⑴ 生物力學在生物醫學工程中有哪些應用
生物醫學工程學的研究主要涉及生物力學、生物材料學、人工器官、生物系統的建模等,生物力學主要參與控制、生物效應、生物系統的質量和能量傳遞、生物醫學信號的檢測與感測器原理等。
——威斯騰生物 網路知道
⑵ 什麼是生物物理,它的主要研究領域有哪些
關於生物物理學的定義,有許多不同的看法。現列舉文獻中或網路上出現的四種定義。
定義一: 生物物理學是由物理學與生物學相互結合而形成的一門交叉學科。它應用物理學的基本理論、方法與技術研究生命物質的物理性質,生命活動的物理與物理化學規律,以及物理因素對機體的作用。
定義二: 生物物理學是生物學和物理學之間的邊緣學科,它用物理學的概念和方法研究生物各層次的結構與功能的關系,以及生命活動的物理過程和物理化學過程.
定義三:生物物理學是物理學與生物學相結合的一門邊緣學科,是生命科學的重要分支學科和領域之一。生物物理學是應用物理學的概念和方法研究生物各層次結構與功能的關系、生命活動的物理、物理化學過程和物質在生命活動過程中表現的物理特性的生物學分支學科。生物物理學旨在闡明生物在一定的空間、時間內有關物質、能量與信息的運動規律。
定義四:生物物理學是運用物理學的理論、技術和方法,研究生命物質的物理性質、生命過程的物理和物理化學規律,以及物理因素對生物系統作用機制的科學。
上面的四個定義表述方法雖各有不同,但都認為生物物理學是一門生物學和物理學相互作用的學科,也都是從生物物理學的研究對象上來闡述其定義的。
生物物理學研究的內容十分廣泛,涉及的問題則幾乎包括生物學的所有基本問題。由於生物物理學是一門正在成長著的邊緣學科,其具體內容和發展方向也在不斷變化和完善,它和一些關系特別密切的學科(生化、生理等)的界限也不是很明確。現階段,生物物理的研究領域主要有以下幾個方面:
3.1.1分子生物物理。分子生物物理是本學科中最基本、最重要的一個分支。它運用物理學的基本理論與技術研究生物大分子、小分子及分子聚集體的結構、動力學,相互作用和其生物學性質在功能過程中的變化,目的在於從分子水平闡述生命的基本過程,進而通過修飾、重建和改造生物分子,為實踐服務。
生物大分子及其復合物的空間結構與功能的關系是分子生物物理的核心問題。自從50年代X射線衍射晶體分析法應用於核酸與蛋白質獲得成功,奠定了分子生物學發展的基礎,至今已有40餘年歷史。在這段時期中,有關結構的研究大體上經歷了3個主要階段:①晶體結構的研究;②溶液中生物分子構象的研究;③分子動力學的研究。分子構象隨時間變化的動力學,分子問的特異相互作用,生物水的確切作用等是分子生物物理今後的重要課題。
3.1.2膜與細胞生物物理。膜及細胞生物物理是僅次於分子生物物理的一個重要部分。要研究膜的結構與功能,細胞各種活動的分子機制;膜的動態認識,膜中脂類的作用,通道的結構及其啟閉過程,受體結構及其與配體的特異作用,信息傳遞機制,電子傳遞鏈的組分結構及其運動與能量轉換機制都是膜生物物理的重要課題。細胞生物物理目前研究的深度還不夠,隨著分子與膜生物物理的進展,細胞各種活動的分子機制也必將逐步闡明。
3.1.3感官與神經生物物理。生命進化的漫長歷程中出現了能對內、外環境作出反應的神經系統。神經系統連同有關的感覺器官在高等動物特別是在人體內已發展到了高度復雜的程度,其結構上的標志是出現了大腦皮層,功能上大腦是最有效的信息處理、存貯和決策機構。因此感官和腦的問題已經成為神經生物學注意的中心。研究的主要問題有:①離子通道;②感受器生物物理;③神經遞質及其受體;④神經通路和神經迴路研究;⑤行為神經科學。這是生物物理最早發展,但仍很活躍的一個領域,特別應該指出的是目前「神經生物物理」受到極大重視,因為這是揭開人類認識、學習、記憶以至創造性活動的基礎。
