生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座

第二章生物力學(xué)本部分主要介紹：生物力學(xué)概論，分子生物力學(xué)，細(xì)胞生物力學(xué)，組織生物力學(xué)，器療力學(xué)，系統(tǒng)力學(xué)，人與環(huán)境生物力學(xué)，以及生物流體力學(xué)等。

生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第1頁(yè)§2.1生物力學(xué)概論§2.2生物力學(xué)力學(xué)基礎(chǔ)§2.3活組織力學(xué)性質(zhì)§2.4肌肉力學(xué)基礎(chǔ)§2.5血液流變學(xué)導(dǎo)論§2.6心臟力學(xué)§2.7血液循環(huán)力學(xué)規(guī)律§2.8呼吸力學(xué)§2.9器官力學(xué)幾個(gè)方面§2.10應(yīng)力和生長(zhǎng)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第2頁(yè)§2.1生物力學(xué)概論一、歷史源流生物力學(xué)興起于二十世紀(jì)60年代中、后期。實(shí)際上，人們對(duì)生命運(yùn)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題研究能夠追溯到古希臘亞里士多德時(shí)代。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第3頁(yè)伽里略——（1564—1642）測(cè)量心率。（用單擺長(zhǎng)度來(lái)表征心搏周期）哈維——（1578—1658）測(cè)定心室容量，并算出每小時(shí)內(nèi)心臟搏出血液流量。G·A·Borelli——（1680年）提出了關(guān)于動(dòng)物肢體力學(xué)模型。牛頓——（17）測(cè)定了動(dòng)脈和靜脈血壓。笛卡爾——提出一個(gè)包含神經(jīng)活動(dòng)在內(nèi)動(dòng)物模型，試圖用力學(xué)方法概括生命運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在發(fā)展史上：生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第4頁(yè)L.Euler——提出了關(guān)于脈搏在動(dòng)脈內(nèi)傳輸基本方程；T.Young——建立了關(guān)于聲帶發(fā)聲彈性力學(xué)理論，（敘述了脈搏波傳輸速度和動(dòng)脈血管彈性關(guān)系。）J.Poiseuille——觀察了血液流過(guò)毛細(xì)血管時(shí)阻力。S.Hales——測(cè)量了馬動(dòng)脈血壓和動(dòng)脈血管膨脹特征。A.Krogh——建立了微循環(huán)力學(xué)模型，并獲諾貝爾獎(jiǎng)。A.V.Hill——研究了肌肉收縮規(guī)律。

18世紀(jì)以來(lái)：直到20世紀(jì)60年代，生物力學(xué)才真正興起。興起標(biāo)志——將力學(xué)和生物學(xué)（生理學(xué)、解剖學(xué)等）有機(jī)結(jié)合。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第5頁(yè)二、生物力學(xué)興起背景和需要

（1）動(dòng)脈粥樣硬化總發(fā)生在動(dòng)脈彎曲、分枝部位（顯然與血流動(dòng)力原因相關(guān)）；（2）癌腫藥品治療效率不高根源是病灶部位藥品輸運(yùn)生理障礙；（3）腰背痛等常見(jiàn)病與日常生活工作姿勢(shì)等相關(guān)。生物力學(xué)興起是以當(dāng)代醫(yī)學(xué)需要和生物醫(yī)學(xué)工程發(fā)展為背景。認(rèn)識(shí)疾病需要，生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科發(fā)展需要，比如：上述現(xiàn)象，需要了解為何？生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第6頁(yè)三、生物力學(xué)所包括主題

（一）以人（高等哺乳動(dòng)物）生命運(yùn)動(dòng)為關(guān)鍵生物力學(xué)——生物力學(xué)主體。背景與目標(biāo)：醫(yī)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、體育、人-機(jī)工效等。該主題包含以下內(nèi)容。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第7頁(yè)▲骨和軟骨； ▲軟組織（韌帶、腱、皮膚、血管等）；▲肌肉力學(xué)（骨胳機(jī)、心肌、平滑?。?；▲血液流變學(xué)（全血、血漿、血細(xì)胞、凝血、血栓等）；▲血液微流變學(xué)； ▲臨床血液流變學(xué)；▲體液粘彈性（關(guān)節(jié)滑液、粘液等）； ▲人工代用材料。1.活組織力學(xué)性質(zhì)——生物流變學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第8頁(yè)▲器官、組織功效、應(yīng)用和生長(zhǎng)（骨重建、零應(yīng)力狀態(tài)和殘余應(yīng)力）；▲肺力學(xué)；▲心臟力學(xué)（人工瓣膜，左心輔助泵）；▲顱腦——脊柱力學(xué)；▲運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)力學(xué)（人工關(guān)節(jié)，假肢）；▲感覺(jué)器官力學(xué)（耳蝸力學(xué)）。2.器官力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第9頁(yè)▲大血管流體力學(xué)；▲微循環(huán)力學(xué)；▲毛細(xì)血管——組織間質(zhì)物質(zhì)輸運(yùn)；▲淋巴流動(dòng)；▲組織間質(zhì)液流動(dòng)；▲左心室—?jiǎng)用}血液相互作用；▲肺血流；▲冠脈血流動(dòng)力學(xué)；▲腎臟內(nèi)部血循環(huán)；▲肝血流；▲腦血流。3.循環(huán)動(dòng)力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第10頁(yè)▲上呼吸道流體力學(xué)；▲氣管樹(shù)內(nèi)氣流阻力及其分布；▲末梢支氣管內(nèi)對(duì)流—擴(kuò)散；▲氣血交換；▲高頻、低潮氣量呼吸術(shù)。4.呼吸力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第11頁(yè)▲蠕動(dòng)流；▲可癟管流動(dòng)。5.泌尿流動(dòng)▲心血管系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)；▲呼吸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)；▲體液平衡系統(tǒng)分析。

6.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第12頁(yè)▲體育運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)。7.運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)▲職業(yè)生物力學(xué)；▲人-機(jī)工效學(xué)。

8.人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)生物力學(xué)

生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第13頁(yè)▲細(xì)胞膜力學(xué)性質(zhì)；▲原生質(zhì)流動(dòng)；▲應(yīng)力對(duì)細(xì)胞形態(tài)、生長(zhǎng)、功效影響。

9.細(xì)胞力學(xué)▲器官組織沖擊損傷機(jī)理和耐限；▲軟組織創(chuàng)傷和愈合；▲骨折及其愈合。10.創(chuàng)傷力學(xué)

生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第14頁(yè)（二）綠色植物生物力學(xué)——含有很大吸引力，但當(dāng)前做得不多。

