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§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)幾個方面§2.10應(yīng)力和生長生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第2頁§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。實際上，人們對生命運動力學(xué)問題研究能夠追溯到古希臘亞里士多德時代。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第3頁伽里略——（1564—1642）測量心率。（用單擺長度來表征心搏周期）哈維——（1578—1658）測定心室容量，并算出每小時內(nèi)心臟搏出血液流量。G·A·Borelli——（1680年）提出了關(guān)于動物肢體力學(xué)模型。牛頓——（17）測定了動脈和靜脈血壓。笛卡爾——提出一個包含神經(jīng)活動在內(nèi)動物模型，試圖用力學(xué)方法概括生命運動規(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L.Euler——提出了關(guān)于脈搏在動脈內(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脈血管彈性關(guān)系。）J.Poiseuille——觀察了血液流過毛細(xì)血管時阻力。S.Hales——測量了馬動脈血壓和動脈血管膨脹特征。A.Krogh——建立了微循環(huán)力學(xué)模型，并獲諾貝爾獎。A.V.Hill——研究了肌肉收縮規(guī)律。

18世紀(jì)以來：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頁二、生物力學(xué)興起背景和需要

（1）動脈粥樣硬化總發(fā)生在動脈彎曲、分枝部位（顯然與血流動力原因相關(guān)）；（2）癌腫藥品治療效率不高根源是病灶部位藥品輸運生理障礙；（3）腰背痛等常見病與日常生活工作姿勢等相關(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頁三、生物力學(xué)所包括主題

（一）以人（高等哺乳動物）生命運動為關(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▲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、平滑肌）；▲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▲器官、組織功效、應(yīng)用和生長（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)；▲運動關(guān)節(jié)力學(xué)（人工關(guān)節(jié)，假肢）；▲感覺器官力學(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▲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；▲淋巴流動；▲組織間質(zhì)液流動；▲左心室—動脈血液相互作用；▲肺血流；▲冠脈血流動力學(xué)；▲腎臟內(nèi)部血循環(huán)；▲肝血流；▲腦血流。3.循環(huán)動力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第10頁▲上呼吸道流體力學(xué)；▲氣管樹內(nèi)氣流阻力及其分布；▲末梢支氣管內(nèi)對流—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▲蠕動流；▲可癟管流動。5.泌尿流動▲心血管系統(tǒng)動力學(xué)；▲呼吸系統(tǒng)動力學(xué)；▲體液平衡系統(tǒng)分析。

6.系統(tǒng)動力學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第12頁▲體育運動生物力學(xué)。7.運動生物力學(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▲細(xì)胞膜力學(xué)性質(zhì)；▲原生質(zhì)流動；▲應(yīng)力對細(xì)胞形態(tài)、生長、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（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2.植物組織和機(jī)體力學(xué)性質(zhì)

3.聲波對植物生長影響4.植被流體動力學(xué)5.農(nóng)業(yè)工程中生物力學(xué)問題。

▲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

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

背景與目標(biāo)：從試驗室（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)計和運行優(yōu)化，高效分離，純化技術(shù)，生物處理過程自動控制和在線檢測，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1.生物反應(yīng)器內(nèi)流動，傳質(zhì)和傳熱；2.應(yīng)力對細(xì)胞、微生物生長和功效影響；3.生物制品分離過程中流體力學(xué)問題；4.流動應(yīng)力對生物大分子結(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（四）動物運動背景與目標(biāo)：仿生工程技術(shù)，生物學(xué)中一些理論問題定量分析等。該主題包含以下內(nèi)容。1.鳥類和昆蟲飛行；2.水生動物游泳力學(xué)（泳動模式進(jìn)化和形態(tài)演變）；3.微生物運動；4.陸生物運動。

由上可見，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§2.2生物力學(xué)力學(xué)基礎(chǔ)一、運動和力對于生命現(xiàn)象所包括以位移為特征機(jī)械運動，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，勻速直線運動。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第20頁牛頓第三定律：

