软组织的生物力学

1、生物组织中的力学性质？

生物力学的研究内容

生物的各个系统，特别是循环系统和呼吸系统的动力学问题，是人们长期研究的对象。循环系统动力学主要研究血液在心脏、动脉、微血管、静脉中流动，以及心脏、心瓣的力学问题。呼吸系统动力学主要研究在呼吸过程中，气道内气体的流动和肺循环中血液的流动，以及气血间气体的交换。

所有这些工作，包括生物材料的流变性质和动力学的研究，不仅有助于对人体生理、病理过程的了解，而且还能为人工脏器的设计和制造提供科学依据。生物力学还研究植物体液的输运。

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。

在设计水中航行的工具时，经常需要考虑最佳外形、最佳推进方式和最佳操纵方式。由于自然选择，具有这些优点的水生物较易生存下来。因此，研究某些水生物的运动可以得到一些值得借鉴的知识。

例如，海豚是一种较高级的动物，它具有高效率的推进机制和很好的外形，特别是它的皮肤，分为两层，其间充满了弹性纤维和脂肪组织，具有特殊的减阻特性，在高速游动时能够保持层流边界层状态，这是因为它的皮肤对边界层中压力梯度变化十分敏感，能作适当的弹性变形以降低逆压梯度，因而在高速游动时，表皮能产生波状运动以抑制端流的出现。又如纤毛虫的运动是通过纤毛的特殊运动实现的，在人的呼吸道内也保持有这种低级生物的运动方式，即利用纤毛排除呼吸道内的某些异物。总之，研究大自然中生物运动的意义是很明显的。

人体各器官、系统，特别是心脏-循环系统和肺脏-呼吸系统的动力学问题、生物系统和环境之间的热力学平衡问题、特异功能问题等也是当前研究的热点。生物力学的研究，不仅涉及医学、体育运动方面，而且已深入交通安全、宇航、军事科学的有关方面。

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。

在近似分析中，人与动物骨头的压缩、拉伸、断裂的强度理论及其状态参数都可应用材料力学的标准公式。但是，无论在形态还是力学性质上，骨头都是各向异性的。20世纪70年代以来，对骨骼的力学性质已有许多理论与实践研究，如组合杆假设，二相假设等，有限元法、断裂力学、应力套方法和先测弹力法等检测技术都已应用于骨力学研究。

骨是一种复合材料，它的强度不仅与骨的构造也与材料本身相关。骨是骨胶原纤维和无机晶体的组合物。骨板由纵向纤维和环向纤维构成，骨质中的无机晶体使骨强度大大提高，体现了骨以最少的结构材料来承受最大外力的功能适应性。

木材和昆虫表皮都是纤维嵌入其他材料中构成的复合材料，它与由很细的玻璃纤维嵌在合成树脂中构成的玻璃钢的力学性质类似。动物与植物是由多糖、蛋白质类脂等构成的高聚物，应用橡胶和塑料的高聚物理论可得出蛋白质和多糖的力学性质。粘弹性及弹性变形、弹性模量等知识不仅可用于由氨基酸组成的蛋白质，也可用来分析有关细胞的力学性质。如细胞分裂时微丝的作用力，肌丝的工作方式和工作原理及细胞膜的力学性质等。

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。它一般将生物材料分为体液、硬组织和软组织，肌肉则属较为特殊的一类。

体液中以血液为研究的重点，主要研究血液的粘性和影响粘性的因素(如管径、有形成分和红细胞)，以及流动中红细胞在管系支管中的比积分配问题，红细胞本身的力学性质，红细胞之间的相互作用，红细胞与管壁的作用等。人和动物体内血液的流动、植物体液的输运等与流体力学中的层流、湍流、渗流和两相流等流动型式相近。

在分析血液力学性质时，血液在大血管流动的情况下，可将血液看作均质流体。由于微血管直径与红细胞直径相当在微循环分析时，则可将血液看作两相流体。当然，血管越细，血液的非牛顿特性越显著。