背景與目標(biāo)：農(nóng)業(yè)及農(nóng)業(yè)工程、生存環(huán)境工程等。

該主題包含以下內(nèi)容。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第15頁(yè)2.植物組織和機(jī)體力學(xué)性質(zhì)

3.聲波對(duì)植物生長(zhǎng)影響4.植被流體動(dòng)力學(xué)5.農(nóng)業(yè)工程中生物力學(xué)問(wèn)題。

▲蒸騰流和易位流；▲植物呼吸；▲土壤滲流和根系吸收。1.綠色植物生理流動(dòng)

生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第16頁(yè)（三）生物技術(shù)和生物化學(xué)工程中流體力學(xué)問(wèn)題——正在崛起。

背景與目標(biāo)：從試驗(yàn)室（生物技術(shù)）到產(chǎn)業(yè)（生物化學(xué)工程）?；?、放大，生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)和運(yùn)行優(yōu)化，高效分離，純化技術(shù)，生物處理過(guò)程自動(dòng)控制和在線檢測(cè)，空間制藥等等。該主題包含以下內(nèi)容。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第17頁(yè)1.生物反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)，傳質(zhì)和傳熱；2.應(yīng)力對(duì)細(xì)胞、微生物生長(zhǎng)和功效影響；3.生物制品分離過(guò)程中流體力學(xué)問(wèn)題；4.流動(dòng)應(yīng)力對(duì)生物大分子結(jié)構(gòu)和功效影響。

生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第18頁(yè)（四）動(dòng)物運(yùn)動(dòng)背景與目標(biāo)：仿生工程技術(shù)，生物學(xué)中一些理論問(wèn)題定量分析等。該主題包含以下內(nèi)容。1.鳥(niǎo)類和昆蟲(chóng)飛行；2.水生動(dòng)物游泳力學(xué)（泳動(dòng)模式進(jìn)化和形態(tài)演變）；3.微生物運(yùn)動(dòng)；4.陸生物運(yùn)動(dòng)。

由上可見(jiàn)，生物力學(xué)內(nèi)容是非常寬、非常廣。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第19頁(yè)§2.2生物力學(xué)力學(xué)基礎(chǔ)一、運(yùn)動(dòng)和力對(duì)于生命現(xiàn)象所包括以位移為特征機(jī)械運(yùn)動(dòng)，即使是細(xì)胞、亞細(xì)胞、組織，仍屬于牛頓力學(xué)范圍。

牛頓第一定律：

式中，假如則V不變，勻速直線運(yùn)動(dòng)。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第20頁(yè)牛頓第三定律：

作用力和反作用力大小相等，方向相反。

牛頓第二定律：

式中，假如則V改變，加速度運(yùn)動(dòng)。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第21頁(yè)二、剛體動(dòng)力學(xué)在生物力學(xué)中應(yīng)用

剛體動(dòng)力學(xué)基本方程：

（剛體：系統(tǒng)內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)之間距離在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持不變）式中：

m——質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量；a——加速度；----慣量矩(i=j)或慣量積(i≠j)；

——外力協(xié)力；——?jiǎng)傮w旋轉(zhuǎn)角速度；——質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于質(zhì)心向量；

生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第22頁(yè)（1）用來(lái)研究人在走、跑、跳躍、負(fù)重、操作等運(yùn)動(dòng)過(guò)程中人體整體以及各肢體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以改進(jìn)動(dòng)作，提升效率——如體育運(yùn)動(dòng)技術(shù)優(yōu)化；（2）人在各種姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)、操作等過(guò)程中，各肢體、關(guān)節(jié)受力情況，是作力學(xué)分析（比如應(yīng)力和應(yīng)變分布、應(yīng)力和組織生長(zhǎng)關(guān)系等）前提，也在衛(wèi)生保健、人工關(guān)節(jié)和人造肢體研制和設(shè)計(jì)等方面有主要意義。

上述剛體動(dòng)力學(xué)基本方程在生物力學(xué)中是很有用?；谏鲜鰟傮w動(dòng)力學(xué)基本方程應(yīng)用，能夠幫助建立力學(xué)模型。不過(guò)，模型建立往往是十分困難。比如：生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第23頁(yè)

例1：Nachemson和Elfstrom(1970年)用微型壓力傳感器測(cè)量了一個(gè)體重70kg人，在不一樣姿態(tài)和操作下腰椎了椎間盤(pán)上載荷和受力問(wèn)題(下頁(yè)表格)。發(fā)覺(jué)不合理舉重動(dòng)作，使腰椎負(fù)荷劇增，達(dá)正常情況2倍以上，而人在大笑時(shí)腰椎所受力為體重2倍有余。盡管如此，建立肌肉—腱—韌帶系統(tǒng)作用脊柱力學(xué)模型仍很困難。

生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第24頁(yè)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第25頁(yè)高性能BioWarePerformance系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第26頁(yè)高性能動(dòng)作分析系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第27頁(yè)姿態(tài)椎間盤(pán)載荷姿態(tài)椎間盤(pán)載荷仰臥50kg仰臥起床140kg仰臥牽引30kg35kg大笑150kg站立100kg向前彎腰20°150kg直坐、背不靠托140kg向前彎腰20°,并雙手各負(fù)重10kg215kg步行115kg舉重20千克，背直膝彎185kg扭轉(zhuǎn)120kg舉重20千克，背彎膝直390kg側(cè)彎125kg屈膝蹲起練習(xí)210kg咳嗽140kg兩足分開(kāi)屈膝蹲起205kg跳躍140kg俯身拱腰180kg生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第28頁(yè)例2：J.P.Panl(1970年)測(cè)量了水平步行時(shí)人髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)平均載荷伴隨步長(zhǎng)——身高比改變，發(fā)覺(jué)步行時(shí)髖、膝關(guān)節(jié)所承受載荷要比人體重大得多（因?yàn)橄嚓P(guān)肌群收縮作用）?？梢?jiàn)，因?yàn)榧∪馐湛s作用，在建立力學(xué)模型時(shí)，復(fù)雜性提升了很多。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第29頁(yè)三、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)基本知識(shí)

剛體實(shí)質(zhì)上不存在，在外力作用下，物體形狀總會(huì)發(fā)生改變。連續(xù)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)描述：（1）Lagrange方法：生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第30頁(yè)（2）Euler方法：速度和加速度由2部分組成。（此法慣用）速度：當(dāng)?shù)厮俣龋嚎臻g速度改變：加速度：當(dāng)?shù)丶铀俣龋哼w移加速度：生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第31頁(yè)四、生物流體力學(xué)基礎(chǔ)