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，加速度運動。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第21頁二、剛體動力學(xué)在生物力學(xué)中應(yīng)用

剛體動力學(xué)基本方程：

（剛體：系統(tǒng)內(nèi)部各質(zhì)點之間距離在運動過程中保持不變）式中：

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

——外力協(xié)力；——剛體旋轉(zhuǎn)角速度；——質(zhì)點相對于質(zhì)心向量；

生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第22頁（1）用來研究人在走、跑、跳躍、負(fù)重、操作等運動過程中人體整體以及各肢體運動規(guī)律，以改進(jìn)動作，提升效率——如體育運動技術(shù)優(yōu)化；（2）人在各種姿態(tài)、運動、操作等過程中，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)計等方面有主要意義。

上述剛體動力學(xué)基本方程在生物力學(xué)中是很有用?；谏鲜鰟傮w動力學(xué)基本方程應(yīng)用，能夠幫助建立力學(xué)模型。不過，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

例1：Nachemson和Elfstrom(1970年)用微型壓力傳感器測量了一個體重70kg人，在不一樣姿態(tài)和操作下腰椎了椎間盤上載荷和受力問題(下頁表格)。發(fā)覺不合理舉重動作，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頁生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第25頁高性能BioWarePerformance系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第26頁高性能動作分析系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第27頁姿態(tài)椎間盤載荷姿態(tài)椎間盤載荷仰臥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頁例2：J.P.Panl(1970年)測量了水平步行時人髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)平均載荷伴隨步長——身高比改變，發(fā)覺步行時髖、膝關(guān)節(jié)所承受載荷要比人體重大得多（因為相關(guān)肌群收縮作用）?？梢姡驗榧∪馐湛s作用，在建立力學(xué)模型時，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頁三、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)基本知識

剛體實質(zhì)上不存在，在外力作用下，物體形狀總會發(fā)生改變。連續(xù)介質(zhì)運動描述：（1）Lagrange方法：生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第30頁（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頁四、生物流體力學(xué)基礎(chǔ)

例：新陳代謝——運動基本單元是細(xì)胞。

“嘴”、“肛門”---不停吸收同化作用所需原料。不停排除異化作用廢物。“腸胃”、“血管”---依靠生物體內(nèi)不一樣層次、不一樣系統(tǒng)流體運動來維持?！凹?xì)胞”---細(xì)胞質(zhì)運動和經(jīng)過細(xì)胞膜物質(zhì)輸運，為細(xì)胞代謝活動創(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：“生命系統(tǒng)維持其穩(wěn)態(tài)條件是相當(dāng)苛刻?！鄙鲜錾\動維持，是和生物體內(nèi)部體液流動親密相關(guān)。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第32頁顯然，要了解生命現(xiàn)象規(guī)律，必須掌握流動過程規(guī)律，尤其是生命體內(nèi)體液流動規(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（一）生理流動不一樣層次1.細(xì)胞和亞細(xì)胞層次；包含：原生質(zhì)流動（細(xì)胞內(nèi)各種生化過程）；細(xì)胞膜流動性和力學(xué)行為；細(xì)胞膜輸運過程；應(yīng)力對細(xì)胞生長、形態(tài)、功效和超微結(jié)構(gòu)影響。2.組織層次；包含：（1）穿過毛細(xì)血管壁流體運動；（2）組織間質(zhì)內(nèi)流體運動；（3）淋巴流動；（4）組織分泌液流動。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第34頁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）心臟血液動力學(xué)；（2）大血管流體動力學(xué)；（3）以微循環(huán)為關(guān)鍵器官血流動力學(xué)；（4）微循環(huán)流體動力學(xué)；（5）心血管系統(tǒng)動力學(xué)。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第35頁4.呼吸系統(tǒng)內(nèi)氣體運動；包含：（1）呼吸道內(nèi)空氣流動；（2）小支氣管里氣體對流和擴(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)動力學(xué)。5.泌尿系統(tǒng)內(nèi)流動；包含：（1）毛細(xì)血管-腎小球、腎小管之間流體運動；（2）輸尿管內(nèi)蠕動流。6.消化系統(tǒng)內(nèi)流動（胃、腸蠕動等）；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（二）流體力學(xué)基本原理質(zhì)量定恒定律：流入流體=流出流體動量守恒定律：密度×流動加速度＝－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（三）流體力學(xué)基本方程（1）連續(xù)方程：