人体内血液的流动大都属于层流，在血液流动很快或血管很粗的部位容易产生湍流。在主动脉中，以峰值速度运动的血液勉强处于层流状态，但在许多情况下会转变成湍流。尿道中的尿流往往是湍流；而通过毛细血管壁的物质交换则是一种渗流。对于血液流动这样的内流，因心脏的搏动血液流动具有波动性，又因血管富有弹性故流动边界呈不固定型。因此，体内血液的流动状态是比较复杂的。

对于软组织，则以研究它的流变性质，建立本构关系为主，因为本构关系不单是进一步分析它的力学问题的基础，而且具有临床意义。对于硬组织，除了研究它的流变性质外，对骨骼的消长与应力的关系也进行了大量研究。

流体力学的知识也用于动物游泳的研究。如鱼的体型呈流线型，且易挠曲，可通过兴波自我推进。水洞实验表明，在鱼游动时的流体边界层内，速度梯度很大，因而克服流体的粘性阻力的功率也大。

小生物和单细胞的游动，也是外流问题。鞭毛的波动和纤毛的拍打推动细胞表面的流体，使细胞向前运动。精子用鞭毛游动，水的惯性可以忽略，其水动力正比于精子的相对游动速度。原生动物在液体中运动，其所受阻力可以根据计算流场中小颗粒的阻力公式(斯托克斯定律)得出。

此外，空气动力学的原理与方法常用来研究动物的飞行。飞机和飞行动物飞行功率由两部分组成：零升力功率和诱导功率。前者用来克服边界层内的空气粘性阻力；后者用来向下加速空气，以提供大小等于飞机或飞行动物重量的升力。鸟在空中可以通过前后拍翅来调节滑翔角度，这与滑翔机襟翼调节的作用一样。风洞已用于研究飞行动物的飞行特性，如秃鹫、蝙蝠的滑行性能与模型滑翔机非常相似。

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。
生物力学的研究特点

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。

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。

2、“软组织”指的是什么？

（一）皮肤 较厚，移动性小，有较丰富的毛囊和度脂腺。

（二）浅筋膜 致密而厚，含有较多脂肪，有许多结缔组织纤维束与深筋膜相连。项区上部浅筋膜特别坚韧，腰区的浅筋膜含脂肪较多。 

（三）皮神经 来自脊神经后支。

3、软组织到底指的是什么

软组织是指人体的皮肤、皮下组织、肌肉、肌腱、韧带、关节囊、滑膜囊，神经、血管等。这些组织在受到外力作用下，发生机能或结构的异常，称软组织损伤。分急性损伤，慢性损伤。急性损伤分扭伤、挫伤、拉伤。慢性损伤称陈伤、劳损。临床表现为疼痛、功能障碍、肌肉痉挛、关节僵硬,关节囊萎缩,肌肉萎缩,神经肌肉粘连,畸形等。软组织损伤后可能出现的并发症有：血管舒缩功能紊乱引起的持久性局部发热和肿胀、营养性紊乱引起的肌萎缩、韧带松弛引起的关节不稳定、损伤性关节炎、关节周围骨化、关节内游离体等。

4、软组织损伤后为什么越静养越不好？

许多人平时在运动和生活中不注意保护自己，导致软组织损伤。有的医生建议静养休息，不能再进行强度训练运动，但是事实软组织损伤静养反而不好，这是为什么呢？

1、合理静养，不然身体机能会退化

休息不是无用的，合理休息有助于恢复，过度使用会导致各种功能的退化。软组织损伤后，在一周内会有一个急性期。炎症在急性期很活跃，我们需要制动和休息来给软组织一个良好的修复环境。经过急性期后，软组织修复进入第二阶段，即损伤后再生阶段。在这个阶段，越来越多的胶原纤维开始在受损组织中生长以连接受损组织。通过合理的功能性机械刺激，促进新生组织更接近正常组织。

2、制动对韧带的影响

制动将导致胶原纤维产量减少、胶原纤维排列紊乱、新组织的物理结构和机械性能恶化以及韧带附着处骨组织的吸收。损伤韧带早期控制性低强度运动可以提高疤痕的硬度和强度，减少疤痕增生和肥大。运动还可以增加愈合组织的生物力学功能，使新生长的组织在各种功能和结构上更接近正常组织。

