第一章
生物力學簡述
近年來，生物力學的相關議題在各領域持續發展，同時亦有許多令人振奮的新發現。由於時代進步與設備的改良，骨科研究的範圍變得相當廣泛，議題有小至細胞的力學刺激反應，亦有大至肢體的動作分析。生物學與力學間的關係可謂是近來最熱門的課題，而相關的新興研究報告包含應用骨與軟骨病理學的遺傳基礎探討，骨質疏鬆及退化性關節炎等常見的病症機制。其他熱門探討的骨骼肌肉相關議題包括組織工程、生物醫學材料的應用、肌腱與韌帶的修補、人工植入物以及顯微組織的力學性質。此外，目前有許多跨領域的生物力學相關研究議題，如以不同形態的力學環境刺激細胞，觀察其生理變化及回應。而部分新的研究方法包括以計算機（如有限元素模型）模型模擬顯微構造（如鬆質骨架構）的力學機制及一些相對長期的活體研究。總之，生物力學是一門相當廣泛的科學，其主要是促進臨床手術技術、手術器械以及人工植入物的進步，如骨折固定模式、人工關節組件設計、義肢等方面均是生物力學對於臨床的主要貢獻。
生物力學（biomechanics）一詞，是由生物學（biology）與力學（mechanics）二字所集合而成。由字面上淺顯地解釋為一門以力學理論和方法，探討人體及其他生命體有關力學問題的學科。事實上若要進一步了解生物力學這個領域，應該從歷史的因果關係開始。在1638年，Galileo在他的著作《Two New Sciences》中便導入了「力學」一詞，並概述其包含了一切物體及物質在靜、動態的敘述與力量、速度之間的關係。力學應用於眾多課題，包括材料中應力與應變的分布、對於材料力學性質的敘述、材料的強度與不同受力模式下的破壞模式、流體力學與粒子的運動、熱流、質傳、結構力學與強度、波動與震波問題。這些課題看似近乎工程的領域，很難跟生命科學問題相連。但是在重力場下，環顧任何生物體組織、器官所構成的生理系統中，從分子生物層次所有化學分子間的互動與傳遞，到器官如何發揮其生理功能，再到整個個體的運動控制，幾乎很難找到生物體中哪一個器官的運作不包含在以上所敘述的力學課題中。
自1960年起至今，更為生物力學蓬勃發展的一個重要時期，當代物理科學中的靜力學、動力學、固體力學、流體力學等學科均開始涉及生命科學領域，進而形成一門獨特的新興學科─生物力學。其中骨與關節的力學研究在生物力學領域占有相當的地位。所謂骨科生物力學（orthopaedic biomechanics），即是應用生物力學的方法來解決骨科遇到的問題。眾所皆知，骨骼肌肉系統為生物體組織，在胚胎時間，不同物種藉由不同的遺傳物質，而發生成為不同形態的骨骼肌肉系統。但是骨骼肌肉因其獨特的生理代謝方式而有所謂的重塑性（remodeling）。也就是在個體生長過程中，會因不同的力學刺激而改變骨骼功能性適應（function adaptation）。了解骨骼肌肉系統在個體一生中如何受周圍力學環境的影響，就不難發現以治療骨骼肌肉系統疾病為主的骨科是多麼需要將生物力學概念納入整體思考的一個領域了。
骨科生物力學將工程原理，特別是機械力學原理應用於臨床醫學。這個跨工程、醫學的學科開始為臨床骨科與相關基礎研究做貢獻。藉由工程師般的專業與思考方式，骨科生物力學讓一些原本束手無策的問題得以解決，甚至更上一層樓。舉例來說，人工關節置換術的發明與臨床應用減輕了退化性關節炎患者的痛苦，不啻為一大福音。然而，隨著臨床病例的長期追蹤及骨科生物力學方面的深入研究得以發現存在於舊式人工關節的諸多問題。如磨損、對位、穩定度與自由度的取捨、關節運動學的改變等因素都會影響人工關節的功能與壽命。這些問題的發現也促使生物力學工程師運用專業並設計更佳的人工關節產品，以達到更好的臨床結果。骨科生物力學對於臨床骨科的重要性與價值，在此不言而喻。
生物力學是一門跨領域的學科，藉由工程師參與臨床醫學問題的探討，使得臨床上治療手段及新器械能夠日新月異，賦予臨床更新的生命。經過30年來的驗證，生物力學也的確為臨床醫學的發展起了重要作用。進入21世紀的今天，進步的腳步只會不斷地加快。為了適應日益精進的醫療科技與仍然殷切的醫療需求，「合作」仍是最好的模式，這也代表生物力學這種具有「合作」本質的學科現正方興未艾、蓄勢待發。臨床醫師迫切需要了解力學的原理與應用；而熟知力學原理的工程人員則應知道臨床上所遇到的問題與需求。如此相助相成，才能發揮「合作」的最大力量，為患者的健康做出最大的貢獻。
1.1 生物力學定義
1.2 生物力學轉譯應用
轉譯醫學（Translational medicine，也稱做轉化醫學）是指將基礎醫學的研究，能夠直接和臨床治療上連結的一個新的思維。在臨床上可以應用生物力學的基礎及研究來進行轉譯，以圖1-1來看，生物力學應用方法可以包括人體或體內實驗、體外實驗、電腦計算機模擬以及臨床隨訪分析等主要方法，在這些方法之下，利用適合的儀器輔助分析，便可以透過臨床醫學轉譯，將臨床發現實際得到治療方式的回饋及改進。
1.3 基本材料力學
大部分的力學基礎都是架構在牛頓三大定律之下，力學（mechanics）是物理學的一個分支，係研究物體受力作用後，保持靜止或運動的情形。通常力學分為三大領域，即：
1.剛體力學（rigid-body mechanics）
2.可變形體力學（deformable-body mechanics）
3.流體力學（fluid mechanics）
剛體力學又可分為：
1.靜力學（statics）：靜力學係探討物體受力後，保持靜止不動或維持等速運動的平衡狀態。
2.動力學（dynamics）：動力學則探討物體受力後，產生加速度運動的平衡情形。
材料力學主要是研究材料在各種外力作用下產生的應變、應力、強度、勁度和導致各種材料破壞的極限及模式。在人體應用上，材料力學可以更為實際地探討組織材料及結構的受力結果及破壞模式。
1.3.1 應力與應變
在生物力學要探討組織結構受力之後產生的變化必須先提到應力及應變的基本定義（參考圖1-2）。
1.應力（Stress）：單位面積上所受之力稱為應力，一般以σ表示之。應力(σ) = 荷重(F)／荷重承受之面積(A)
(1)拉應力：材料受拉力時，其內部所產生之單位應力稱之拉應力，一般以σt表示之。
(2)壓應力：材料受壓力時，其內部所產生之單位應力稱之壓應力，一般以σc表示之。
2.應變（Strain）：物體受外力時，其長度變形量和原來長度的比例。應變(ε) =長度變形量(ΔL)／原長度(L)
1.3.2 彈性模數與勁度
在進行材料力學分析時，大多數的狀態是材料結構存在於彈性區域範圍內。材料力學中，彈性的定義為當材料受外力作用而產生變形時，將外力移除之後，則變形恢復原來狀態，此恢復特性稱之為彈性。
在材料的彈性區域內，結構受到力量作用時，會對應地產生形變，力量與變形量的比值為一固定值（稱之為勁度（Stiffness））（圖1-3），此關係遵守著虎克定律（Hook’s Law）。
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