（2）運動方程：

若流體不可壓縮且均質(zhì)，連續(xù)性方程為：（上式是簡化方程，實際上取得它是據(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)量流動所受體積力（該式來自于較復(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（3）能量方程：

E—單位質(zhì)量流體內(nèi)能；

Q—單位時間內(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—絕對溫度。

（該式來自于較復(fù)雜推導(dǎo)，包含高等數(shù)學(xué)、流體力學(xué)等。）上述三個方程中，應(yīng)用于實際生理流動問題時太復(fù)雜，需簡化。

怎樣簡化？要結(jié)合生物學(xué)、生理學(xué)和解剖學(xué)知識。所以，生物流體力學(xué)有自己獨特方法學(xué)體系，而不是流體力學(xué)在生命現(xiàn)象中簡單應(yīng)用。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第39頁§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，可用材料試驗機(jī)研究其力學(xué)性質(zhì)。可見：（1）干骨變脆（無塑性變形）；（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)，很多人都做過試驗。全部試驗都表明：

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—手畫生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第40頁二、軟組織力學(xué)性質(zhì)

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

例1：例2：圖—手畫圖—手畫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B：軟組織力學(xué)性質(zhì)區(qū)分：在無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60%；靜息心肌可伸長約15%；動脈和靜脈血管達(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頁三、血管力學(xué)性質(zhì)

（一）動脈血管力學(xué)性質(zhì)

當(dāng)前：一維拉伸試驗和準(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”有一些試驗結(jié)果。但尚無規(guī)律性結(jié)論，因為當(dāng)選擇參數(shù)多時，模型任意性大，而選擇參數(shù)少時，無顯著物理意義，易誤入歧途。（二）靜脈血管力學(xué)性質(zhì)

類同于動脈血管認(rèn)識。（三）微血管力學(xué)性質(zhì)

微動脈、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§2.4肌肉力學(xué)基礎(chǔ)已作了多方面探索，但總說來沒有什么新突破，進(jìn)展也不盡如人意。參考書中（《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§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/mm3，比重1.10，5－8m，雙凹餅狀。

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

血小板：含量約2.5-3×105個/mm3，2－4m，鐵餅狀。一、血液流變特征頭號殺手：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

1.血漿粘度

1963年，Merrill測量血漿粘度，認(rèn)為是非牛頓流體。

以后發(fā)覺：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，

i.分析大血管（圖）流動時，血液為牛頓流體；用于深入評價是合理；

ii.分析人體內(nèi)1010根微血管（圖）時，血管直徑與紅細(xì)胞直徑同量級，此時，實際上已非均質(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頁生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第49頁二、紅細(xì)胞運動和變形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)另一個主要參數(shù)。圖-手畫生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第50頁生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第51頁紅細(xì)胞功效：把機(jī)體組織細(xì)胞代謝活動所必需O2輸送到機(jī)體各組織和器官，同時帶走代謝產(chǎn)物CO2，并在肺內(nèi)排出CO2，吸收O2，從而使生命活動維持。功效實現(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)過這些毛細(xì)血管時形狀必須改變。

（觀察發(fā)覺：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?，局部伸長比達(dá)200%。）生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第52頁生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第53頁生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第54頁紅細(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)胞在血漿中不會聚集）；（4）流體動力作用：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頁白細(xì)胞兩種狀態(tài)：