例：新陳代謝——運(yùn)動(dòng)基本單元是細(xì)胞。

“嘴”、“肛門(mén)”---不停吸收同化作用所需原料。不停排除異化作用廢物?！澳c胃”、“血管”---依靠生物體內(nèi)不一樣層次、不一樣系統(tǒng)流體運(yùn)動(dòng)來(lái)維持?！凹?xì)胞”---細(xì)胞質(zhì)運(yùn)動(dòng)和經(jīng)過(guò)細(xì)胞膜物質(zhì)輸運(yùn)，為細(xì)胞代謝活動(dòng)創(chuàng)造了穩(wěn)定內(nèi)環(huán)境。呼吸系統(tǒng)吸O2——消化系統(tǒng)攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)——循環(huán)系統(tǒng)送到各器官、組織——泌尿系統(tǒng)排廢物——呼吸系統(tǒng)排廢氣。N.Winner(維納)說(shuō)：“生命系統(tǒng)維持其穩(wěn)態(tài)條件是相當(dāng)苛刻。”上述生命運(yùn)動(dòng)維持，是和生物體內(nèi)部體液流動(dòng)親密相關(guān)。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第32頁(yè)顯然，要了解生命現(xiàn)象規(guī)律，必須掌握流動(dòng)過(guò)程規(guī)律，尤其是生命體內(nèi)體液流動(dòng)規(guī)律。人體重量其它60%是液體36%體液存在于細(xì)胞之中45%為血液11.5%分布于組織細(xì)胞間質(zhì)中生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第33頁(yè)（一）生理流動(dòng)不一樣層次1.細(xì)胞和亞細(xì)胞層次；包含：原生質(zhì)流動(dòng)（細(xì)胞內(nèi)各種生化過(guò)程）；細(xì)胞膜流動(dòng)性和力學(xué)行為；細(xì)胞膜輸運(yùn)過(guò)程；應(yīng)力對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)、形態(tài)、功效和超微結(jié)構(gòu)影響。2.組織層次；包含：（1）穿過(guò)毛細(xì)血管壁流體運(yùn)動(dòng)；（2）組織間質(zhì)內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)；（3）淋巴流動(dòng)；（4）組織分泌液流動(dòng)。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第34頁(yè)3.循環(huán)系統(tǒng)層次；

（以心臟為關(guān)鍵——是生物流體力學(xué)研究主題）包含：（1）心臟血液動(dòng)力學(xué)；（2）大血管流體動(dòng)力學(xué)；（3）以微循環(huán)為關(guān)鍵器官血流動(dòng)力學(xué)；（4）微循環(huán)流體動(dòng)力學(xué)；（5）心血管系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第35頁(yè)4.呼吸系統(tǒng)內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)；包含：（1）呼吸道內(nèi)空氣流動(dòng)；（2）小支氣管里氣體對(duì)流和擴(kuò)散；（3）肺泡和毛細(xì)支氣管在氣-血界面上物質(zhì)交換；（4）呼吸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。5.泌尿系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)；包含：（1）毛細(xì)血管-腎小球、腎小管之間流體運(yùn)動(dòng)；（2）輸尿管內(nèi)蠕動(dòng)流。6.消化系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)（胃、腸蠕動(dòng)等）；7.體液平衡（酸堿離子濃度等平衡）。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第36頁(yè)（二）流體力學(xué)基本原理質(zhì)量定恒定律：流入流體=流出流體動(dòng)量守恒定律：密度×流動(dòng)加速度＝－壓力梯度＋流體剪應(yīng)力空間改變率（散度）＋單位體積流體所受之重力。能量守恒定律：進(jìn)口壓力－任意截面（X）上壓力＝密度×＋比重×（x處與進(jìn)口處高度差）＋密度×（從進(jìn)口到x處流體內(nèi)能改變率）＋從進(jìn)口到x處摩擦損失。三大守恒定律（應(yīng)用到流體力學(xué)）：生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第37頁(yè)（三）流體力學(xué)基本方程（1）連續(xù)方程：

（2）運(yùn)動(dòng)方程：

若流體不可壓縮且均質(zhì)，連續(xù)性方程為：（上式是簡(jiǎn)化方程，實(shí)際上取得它是據(jù)質(zhì)量守恒有積分等推導(dǎo)。）---應(yīng)力張量

P---流體密度---單位質(zhì)量流動(dòng)所受體積力（該式來(lái)自于較復(fù)雜推導(dǎo)，包含高等數(shù)學(xué)、流體力學(xué)等。）生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第38頁(yè)（3）能量方程：

E—單位質(zhì)量流體內(nèi)能；

Q—單位時(shí)間內(nèi)單位體積流體從外界接收熱量；

k—介質(zhì)熱傳導(dǎo)系數(shù)；

T—絕對(duì)溫度。

（該式來(lái)自于較復(fù)雜推導(dǎo)，包含高等數(shù)學(xué)、流體力學(xué)等。）上述三個(gè)方程中，應(yīng)用于實(shí)際生理流動(dòng)問(wèn)題時(shí)太復(fù)雜，需簡(jiǎn)化。

怎樣簡(jiǎn)化？要結(jié)合生物學(xué)、生理學(xué)和解剖學(xué)知識(shí)。所以，生物流體力學(xué)有自己獨(dú)特方法學(xué)體系，而不是流體力學(xué)在生命現(xiàn)象中簡(jiǎn)單應(yīng)用。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第39頁(yè)§2.3活組織力學(xué)性質(zhì)

生物組織普通分為硬組織（骨、牙等）、軟組織和體液三大類。一、骨力學(xué)性質(zhì)

與工程材料相近，可用材料試驗(yàn)機(jī)研究其力學(xué)性質(zhì)?？梢?jiàn)：（1）干骨變脆（無(wú)塑性變形）；（2）骨應(yīng)變很小，0.004~0.012；（3）在百分比極限以下，密質(zhì)骨能夠看作是胡克彈性體：，E為楊氏模量。關(guān)于骨力學(xué)性質(zhì)，很多人都做過(guò)試驗(yàn)。全部試驗(yàn)都表明：

骨強(qiáng)度因物種、年紀(jì)、性別、骨部位、載荷方向、應(yīng)變率而異。

圖—手畫(huà)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第40頁(yè)二、軟組織力學(xué)性質(zhì)

