軟組織的生物力學

1、生物組織中的力學性質？

生物力學的研究內容

生物的各個系統，特別是循環系統和呼吸系統的動力學問題，是人們長期研究的對象。循環系統動力學主要研究血液在心臟、動脈、微血管、靜脈中流動，以及心臟、心瓣的力學問題。呼吸系統動力學主要研究在呼吸過程中，氣道內氣體的流動和肺循環中血液的流動，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和動力學的研究，不僅有助於對人體生理、病理過程的了解，而且還能為人工臟器的設計和製造提供科學依據。生物力學還研究植物體液的輸運。

環境對生理的影響也是生物力學的一個研究內容。眾所周知，氧對生物體的發育有很大影響，在缺氧環境下生物體發育較慢，在富氧環境下發育較快。即使在短期內，環境的影響也是明顯的。實驗表明：在含10%的氧氣、壓力為一個大氣壓的環境中的幼鼠，即使只生活24小時，在直徑為15～30微米的肺小動脈壁下，也會出現大量的纖維細胞。若延續4～7天，纖維細胞則會過渡為典型的平滑肌細胞，這無疑會影響肺循環中血液的流動。又如處於高加速度狀態中的人，其血液的慣性會有明顯的改變，懸垂器官會偏離原位，從而改變體內血液的流動狀態。

在設計水中航行的工具時，經常需要考慮最佳外形、最佳推進方式和最佳操縱方式。由於自然選擇，具有這些優點的水生物較易生存下來。因此，研究某些水生物的運動可以得到一些值得借鑒的知識。

例如，海豚是一種較高級的動物，它具有高效率的推進機制和很好的外形，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，在高速游動時能夠保持層流邊界層狀態，這是因為它的皮膚對邊界層中壓力梯度變化十分敏感，能作適當的彈性變形以降低逆壓梯度，因而在高速游動時，表皮能產生波狀運動以抑制端流的出現。又如纖毛蟲的運動是通過纖毛的特殊運動實現的，在人的呼吸道內也保持有這種低級生物的運動方式，即利用纖毛排除呼吸道內的某些異物。總之，研究大自然中生物運動的意義是很明顯的。

人體各器官、系統，特別是心臟-循環系統和肺臟-呼吸系統的動力學問題、生物系統和環境之間的熱力學平衡問題、特異功能問題等也是當前研究的熱點。生物力學的研究，不僅涉及醫學、體育運動方面，而且已深入交通安全、宇航、軍事科學的有關方面。

生物固體力學是利用材料力學、彈塑性理論、斷裂力學的基本理論和方法，研究生物組織和器官中與之相關的力學問題。

在近似分析中，人與動物骨頭的壓縮、拉伸、斷裂的強度理論及其狀態參數都可應用材料力學的標准公式。但是，無論在形態還是力學性質上，骨頭都是各向異性的。20世紀70年代以來，對骨骼的力學性質已有許多理論與實踐研究，如組合桿假設，二相假設等，有限元法、斷裂力學、應力套方法和先測彈力法等檢測技術都已應用於骨力學研究。

骨是一種復合材料，它的強度不僅與骨的構造也與材料本身相關。骨是骨膠原纖維和無機晶體的組合物。骨板由縱向纖維和環向纖維構成，骨質中的無機晶體使骨強度大大提高，體現了骨以最少的結構材料來承受最大外力的功能適應性。

木材和昆蟲表皮都是纖維嵌入其他材料中構成的復合材料，它與由很細的玻璃纖維嵌在合成樹脂中構成的玻璃鋼的力學性質類似。動物與植物是由多糖、蛋白質類脂等構成的高聚物，應用橡膠和塑料的高聚物理論可得出蛋白質和多糖的力學性質。粘彈性及彈性變形、彈性模量等知識不僅可用於由氨基酸組成的蛋白質，也可用來分析有關細胞的力學性質。如細胞分裂時微絲的作用力，肌絲的工作方式和工作原理及細胞膜的力學性質等。

生物流體力學是研究生物心血管系統、消化呼吸系統、泌尿系統、內分泌以及游泳、飛行等與水動力學、空氣動力學、邊界層理論和流變學有關的力學問題。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，主要研究血液的粘性和影響粘性的因素(如管徑、有形成分和紅細胞)，以及流動中紅細胞在管系支管中的比積分配問題，紅細胞本身的力學性質，紅細胞之間的相互作用，紅細胞與管壁的作用等。人和動物體內血液的流動、植物體液的輸運等與流體力學中的層流、湍流、滲流和兩相流等流動型式相近。

在分析血液力學性質時，血液在大血管流動的情況下，可將血液看作均質流體。由於微血管直徑與紅細胞直徑相當在微循環分析時，則可將血液看作兩相流體。當然，血管越細，血液的非牛頓特性越顯著。

人體內血液的流動大都屬於層流，在血液流動很快或血管很粗的部位容易產生湍流。在主動脈中，以峰值速度運動的血液勉強處於層流狀態，但在許多情況下會轉變成湍流。尿道中的尿流往往是湍流；而通過毛細血管壁的物質交換則是一種滲流。對於血液流動這樣的內流，因心臟的搏動血液流動具有波動性，又因血管富有彈性故流動邊界呈不固定型。因此，體內血液的流動狀態是比較復雜的。