（1）靜息狀態(tài)，無外力作用呈球形，在外力作用下可變形；（2）能動狀態(tài)，即使無外力白細(xì)胞也會自動變形，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，k不變，隨T而減小；（2）pH值改變時（5.4-8.4），pH可使；

（3）滲透壓增大時，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（圖為用微管吸吮法測量能動狀態(tài)下白細(xì)胞主體和原足力學(xué)性質(zhì)）2.能動狀態(tài)下，白細(xì)胞力學(xué)性質(zhì)能動狀態(tài)下，白細(xì)胞會自動變形生出原足，原足呈片狀，被細(xì)胞膜包圍，但足內(nèi)只有細(xì)胞質(zhì)，無細(xì)胞器。白細(xì)胞主體和原足力學(xué)性質(zhì)：圖—手畫白細(xì)胞主體：是粘彈性體，有顯著蠕變原足：是彈性體，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，原足形成時白細(xì)胞動力學(xué)模型應(yīng)將連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理和肌動蛋白等大分子以及Ca+化學(xué)動力學(xué)過程結(jié)合起來?？梢?，細(xì)胞力學(xué)發(fā)展要求把力學(xué)原理和細(xì)胞內(nèi)生化過程結(jié)合起來。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第59頁

（二）白細(xì)胞在微血管里流變行為

1.在微血管流動中白細(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，其運動阻力比紅細(xì)胞大，運動速度低于紅細(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共同接觸區(qū)。試驗表明，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3.白細(xì)胞在毛細(xì)血管里運動因為白細(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)血管所需時間約為一樣流動條件下紅細(xì)胞所需時間1000-倍。很小，則很小，所以很大。白細(xì)胞在變形同時，將毛細(xì)血管和進(jìn)口段擴(kuò)張成錐形。錐角。圖—手畫生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第61頁在作用下，可能以下：（1）在白細(xì)胞與毛細(xì)血管壁之間形成-血漿潤滑層，白細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞不直接接觸，不存在粘附問題。可使用紅細(xì)胞-管壁相互作用理論，并應(yīng)用對應(yīng)流動阻力規(guī)律。（2）白細(xì)胞運動速度很低，對應(yīng)血漿潤滑層厚度太薄，不足以維持其穩(wěn)定，則血漿潤滑層破壞，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頁四、血小板功效行為流變學(xué)問題

（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。所以：（1）靜息狀態(tài)下，血小板對于血液流變特征影響甚微。（2）當(dāng)血小板激活時（比如凝血）——血小板活動性和功效行為對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PlateletActivationPathways生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第64頁血小板性質(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，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)過相互作用而聚集成團(tuán)特征。當(dāng)前研究集中點生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第65頁粘附變形釋放+釋放變形生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第66頁PlateletAdrenalineCollagenGPIbvWFGPIIb/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頁試驗結(jié)果表明，影響血小板聚集反應(yīng)最主要流變學(xué)原因是流動切變率。試驗結(jié)果表明，影響血小板活性主要原因是血小板受剪應(yīng)力作用時間。關(guān)于上述“聚集反應(yīng)——活化了血小板能經(jīng)過相互作用而聚集成團(tuán)特征。”研究進(jìn)展：血液流動過程中，血小板總是在靠近管壁區(qū)域里運動，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

例1：壁面切變率時，血小板聚集潛伏期時間隨而延長；壁面切變率時，LDH、ADP、ATP等含量不變；壁面切變率時，LDH、ADP、ATP等有所上升；壁面切變率時，ADP引發(fā)血小板聚集被快速抑制?？梢姡凶兟始饶芗ぐl(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

例2：剪應(yīng)力時，血漿5－HT含量顯著上升；剪應(yīng)力時，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（二）凝血過程中血液粘彈性

