150 150 0.5:1 100 10.7 生02 100 50 C-Stretch ratio 1.1 50 0.5:1 1.05 L-Stretch ratio 0 1.05 1.021.04 1.06 10g,1061 L-Stretch ratio 1.1 C-Stretch ratio [Fan et al.,Biomedical Engineering Online,2014]
四、生物力学的研究方法 • 体外实验（分离生体材料进行拉伸、压缩、疲劳等实验） [Fan et al., Biomedical Engineering Online, 2014]
h 上海充通大睾 SHANGHAI IIAO TONG UNIVERSITY ·在体实验（利用超声、传感器等无创或微创测量人体组织的变形、力等） LVDT position measurement 200 200 10 15 20 25 30 Foroe sensor measurement 100 15 20 25 0.1 0.08 muscle layer 23 entire tissue x10 [Payan,University of Grenoble] fat layer force 10 15 30 5 Time in Second [Zheng et al.,IEEE Transactions on Fig8.Thesrdin differyerof theporcnexialranwascalud Biomedical Engineering,1996]
• 在体实验（利用超声、传感器等无创或微创测量人体组织的变形、力等） [Zheng et al., IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1996] [Payan, University of Grenoble]
上游充通大￥ SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY ·计算机仿真（应用计算力学手段定量地分析组织变形量、应力分布等） (a) (b) d) ANSYS 0 (e) 1.213 9.705 10.316 [Nazari et al.,2010] [Baek et al.,Annals of Biomedical Enginnering,2009]
• 计算机仿真（应用计算力学手段定量地分析组织变形量、应力分布等） [Nazari et al., 2010] [Baek et al., Annals of Biomedical Enginnering, 2009]
上浒充通大￥ 五、生物力学的发展现状 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY ·传统的体外力学实验（材料力学参数的测量） →计算机仿真（定量、系统、患者个体化的力学分析，产品设计，手术规划等） Ischial tuberosity Smooth muscle (sphincters) Fat Gluteus muscle [Linder-Ganz et al.,2009] (b) Perrier et a,2014 www-timc.imag.fr/Yohan.Payan/ANR Tecsan IDS
五、生物力学的发展现状 • 传统的体外力学实验 （材料力学参数的测量） 计算机仿真（定量、系统、患者个体化的力学分析，产品设计，手术规划等） www-timc.imag.fr/Yohan.Payan/ANR_Tecsan_IDS [Linder-Ganz et al. , 2009]