淺談流體知識的醫學應用

摘 要 本文針對醫學物理學教材中醫學應用方面的素材不夠豐富，不能有效吸引學生的學習興趣，學生缺乏學習動力這個問題，以流體的運動這一章為例，就流體運動知識在醫學中的應用從三個方面作了一個簡單歸納，可以豐富教學內容，僅供教與學中參考。

關鍵詞 醫學物理學 流體知識 醫學應用

中圖分類號：TM271 文獻標識碼：A

1 血液循環系統中的血流特點

1.1 循環系統中重力的作用

體位變化對血壓有很大影響。假設某人心臟部位的動、靜脈壓分別是13.3kPa和0.27kPa。取平臥時頭部、足部的動脈壓均為12.66kPa，靜脈壓均為0.67kPa。當取站立位時，頭部的動、靜脈壓分別減少5.87 kPa，而變為6.79 kPa和-5.20 kPa；足部的動、靜脈壓則分別增加11.73kPa，而變為24.39kPa與12.40kPa。

為什么會出現上述現象呢？這是因為在這種體位的變化過程中，血流速度的變化很小可忽略，依據伯努利方程： + = + ，高處的壓強小，低處的壓強大。相對于心臟，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 循環系統中的血壓分布

根據粘性流體的伯努利方程： = >0，粘性流體在流動過程中壓強逐漸下降。血液是粘性流體，它的流動必須就依靠壓強差來維持。因此從主動脈到腔靜脈血壓是依次遞降的。正常人體主動脈平均血壓約為13.3kPa，進入小動脈約為11.3kPa，到毛細血管約為4kPa，靜脈已降至1.33kPa。

1.3 循環系統中的血流速度

靜息狀態，心室輸出與心房回流的流量相等。由連續性方程： = ，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。主動脈只有一根，總截面積最小，血液在其中的流速就最大，達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，各層之間只作相對滑動而不混雜，液粒流沿著流線運動。層流時液體的速度分布較窄，方向一致。正常的血流狀態為層流。

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

雷諾根據大量的試驗，歸納出一個無最綱的量，作為判斷流體流動狀態的準則，這個量稱為雷諾數，用Re表示。粘性液體的流動形態除與速度有關外還與流體的密度、粘度以及管子半徑等有關。圓管的臨界雷諾數為Re=2000，當Re<2000時，流動為層流，當Re>2000時，即認為流動已經是湍流。

在湍流中最常出現一種現象就是渦流。渦流本質上也是湍流，是由于速度不同的各層液體之間的摩擦所產生。渦流除速度梯度大的性質外，液粒流還具有旋轉運動的特性。

流體從小直徑的管道流經大直徑的管道，由于流體有慣性，它不可能按照管道的形狀突然擴大，而是離開小管后逐漸擴大。因此，在管壁拐角與流束之間形成漩渦，漩渦靠主流束帶動著旋轉，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運動中（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。當流體進入小直徑管道后，由于流體有慣性，流束將繼續收縮直至最小截面，而后又逐漸擴大，直至充滿整個小直徑截面。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。

人體血液動力學中，渦流是心血管中雜音產生的基本原因。旋渦發放距離（vortex shed distance）是指從狹窄口到最早出現湍流的部位的長度，實際上也就是射流束的長度。

在有些情況下，由于旋渦產生距離較大，使得射流后湍流區出現于另一心腔而引起判斷困難。做多普勒超聲心動圖檢查時，如果未能發現射流區，湍流的發現則僅能證明有病變存在。這時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，由于旋渦產生距離較長而不能在左房內發現湍流，首先發現有湍流的心腔是右心房。這是由于射流束較長，從二尖瓣發出后通過房間隔缺損進入右房，因而射流后湍流區位于右房內。對這樣的病人要作出正確診斷須注意尋找射流。

3 流體動力學技術的醫學應用

隨著現代制造技術的飛速發展，小型化、精密化已成為機械工程的一個發展方向。在此影響下，運用空氣或某些氣體的氣動系統和密封良好的液壓系統正大步走入醫學領域，為許多醫療設備提供了精密的控制和傳動手段。

3.1 氣動元件在血壓測量設備中的應用

用精密的振蕩測量技術來測量病人的血壓已經越來越普遍，這樣可以使血壓測量的數據幾乎不受操作醫生技術的影響。美國Parker Hannifin公司制造了這種用途的超小型氣動閥。這種技術需要一個類似于普通血壓計使用的充氣袖套，一個壓力源（通常是一個氣泵）、一個單向閥、兩個常開的數字電磁閥和一個壓力傳感器。醫生只要把袖套套在病人手臂上，接下來的操作和血壓顯示都是自動的。當袖套被充氣到標準大氣以上250mmHg后，兩個電磁閥中的一個開始重復的開關動作，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病人的動脈搏動而產生一個振蕩信號，并利用這個信號反饋調整袖套中的壓力。同時，這些振蕩脈沖由傳感器采集并在示波器上顯示出波形，血壓測量設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并顯示出來。

3.2 比例氣動技術在尖端外科手術中的應用

機械小型化和比例氣動控制技術已被驚人地結合進醫學高科技之中。國外的外科醫生正在用一個微型的、超高速的、尖銳的旋轉金鋼石磨具，從病人動脈內壁磨去血小板、膽固醇等沉積物，除去動脈血管阻塞和硬化的潛在危險。這種技術顯然比以前使用的氣囊血管擴張手術更有前途。高速轉的磨具實際上是除去血管堵塞物而不僅僅是把它們擠開一點，其優點是恢復了光滑清潔的動脈壁和維持較長期的手術效果，并不會由于氣囊的過度擴張損傷動脈血管。

3.3 液壓裝置在醫療器件中的應用

要把液壓裝置引入醫院使用的關鍵是要液壓系統噪音小、不漏油、沒有異味、體積小能夠安裝在不易看到的地方。這樣的液壓件也會很受歡迎地使用于醫院中的病床驅動裝置、檢查臺、X光設備、加速運動臺和其它生理檢查和治療設備中。

參考文獻

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