(MPa)
50%
(%)
10%
50%
24
细胞力学
25
25
跖骨的受力状态
From 同济大学医学院 牛文鑫博士
26
有限元建模与分析
From 同济大学医学院 牛文鑫博士
27
脑循环Willis环的血液动力学
影像学+计算流体力学+流体力学实验
From 大连理工大学 贺缨 教授
28
尿尿的流体力学
Patricia J. Yang et al. (2014) PNAS
代表人物： 钱煦 Shu Chien
From Prof. Joji Ando at The University of Tokyo
38
剪应力和ATP协同作用下血管内皮细胞内钙响应
Yamamoto et al., 2000
Shen et al., 1992
39
钙信号与基因表达
Dolmetsch et al., Nature, 1998
29
Intervention: 血管支架对血液动力学的影响
Chen et al. BME Online, 2015 From 四川大学 蒋文涛 教授
30
Intervention:静脉移植(Vein Grafting)
From WWW
31
Intervention: 长期合理运动增强动脉功能
Volaklis et al. 2013
35
Hou, Zhu, Shen, Liu & Qin. 2013a;2013b; 2014; 2015
结 果
结论：急性的高强度抗阻力运动导致颈总
动脉表观硬度增加、管径收缩，血液动力 学参数发生明显改变。
• 问题：为什么运动能改变动脉功能？ 血液动力学机制是什么？
From WWW
37
细胞力生物学 (Cell Mechanobiology)
40
细胞力生物学:
系统动力学的观点
Qin & Xiang, 2008a; 2008b; 2010; 2011a; 2011b; 2012; 2013; 2014
41
信息学是沟通力学与生命科学的桥梁
力学
信息学
生命科学
42
血管内皮细胞钙响应的 动力学数学建模
Li, Xiang and Qin, 2014
46
实验装置实物
47
微流控芯片实物图
48
基于微流控芯片的血液循环系统
Zheng et al. 2012
Shao et al. 2009
49
（三）生物力学在健康工程中的应用
• 疾病预防、诊断、治疗、保健与康复
50
血流动力学与心脑血管疾病早期诊断
血流动力学参数的改变往往早于影像学
(CT/MRI)指标的改变—早期诊断
Yamamoto et al., 2000
43
实验验证工具
Cone-Plate Type
Parallel-plate Type
From Joji Ando Lab
44
实验验证工具
From WWW
45
基于微流控技术的实验平台
Perfusion/Flow System
(1) medium reservoir (2) chamber for cell growth (3) outlet of the perfusion system (4) outlet of the flow chamber (5) channel to increase resistance
17
（二）生物力学是什么？
18
生物力学范畴
• 按研究手段： – 生物固体力学 – 生物流体力学 – 计算生物力学 –… • 按研究对象： – 骨力学 – 软组织力学 – 血液动力学 – 细胞力学 –…
19
变形体:应力 (Stress)
F
F
F
=F/A
（单位面积上的受力大小） 单位：N/m2 (Pa), MN /m2 (MPa)
Green (2004; 2009)
机制：应力-生长法则(Fung,1983)
dm/dt
0 c
a
b
s
dm k (s a) k1 (b s) k2 (s c) k3 dt
急性抗阻力运动干涉实验
34
无创伤测量
– 血压:电子血压计(Patient Monitor PM8000, Mindray ) – 动脉管径与轴心流速: 彩色超声多普勒 (ProSound Alpha 7, Aloka)
组织工程
From WWW
55
血管工程
J Artif Organs (2005)
力学因素加速 胚胎干细胞 向血管细胞分化
With Prof. Joji Ando group at The University of Tokyo
56
中医工程
From WWW
57
合理的运动是良药
From WWW
58
63
12/15/2014
64
呼吸力学
Epithelial Cells表皮细胞
From WWW
15
听觉系统的力学
Auditory Organ ---------------------- Hearing
occipital lobe
From WWW
16
力与触觉
Mechanosensitive Channels
From WWW
直接检测困难，建立动力学数学模型，通过
求解模型的反问题计算出反映动力学状态的 参数：血管弹性、阻力等
现代信号分析技术—生理特征频率与能量
From WWW
51
颈动脉血流信号分析仪
52
血管支架(stent/drug-coated stent)
From WWW
53
人工心脏瓣膜
From WWW
54
From WWW
骨骼能承受骨组织的机械应变，并具有适应 这些功能需要的能力，骨骼结构受应力的影 响，负荷增加骨增粗，负荷减少骨变细，这 一现象称之为Wolff定律。
（德国医学博士Wolff ,1892） 5
失重对宇航员的影响
From WWW
6
跟腱(Achilles’s tendon)
2008 跟腱炎症
A
20
变形体:应变（Strain)
F
L0 L
F
= (L-L0) / L0
（单位长度变形的大小）
21
骨的力学性质
· 硬组织的单轴拉伸及压缩实验
拉伸
压缩

力学性质：弹性模量E+、E22
骨的力学性质
· 硬组织的扭转实验

力学性质：剪切弹性模量G
23
软组织的力学性质
软组织的单向拉伸实验
项背韧带 0.15 30 腱 0.015 平滑肌
2012跟腱断裂
From WWW
7
组织液流动与物质输运

水
胚胎 (2个月) 95% 婴儿 80% 成人 65%

Photos by Dr. Shibata
at University of Tokyo
8
血液流动与血管生长

鸡胚胎发育过程中，血流速度最快的通道逐渐生长 成为主动脉，而流速较慢的通道却常常萎缩并逐步 消失 (Thoma, 1893)
康复工程
From WWW
59
基于微流控芯片的循环癌细胞分选
C. T. Lim Group at NUS (2013)
60
基于智能手机的医疗诊断
From WWW
61
基于微流控技术的精子优选与卵子受精
Suh et al. 2005
Han et al. 2010
62
生物力学
让生活更美好 Biomechanics Makes Life Better
τ=
4µ������ π������ 3
τ- 剪切应力 µ-粘度 Q-流量 r – 内半径
9
血管的零应力状态
Fung YC冯元桢
10
11
动脉粥样硬化 (Atherosclerosis, AS)
From WWW
12
动脉瘤aneu细胞的迁移
Wang, 2005
14
生物力学与人类健康
覃开蓉
大连理工大学电信学部 生物医学工程系
1
提 纲
• 为什么有生物力学？ • 生物力学是什么？ • 生物力学在人类健康工程中的应用
2
（一）为什么有生物力学？
• 运动、流动、应力与生命现象
3
运动是人的天性
视频：精子运动 卵子受精
From WWW
4
骨的功能适应性原理与Wolff定律