從內(nèi)臟到皮膚，大部分屬于軟組織。以下以舉例方式來(lái)說(shuō)明軟組織力學(xué)性質(zhì)普通特點(diǎn)：

例1：例2：圖—手畫(huà)圖—手畫(huà)A：軟組織力學(xué)性質(zhì)共同性：在生理范圍內(nèi)，各種軟組織都有應(yīng)力—應(yīng)變滯后環(huán)、應(yīng)力松馳和蠕變現(xiàn)象，因而都是粘彈性材料，而且是高度非線性。小結(jié)：生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第41頁(yè)B：軟組織力學(xué)性質(zhì)區(qū)分：在無(wú)損傷條件下各軟組織最大應(yīng)變各不相同。超出各自應(yīng)變范圍，組織將屈服而被破壞。比如：在生理范圍內(nèi)：腸系膜應(yīng)變可達(dá)100-200%；輸尿管可伸長(zhǎng)60%；靜息心肌可伸長(zhǎng)約15%；動(dòng)脈和靜脈血管達(dá)60%；肌腱則為2-3%。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第42頁(yè)三、血管力學(xué)性質(zhì)

（一）動(dòng)脈血管力學(xué)性質(zhì)

當(dāng)前：一維拉伸試驗(yàn)和準(zhǔn)線性粘彈性本構(gòu)關(guān)系”、“二維擬彈性應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系”有一些試驗(yàn)結(jié)果。但尚無(wú)規(guī)律性結(jié)論，因?yàn)楫?dāng)選擇參數(shù)多時(shí)，模型任意性大，而選擇參數(shù)少時(shí)，無(wú)顯著物理意義，易誤入歧途。（二）靜脈血管力學(xué)性質(zhì)

類同于動(dòng)脈血管認(rèn)識(shí)。（三）微血管力學(xué)性質(zhì)

微動(dòng)脈、微靜脈力學(xué)性質(zhì)極其復(fù)雜。當(dāng)前知之甚少。因詳細(xì)器官、組織而相異性很大。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第43頁(yè)四、關(guān)節(jié)軟骨力學(xué)性質(zhì)

關(guān)節(jié)軟骨是由少許細(xì)胞，固相基質(zhì)和間質(zhì)液（主要是水占75%）組成。[亦是多孔復(fù)合材料，（膠原纖維65%+蛋白聚糖25%+糖蛋白10%）。]在應(yīng)力作用下，液體可在基質(zhì)中流出或流進(jìn)，所以軟骨力學(xué)性質(zhì)隨基質(zhì)內(nèi)液體含量多少而改變。另外，環(huán)境化學(xué)條件（液體中離子濃度等）對(duì)關(guān)節(jié)軟骨力學(xué)性質(zhì)也有影響。五、生物流體力學(xué)性質(zhì)

研究最多是血液——血液流變學(xué)。

生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第44頁(yè)§2.4肌肉力學(xué)基礎(chǔ)已作了多方面探索，但總說(shuō)來(lái)沒(méi)有什么新突破，進(jìn)展也不盡如人意。參考書(shū)中（《生物力學(xué)導(dǎo)論》）介紹了骨骼肌、心肌和平滑肌力學(xué)性質(zhì)方面研究結(jié)果。自學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第45頁(yè)§2.5血液流變學(xué)導(dǎo)論人血是細(xì)胞在電解質(zhì)和非電解質(zhì)水溶液中懸浮液體。

紅細(xì)胞：含量5×106個(gè)/mm3，比重1.10，5－8m，雙凹餅狀。

白細(xì)胞：含量5000-8000個(gè)/mm3，直徑大于紅細(xì)胞，約10m

血小板：含量約2.5-3×105個(gè)/mm3，2－4m，鐵餅狀。一、血液流變特征頭號(hào)殺手：心腦血管疾病和惡性腫瘤，其發(fā)生發(fā)展都與血液流變相關(guān)。其它：休克、糖尿病、燒傷、血液病等，也有血液流變性質(zhì)改變。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第46頁(yè)

1.血漿粘度

1963年，Merrill測(cè)量血漿粘度，認(rèn)為是非牛頓流體。

以后發(fā)覺(jué)：是血漿與空氣接觸自由表面上血漿蛋白形成薄膜所致。所以，血漿是牛頓流體。但其粘度受溫度和血漿成份（尤其血漿中蛋白質(zhì)）影響：溫度影響：厘泊;;

蛋白質(zhì)濃度（c.g/ml）影響：經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：式中，生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第47頁(yè)2.血液粘性當(dāng)把血液看作均質(zhì)流體靜態(tài)流變行為時(shí)，

i.分析大血管（圖）流動(dòng)時(shí)，血液為牛頓流體；用于深入評(píng)價(jià)是合理；

ii.分析人體內(nèi)1010根微血管（圖）時(shí)，血管直徑與紅細(xì)胞直徑同量級(jí)，此時(shí)，實(shí)際上已非均質(zhì)流體，最少應(yīng)看作兩相流體。所以，血液流變非牛頓特征，主要起源于紅細(xì)胞，以及它和血液其它組分之間相互作用。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第48頁(yè)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第49頁(yè)二、紅細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和變形1.紅細(xì)胞幾何形狀：5－8m2.紅細(xì)胞沉降——血沉，靜息時(shí)因重力而沉降。紅細(xì)胞沉降與紅細(xì)胞聚集伴生。3.紅細(xì)胞可變形性（1）紅細(xì)胞聚集血漿生物化學(xué)性質(zhì)改變，是血液流變性質(zhì)一個(gè)主要參數(shù)；（2）紅細(xì)胞可變形性是血液流變性質(zhì)另一個(gè)主要參數(shù)。圖-手畫(huà)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第50頁(yè)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第51頁(yè)紅細(xì)胞功效：把機(jī)體組織細(xì)胞代謝活動(dòng)所必需O2輸送到機(jī)體各組織和器官，同時(shí)帶走代謝產(chǎn)物CO2，并在肺內(nèi)排出CO2，吸收O2，從而使生命活動(dòng)維持。功效實(shí)現(xiàn)：紅細(xì)胞必須穿越機(jī)體各組織、器官毛細(xì)血管。（人體脾臟毛細(xì)血管（圖）直徑3m）。

結(jié)果：紅細(xì)胞在經(jīng)過(guò)這些毛細(xì)血管時(shí)形狀必須改變。

（觀察發(fā)覺(jué)：腸系膜組織毛細(xì)血管里，紅細(xì)胞從雙凹碟形變?yōu)椤巴闲毙危植可扉L(zhǎng)比達(dá)200%。）生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第52頁(yè)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第53頁(yè)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第54頁(yè)紅細(xì)胞易變形原因——它結(jié)構(gòu)和形態(tài)

結(jié)構(gòu)：紅細(xì)胞無(wú)細(xì)胞核，由細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)（主要是血紅蛋白）組成。質(zhì)中血紅蛋白是晶體，且為液晶。所以，紅細(xì)胞變形主要決定于細(xì)胞膜力學(xué)性質(zhì)。

