淺談流體知識(shí)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用

摘 要 本文針對(duì)醫(yī)學(xué)物理學(xué)教材中醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面的素材不夠豐富，不能有效吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)動(dòng)力這個(gè)問題，以流體的運(yùn)動(dòng)這一章為例，就流體運(yùn)動(dòng)知識(shí)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用從三個(gè)方面作了一個(gè)簡(jiǎn)單歸納，可以豐富教學(xué)內(nèi)容，僅供教與學(xué)中參考。

關(guān)鍵詞 醫(yī)學(xué)物理學(xué) 流體知識(shí) 醫(yī)學(xué)應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TM271 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 血液循環(huán)系統(tǒng)中的血流特點(diǎn)

1.1 循環(huán)系統(tǒng)中重力的作用

體位變化對(duì)血壓有很大影響。假設(shè)某人心臟部位的動(dòng)、靜脈壓分別是13.3kPa和0.27kPa。取平臥時(shí)頭部、足部的動(dòng)脈壓均為12.66kPa，靜脈壓均為0.67kPa。當(dāng)取站立位時(shí)，頭部的動(dòng)、靜脈壓分別減少5.87 kPa，而變?yōu)?.79 kPa和-5.20 kPa；足部的動(dòng)、靜脈壓則分別增加11.73kPa，而變?yōu)?4.39kPa與12.40kPa。

為什么會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象呢？這是因?yàn)樵谶@種體位的變化過(guò)程中，血流速度的變化很小可忽略，依據(jù)伯努利方程： + = + ，高處的壓強(qiáng)小，低處的壓強(qiáng)大。相對(duì)于心臟，頭部的位置升高，所以血壓降低；足部的位置降低，所以血壓升高。

1.2 循環(huán)系統(tǒng)中的血壓分布

根據(jù)粘性流體的伯努利方程： = >0，粘性流體在流動(dòng)過(guò)程中壓強(qiáng)逐漸下降。血液是粘性流體，它的流動(dòng)必須就依靠壓強(qiáng)差來(lái)維持。因此從主動(dòng)脈到腔靜脈血壓是依次遞降的。正常人體主動(dòng)脈平均血壓約為13.3kPa，進(jìn)入小動(dòng)脈約為11.3kPa，到毛細(xì)血管約為4kPa，靜脈已降至1.33kPa。

1.3 循環(huán)系統(tǒng)中的血流速度

靜息狀態(tài)，心室輸出與心房回流的流量相等。由連續(xù)性方程： = ，截面積大的地方流速小，截面積小的地方流速大。分析可知由于各段血管的總截面積不等，流速也必不同。毛細(xì)血管的總截面積最大，血液在此段流速最小，平均約為0.4～1mm/s。主動(dòng)脈只有一根，總截面積最小，血液在其中的流速就最大，達(dá)250～500mm/s。

2 渦流在心血管疾病診斷中的作用

層流指粘性液體分層流動(dòng)，各層之間只作相對(duì)滑動(dòng)而不混雜，液粒流沿著流線運(yùn)動(dòng)。層流時(shí)液體的速度分布較窄，方向一致。正常的血流狀態(tài)為層流。

湍流的速度分布不同于層流，粘性液體不再保持分層流動(dòng)，各層之間相互混雜，液粒流不再沿著流線運(yùn)動(dòng)，甚至出現(xiàn)旋渦。其消耗的能量比層流多。湍流區(qū)別與層流的特點(diǎn)之一是它能發(fā)出聲音。湍流時(shí)，速度梯度大。

雷諾根據(jù)大量的試驗(yàn)，歸納出一個(gè)無(wú)最綱的量，作為判斷流體流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)則，這個(gè)量稱為雷諾數(shù)，用Re表示。粘性液體的流動(dòng)形態(tài)除與速度有關(guān)外還與流體的密度、粘度以及管子半徑等有關(guān)。圓管的臨界雷諾數(shù)為Re=2000，當(dāng)Re<2000時(shí)，流動(dòng)為層流，當(dāng)Re>2000時(shí)，即認(rèn)為流動(dòng)已經(jīng)是湍流。

在湍流中最常出現(xiàn)一種現(xiàn)象就是渦流。渦流本質(zhì)上也是湍流，是由于速度不同的各層液體之間的摩擦所產(chǎn)生。渦流除速度梯度大的性質(zhì)外，液粒流還具有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的特性。

流體從小直徑的管道流經(jīng)大直徑的管道，由于流體有慣性，它不可能按照管道的形狀突然擴(kuò)大，而是離開小管后逐漸擴(kuò)大。因此，在管壁拐角與流束之間形成漩渦，漩渦靠主流束帶動(dòng)著旋轉(zhuǎn)，主流束把能量傳遞給漩渦，漩渦又把得到的能量消耗在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中（變成熱而消散）。流體從大直徑的管道流往小直徑的管道，流線必須彎曲，流束必定收縮。當(dāng)流體進(jìn)入小直徑管道后，由于流體有慣性，流束將繼續(xù)收縮直至最小截面，而后又逐漸擴(kuò)大，直至充滿整個(gè)小直徑截面。顯然，在流束收縮處，流束與管壁之間有一充滿小漩渦的低壓區(qū)。

