生物力学

发布时间: 2014-05-30      访问次数: 1580

生物力学

李志勇

 

       生物医学工程学科的基本内涵是应用物理(力学)、化学、数学等基础学科以及电学、光学、材料学、计算机科学、信息科学等工程学科原理和方法来研究生物学和医学问题,定量认识生命现象和生物学过程的基本规律,提升人类健康保障与重大疾病诊治水平。目前生物医学工程学科的主要方向包括生物力学、生物材料、组织工程与再生医学、康复工程与人工器官、生物医学图像、生物电子学,以及介入医学、放射医学、医学超声、生理建模、生物医学信息学、人工智能等。生物力学作为生物医学工程学科的最基础方向之一,主要是研究生物与力学有关问题的科学,即运用力学原理、理论和方法深化对生物学和医学问题的定量认识,从而理解生命体的运动规律、量化生命介质的结构-功能关系。生命体始终处于力学环境之中,其生物学过程受到不同力学环境的调控,表现为多因素、非线性、多尺度、交互作用等基本特征。生物力学在定量认识生命现象和生物学过程,发展疾病诊治的新概念、新技术和新方法等方面起到了关键和重要作用。

    生物力学作为力学学科的一个新兴分支,将力学的基本原理和方法应用于生命体的研究,在复杂环境、多尺度、多场耦合等方面极大地丰富和发展了力学学科的内涵,拓展并赋予力学科学新的生命力。同时,作为生物医学工程学科的基础,将理论模型、数值模拟、实验测定、结构预测、功能验证等研究思想、方法论和新技术应用生物医学不同尺度的定量化研究,有力地推动了生物医学工程仪器、医疗器械的研发,提升新药研制的能力,并促进了组织工程、再生医学、康复工程等新兴应用领域的出现和发展。因此,生物力学学科在推动力学、物理学、生物学、医学等相关学科的发展具有重要地位。目前生物力学的主要研究方向包括1)血管生物力学、2)骨骼-肌肉生物力学、3)分子-细胞生物力学、4)力学生物学、5)生物材料力学与仿生力学等。

       现代生物力学研究始于上世纪60年代。被誉为“现代生物力学之父”的著名华裔力学家冯元桢教授(Y. C. Fung)于60年代初期辞去在加州理工学院的终身教授职位、转而在加州大学圣迭戈分校筹建生物工程系,从而开创了生物力学研究领域。我国生物力学研究始于上世纪70年代末期,其中,1979年冯元桢教授回国讲学和开设生物力学讲习班,直接推动了我国生物力学研究的起步。几十年来,生物力学的研究队伍逐渐在国内众多高校迅速形成,目前我国生物力学学科蓬勃发展,方兴未艾。我院的生物力学学科发展也与冯元桢教授早有渊源。其中,早在1997年冯元桢教授曾访问我校并作学术报告。冯元桢教授于1919年生于江苏武进,毕业于我校的前身---中央大学,为我校校友。现为美国国家科学院院士、美国国家工程院院士、美国国家医学院院士、中国科学院外籍院士及台湾中央研究院院士。2000年获美国科学最高荣誉“美国国家科学奖章”,为获此殊荣首位生物工程学家;2007年获地位堪比诺贝尔奖的“拉斯奖”(Russ Prize);另有美国“百年大奖”、美国国家工程院“奠基者奖”等。

       

1997年冯元桢教授访问我校并作学术报告

 

    我院生物力学学科方向的建设始于2010年初我从剑桥大学回国后建立的生物力学实验室。目前我院的生物力学方向主要集中在血管生物力学,特别是针对动脉粥样硬化的形成、生长和破裂的生物力学机理以及相应的临床诊断方法方面的研究。紧紧围绕着力学因素如何影响动脉粥样硬化病变过程这一关键科学问题,系统地研究血流剪切力和血管壁应力对动脉粥样硬化发生发展的作用机理。主要侧重在医、工交叉融合,围绕临床的需求,发展出了一系列具有巨大临床应用前景的易损斑块和血管瘤的个体化的分析检测和早期预警方法。

       目前生物力学实验室的研究主要集中在三个方向:①、血流动力学研究;②、心血管介入治疗的手术仿真和规划;③、动脉粥样硬化斑块生长、破裂机制及易损斑块的预测。心脑血管疾病是严重威胁人类生命和健康的“头号杀手”。据世界卫生组织公布的数据显示,全球每2秒钟就有1人死于心脑血管疾病。我国平均每小时有300人死于心脑血管疾病。2009年世界卫生组织报告指出:我国现正处于心脑血管病的“流行顶峰”,并且该高峰将持续到2020年。我国每年用于心血管病的直接医疗费用已达1300亿元,其中用于高血压的达366亿元,给国家和人民带来沉重的经济负担,因此,充分认识心脑血管疾病的严重性,提高预防与治疗水平,降低血管疾病的发病率、致残率和死亡率是当务之急。易损斑块的早期识别和诊断是防治心脑血管病的关键。动脉粥样硬化斑块破裂和继发血栓形成是急性冠状动脉综合症和脑卒中等血管疾病发生的主要原因。动脉粥样硬化本身不一定足以致命,斑块破裂或腐蚀后继发血栓的形成才是致病的决定因素。而斑块常在没有任何预兆的情况下破裂,从而引起中风或心肌梗死等血管综合症。动脉粥样硬化的发病机制和生物力学研究密切相关。血管生物力学研究的主要目的是深入认识心血管疾病(动脉粥样硬化)局部性的发病机理,从而设计出与之对应的干预措施以防止或延缓疾病的发生。体内血流流场具体、精细化的研究不但能有助于揭开动脉粥样硬化局部性现象之迷,还有助于器官移植、心血管介入治疗的手术规划以及心血管疾病的药物治疗。主要方法是基于医学成像技术、计算机图形处理、计算机数值模拟、力学计算等手段,对每一个需要进行心血管外科或介入手术治疗的患者进行手术方案优化设计,向临床医生提出包括搭桥血管几何形状、位置、物理特性等参数的定量数据,以使术后重建的心血管部位的流场尽可能地满足最佳血流动力学要求,从而得出优化的手术方案,其目标的实现将会对心血管介入手术具有革命性的意义。

       心脑血管疾病作为一种严重威胁人类健康的常见病,具有“发病率高、致残率高、死亡率高、复发率高,并发症多”(“四高一多”)的特点,已成为人类致病率和致死率最高的头号杀手,因而始终得到医学领域的极大关注。另一方面,生物力学作为一个严谨的,定量的学科,已经并将继续给传统医学研究提供强大的诊疗手段和方法。对心脑血管疾病的诊断和治疗,要求对其有关的病理生理过程有更准确的定量的认识。深入了解血管病理生理过程中的力学机制,为血管疾病的预警、诊断、防治,以及对人类健康的保障和干预等方面提供新思路,具有十分重要的理论和现实意义。我院生物力学学科未来的发展也将紧密围绕血管疾病的认识、预警和防治,从而发展系统的理论、方法和技术手段。作为生物医学工程的最基础学科方向,为学科的发展和进步奠定基础。