形態(tài)：雙凹碟形是O2擴(kuò)散最正確形狀，紅細(xì)胞膜很薄，彎曲剛度比抗張能力低得多，雙凹碟形旋轉(zhuǎn)體表面含有許多可貼曲面，能夠變?yōu)榉N種可貼曲面而不撕裂、不拉伸或折疊。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第55頁(yè)4.紅細(xì)胞膜力學(xué)性質(zhì)取決于膜微結(jié)構(gòu)（如骨架蛋白，雙層脂膜結(jié)構(gòu)等）以及各組元間相互作用。5.紅細(xì)胞聚集取決于以下四種作用相互制約和平衡：（1）大分子橋聯(lián)作用：血漿中纖維蛋白原、血漿球蛋白作為媒介；（2）靜電作用；（3）紅細(xì)胞變形：（戊二醛固化處理紅細(xì)胞在血漿中不會(huì)聚集）；（4）流體動(dòng)力作用：使紅細(xì)胞相互靠近或接觸、變形等，并可能激活細(xì)胞膜甚至血紅蛋白。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第56頁(yè)白細(xì)胞兩種狀態(tài)：

（1）靜息狀態(tài)，無(wú)外力作用呈球形，在外力作用下可變形；（2）能動(dòng)狀態(tài)，即使無(wú)外力白細(xì)胞也會(huì)自動(dòng)變形，形成原足。三、白細(xì)胞流變行為白細(xì)胞性質(zhì)：不一樣于紅細(xì)胞，它有核、線粒體和其它細(xì)胞器，力學(xué)行為更復(fù)雜。（一）白細(xì)胞力學(xué)性質(zhì)

1.靜息狀態(tài)下白細(xì)胞粘彈性（彈性系數(shù)k，粘性系數(shù)）（1）溫度改變（9-40C）時(shí)，k不變，隨T而減小；（2）pH值改變時(shí)（5.4-8.4），pH可使；

（3）滲透壓增大時(shí)，k和均以指數(shù)形式增加。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第57頁(yè)（圖為用微管吸吮法測(cè)量能動(dòng)狀態(tài)下白細(xì)胞主體和原足力學(xué)性質(zhì)）2.能動(dòng)狀態(tài)下，白細(xì)胞力學(xué)性質(zhì)能動(dòng)狀態(tài)下，白細(xì)胞會(huì)自動(dòng)變形生出原足，原足呈片狀，被細(xì)胞膜包圍，但足內(nèi)只有細(xì)胞質(zhì)，無(wú)細(xì)胞器。白細(xì)胞主體和原足力學(xué)性質(zhì)：圖—手畫(huà)白細(xì)胞主體：是粘彈性體，有顯著蠕變?cè)悖菏菑椥泽w，蠕變極小，剛度比主體細(xì)胞大生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第58頁(yè)上述區(qū)分原因：原足與主體化學(xué)成份不一樣，原足形成時(shí)白細(xì)胞動(dòng)力學(xué)模型應(yīng)將連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理和肌動(dòng)蛋白等大分子以及Ca+化學(xué)動(dòng)力學(xué)過(guò)程結(jié)合起來(lái)。可見(jiàn)，細(xì)胞力學(xué)發(fā)展要求把力學(xué)原理和細(xì)胞內(nèi)生化過(guò)程結(jié)合起來(lái)。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第59頁(yè)

（二）白細(xì)胞在微血管里流變行為

1.在微血管流動(dòng)中白細(xì)胞與紅細(xì)胞相互作用——白細(xì)胞趨邊性。白細(xì)胞體積大，剛度大，呈球形，其運(yùn)動(dòng)阻力比紅細(xì)胞大，運(yùn)動(dòng)速度低于紅細(xì)胞，這使得白細(xì)胞向管壁偏移，即“趨邊性”。

2.白細(xì)胞粘附——白細(xì)胞與血管內(nèi)皮細(xì)胞相互作用趨邊白細(xì)胞有可能粘附于血管壁，與血管內(nèi)皮細(xì)胞相互作用而形成一個(gè)共同接觸區(qū)。試驗(yàn)表明，白細(xì)胞粘附常發(fā)生于微靜脈血管中。一旦粘附發(fā)生，微血管有效通道面積降低，血流阻力將顯著增大。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第60頁(yè)3.白細(xì)胞在毛細(xì)血管里運(yùn)動(dòng)因?yàn)榘准?xì)胞呈球形，直徑大于紅細(xì)胞，且剛度較大，故白細(xì)胞變形而進(jìn)入毛細(xì)血管所需時(shí)間約為一樣流動(dòng)條件下紅細(xì)胞所需時(shí)間1000-倍。很小，則很小，所以很大。白細(xì)胞在變形同時(shí)，將毛細(xì)血管和進(jìn)口段擴(kuò)張成錐形。錐角。圖—手畫(huà)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第61頁(yè)在作用下，可能以下：（1）在白細(xì)胞與毛細(xì)血管壁之間形成-血漿潤(rùn)滑層，白細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞不直接接觸，不存在粘附問(wèn)題。可使用紅細(xì)胞-管壁相互作用理論，并應(yīng)用對(duì)應(yīng)流動(dòng)阻力規(guī)律。（2）白細(xì)胞運(yùn)動(dòng)速度很低，對(duì)應(yīng)血漿潤(rùn)滑層厚度太薄，不足以維持其穩(wěn)定，則血漿潤(rùn)滑層破壞，白細(xì)胞與內(nèi)皮層直接接觸而發(fā)生粘附。這時(shí)毛細(xì)血流局部滯止。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第62頁(yè)四、血小板功效行為流變學(xué)問(wèn)題

（一）血小板活性與流變學(xué)原因血小板比紅細(xì)胞、白細(xì)胞小得多，正常狀態(tài)下（靜息狀態(tài)）為兩面微凸圓盤(pán)。所以：（1）靜息狀態(tài)下，血小板對(duì)于血液流變特征影響甚微。（2）當(dāng)血小板激活時(shí)（比如凝血）——血小板活動(dòng)性和功效行為對(duì)血液流變特征影響甚巨。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第63頁(yè)P(yáng)lateletActivationPathways生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第64頁(yè)血小板性質(zhì)：極敏感細(xì)胞發(fā)生一系列活化反應(yīng)：i.粘附反應(yīng)——血小板粘附于血管壁或其它異物特征。ii.變形反應(yīng)——當(dāng)血小板從靜息狀態(tài)變?yōu)榛罨癄顟B(tài)時(shí)，形狀將發(fā)生急劇改變。iii.釋放反應(yīng)——活化了血小板釋放出它所含物質(zhì)。iiii.聚集反應(yīng)——活化了血小板能經(jīng)過(guò)相互作用而聚集成團(tuán)特征。當(dāng)前研究集中點(diǎn)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第65頁(yè)粘附變形釋放+釋放變形生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第66頁(yè)P(yáng)lateletAdrenalineCollagenGPIbvWFGPIIb/IIIa(CD41)ADPEndotheliumGpIIb/IIIa(CD41)P-selectin

