第六章软组织的生物力学;学习目的：本章通过学习人体软组织的生物力学特性，熟练掌握人体软组织的生物力学特性，重点掌握骨骼肌、心肌和平滑肌的结构、功能与其力学特性的关系，为临床应用和研究软组织奠定力学基础。
学习要点：软组织的基本生物力学特性，骨骼肌、心肌和平滑肌各自的生物力学特征。;第一节软组织的基本生物力学特性;软组织的基本生物力学特性
生物软组织具有一定的力学特性，如柔软易变形、富有弹性、有不同程度的抗拉强度，但不能抗弯和抗压等，许多软组织还具有预拉伸应力，如一根肌腱被切断后，会发生自动收缩，需加以外力牵拉方可对接。下面我们拟对软组织的生物力学特性作一阐述：（1）非线性；（2）加载试验时的预调；（3）黏弹性等。;1.非线性
软组织的应力-应变关系不服从胡克定律，而是呈非线性关系。
2.加载试验时的预调
同一份软组织材料，每次加载循环下的载荷-变形曲线都不尽相同，但从每次的循环曲线可以看出，随着循环次数的增加，加载曲线与卸载曲线之间的差别越来越小，两次循环间曲线的形状以及距离上的差别也越来越小。因此，对这一类材料的研究通常应对稳定后的载荷-变形规律进行分析，这就需要进行多次重复加载，使两次循环间曲线接近重叠为止，这一种做法称为预调。;3.黏弹性
软组织材料具有黏弹性，一般来讲，黏弹性具体解释为应力-应变曲线滞后、应力松弛、蠕变等三个特点。
（1）应力-应变曲线滞后：软组织的加载应力-应变曲线与卸载应力-应变曲线不同，如图6-2①所示。形成的闭合曲线称为滞后环。滞后环面积反映了加载与卸载循环过程中能量的损耗。这种特性在完全消除载荷并经过一段时间后，就可以恢复到原有形状并无明显残余畸形，而不同于金属材料的塑性特性。软组织这种与常规弹性材料性质既相似又有所不同的特性称为拟弹性。;（2）应力松弛：软组织在其生理活动过程中，表现出应力松弛现象，图6-2②所示为胆囊的应用力松弛曲线。
（3）蠕变：软组织具有一般生物材料的蠕变特性。;第二节肌肉、韧带、肌腱的生物力学特性;一、肌肉的生物力学特性
肌肉可以在???经的控制下，通过自身的主动收缩而产生运动，从而实现对外界环境以及外界物体的作用。肌肉是化学能转换成为机械功的生物学机器。
动物的肌肉有骨骼肌、心肌和平滑肌三类。它们组织成分相同、收缩的生化机制相近，但在结构、功能和力学性质上有着许多差异。;1.骨骼肌的力学特性
（1）肌肉构造的简化模型：肌肉的构造比较复杂，很难对其做直观的描述，我们简单地把肌肉看做是弹性元和收缩元的联合体，从而建立一个模型，以便于对肌肉的构造进行生物力学研究。
弹性元有并联与串联两类，其力学性质相当于弹簧，要使其发生形变，必须施以外力，力所做的功相当于弹性形变所需的能量。并联弹性元表示肌肉在完全松弛后的力学性质；串联弹性元表示肌质球蛋白微丝、肌动蛋白微丝与连接两种微丝的横桥所组成的结构的力学性质。收缩元对应于肌原纤维节的一些局部，肌动蛋白微丝与肌质球蛋白微丝相互覆盖，当肌肉受激发时，两种微丝之间相对运动，形成的拉力引起肌肉张力和肌肉长度发生变化。;（2）骨骼肌的希尔方程：希尔于20世纪30年代进行了骨骼肌的生物力学研究，他的有关肌肉收缩与产生热能联系的方程式被人们称为“希尔方程”。他以青蛙的缝匠肌为研究试件，将其两端夹紧，使其长度固定为L0。以足够高的频率和电压加电刺激，肌肉挛缩而产生张力T0。然后将一端松开，这样使肌肉的张力降为T，T＜T0，则肌肉纤维以速度V缩短。由此可以测定T、V与T0的关系，以及肌肉发生短缩时产生的热能与维持肌肉挛缩所需的热能。;根据热力学第一定律：E＝A+S+W，E代表肌纤维单位时间内释放的能量，A代表肌纤维单位时间内保持的热量，S代表肌纤维单位时间内的收缩热，W=TV，代表肌纤维单位时间内所做的功。
当长度不变时，S和W都为0，因此E=A；
当长度改变时，S+W=E﹣A=b（T0﹣T），b是一个常数。
进而假设，S=aV，a为常数，而已知W=TV，那么b（T0﹣T）=aV+TV，则有aV+TV=bT0﹣bT，等式的两边分别加上一个ab，就得出下面的公式：（a+T）（V+b）＝b（T0﹣a）。;这就是著名的希尔方程。当肌肉处于挛缩状态时，T=0，则T0=a/b，张力是个常数，因此在单位时间内从化学反应获得的机械能是个常量；当肌肉缩短时，V与T成反比，张力越大，则缩短速率越小，张力越小，则缩短速率越大。这与普通的黏弹性材料是完全不一致的。;2.心肌的力学特性
心脏正常工作时的静息张力是心肌和骨骼肌最重要的区别，它确定了心脏的舒张末期容量，并由此而得到心搏量，而舒张末期的容??又取决于舒张状态时心肌的应力-应变关系。在正常骨骼肌力学中，它的静息张力可完全忽略不计，而在心脏中，这是不能忽略的。另外正常体内的骨骼肌的收缩都属于强直收缩