3.1.4生物控制論與生物信息論。主要用控制論的理論與方法研究生物系統中信息的加工、處理,從而實現調節控制機制。它從綜合的、整體的角度出發,研究不同水平的生物系統各部分之間的相互作用,或整個系統與環境之間的相互作用,神經控制論和生物控制系統的分析和模擬是其兩個重點。
3.1.5理論生物物理。是運用數學和理論物理學研究生命現象的一個領域,既包括量子生物學和分子動力學等微觀研究,也包括對進化、遺傳、生命起源、腦功能活動及生物系統復雜性等宏觀研究。目前已從葯物、毒物等簡單分子逐步向復雜體系過渡,試圖從電子水平說明生命現象的本質,涉及各種生命活動的基礎。但在方法上還必須不斷發展以適應需要。
3.1.6光生物物理。光生物物理是研究光生物學中的光物理與原初光化學過程,即研究光的原初過程的學科。主要研究問題有:①光合作用;②視覺;③嗜鹽菌的光能轉換;④植物光形態建成:⑤光動力學作用;③生物發光與化學發光。
3.1.7自由基與環境輻射生物物理。研究各種波長電磁波(包括電離輻射)對機體和生物分子的作用機制及其產生效應的利用與防護基礎研究。主要內容有:①自由基;②電離輻射的生物物理研究;③生物磁學與生物電磁學。
3.1.8生物力學與生物流變學。它的興起是由於人們對認識生命運動規律、保護人類健康、生物醫學工程和生物化學工程的需要。主要內容有:①生物流體力學;②生物固體力學;③其它生物力學問題;④生物流變學。其中血液流變學佔主導地位,這是因為它與臨床密切結合,所以發展特別迅速。
3.1.9生物物理技術。生物物理技術在生物物理中佔有特殊的地位,以致成為該學科中不可缺少的一個重要組成部分。這是因為每一項重要技術的出現常常使生物物理的研究進到一個新的水平,推動學科迅速發展。X射線衍射分析、核磁共振技術及常規波譜分析都是很典型的例子。生物物理技術和儀器的另一重要任務就是根據研究課題的需要設計新的儀器。如為了研究細胞膜上的脂和蛋白分子的側向擴散運動而設計的熒光漂白恢復技術(FPR)等。
3.2生物物理學研究的現狀
(1)分子生物物理學是整個生物物理學的基礎,也是當前研究的重點,佔主導地位(佔1/3)
(2)膜與細胞生物物理學是把分子生物物理學原理應用到生物活體系的第一個目標,即用分子的語言描述膜與細胞的結構與功能(佔1/3)
(3)開展動態的、活體的檢測與研究,發展相關檢測技術。
(4)對更高的復雜層次的研究,如對視覺、腦和神經活動的研究。
生命科學各個領域的研究中,幾乎都需要生物物理學的參與;與此同時,生物物理學自身也在不斷發展,充實新內容,開拓新領域。
⑶ 運動生物力學的分類
運動生物力學從研究的形式上,可分為理論研究方法和實驗研究方法兩大類,實驗研究方法又分實驗室測量法和運動測量法。從研究的領域上,可分為物理學研究方法、生物學研究方法和系統研究方法。從研究材料的來源上可分為原始資料數據的採集整理和資料分析方法。研究運動項目主要以運動學和動力學研究方法為主,生物學的研究方法為輔,綜合運用多種實驗手段。 美國的理查德·C.尼爾森把運動生物力學的研究方法大致概括為如下五種:(1)研究特定的運動項目或其中的某一環節的生物力學,這種主要對於運動員、尤其是只對某一運動專項感興趣的教練員非常有用。(2)研究多個運動項目中共同包含的運動動作(如著地、起跑等動作)的生物力學。最大好處是建立一種一般性的理論,這個理論是建立在經典力學定律之上,或是建立在共同的神經控制模式之上。(3)被稱為運動生物力學的評定方法,如從能耗觀點去評價運動技術的優劣等。(4)指對某一專項運動所涉及的生理學、運動學、動力學以及專項特點等有關方面進行綜合考慮。(5)討論在運動中人體器官的生物力學。 中國的周里將研究的方法分為高速攝影(二維與三維)、錄像、測力、肌電、肌力測試系統、同步測試、理論分析和CT、核磁共振其他方法。
⑷ 生物醫學工程的研究方向有哪些
生物醫學工程專業研究方向有:⑸ 運動生物力學在競技體育中的任務和作用