CD62PFibrinogenPlateletActivationPathways生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第67頁(yè)聚集變形粘附不一樣生物材料生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第68頁(yè)不一樣生物材料生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第69頁(yè)不一樣生物材料生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第70頁(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明，影響血小板聚集反應(yīng)最主要流變學(xué)原因是流動(dòng)切變率。試驗(yàn)結(jié)果表明，影響血小板活性主要原因是血小板受剪應(yīng)力作用時(shí)間。關(guān)于上述“聚集反應(yīng)——活化了血小板能經(jīng)過(guò)相互作用而聚集成團(tuán)特征?！毖芯窟M(jìn)展：血液流動(dòng)過(guò)程中，血小板總是在靠近管壁區(qū)域里運(yùn)動(dòng)，真正影響血小板聚集，是壁面切應(yīng)力或壁面切變率。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第71頁(yè)

例1：壁面切變率時(shí)，血小板聚集潛伏期時(shí)間隨而延長(zhǎng)；壁面切變率時(shí)，LDH、ADP、ATP等含量不變；壁面切變率時(shí)，LDH、ADP、ATP等有所上升；壁面切變率時(shí)，ADP引發(fā)血小板聚集被快速抑制。可見(jiàn)，切變率既能激發(fā)血小板活性，又能損傷與破壞血小板結(jié)構(gòu)。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第72頁(yè)LDH、ADP、ATPLDH：乳酸脫氫酶

LacticdehydrogenaseADP：腺苷二磷酸

AdenosinediphosphateATP：三磷酸腺苷/腺苷三磷酸Adenosinetriphosphate生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第73頁(yè)

例2：剪應(yīng)力時(shí)，血漿5－HT含量顯著上升；剪應(yīng)力時(shí)，血漿LDH活性增大，血小板溶解，血小板數(shù)量急劇降低。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第74頁(yè)（二）凝血過(guò)程中血液粘彈性

凝血過(guò)程——復(fù)雜多因子（13種因子）綜合過(guò)程，包括一系列生化反應(yīng)和各種物理、化學(xué)、生物等作用。I.在各種因子作用下，形成組織促凝血酶原激酶形成；II.凝血酶原活化變?yōu)槟福籌II.纖維蛋白原在凝血酶作用下變?yōu)槔w維蛋白單體，進(jìn)而經(jīng)XIII因子和Ca++作用，聚合成為纖維蛋白聚合物，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。分三個(gè)階段：生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第75頁(yè)FactorFXFIXaFIXFXIaFXISurfaceContactCollagenFXIIactivatorFXIIaFXIIIntrinsicPathwayCa2+Ca2+Ca2+FactorFXFVIIFVIIaFIII(TissueThromboplastin)Tissue/CellDefectExtrinsicPathwayCa2+Ca2+FibrinogenFibrin

monomersFibrin

polymersThrombinProthrombinIFactorFXaCa2+PlateletFactor3Crosslinked

FibrinMeshworkFXIIIaFXIIIFVFVaFVIIIaFVIIITheClottingCascade生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第76頁(yè)因子（凝血酶原）———→凝血酶┄┄┄┄┄┄→血小板因子（纖維蛋白原）———→纖維蛋白因子———→a←————————因子因子Ca++磷脂因子（血漿凝血活酶成份）——→a因子aCa++因子（血漿凝血活酶前質(zhì)）——→aCa++因子（接觸因子）—→a內(nèi)源性凝血系統(tǒng)

表面接觸因子+組織液Ca++外源性凝血系統(tǒng)組織損傷自動(dòng)催化凝血系統(tǒng)示意圖

生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第77頁(yè)優(yōu)化Ti-Ta-O薄膜與LTIC動(dòng)物體內(nèi)埋植后SEM照片（17天）

Ti-Ta-O薄膜LTIC生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第78頁(yè)abcd經(jīng)兔腹主動(dòng)脈埋植后表面改性與未改性血管支架表面形態(tài)a、c.Ti-O表面改性(a.10周、c.20周)b、d.未表面改性(b.10周、d.20周)

生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第79頁(yè)白血球紅血球血小板血栓纖維蛋白內(nèi)皮細(xì)胞a紅血球纖維蛋白b血小板c血栓及其形成示意圖

a.血管內(nèi)形成血栓

b.血栓組成

c.

LTIC表面血栓

生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第80頁(yè)血液在凝血過(guò)程中粘彈性（來(lái)自陶祖萊研究結(jié)果）：圖—手畫(huà)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第81頁(yè)由圖可見(jiàn)凝血過(guò)程可分為三個(gè)階段：時(shí),劇增，凝血過(guò)程開(kāi)始，時(shí)，，G線出現(xiàn)拐點(diǎn)。１.均很小，凝血還未開(kāi)始。2.趨于0，即靠近3.三個(gè)圖區(qū)分及影響原因分析以下。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第82頁(yè)

t0——凝血起始時(shí)間

——時(shí)間常數(shù)，

tc——凝血過(guò)程中與由上升變?yōu)橄陆缔D(zhuǎn)變時(shí)間。陶祖萊用以下關(guān)系來(lái)描述血液在凝血過(guò)程中粘彈性行為：生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第83頁(yè)上圖區(qū)分：

PPP粘彈性行為——取決于纖維蛋白原；

PRP與PPP粘彈性區(qū)分——取決于血小板作用；

WB與PRP、PPP區(qū)分——?dú)w因于紅細(xì)胞影響。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第84頁(yè)（上圖中）其影響表現(xiàn)以下：（1）從粘彈性行為改變方面看出，凝血起始時(shí)間（t0）因紅細(xì)胞存在而推遲了，血小板數(shù)量對(duì)于凝血起始時(shí)間沒(méi)多大影響，主要取決于血小板活性和纖維蛋白原。（2）凝血過(guò)程中（反應(yīng)粘性）弛豫時(shí)間主要決定于纖維蛋白原，血小板數(shù)量對(duì)它沒(méi)有什么影響。但紅細(xì)胞存在使顯著增大。彈性模量弛豫時(shí)間卻主要是由血小板含量所決定。（3）時(shí)間常數(shù)主要決定于纖維蛋白原。（4）對(duì)于血凝體剛度（）和粘性（）來(lái)說(shuō)，起主導(dǎo)作用是血小板（數(shù)量和活性）。而紅細(xì)胞作用似乎是“摻沙子”，它使和都有所下降。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第85頁(yè)五、血液本構(gòu)方程

