人體材料力學

　　片斷：第一章導論一、人體材料力學的任務及研究方法生物力學是將力學應用于生物學，用力學原理研究生物體生命活動規(guī)律的一門學科，是由力學、解剖學、生理學和生物化學等學科相互滲透而產(chǎn)生的一門邊緣學科。作為一門獨立的學科，它是在本世紀60年代以后才迅速發(fā)展起來的。近年來，生物力學對人體運動分析、疾病原因研究、各種假體和人工臟器的設計乃至對體育科學、人類學、宇航學等的發(fā)展都發(fā)揮了極其重要的作用。生物力學是一門研究領域廣泛，內(nèi)容非常豐富的學科。從研究細胞、組織、生物纖維的構(gòu)造與力學性態(tài)的關(guān)系的微觀生物力學，到研究各種動、植物和人以及整個生物系統(tǒng)和外界環(huán)境的相互作用等，都屬于生物力學的研究范疇。生物量子力學、生物熱力學等是生物力學中具有高度理論性的分支；創(chuàng)傷力學、醫(yī)用生物力學、運動生物力學等則是一些實用性很強的分支。作為生物力學的一個方面，人體材料力學主要研究人體固體材料的力學性質(zhì)。人體固體材料包括骨、肌肉、肌腱、韌帶、皮膚、血管等。它們不是理想的彈、塑性材料或粘彈性體，有著各自的力學特性。骨的力學性質(zhì)相似于機械和建筑材料，比較易于了解，現(xiàn)在對骨的認識也比較完全和準確。而人體中的肌肉、肌腱、韌帶、皮膚、血管等軟組織具有一定的粘彈性性質(zhì)，而且軟組織種類多，情況復雜，各自的力學性質(zhì)不同，因此研究時必須注意材料試驗結(jié)果，將試驗情況與理論分析結(jié)合起來。遵循力學的一般研究方法，對人體材料力學性質(zhì)的研究有下述步驟：（1）研究人體材料的結(jié)構(gòu)。解剖學可以使我們了解研究對象的幾何構(gòu)造。（2）測定骨、肌肉和肌腱等材料的力學性質(zhì)，建立材料的本構(gòu)方程。這是研究人體材料力學性質(zhì)的中心問題之一。在生物力學研究中，因為不能將骨、肌肉和肌腱等材料剝離進行試驗，特別是不能維持其活體狀態(tài)，這一步往往非常困難。再有，生物材料往往產(chǎn)生大變形，同時應力—應變關(guān)系一般是非線性的，并有賴于歷程，很難確立非線性的本構(gòu)方程。解決的方法是，先建立材料本構(gòu)方程的數(shù)學形式，再通過實驗進行驗證，修改數(shù)學公式，確定數(shù)學參量。（3）根據(jù)本構(gòu)方程和物理學中的基本定律建立描述材料性質(zhì)的微分方程。（4）用解析法或數(shù)值法求解所建立的具有一定邊界條件的微分方程。（5）進行生理實驗，對上述邊界值問題的解進行驗證，修改理論推導結(jié)果，使理論與實驗相一致。通過一系列反復的研究，從定性和定量兩方面對問題進行了解，以期通過材料力學性質(zhì)的變化來推測器官機能的變化。目前許多問題還不能按上述步驟得到滿意的解決，主要原因是難以滿足建立活體組織本構(gòu)方程所需的實驗條件。如果將人體組織與器官從其所處環(huán)境中分離出來，則不能獲得描述活體組織力學性質(zhì)的微分方程的邊界條件，從而不能獲得邊界值問題的解。

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