凝血過程——復(fù)雜多因子（13種因子）綜合過程，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?；III.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)。分三個階段：生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第75頁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頁優(yōu)化Ti-Ta-O薄膜與LTIC動物體內(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abcd經(jīng)兔腹主動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頁血液在凝血過程中粘彈性（來自陶祖萊研究結(jié)果）：圖—手畫生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第81頁由圖可見凝血過程可分為三個階段：時,劇增，凝血過程開始，時，，G線出現(xiàn)拐點。１.均很小，凝血還未開始。2.趨于0，即靠近3.三個圖區(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

t0——凝血起始時間

——時間常數(shù)，

tc——凝血過程中與由上升變?yōu)橄陆缔D(zhuǎn)變時間。陶祖萊用以下關(guān)系來描述血液在凝血過程中粘彈性行為：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——歸因于紅細(xì)胞影響。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第84頁（上圖中）其影響表現(xiàn)以下：（1）從粘彈性行為改變方面看出，凝血起始時間（t0）因紅細(xì)胞存在而推遲了，血小板數(shù)量對于凝血起始時間沒多大影響，主要取決于血小板活性和纖維蛋白原。（2）凝血過程中（反應(yīng)粘性）弛豫時間主要決定于纖維蛋白原，血小板數(shù)量對它沒有什么影響。但紅細(xì)胞存在使顯著增大。彈性模量弛豫時間卻主要是由血小板含量所決定。（3）時間常數(shù)主要決定于纖維蛋白原。（4）對于血凝體剛度（）和粘性（）來說，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頁五、血液本構(gòu)方程

（一）血液流變學(xué)三個基本事實

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

2.在動態(tài)（非定常流動）條件下，血液是粘彈性流體；

3.當(dāng)紅細(xì)胞直徑（Dc）與流場特征尺度（Dt）相比不是非常小，血液流動“非連續(xù)性效應(yīng)”就會顯示出來。這時，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（二）血液粘彈性本構(gòu)關(guān)系研究現(xiàn)實狀況

1.簡單“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——流動速度場

——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)就以上述血液流動速度場為例，血液流速是一個“較輕易”測定參數(shù)了（其它極難測），但仍因不一樣血管和位置而有很大區(qū)分。測定也較難。下面介紹一個測量方法。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第88頁超聲多普勒法是怎樣測量血液流動?1842年德國一位名叫多普勒數(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，他發(fā)覺火車從遠(yuǎn)而近時汽笛聲變響，音調(diào)變尖，而火車從近而遠(yuǎn)時汽笛聲變?nèi)?，音調(diào)變低。他對這個物理現(xiàn)象感到極大興趣，并進(jìn)行了研究。發(fā)覺這是因為振源與觀察者之間存在著相對運動，使觀察者聽到聲音頻率不一樣于振源頻率現(xiàn)象，這就是頻移現(xiàn)象。因為是多普勒首先提出來，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頁超聲多普勒法是怎樣測量血液流動?

為了檢驗心臟、血管運動狀態(tài)，了解血液流動速度，能夠經(jīng)過發(fā)射超聲來實現(xiàn)。因為血管內(nèi)血液是流動物體，所以超聲波振源與相對運動血液間就產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。血管向著超聲源運動時，反射波波長被壓縮，因而頻率增加。血管離開聲源運動時，反射波波長變長，因而在單位時間里頻率降低。反射波頻率增加或降低量，是與血液流動速度成正比，從而就可依據(jù)超聲波頻移量，測定血液流速。我們知道血管內(nèi)血流速度和血液流量，它對心血管疾病診療含有一定價值，尤其是對循環(huán)過程中供氧情況，閉鎖能力，有沒有紊流，血管粥樣硬化等均能提供有價值診療信息。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第90頁§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頁生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第93頁生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第94頁生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第95頁四個腔室（左右心房、左右心室）四個瓣膜（二、三尖瓣向下，主肺動脈向上）

4根動/靜脈管（肺動、靜脈，主動脈和上/下腔靜脈）二、心臟結(jié)構(gòu)和功效結(jié)構(gòu)和功效見下頁圖。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第96頁四個腔室（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\生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第98頁生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第99頁四個瓣膜（二、三尖瓣向下，主肺動脈向上）主動脈瓣三尖瓣二尖瓣肺動脈瓣生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第100頁二三生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第101頁