（一）血液流變學(xué)三個(gè)基本事實(shí)

1.在準(zhǔn)靜態(tài)（定常流動(dòng)）下，血液粘性行為是非線性，且有屈服應(yīng)力；

2.在動(dòng)態(tài)（非定常流動(dòng)）條件下，血液是粘彈性流體；

3.當(dāng)紅細(xì)胞直徑（Dc）與流場(chǎng)特征尺度（Dt）相比不是非常小，血液流動(dòng)“非連續(xù)性效應(yīng)”就會(huì)顯示出來(lái)。這時(shí)，血液流變特征決定于紅細(xì)胞和邊界相互作用，依賴于血液流動(dòng)詳細(xì)邊界條件。所以，它因詳細(xì)器官、組織詳細(xì)結(jié)構(gòu)而異。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第86頁(yè)（二）血液粘彈性本構(gòu)關(guān)系研究現(xiàn)實(shí)狀況

1.簡(jiǎn)單“記憶”流體——積分型本構(gòu)方程其中，式中：

——應(yīng)變歷史

——偏應(yīng)力

——“記憶”函數(shù)

——Green應(yīng)變

——應(yīng)變率張量——流動(dòng)速度場(chǎng)

——應(yīng)力松弛函數(shù)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第87頁(yè)2.功效模型3.Oldroyd方程4.Huang’s方程

自學(xué)就以上述血液流動(dòng)速度場(chǎng)為例，血液流速是一個(gè)“較輕易”測(cè)定參數(shù)了（其它極難測(cè)），但仍因不一樣血管和位置而有很大區(qū)分。測(cè)定也較難。下面介紹一個(gè)測(cè)量方法。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第88頁(yè)超聲多普勒法是怎樣測(cè)量血液流動(dòng)?1842年德國(guó)一位名叫多普勒數(shù)學(xué)家。一天，他正途經(jīng)鐵路交叉處，恰逢一列火車從他身旁馳過(guò)，他發(fā)覺(jué)火車從遠(yuǎn)而近時(shí)汽笛聲變響，音調(diào)變尖，而火車從近而遠(yuǎn)時(shí)汽笛聲變?nèi)?，音調(diào)變低。他對(duì)這個(gè)物理現(xiàn)象感到極大興趣，并進(jìn)行了研究。發(fā)覺(jué)這是因?yàn)檎裨磁c觀察者之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使觀察者聽(tīng)到聲音頻率不一樣于振源頻率現(xiàn)象，這就是頻移現(xiàn)象。因?yàn)槭嵌嗥绽帐紫忍岢鰜?lái)，所以稱為多普勒效應(yīng)。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第89頁(yè)超聲多普勒法是怎樣測(cè)量血液流動(dòng)?

為了檢驗(yàn)心臟、血管運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，了解血液流動(dòng)速度，能夠經(jīng)過(guò)發(fā)射超聲來(lái)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)檠軆?nèi)血液是流動(dòng)物體，所以超聲波振源與相對(duì)運(yùn)動(dòng)血液間就產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。血管向著超聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，反射波波長(zhǎng)被壓縮，因而頻率增加。血管離開(kāi)聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，反射波波長(zhǎng)變長(zhǎng)，因而在單位時(shí)間里頻率降低。反射波頻率增加或降低量，是與血液流動(dòng)速度成正比，從而就可依據(jù)超聲波頻移量，測(cè)定血液流速。我們知道血管內(nèi)血流速度和血液流量，它對(duì)心血管疾病診療含有一定價(jià)值，尤其是對(duì)循環(huán)過(guò)程中供氧情況，閉鎖能力，有沒(méi)有紊流，血管粥樣硬化等均能提供有價(jià)值診療信息。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第90頁(yè)§2.６心臟力學(xué)

生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第91頁(yè)一、心臟形態(tài)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第92頁(yè)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第93頁(yè)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第94頁(yè)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第95頁(yè)四個(gè)腔室（左右心房、左右心室）四個(gè)瓣膜（二、三尖瓣向下，主肺動(dòng)脈向上）

4根動(dòng)/靜脈管（肺動(dòng)、靜脈，主動(dòng)脈和上/下腔靜脈）二、心臟結(jié)構(gòu)和功效結(jié)構(gòu)和功效見(jiàn)下頁(yè)圖。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第96頁(yè)四個(gè)腔室（左右心房、左右心室）生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第97頁(yè)\生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第98頁(yè)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第99頁(yè)四個(gè)瓣膜（二、三尖瓣向下，主肺動(dòng)脈向上）主動(dòng)脈瓣三尖瓣二尖瓣肺動(dòng)脈瓣生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第100頁(yè)二三生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第101頁(yè)

因?yàn)樽笮氖邑?fù)荷較高，故二尖瓣、主動(dòng)脈瓣更易病變。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第102頁(yè)4根動(dòng)/靜脈管（肺動(dòng)、靜脈，主動(dòng)脈和上/下腔靜脈）生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第103頁(yè)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第104頁(yè)（一）心電過(guò)程心肌細(xì)胞收縮需要電信號(hào)，使全部細(xì)胞同時(shí)收縮。（主要產(chǎn)生于右心房竇房結(jié)。）（二）心搏過(guò)程心肌受到心電刺激后收縮。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第105頁(yè)要解釋：

1.心室射血流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)阻力很小，從而溶血、凝血以至血栓形成可能性才小；

2.充盈過(guò)程中心室內(nèi)血液流動(dòng)情況；

3.心臟及心瓣血液流動(dòng)模擬相同問(wèn)題。三、心臟和心瓣流體力學(xué)問(wèn)題生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第106頁(yè)4.心臟瓣膜關(guān)閉流體力學(xué)機(jī)理——健康人瓣膜是極巧妙裝置，打開(kāi)時(shí)它們對(duì)流動(dòng)阻力極小，而在很小壓力差下馬上關(guān)閉，回流量很小，不到5%，為何？