3、制动对骨骼的影响

骨折后，我们需要制动，但骨痂形成后，必须逐渐开始负重。长期停用会导致骨质流失、骨质疏松和高钙血症，骨骼没有应力刺激，不利于骨折愈合。锻炼有助于全身血液和新陈代谢，促进骨折愈合。静养我们必须理合理运用，不能过于静养，也不能急于恢复功能。

受损组织随时间愈合，但愈合后的组织由于缺乏应激刺激无法适应正常活动而出现症状。所以，损伤后不能过于静养，应该循序渐进地增加运动量。

5、人体的软组织是指什么

除骨骼外,象肌肉、脂肪等都是软组织。肌肉、韧带、神经、血管、内脏等等，都是软组织的范围。

6、动作技术分析的生物力学要素有哪些？

动作技术分析的生物力学要素：

知识点延伸：

运动生物力学应用力学原理和方法研究生物体的外在机械运动的生物力学分支。狭义的运动生物力学研究体育运动中人体的运动规律。按照力学观点，人体或一般生物体的运动是神经系统、肌肉系统和骨骼系统协同工作的结果。神经系统控制肌肉系统，产生对骨骼系统的作用力以完成各种机械动作。运动生物力学的任务是研究人体或一般生物体，在外界力和内部受控的肌力作用下的机械运动规律，它不讨论神经、肌肉和骨骼系统的内部机制，后者属于神经生理学、软组织力学和骨力学的研究范畴(生物固体力学)。在运动生物力学中，神经系统的控制和反馈的过程，以简明的控制规律代替肌肉活动，简化为受控的力矩发生器，作为研究对象的人体模型可忽略肌肉变形对质量分布的影响，简化为由多个刚性环节组成的多刚体系统。相邻环节之间，以关节相连接，在受控的肌力作用下，产生围绕关节的相对转动，并影响系统的整体运动。

7、软组织损伤后，为什么越静养，问题越多？

休息不是无用的，合理使用有助于恢复。过度使用会导致各种功能的退化。软组织损伤后，会有一个急性期，在一周内。炎症在急性期很活跃。我们需要刹车和休息来给软组织一个良好的修复环境。然而，经过急性期后，软组织修复进入第二阶段，即损伤后2 ~ 6周的再生阶段。在这个阶段，越来越多的胶原纤维开始在受损组织中生长以连接受损组织。后来，它慢慢进入第三阶段，即整形阶段，大约在伤后6-8周。通过合理的功能性机械刺激，促进新生儿组织更接近正常组织。

制动对韧带的影响。制动将导致胶原纤维产量减少、胶原纤维排列紊乱、新组织的物理结构和机械性能恶化以及韧带附着处骨组织的吸收。损伤韧带早期控制性低强度运动可以提高瘢痕的硬度和强度，减少瘢痕增生和肥大。运动还可以增加愈合组织的生物力学功能，使新生长的组织在各种功能和结构上更接近正常组织。

固定对软骨的影响。年轻时关节软骨的营养分两部分提供，一部分来自软骨下骨，另一部分来自关节滑液。成年后，骺软骨骨化，只留下滑液用于软骨营养。然而，这种滑液需要关节活动来提供营养，挤压和松弛软骨，促进软骨的营养吸收和代谢废物的排出。这种机制被称为分散机制。长期固定会导致软骨退化、脱水和变薄。关节软骨的恢复离不开机械刺激。我们需要这个练习来提供软骨代谢所必需的扩散机制。

此外，软骨的轻微磨损具有一定的修复能力，这种修复也依赖于一定的应力和摩擦刺激。制动对骨骼的影响。骨头有松质骨和皮质骨。松质骨中有小梁。小梁在最大应力的方向上支撑和生长。骨折后，我们需要在某个阶段停止，但骨痂形成后，我们必须逐渐开始加载。长期停用会导致骨质流失、骨质疏松和高钙血症。而且，长期制动，骨骼没有应力刺激，不利于骨折愈合。锻炼有助于全身血液和新陈代谢，促进骨折愈合。

8、生物力学的中国研究

中国的生物力学研究，有相当一部分与中国传统医学结合。因而在骨骼力学、脉搏波、无损检测、推拿、气功、生物软组织等项目的研究中已形成自己的特色。
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。
其次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。