運動生物力學是一門新興的邊緣性學科,其發展歷史並不長。運動生物力學作為學科的統一名稱是1973年8月在美國召開的第四屆國際生物力學會議上決定採用的。該學科涉及力學、解剖學、生理學、體育學、工程學等多個學科,理論體系還不完善、實驗方法也不成熟,該學科目前還只是處於一個框架需要完善、內涵需要豐富、外延需要擴展的發展時期。
力學是較早發展起來的學科之一,研究領域從尺度上來講范圍很廣,大到宏觀上的天體,小到微觀粒子都是力學的研究范疇;生物力學是力學與生物學交叉、滲透、融合而形成的一門邊緣性學科,研究內容涉及生物體與力學有關的所有問題;運動生物力學是生物力學的一個分支,主要研究人體運動的規律性。盡管運動生物力學作為一門學科的形成時間並不長,但是人類注意、觀察、分析、研究運動的歷史卻非常悠久。早在15世紀末義大利著名畫家列奧納多·達·芬奇(Leonardo Da Vinci》就提出了人體的運動必須服從於力學定律的觀點。他認為:力學之所以比其他學科更為重要和實用,那是因為所有一切能夠運動的生物體都遵循力學的定律而運動。但事實並非如此簡單。隨著人們對人類活動特別是競技體育運動的廣泛關注和深人研究,人們逐漸發現人體在運動過程中存在著一些與力學定律看起來不太相符的現象。譬如,人在跳遠時為什麼不能採用45°的騰起角?在跑步時後蹬腿的膝關節為什麼不應伸直?這些現象看起來與力學定律相悖,是不是力學定律出現了盲區、錯誤?答案是否定的。原因是人體運動不僅要遵守力學定律,還要受生物特點的制約,對人體運動這種有意識參與的復雜、高級的運動形式,不能僅從一般力學出發來考慮,還應考慮人體的生理特點。因此,要想探索人體運動的真正規律並非易事,需要付出艱巨的努力。
運動生物力學是一門實踐性很強的學科,它的研究領域非常廣泛,既有對人體自身器官,如對人體骨骼、肌肉生物力學特性的研究,也有對人體整體運動,如對各種項目動作技術的診斷;既有對人體模型的力學分析,又有對人體運動的實驗測試。近些年來,隨著現代科學技術的日新月異,尤其是電子學、機械學、材料學、光學、激光技術、感測器技術、計算機技術等相關學科的飛速發展以及社會需求的不斷增長,運動生物力學的研究領域也在不斷拓展,如對人與體育儀器器材關系的研究正朝著又一個新興的邊緣學科——體育工程學發展。人們不僅關注競技體育,也開始重視全民健身,這為運動生物力學的發展提供了一個良好的機緣。在本書中,作者力求瞄準學科前沿、把握學術動態,注重實踐性、系統性,從應用的角度審視現代運動生物力學的理論與方法。
⑹ 人體力學的主要研究領域
競技體育領域
(一)研究動作結構與運動功能間的關系
結構決定功能是力學的基本觀點。在人體運動中,研究人體整體與局部的動作結構、肌肉配布及活動形式、各個器官系統間的協調與發展,是研究運動功能的生物力學基礎,也是運動生物力學理論與實踐研究的基本任務。
(二)研究人體運動技術的力學規律
研究人體運動技術動作的生物力學結構和功能,研究體育教學中人體各項動作技術的生物力學原理,揭示動作結構的力學合理性和運動技術的力學規律性,更好地指導體育教學與運動訓練。
(三)研究運動技術的最佳化
通過對運動員運動技術動作的生物力學診斷,提出合理的、符合生物力學原理的技術動作結構,建立最佳的技術動作方案,並尋求改進技術動作的訓練方案,以提高運動訓練的科學化水平。
(四)研究、設計和改進運動器械
體育運動中,無論人體運動還是器械運動,都是人體與外界或運動器械相互作用的結果。因此,研究、設計和改進運動器械,使之符合生物力學原理,可為運動成績的不斷提高創造條件。此外,健身器械和體育用品的研製為運動生物力學的應用研究提供了豐富的研究課題。
(五)研究運動損傷的原因和預防措施
通過對人體運動系統的生物力學研究和對運動技術的生物力學分析,一方面可以揭示運動系統的形態結構和運動功能的統一臨床治療與康復人體功效性和相互制約性,從而建立合理的運動技術以防止運動系統發生損傷。另一方面可以揭示不同運動動作對人體局部載荷的影響,找出運動系統發生損傷的力學原因和生物學原因,從而採取合理的技術動作和預防措施,以避免運動損傷或選擇合理的生物力學康復手段。