人體血液動(dòng)力學(xué)中，渦流是心血管中雜音產(chǎn)生的基本原因。旋渦發(fā)放距離（vortex shed distance）是指從狹窄口到最早出現(xiàn)湍流的部位的長(zhǎng)度，實(shí)際上也就是射流束的長(zhǎng)度。

在有些情況下，由于旋渦產(chǎn)生距離較大，使得射流后湍流區(qū)出現(xiàn)于另一心腔而引起判斷困難。做多普勒超聲心動(dòng)圖檢查時(shí)，如果未能發(fā)現(xiàn)射流區(qū)，湍流的發(fā)現(xiàn)則僅能證明有病變存在。這時(shí)檢查者必須確定引起湍流的狹窄部位。在有房室通道和二尖瓣返流的病人，由于旋渦產(chǎn)生距離較長(zhǎng)而不能在左房?jī)?nèi)發(fā)現(xiàn)湍流，首先發(fā)現(xiàn)有湍流的心腔是右心房。這是由于射流束較長(zhǎng)，從二尖瓣發(fā)出后通過(guò)房間隔缺損進(jìn)入右房，因而射流后湍流區(qū)位于右房?jī)?nèi)。對(duì)這樣的病人要作出正確診斷須注意尋找射流。

3 流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用

隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的飛速發(fā)展，小型化、精密化已成為機(jī)械工程的一個(gè)發(fā)展方向。在此影響下，運(yùn)用空氣或某些氣體的氣動(dòng)系統(tǒng)和密封良好的液壓系統(tǒng)正大步走入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，為許多醫(yī)療設(shè)備提供了精密的控制和傳動(dòng)手段。

3.1 氣動(dòng)元件在血壓測(cè)量設(shè)備中的應(yīng)用

用精密的振蕩測(cè)量技術(shù)來(lái)測(cè)量病人的血壓已經(jīng)越來(lái)越普遍，這樣可以使血壓測(cè)量的數(shù)據(jù)幾乎不受操作醫(yī)生技術(shù)的影響。美國(guó)Parker Hannifin公司制造了這種用途的超小型氣動(dòng)閥。這種技術(shù)需要一個(gè)類似于普通血壓計(jì)使用的充氣袖套，一個(gè)壓力源（通常是一個(gè)氣泵）、一個(gè)單向閥、兩個(gè)常開的數(shù)字電磁閥和一個(gè)壓力傳感器。醫(yī)生只要把袖套套在病人手臂上，接下來(lái)的操作和血壓顯示都是自動(dòng)的。當(dāng)袖套被充氣到標(biāo)準(zhǔn)大氣以上250mmHg后，兩個(gè)電磁閥中的一個(gè)開始重復(fù)的開關(guān)動(dòng)作，使袖套中的壓力逐步下降到8mmHg，其間每一步都是利用充氣袖套感應(yīng)病人的動(dòng)脈搏動(dòng)而產(chǎn)生一個(gè)振蕩信號(hào)，并利用這個(gè)信號(hào)反饋調(diào)整袖套中的壓力。同時(shí)，這些振蕩脈沖由傳感器采集并在示波器上顯示出波形，血壓測(cè)量設(shè)備隨后插值分析這些波形便可確定病人收縮壓和舒張壓的讀數(shù)并顯示出來(lái)。

3.2 比例氣動(dòng)技術(shù)在尖端外科手術(shù)中的應(yīng)用

機(jī)械小型化和比例氣動(dòng)控制技術(shù)已被驚人地結(jié)合進(jìn)醫(yī)學(xué)高科技之中。國(guó)外的外科醫(yī)生正在用一個(gè)微型的、超高速的、尖銳的旋轉(zhuǎn)金鋼石磨具，從病人動(dòng)脈內(nèi)壁磨去血小板、膽固醇等沉積物，除去動(dòng)脈血管阻塞和硬化的潛在危險(xiǎn)。這種技術(shù)顯然比以前使用的氣囊血管擴(kuò)張手術(shù)更有前途。高速轉(zhuǎn)的磨具實(shí)際上是除去血管堵塞物而不僅僅是把它們擠開一點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)是恢復(fù)了光滑清潔的動(dòng)脈壁和維持較長(zhǎng)期的手術(shù)效果，并不會(huì)由于氣囊的過(guò)度擴(kuò)張損傷動(dòng)脈血管。

3.3 液壓裝置在醫(yī)療器件中的應(yīng)用

要把液壓裝置引入醫(yī)院使用的關(guān)鍵是要液壓系統(tǒng)噪音小、不漏油、沒有異味、體積小能夠安裝在不易看到的地方。這樣的液壓件也會(huì)很受歡迎地使用于醫(yī)院中的病床驅(qū)動(dòng)裝置、檢查臺(tái)、X光設(shè)備、加速運(yùn)動(dòng)臺(tái)和其它生理檢查和治療設(shè)備中。

參考文獻(xiàn)

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