因為左心室負(fù)荷較高，故二尖瓣、主動脈瓣更易病變。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第102頁4根動/靜脈管（肺動、靜脈，主動脈和上/下腔靜脈）生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第103頁生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第104頁（一）心電過程心肌細(xì)胞收縮需要電信號，使全部細(xì)胞同時收縮。（主要產(chǎn)生于右心房竇房結(jié)。）（二）心搏過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頁要解釋：

1.心室射血流動時，流動阻力很小，從而溶血、凝血以至血栓形成可能性才??；

2.充盈過程中心室內(nèi)血液流動情況；

3.心臟及心瓣血液流動模擬相同問題。三、心臟和心瓣流體力學(xué)問題生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第106頁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，打開時它們對流動阻力極小，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，沒有肌肉，瓣膜無主動收縮能力，開閉受流體流動控制。開啟——心室/心房壓力引發(fā)；關(guān)閉——在射血后期因為流動減速，產(chǎn)生逆壓梯度，使關(guān)閉。當(dāng)前在解釋上述幾個問題時已取得一些進(jìn)展和較正確認(rèn)識。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第107頁生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第108頁生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第109頁四、心臟力學(xué)模型和泵功效左心與動脈系統(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)問題自動調(diào)整？（運動態(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§2.７血液循環(huán)力學(xué)規(guī)律

一、動脈系統(tǒng)阻力分布和分枝形態(tài)二、可變形管道內(nèi)定常流動三、動脈血管里脈動流和脈搏波四、脈搏波在動脈血管系統(tǒng)里傳輸五、大動脈里流動六、靜脈血管里流動七、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頁生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第112頁§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頁生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第114頁生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第115頁生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第116頁一、呼吸道內(nèi)空氣流動

呼氣結(jié)束呼吸肌放松肺彈性平衡肺內(nèi)氣體靜止（無宏觀遷移），(此時，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頁人肺交換膜面積約70m2，組成3108個肺泡，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5個正常人肺呼吸道系統(tǒng)幾何形態(tài)做了系統(tǒng)測量，表明：（1）從大氣管開始（看成0級），整個氣管系統(tǒng)，都是一分為二，兩兩分支；（2）0~16級只起氣體運輸作用，可看作導(dǎo)管，第16級為末梢支氣管；（3）17~23級，氣管壁周圍都附著有肺泡，為呼吸區(qū)，第23級終端為肺泡。???呼氣吸氣實現(xiàn)O2CO2生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第118頁生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第119頁（一）呼吸道阻力呼氣流阻力規(guī)律不一樣于吸氣流，因為二者流動方向相反。（1）呼氣流每級支氣管流動阻力：

PV——阻力/粘性壓力降——流體密度

u0——流速l——氣管長d——氣管直徑Re——雷諾數(shù)，生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第120頁（2）吸氣時流動阻力 PV——阻力

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

形狀復(fù)雜，因為要適應(yīng)各種功用(空氣調(diào)整裝置---濕化，凈化空氣，嗅覺，味覺等）

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

（三）呼吸系統(tǒng)動力學(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頁二、支氣管里對流擴(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（長度）D——擴(kuò)散系數(shù)

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

例在終端肺泡里，氣體宏觀運動速度趨于0，對流很小，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，氣體組元輸運為主（對流）iii.對于17-22級支氣管，二者作用相當(dāng)，即對流和擴(kuò)散兩種機(jī)制同時起作用。生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)教案專家講座第124頁三、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，流動不起作用，O2、CO2和N2在肺泡中主要是以分子擴(kuò)散方式運動。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。整個氣體交換過程包含以下步驟：（1）經(jīng)過肺泡膜氣體（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)氣體在血漿中對流擴(kuò)散；（5）經(jīng)過紅細(xì)胞膜擴(kuò)散；（6）紅細(xì)胞內(nèi)