(六)為運動員選材提供生物力學參數
研究各項運動技術的生物力學特徵,構建完成動作所必須滿足的人體形態和功能素質的要求。以人體環節慣性參數對運動功能的影響為例,跳躍運動員要求下肢相對較長,然而,在下肢長度相等的情況下,則應考慮其大、小腿長度之比,顯然,大腿較短、小腿較長更適合運動。
臨床與康復領域
(一)人體力學在臨床治療中的應用
肌骨系統是維持人體宏觀結構的重要器官,肌骨系統生物力學即研究肌骨系統在生理病理條件下運動產生的力、力矩以及相應的變形之間的關系。人體力學研究可以更加清楚地了解人體肌骨系統的生理載荷模式,幫助我們分析非正常運動模式和病理狀態下的力學異常,從而指導治療方案制定和肌骨骨科植入器械的設計。
心血管領域,各類心血管疾病的預防與治療成為全球關注的熱點問題。常見的心血管疾病如:動脈粥樣硬化、動脈瘤、急性血栓等均與人體血液循環系統內的流體力學現象有著密切的關系。生物力學,特別是藉助現代計算機模擬技術和體外細胞力學載入技術開展的研究為心血管疾病的發病機理研究、個性化治療方案制定和具有血流動力學優化特性的血管植/介入物設計提供了理論依據和技術手段。
(二)人體力學在康復工程中的應用
用工程的方法和手段使傷殘者康復,促使其功能恢復,重建或代償,是康復工程在康復醫學中的主要任務。其中,人體力學發揮著非常重要的角色。主要表現在兩個方面:
其一,身體障礙生物力學特徵的測量與分析是康復輔具設計的重要依據。為了使康復輔具達到設計目標,首先需要對障礙的特徵進行有效的測量和評價,而生物力學特徵是生理系統的重要指標之一,因此也是進行康復附件設計的重要依據。
其二,人體與輔具的生物力學交互作用是康復輔具優化設計的重要因素。為了對殘障人的身體障礙進行補償、替代或者修復,康復輔具必須和人體發生交互、生物力學因素在這種交互過程中有著重要的影響。
航空航天等特殊領域
在航空航天等特殊領域,人類面臨長期或短時間的失重或超重環境。這種特殊環境下人體力學主要研究生物體在航空航天動力環境中生理機能變化規律及其防護措施。它既屬於特殊環境生理學范疇,又屬於生物力學范疇。
(一)正加速度對人體的影響:
當殲擊機做盤旋、跟斗、半跟斗翻轉、俯沖改出等曲線飛行時,飛行員頭朝向圓心,受到由足指向頭的向心加速度作用,而慣性離心力則以相反方向作用於人體。飛行員受到持續性正加速度(+Gz)的作用。主要影響如下:
循環系統:血壓變化,心水平以上部位血壓降低,心水平以下部位血壓升高,血液分布改變等。
呼吸系統:胸廓與橫膈重量增加,呼吸肌負荷增大,吸氣費力,吸氣時間延長,以至出現呼吸暫停。肺換氣效能低,動脈血氧飽和度降低等。
視覺功能:眼水平動脈壓降低,出現視力模糊、視野縮小、中心視力喪失等。
腦功能:腦部血液循環障礙引起一時模糊甚至喪失。
(二)失重對人體的影響
失重是航天中遇到的一種特殊環境因素,對人體肌骨系統、心血管系統、免疫系統等均會產生顯著影響。
在長期和重復航天飛行時,骨和鈣代謝的進行性和積累性變化將導致骨密度下降和骨礦鹽含量的再分布。失重引起的骨質降低及鈣、磷代謝負平衡在返回後較難恢復,且可能出現骨折等損傷,影響航天員的健康。
重力負荷的消失將導致人體骨骼肌尤其是抗重力肌的明顯萎縮,並伴有肌纖維類型、代謝方式以及肌肉收縮功能的改變等。失重性肌萎縮的發生不僅影響航天員的在軌飛行時間和工作效率,也嚴重影響了航天員返回地面後的再適應能力。
失重對人體心血管系統具有廣泛的影響,主要表現為航天後立位耐力不良。血液總量減少雖是引起飛行後心血管失調變化的主要原因和必要條件,但非唯一原因,有時甚至並非必要條件。動脈系統功能的變化在航天所致航天員立位耐力不良的發生中可能起到重要作用。