Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissues（バイオメカニクス：生体組織の力学的性質）

引用

Fung, Y. C. (1993). Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissues (2nd ed.). Springer.

章の要約

本書は、著者による三巻本のバイオメカニクスの第 1 巻である。他の二巻は Biodynamics: Circulation と Biomechanics: Motion, Flow, Stress, and Growth である。主題は生体組織の力学的性質で、材料ごとに応力とひずみを結びつける構成方程式を通して扱う。全 12 章は、歴史と構成方程式の考え方に始まり、流体と細胞を経て、軟組織と硬組織へと進む。第 2 版は約 570 ページである。

第 1 章：Introduction: A Sketch of the History and Scope of the Field

この分野の歴史と範囲の概観で本巻が始まる。

第 2 章：The Meaning of the Constitutive Equation

構成方程式とは何か、なぜそれが材料を記述する出発点になるのかを説明する。以後の章は、この見方で一つずつ材料を取り上げていく。

第 3 章：The Flow Properties of Blood

血液の流動特性を扱う。詳しく検討される最初の材料である。

第 4 章：Mechanics of Erythrocytes, Leukocytes, and Other Cells

バルクの流体としての血液から、その中の個々の細胞およびその他の細胞の力学へ移る。

第 5 章：Interaction of Red Blood Cells with Vessel Wall, and Wall Shear with Endothelium

血球と血管壁の相互作用、および流れる血液がかける壁せん断応力が内皮にどう作用するかを検討し、流体と細胞の各章を血管へとつなぐ。

第 6〜7 章：Bioviscoelastic Fluids; Bioviscoelastic Solids

粘弾性挙動を扱う二つの章で、まず生体流体、次に生体固体を論じる。両者で構成方程式の議論が時間依存挙動へと拡張される。

第 8 章：Mechanical Properties and Active Remodeling of Blood Vessels

血管の力学的性質と、その能動的なリモデリングを扱う。

第 9〜11 章：Skeletal Muscle; Heart Muscle; Smooth Muscles

三種類の筋を一つずつ取り上げる三つの章。

第 12 章：Bone and Cartilage

骨と軟骨で巻を閉じる。

主要概念

第 1〜2 章：範囲と構成方程式

• 構成方程式：応力とひずみ（流体では変形速度）を結びつけ、材料の性質を特徴づける関係式。
• 三巻本の計画：本巻は材料の性質を扱い、循環や、運動・流れ・応力・成長といったより広い問題は、著者の他の巻で扱われる。

第 3〜5 章：血液と細胞

• 血液の流動特性：流体としての血液のレオロジー。
• 細胞の力学：赤血球、白血球などを変形する物体として捉える。
• 壁せん断応力と内皮：流れる血液と血管内面の相互作用。

第 6〜8 章：粘弾性と血管

• 生体粘弾性：生体の流体と固体の時間依存的な挙動。
• 能動的リモデリング：条件に応じた血管の性質の変化。

第 9〜12 章：筋、骨、軟骨

• 筋の種類：骨格筋、心筋、平滑筋がそれぞれ別の章で扱われる。
• 骨と軟骨：最終章が二つの組織をまとめて扱う。

批判的分析

長所

• **明確な目標。**序文は、生体工学、生理学、医学の立場から生体力学を包括的に見渡し、一連の問題と例を通して力学を展開することを目的とすると述べている。
• **一貫した主軸。**第 2 章が構成方程式の意味を述べ、残りの章が血液、細胞、血管、筋、骨、軟骨を順に扱うため、全体が一貫した構想として読める。
• **幅広い組織の網羅。**目次は、流体、個々の細胞、血管、三種の筋、骨と軟骨を一巻に収めている。
• **新しい研究に合わせた改訂。**第 2 版の序文は、1980 年代に組織の力学的性質の理解に影響した進展を詳しく記述し、参考文献を更新したと述べている。

短所

• **高度な力学を前提とする。**序文によれば、力学の予備知識は著者の A First Course in Continuum Mechanics（第 3 版、1993）の水準である。読み始める前に連続体力学が必要となる。
• **三巻のうちの一巻。**循環や、運動・流れ・応力・成長の問題は他の巻にあるため、本書だけでは生体力学の授業として完結しない。
• **内容の古さ。**第 2 版は 1993 年に出ており、参考文献もその時点までである。以後の実験・計算の成果は含まれない。
• **組織別の構成。**章が組織の種類ごとに並ぶため、必要な材料がすでに分かっている読者に最も役立つ。入門書というよりは専門書である。

コースにおける位置づけ

生体力学のコースでは、これは組織の性質に関する専門書にあたる。Knudson の Fundamentals of Biomechanics は人間の運動を中心に据え、Özkaya らの Fundamentals of Biomechanics: Equilibrium, Motion, and Deformation は入門水準で身体の解析に必要な力学を教える。どちらも自然な最初の一冊である。Ethier と Simmons の Introductory Biomechanics: From Cells to Organisms、Humphrey と O'Rourke の An Introduction to Biomechanics: Solids and Fluids, Analysis and Design は連続体力学を展開する授業用教科書で、Biomechanics: Principles and Applications はこの分野を広く扱う。

Fung の本はそれらのいずれかのあとに読む。血液、血管壁、筋、軟骨の構成則がどこから来て、どのような根拠に支えられているのかを知りたいときに開く本である。

本書の使い方

連続体力学と生理学の知識をすでにもつ、生体医工学・機械工学・生理学の大学院生や研究者に向く。組織や臓器の挙動のモデルを作り、構成上の仮定をさかのぼる必要がある人にも役立つ。

実用的な進め方は次のとおり。

• **中核：**まず第 1 章と第 2 章。方法が定められているためである。その後に、関心のある組織の章を読む。心血管の力学なら第 3〜5 章と第 8 章、軟組織のモデリングならさらに第 6〜7 章を加える。
• **筋・骨・軟骨：**第 9〜12 章はそれぞれ別の組織を扱うので、プロジェクトに関わる章へ直接進んでよい。
• **併用：**記号や背景のために連続体力学の教科書を手元に置き、序文の意図どおりに問題に取り組む。このシリーズの他の二巻は、循環や、運動・流れ・応力・成長といった広い問題を扱う。

各章を読むときは同じ三つの問いを立てるとよい。どのような実験が使われているか、どのような構成形式が提案されているか、その形式の妥当性は何によって限られるか、である。