生物力学

生物力学与人类健康大连理工大学电信学部生物医学工程系覃开蓉12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（一）为什么有生物力学？3•运动、流动、应力与生命现象4运动是人的天性视频：精子运动卵子受精From定律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）5From跟腱(Achilles’stendon)2008跟腱炎症2012跟腱断裂7From组织液流动与物质输运水胚胎(2个月)95%婴儿80%成人65%PhotosbyDr.ShibataatUniversityofTokyo8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)9τ=4µ𝑄π𝑟3τ-剪切应力µ-粘度Q-流量r–内半径血管的零应力状态FungYC冯元桢1011动脉粥样硬化(Atherosclerosis,AS)12From表皮细胞呼吸力学15From（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–…19FFF=F/AA（单位面积上的受力大小）单位：N/m2(Pa),MN/m2(MPa)变形体:应力(Stress)20FFL0L=(L-L0)/L0（单位长度变形的大小）变形体:应变（Strain)21力学性质：弹性模量E+、E-骨的力学性质·硬组织的单轴拉伸及压缩实验拉伸压缩22力学性质：剪切弹性模量G·硬组织的扭转实验23骨的力学性质(MPa)(%)50%10%50%项背韧带腱平滑肌0.15300.015软组织的单向拉伸实验软组织的力学性质2425细胞力学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27From同济大学医学院牛文鑫博士28脑循环Willis环的血液动力学From大连理工大学贺缨教授影像学+计算流体力学+流体力学实验29尿尿的流体力学PatriciaJ.Yangetal.(2014)PNAS30Intervention:血管支架对血液动力学的影响From四川大学蒋文涛教授Chenetal.BMEOnline,2015Intervention:静脉移植(VeinGrafting)31From(2004;2009)Intervention:长期合理运动增强动脉功能Volaklisetal.2013321)()()(kkkcssbaskdtdmadm/dtsbc0机制：应力-生长法则(Fung,1983)急性抗阻力运动干涉实验34–血压:电子血压计(PatientMonitorPM8000,Mindray)–动脉管径与轴心流速:彩色超声多普勒(ProSoundAlpha7,Aloka)35无创伤测量结论：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。Hou,Zhu,Shen,Liu&Qin.2013a;2013b;2014;2015结果•问题：为什么运动能改变动脉功能？血液动力学机制是什么？37From细胞力生物学(CellMechanobiology)代表人物：钱煦ShuChienFromProf.JojiAndoatTheUniversityofTokyo38Shenetal.,1992剪应力和ATP协同作用下血管内皮细胞内钙响应Yamamotoetal.,200039Dolmetschetal.,Nature,1998钙信号与基因表达40细胞力生物学:系统动力学的观点41Qin&Xiang,2008a;2008b;2010;2011a;2011b;2012;2013;2014信息学是沟通力学与生命科学的桥梁力学生命科学信息学42Yamamotoetal.,2000血管内皮细胞钙响应的动力学数学建模Li,XiangandQin,201443Cone-PlateTypeParallel-plateType44实验验证工具FromJojiAndoLab45实验验证工具From基于微流控技术的实验平台(1)mediumreservoir(2)chamberforcellgrowth(3)outletoftheperfusionsystem(4)outletoftheflowchamber(5)channeltoincreaseresistancePerfusion/FlowSystem46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49Zhengetal.2012Shaoetal.2009（三）生物力学在健康工程中的应用50•疾病预防、诊断、治疗、保健与康复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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51From血管支架(stent/drug-coatedstent)53From(2005)56血管工程中医工程57From(2013)60基于智能手机的医疗诊断61From