對於軟組織，則以研究它的流變性質，建立本構關系為主，因為本構關系不單是進一步分析它的力學問題的基礎，而且具有臨床意義。對於硬組織，除了研究它的流變性質外，對骨骼的消長與應力的關系也進行了大量研究。

流體力學的知識也用於動物游泳的研究。如魚的體型呈流線型，且易撓曲，可通過興波自我推進。水洞實驗表明，在魚游動時的流體邊界層內，速度梯度很大，因而克服流體的粘性阻力的功率也大。

小生物和單細胞的游動，也是外流問題。鞭毛的波動和纖毛的拍打推動細胞表面的流體，使細胞向前運動。精子用鞭毛游動，水的慣性可以忽略，其水動力正比於精子的相對游動速度。原生動物在液體中運動，其所受阻力可以根據計算流場中小顆粒的阻力公式(斯托克斯定律)得出。

此外，空氣動力學的原理與方法常用來研究動物的飛行。飛機和飛行動物飛行功率由兩部分組成：零升力功率和誘導功率。前者用來克服邊界層內的空氣粘性阻力；後者用來向下加速空氣，以提供大小等於飛機或飛行動物重量的升力。鳥在空中可以通過前後拍翅來調節滑翔角度，這與滑翔機襟翼調節的作用一樣。風洞已用於研究飛行動物的飛行特性，如禿鷲、蝙蝠的滑行性能與模型滑翔機非常相似。

運動生物力學是用靜力學、運動學和動力學的基本原理結合解剖學、生理學等研究人體運動的學科。用理論力學的原理和方法研究生物是個開展得比較早、比較深入的領域。
生物力學的研究特點

進行生物力學的研究首先要了解生物材料的幾何特點，進而測定組織或材料的力學性質，確定本構方程、導出主要微分方程和積分方程、確定邊界條件並求解。對於上述邊界問題的解，需用生理實驗去驗證。若有必要，還需另立數學模型求解，以期理論與實驗相一致。

生物力學與其他力學分支最重要的差別是：其研究的對象是生物體。因此，在研究生物力學問題時，實驗對象所處的環境十分重要。作為實驗對象的生物材料，有在體和離體之分。在體生物材料一般處於受力狀態(如血管、肌肉)，一旦游離出來則處於自由狀態，即非生理狀態(如血管、肌肉一旦游離，當即明顯收縮變短)。兩種狀態材料的實驗結果差異較大。

在體實驗分為麻醉狀態和非麻醉狀態兩種情況。至於離體實驗，在對象游離出來後，根據要求可以按整體正位進行實驗，或進一步加工成試件進行實驗。不同的實驗條件和加工條件，對實驗結果的影響很大。這正是生物力學研究的特點。

2、「軟組織」指的是什麼？

（一）皮膚 較厚，移動性小，有較豐富的毛囊和度脂腺。

（二）淺筋膜 緻密而厚，含有較多脂肪，有許多結締組織纖維束與深筋膜相連。項區上部淺筋膜特別堅韌，腰區的淺筋膜含脂肪較多。 

（三）皮神經 來自脊神經後支。

3、軟組織到底指的是什麼

軟組織是指人體的皮膚、皮下組織、肌肉、肌腱、韌帶、關節囊、滑膜囊，神經、血管等。這些組織在受到外力作用下，發生機能或結構的異常，稱軟組織損傷。分急性損傷，慢性損傷。急性損傷分扭傷、挫傷、拉傷。慢性損傷稱陳傷、勞損。臨床表現為疼痛、功能障礙、肌肉痙攣、關節僵硬,關節囊萎縮,肌肉萎縮,神經肌肉粘連,畸形等。軟組織損傷後可能出現的並發症有：血管舒縮功能紊亂引起的持久性局部發熱和腫脹、營養性紊亂引起的肌萎縮、韌帶鬆弛引起的關節不穩定、損傷性關節炎、關節周圍骨化、關節內游離體等。

4、軟組織損傷後為什麼越靜養越不好？

許多人平時在運動和生活中不注意保護自己，導致軟組織損傷。有的醫生建議靜養休息，不能再進行強度訓練運動，但是事實軟組織損傷靜養反而不好，這是為什麼呢？

1、合理靜養，不然身體機能會退化

休息不是無用的，合理休息有助於恢復，過度使用會導致各種功能的退化。軟組織損傷後，在一周內會有一個急性期。炎症在急性期很活躍，我們需要制動和休息來給軟組織一個良好的修復環境。經過急性期後，軟組織修復進入第二階段，即損傷後再生階段。在這個階段，越來越多的膠原纖維開始在受損組織中生長以連接受損組織。通過合理的功能性機械刺激，促進新生組織更接近正常組織。

2、制動對韌帶的影響

制動將導致膠原纖維產量減少、膠原纖維排列紊亂、新組織的物理結構和機械性能惡化以及韌帶附著處骨組織的吸收。損傷韌帶早期控制性低強度運動可以提高疤痕的硬度和強度，減少疤痕增生和肥大。運動還可以增加癒合組織的生物力學功能，使新生長的組織在各種功能和結構上更接近正常組織。

