在交叉和融合中发展的生物力学转自科研中国SciEi.com摘要本文在对生物力学简要介绍的基础上，着重讨论了生物力学及其他学科的交叉和融合，并大胆地预测了学科发展的前景。文章最后对力学生物学做了简要介绍，讨论了其中几个关键技术问题。关键词生物力学生物医学工程交叉发展力学生物学1.概述生物力学(Biomechanics)是解释生命及其活动的力学，是力学与医学、生物学等学科相互结合、相互渗透、融合而形成的一门新兴交叉学科。生物力学与生物医学工程的关系就像与力学与其他自然科学的关系一样，它是生物医学工程学的理论基础之一，也是生物医学工程最重要的应用基础之一。如果没有生物力学，则很多生物学的、医学的现象就不可能解释，很多生物学的、医学的问题就难以解决。当然，在共同解决同一生物学或医学问题过程中，生物力学的理论和技术要求也极大地促进了生物医学工程学其他分支的发展。正是在这种没有边界的合作中，生物力学才逐渐完善并发展起来。[1][2]力学是近代自然科学中最先发展起来的，理论体系最完备的学科。它的发展和在各领域应用引领了整个自然科学的革命。与此同时，由于本身的复杂性和特殊性，生物学和医学仍然具有很大的经验性。生物力学本身是将成熟的力学原理应用于医学和生物学，为医学和生物学的理论化和精确化提供服务的一门学科。自产生伊始，交叉性和融合性就作为这门学科的本质而存在，这个本质也奠定了生物力学的地位。2.生物力学与其他学科的交叉和融合2.1生物材料学与生物力学唇齿相依生物材料学(Biomaterial)是研究和人体机体相适应的，以诊断治疗或替换体内组织、器官或增进其功能的材料的一门学科。力学特性是生物材料的基本性质，任何人工的生物材料在与生物体的接触中必须满足一定的力学要求，并保证与生物体的力学相容性。生物材料力学的研究对象就是生物材料所具有的力学特性，狭义的生物材料可以只看作是组成生物体的材料，是生命的基本组成部分。研究其力学性能就要给出生物材料的本构方程。由于生物材料一般并不简单地服从以胡克定律为基础的弹性力学规律，也不单单服从以牛顿粘性定律为基础的流体力学规律，其应力不仅与应变有关，还与流动因素有关，这种研究物质变形的科学为流变学（Rheology）,与生物有关的流变学称为生物流变学（Biorheology）。从某种学科分类角度，生物流体力学和生物固体力学都是对生物材料的力学特性的概括和总结。[3]组织工程学的产生为我们指引了新一代生物材料的方向——组织工程产品。有鉴于组织工程的特殊地位，本文将另外涉及。2．2医学成像和图像处理技术在生物力学研究方法中的重要应用医学成像把生物体中的有关信息以图像的形式提取并显示出来，目前超声成像，CT、磁共振成像，放射性提素成像等已在临床上广泛应用。医学图像处理是对已获得的图像进行分析、识别、分割、解释和分类，包括进行三维重建与显示等。工程上广泛使用的有限元法也是生物力学重要的研究手段之一。有限元模型的建立是进行有限元网格划分和计算的基础，由于生物组织本身难于直接测量的特点，必须借助医学图像来建立模型。目前的方法大多是采用自动或交互式人机对话方式获得CT断层影像的轮廓数据，进而进行三维重建。鉴于国内大多数医院CT机都不具备图像轮廓数据的输出功能，一些学者则采用胶片扫描方法获取CT图像数据，并在扫描CT片时通过设定对比度、亮度等参数来区别不同组织。还有学者研究开发了基于医学图像通讯标准（DICOM）存储格式的图像处理软件。此类软件不仅可以直接读入CT机输出的通用图像数据文件，存储在计算机中；而且还可采用直方图修正法来改善图像质量，采用高斯滤波进行图像平滑以减少噪声，同时又采用Sobel梯度算子检测边缘。[4]2.3硕果累累的的运动生物力学之花运动生物力学（SportBiomechanics）是研究人体运动力学规律的科学，它以体育动作为核心，运用生物学和力学的理论与方法，研究人体运动器系的生物力学特性和人体运动动作规律，并根据影响人体运动的内部和外部条件，寻求人体运动技术的合理性和最佳化。它是体育学、力学和生物学的学科交叉，但并不是学科的简单的、机械的叠加。运动生物力学是生物力学的一个分支,又是体育科学中最具有科技含量的学科之一，从它是形成发展来看,是在近几十年内由普通生物力学的成就而产生的。1972年，在美国宾夕法尼亚大学第四届国际生物力学大会上，运动生物力学从生物力学中独立出来。1980年我国在成立体育科学学会的同时,成立了运动生物力学学会,进一步标志了运动生物力学从生物力学中独立,而成为一门正式学科。但是运动生物力学与生物医学工程学科有着与生俱来的千丝万缕的联系。[5]运动生物力学的任务大致可分为以下几点：（1）人体结构与运动功能之间的相互关系；（2）人体技术动作的规律；