浅谈流体知识的医学应用

【摘要】变化对血压有很大影响。假设某人心脏部位的动、静脉压分别是13.3kPa和0.27kPa。取平卧时头部、足部的动脉压均为12.66kPa，静脉压均为0.67kPa。当取站立位时，头部的动、静脉压分别...

摘 要 本文针对医学物理学教材中医学应用方面的素材不够丰富，不能有效吸引学生的学习兴趣，学生缺乏学习动力这个问题，以流体的运动这一章为例，就流体运动知识在医学中的应用从三个方面作了一个简单归纳，可以丰富教学内容，仅供教与学中参考。

关键词 医学物理学 流体知识 医学应用

中图分类号：TM271 文献标识码：A

1 血液循环系统中的血流特点

1.1 循环系统中重力的作用

变化对血压有很大影响。假设某人心脏部位的动、静脉压分别是13.3kPa和0.27kPa。取平卧时头部、足部的动脉压均为12.66kPa，静脉压均为0.67kPa。当取站立位时，头部的动、静脉压分别减少5.87 kPa，而变为6.79 kPa和-5.20 kPa；足部的动、静脉压则分别增加11.73kPa，而变为24.39kPa与12.40kPa。

为什么会出现上述现象呢？这是因为在这种的变化过程中，血流速度的变化很小可忽略，依据伯努利方程： + = + ，高处的压强小，低处的压强大。相对于心脏，头部的位置升高，所以血压降低；足部的位置降低，所以血压升高。

1.2 循环系统中的血压分布

根据粘性流体的伯努利方程： = >0，粘性流体在流动过程中压强逐渐下降。血液是粘性流体，它的流动必须就依靠压强差来维持。因此从主动脉到腔静脉血压是依次递降的。正常人体主动脉平均血压约为13.3kPa，进入小动脉约为11.3kPa，到毛细血管约为4kPa，静脉已降至1.33kPa。

1.3 循环系统中的血流速度

静息状态，心室输出与心房回流的流量相等。由连续性方程： = ，截面积大的地方流速小，截面积小的地方流速大。分析可知由于各段血管的总截面积不等，流速也必不同。毛细血管的总截面积最大，血液在此段流速最小，平均约为0.4～1mm/s。主动脉只有一根，总截面积最小，血液在其中的流速就最大，达250～500mm/s。

2 涡流在心血管疾病诊断中的作用

层流指粘性液体分层流动，各层之间只作相对滑动而不混杂，液粒流沿着流线运动。层流时液体的速度分布较窄，方向一致。正常的血流状态为层流。

湍流的速度分布不同于层流，粘性液体不再保持分层流动，各层之间相互混杂，液粒流不再沿着流线运动，甚至出现旋涡。其消耗的能量比层流多。湍流区别与层流的特点之一是它能发出声音。湍流时，速度梯度大。

雷诺根据大量的试验，归纳出一个无最纲的量，作为判断流体流动状态的准则，这个量称为雷诺数，用Re表示。粘性液体的流动形态除与速度有关外还与流体的密度、粘度以及管子半径等有关。圆管的临界雷诺数为Re=2000，当Re2000时，即认为流动已经是湍流。

在湍流中最常出现一种现象就是涡流。涡流本质上也是湍流，是由于速度不同的各层液体之间的摩擦所产生。涡流除速度梯度大的性质外，液粒流还具有旋转运动的特性。

流体从小直径的管道流经大直径的管道，由于流体有惯性，它不可能按照管道的形状突然扩大，而是离开小管后逐渐扩大。因此，在管壁拐角与流束之间形成漩涡，漩涡靠主流束带动着旋转，主流束把能量传递给漩涡，漩涡又把得到的能量消耗在旋转运动中（变成热而消散）。流体从大直径的管道流往小直径的管道，流线必须弯曲，流束必定收缩。当流体进入小直径管道后，由于流体有惯性，流束将继续收缩直至最小截面，而后又逐渐扩大，直至充满整个小直径截面。显然，在流束收缩处，流束与管壁之间有一充满小漩涡的低压区。

人体血液动力学中，涡流是心血管中杂音产生的基本原因。旋涡发放距离（vortex shed distance）是指从狭窄口到最早出现湍流的部位的长度，实际上也就是射流束的长度。

在有些情况下，由于旋涡产生距离较大，使得射流后湍流区出现于另一心腔而引起判断困难。做多普勒超声心动图检查时，如果未能发现射流区，湍流的发现则仅能证明有病变存在。这时检查者必须确定引起湍流的狭窄部位。在有房室通道和二尖瓣返流的病人，由于旋涡产生距离较长而不能在左房内发现湍流，首先发现有湍流的心腔是右心房。这是由于射流束较长，从二尖瓣发出后通过房间隔缺损进入右房，因而射流后湍流区位于右房内。对这样的病人要作出正确诊断须注意寻找射流。

3 流体动力学技术的医学应用

随着现代制造技术的飞速发展，小型化、精密化已成为机械工程的一个发展方向。在此影响下，运用空气或某些气体的气动系统和密封良好的液压系统正大步走入医学领域，为许多医疗设备提供了精密的控制和传动手段。

3.1 气动元件在血压测量设备中的应用

用精密的振荡测量技术来测量病人的血压已经越来越普遍，这样可以使血压测量的数据几乎不受操作医生技术的影响。美国Parker Hannifin公司制造了这种用途的超小型气动阀。这种技术需要一个类似于普通血压计使用的充气袖套，一个压力源（通常是一个气泵）、一个单向阀、两个常开的数字电磁阀和一个压力传感器。医生只要把袖套套在病人手臂上，接下来的操作和血压显示都是自动的。当袖套被充气到标准大气以上250mmHg后，两个电磁阀中的一个开始重复的开关动作，使袖套中的压力逐步下降到8mmHg，其间每一步都是利用充气袖套感应病人的动脉搏动而产生一个振荡信号，并利用这个信号反馈调整袖套中的压力。同时，这些振荡脉冲由传感器采集并在示波器上显示出波形，血压测量设备随后插值分析这些波形便可确定病人收缩压和舒张压的读数并显示出来。

3.2 比例气动技术在尖端外科手术中的应用

机械小型化和比例气动控制技术已被惊人地结合进医学高科技之中。国外的外科医生正在用一个微型的、超高速的、尖锐的旋转金钢石磨具，从病人动脉内壁磨去血小板、胆固醇等沉积物，除去动脉血管阻塞和硬化的潜在危险。这种技术显然比以前使用的气囊血管扩张手术更有前途。高速转的磨具实际上是除去血管堵塞物而不仅仅是把它们挤开一点，其优点是恢复了光滑清洁的动脉壁和维持较长期的手术效果，并不会由于气囊的过度扩张损伤动脉血管。

3.3 液压装置在医疗器件中的应用

要把液压装置引入医院使用的关键是要液压系统噪音小、不漏油、没有异味、体积小能够安装在不易看到的地方。这样的液压件也会很受欢迎地使用于医院中的病床驱动装置、检查台、X光设备、加速运动台和其它生理检查和治疗设备中。

参考文献

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