3、制動對骨骼的影響

骨折後，我們需要制動，但骨痂形成後，必須逐漸開始負重。長期停用會導致骨質流失、骨質疏鬆和高鈣血症，骨骼沒有應力刺激，不利於骨折癒合。鍛煉有助於全身血液和新陳代謝，促進骨折癒合。靜養我們必須理合理運用，不能過於靜養，也不能急於恢復功能。

受損組織隨時間癒合，但癒合後的組織由於缺乏應激刺激無法適應正常活動而出現症狀。所以，損傷後不能過於靜養，應該循序漸進地增加運動量。

5、人體的軟組織是指什麼

除骨骼外,象肌肉、脂肪等都是軟組織。肌肉、韌帶、神經、血管、內臟等等，都是軟組織的范圍。

6、動作技術分析的生物力學要素有哪些？

動作技術分析的生物力學要素：

知識點延伸：

運動生物力學應用力學原理和方法研究生物體的外在機械運動的生物力學分支。狹義的運動生物力學研究體育運動中人體的運動規律。按照力學觀點，人體或一般生物體的運動是神經系統、肌肉系統和骨骼系統協同工作的結果。神經系統控制肌肉系統，產生對骨骼系統的作用力以完成各種機械動作。運動生物力學的任務是研究人體或一般生物體，在外界力和內部受控的肌力作用下的機械運動規律，它不討論神經、肌肉和骨骼系統的內部機制，後者屬於神經生理學、軟組織力學和骨力學的研究范疇(生物固體力學)。在運動生物力學中，神經系統的控制和反饋的過程，以簡明的控制規律代替肌肉活動，簡化為受控的力矩發生器，作為研究對象的人體模型可忽略肌肉變形對質量分布的影響，簡化為由多個剛性環節組成的多剛體系統。相鄰環節之間，以關節相連接，在受控的肌力作用下，產生圍繞關節的相對轉動，並影響系統的整體運動。

7、軟組織損傷後，為什麼越靜養，問題越多？

休息不是無用的，合理使用有助於恢復。過度使用會導致各種功能的退化。軟組織損傷後，會有一個急性期，在一周內。炎症在急性期很活躍。我們需要剎車和休息來給軟組織一個良好的修復環境。然而，經過急性期後，軟組織修復進入第二階段，即損傷後2 ~ 6周的再生階段。在這個階段，越來越多的膠原纖維開始在受損組織中生長以連接受損組織。後來，它慢慢進入第三階段，即整形階段，大約在傷後6-8周。通過合理的功能性機械刺激，促進新生兒組織更接近正常組織。

制動對韌帶的影響。制動將導致膠原纖維產量減少、膠原纖維排列紊亂、新組織的物理結構和機械性能惡化以及韌帶附著處骨組織的吸收。損傷韌帶早期控制性低強度運動可以提高瘢痕的硬度和強度，減少瘢痕增生和肥大。運動還可以增加癒合組織的生物力學功能，使新生長的組織在各種功能和結構上更接近正常組織。

固定對軟骨的影響。年輕時關節軟骨的營養分兩部分提供，一部分來自軟骨下骨，另一部分來自關節滑液。成年後，骺軟骨骨化，只留下滑液用於軟骨營養。然而，這種滑液需要關節活動來提供營養，擠壓和鬆弛軟骨，促進軟骨的營養吸收和代謝廢物的排出。這種機制被稱為分散機制。長期固定會導致軟骨退化、脫水和變薄。關節軟骨的恢復離不開機械刺激。我們需要這個練習來提供軟骨代謝所必需的擴散機制。

此外，軟骨的輕微磨損具有一定的修復能力，這種修復也依賴於一定的應力和摩擦刺激。制動對骨骼的影響。骨頭有松質骨和皮質骨。松質骨中有小梁。小梁在最大應力的方向上支撐和生長。骨折後，我們需要在某個階段停止，但骨痂形成後，我們必須逐漸開始載入。長期停用會導致骨質流失、骨質疏鬆和高鈣血症。而且，長期制動，骨骼沒有應力刺激，不利於骨折癒合。鍛煉有助於全身血液和新陳代謝，促進骨折癒合。

8、生物力學的中國研究

中國的生物力學研究，有相當一部分與中國傳統醫學結合。因而在骨骼力學、脈搏波、無損檢測、推拿、氣功、生物軟組織等項目的研究中已形成自己的特色。
進行生物力學的研究首先要了解生物材料的幾何特點，進而測定組織或材料的力學性質，確定本構方程、導出主要微分方程和積分方程、確定邊界條件並求解。對於上述邊界問題的解，需用生理實驗去驗證。若有必要，還需另立數學模型求解，以期理論與實驗相一致。
其次作為實驗對象的生物材料，有在體和離體之分。在體生物材料一般處於受力狀態(如血管、肌肉)，一旦游離出來，則處於自由狀態，即非生理狀態(如血管、肌肉一旦游離，當即明顯收縮變短)。兩種狀態材料的實驗結果差異較大。