瓣膜——膠原纖維組成，其底座和環(huán)架也是纖維組織，沒(méi)有肌肉，瓣膜無(wú)主動(dòng)收縮能力，開(kāi)閉受流體流動(dòng)控制。開(kāi)啟——心室/心房壓力引發(fā)；關(guān)閉——在射血后期因?yàn)榱鲃?dòng)減速，產(chǎn)生逆壓梯度，使關(guān)閉。當(dāng)前在解釋上述幾個(gè)問(wèn)題時(shí)已取得一些進(jìn)展和較正確認(rèn)識(shí)。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第107頁(yè)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第108頁(yè)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第109頁(yè)四、心臟力學(xué)模型和泵功效左心與動(dòng)脈系統(tǒng)之間，左心系統(tǒng)和右心系統(tǒng)之間。五、心臟與血管系統(tǒng)相互作用六、人造心臟瓣膜生物力學(xué)問(wèn)題自動(dòng)調(diào)整？（運(yùn)動(dòng)態(tài)/靜息態(tài)）自學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第110頁(yè)§2.７血液循環(huán)力學(xué)規(guī)律

一、動(dòng)脈系統(tǒng)阻力分布和分枝形態(tài)二、可變形管道內(nèi)定常流動(dòng)三、動(dòng)脈血管里脈動(dòng)流和脈搏波四、脈搏波在動(dòng)脈血管系統(tǒng)里傳輸五、大動(dòng)脈里流動(dòng)六、靜脈血管里流動(dòng)七、微循環(huán)力學(xué)八、肺血流力學(xué)規(guī)律自學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第111頁(yè)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第112頁(yè)§2.８呼吸力學(xué)

生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第113頁(yè)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第114頁(yè)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第115頁(yè)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第116頁(yè)一、呼吸道內(nèi)空氣流動(dòng)

呼氣結(jié)束呼吸肌放松肺彈性平衡肺內(nèi)氣體靜止（無(wú)宏觀遷移），(此時(shí)，肺內(nèi)空氣容量稱為功效余積（FRC），約為肺總體積二分之一。)eg1:身高為1.7m人，F(xiàn)RC610-3m3

呼吸肌收縮胸腔體積增大肺膨脹口鼻吸空氣（外部空氣和胸膜空隙壓差，由肺彈性復(fù)力及血管系統(tǒng)氣流阻力平衡）

呼吸肌放松肺體積縮小廢氣排出

eg2:平靜呼吸，一次吸入氣量0.4510-3m3生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第117頁(yè)人肺交換膜面積約70m2，組成3108個(gè)肺泡，肺泡間為肺毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)。肺毛細(xì)血流呈片狀，厚約7m，而交換膜厚約2~3m.。

Weibel(1963年)對(duì)5個(gè)正常人肺呼吸道系統(tǒng)幾何形態(tài)做了系統(tǒng)測(cè)量，表明：（1）從大氣管開(kāi)始（看成0級(jí)），整個(gè)氣管系統(tǒng)，都是一分為二，兩兩分支；（2）0~16級(jí)只起氣體運(yùn)輸作用，可看作導(dǎo)管，第16級(jí)為末梢支氣管；（3）17~23級(jí)，氣管壁周圍都附著有肺泡，為呼吸區(qū)，第23級(jí)終端為肺泡。???呼氣吸氣實(shí)現(xiàn)O2CO2生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第118頁(yè)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第119頁(yè)（一）呼吸道阻力呼氣流阻力規(guī)律不一樣于吸氣流，因?yàn)槎吡鲃?dòng)方向相反。（1）呼氣流每級(jí)支氣管流動(dòng)阻力：

PV——阻力/粘性壓力降——流體密度

u0——流速l——?dú)夤荛L(zhǎng)d——?dú)夤苤睆絉e——雷諾數(shù)，生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第120頁(yè)（2）吸氣時(shí)流動(dòng)阻力 PV——阻力

——流量平均速度L——?dú)夤荛L(zhǎng)Q——總流量生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第121頁(yè)（二）上呼吸道里流動(dòng)上呼吸道——鼻、口、喉、氣管

形狀復(fù)雜，因?yàn)橐m應(yīng)各種功用(空氣調(diào)整裝置---濕化，凈化空氣，嗅覺(jué)，味覺(jué)等）

多處隆起出現(xiàn)湍流、射流等，呼氣與吸氣時(shí)雷諾數(shù)Re區(qū)分較大。

（三）呼吸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為（了解/自學(xué)）生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第122頁(yè)二、支氣管里對(duì)流擴(kuò)散新空氣陳肺氣，怎樣進(jìn)行，換氣效率？V——平均流速——擴(kuò)散特征尺度（長(zhǎng)度）D——擴(kuò)散系數(shù)

——對(duì)流-擴(kuò)散過(guò)程控制參數(shù)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第123頁(yè)i.，對(duì)流作用與擴(kuò)散作用相比能夠忽略不計(jì)

例在終端肺泡里，氣體宏觀運(yùn)動(dòng)速度趨于0，對(duì)流很小，可看作純擴(kuò)散。ii.，擴(kuò)散作用能夠不考慮

例在大支氣管，流速高，氣體組元輸運(yùn)為主（對(duì)流）iii.對(duì)于17-22級(jí)支氣管，二者作用相當(dāng)，即對(duì)流和擴(kuò)散兩種機(jī)制同時(shí)起作用。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第124頁(yè)三、肺泡內(nèi)氣體擴(kuò)散在細(xì)支氣管、肺泡管、肺泡與血液進(jìn)行交換區(qū)域中，流動(dòng)不起作用，O2、CO2和N2在肺泡中主要是以分子擴(kuò)散方式運(yùn)動(dòng)。末梢細(xì)支氣管處氣體所充盈空間：175cm3

肺泡處氣體所充盈空間：4800cm3在肺泡壁處，薄膜兩側(cè)CO2、O2存在濃度差，氣體與血液在此快速地進(jìn)行交換。O2、CO2濃度大幅改變生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第125頁(yè)新鮮空氣靜脈血液O2分壓10040CO2分壓046N2分壓610624總壓710mmHg710mmHg肺膜吸氣過(guò)程中肺泡膜兩側(cè)氣體分壓擴(kuò)散生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第126頁(yè)四、肺泡和毛細(xì)血流之間氣體交換肺泡與毛細(xì)血管壁之間有一薄層水樣組織液。整個(gè)氣體交換過(guò)程包含以下步驟：（1）經(jīng)過(guò)肺泡膜氣體（純）擴(kuò)散；（2）間隙液薄層內(nèi)氣體擴(kuò)散；（3）經(jīng)過(guò)肺毛細(xì)血管壁氣體交換；（4）肺毛細(xì)血管內(nèi)氣體在血漿中對(duì)流擴(kuò)散；（5）經(jīng)過(guò)紅細(xì)胞膜擴(kuò)散；（6）紅細(xì)胞內(nèi)