Динамика биожидкости - Biofluid dynamics

Динамика биожидкости можно рассматривать как дисциплину биологическая инженерия или биомедицинская инженерия в котором фундаментальные принципы динамика жидкостей используются для объяснения механизмов биологических потоков и их взаимосвязи с физиологическими процессами в состоянии здоровья и при заболеваниях / расстройствах. Его можно рассматривать как сочетание машиностроения и биологической инженерии. Она охватывает от клеток органов, охватывающих различные аспекты функциональных возможностей системной физиологии, в том числе сердечно-сосудистой системы, органов дыхания, репродуктивных, мочевых, опорно-двигательного аппарата и неврологических систем и т.д. динамики биожидкости и его моделирования в вычислительной гидродинамики (CFD) применяются как внутренние, так как внешние потоки. Внутренние потоки, такие как сердечно-сосудистый кровоток и дыхательный поток, и внешние потоки, такие как полет и водное передвижение (например, плавание). Динамика биологических жидкостей (или динамика биологических жидкостей) включает изучение движения биологических жидкостей (например, кровоток в артериях, полет животных, плавание рыб и т. Д.). Это может быть как система кровообращения, так и дыхательная система. Понимание системы кровообращения - одно из основных направлений исследований. Дыхательная система очень тесно связана с системой кровообращения и очень сложна для изучения и понимания. Изучение динамики биожидкостей также направлено на поиск решений некоторых заболеваний и расстройств, связанных с человеческим телом. Полезность этого предмета также можно понять, увидев использование биожидкостной динамики в областях физиологии, чтобы объяснить, как работают живые существа и их движения, в развитии понимания происхождения и развития различных заболеваний, связанных с человеческим телом. и диагностировать их, чтобы найти лекарство от болезней сердечно-сосудистой и легочной систем.

История биогидродинамики

Историю биожидкостной динамики можно считать очень древней, относящейся к 2700-2600 гг. До н.э., когда впервые письменный документ о кровообращении и теориях китайской медицины под названием «Внутренняя классика» был написан также китайским императором Хуанти. называется желтый император.[1]Наиболее известные имена, связанные с динамикой биожидкостей, - это Уильям Харви, Жан Луи Мари Пуазей и Отто Франк. В 1628 году Харви опубликовал «Анатомическое исследование движения сердца и крови животных». Это была первая публикация в западном мире, в которой утверждалось, что кровь выкачивается из сердца и рециркулирует.[2]Жан Луи Мари Пуазейль приписывают разработку теории течения Пуазейля. Он описывает взаимосвязь между потоком и градиентом давления в длинных трубках постоянного поперечного сечения.[2]Отто Франк опубликовал «Фундаментальную форму артериального пульса», которая содержала его «теорию Виндкесселя» кровообращения в 1890 году. Он также усовершенствовал оптические манометры и капсулы для точного измерения внутрисердечного давления и объема.[2]В наши дни огромные исследовательские усилия сосредоточены на понимании внутренней динамики биожидкостей, чтобы пролить свет на механизмы физиологии и патофизиологии. Этот список содержит подробную информацию о некоторых из основных исследовательских групп, сосредоточивших усилия в этой области.

Основные принципы гидродинамики

Жидкость определяется как вещество, которое непрерывно деформируется под действием напряжения сдвига, независимо от того, насколько мало это напряжение. Кровь - это основной пример биологической жидкости. Воздух также можно рассматривать как биологическую жидкость, поскольку он течет в легких, а синовиальная жидкость между коленными суставами также является примером биологической жидкости.[3]Жидкости можно разделить на четыре основных типа. Они есть:

  1. Идеальная жидкость
  2. Настоящая жидкость
  3. Ньютоновская жидкость
  4. Неньютоновская жидкость

Идеальная жидкость - это жидкость, которая не имеет вязкости, что означает, что она не будет оказывать сопротивления, прагматически такого типа жидкости не существует. Это несжимаемый по своей природе. Настоящие жидкости по своей природе сжимаемы. Они обладают некоторым сопротивлением и, следовательно, вязкостью. Все существующие жидкости являются настоящими жидкостями. Ньютоновская жидкость - это жидкость, вязкие напряжения сдвига (действующие между различными слоями жидкости и между слоем жидкости и поверхностью, по которой она течет) прямо пропорциональны скорости изменения скорости потока. жидкости относительно расстояния в поперечном направлении (расстояние, измеряемого перпендикулярно потоку), также известного как градиент скорости. Константа пропорциональности известна как динамическая вязкость жидкости и обозначается буквой «μ». Функциональная связь между вязким напряжением сдвига и градиентом скорости линейна в ньютоновской жидкости. Это отношение можно записать как:

                                                             куда  = вязкое напряжение сдвига  = динамическая вязкость жидкости  = градиент скорости в потоке

Неньютоновская жидкость - это жидкость, которая отличается от ньютоновской жидкости, поскольку вязкость неньютоновских жидкостей зависит от скорости сдвига или предыстории скорости сдвига. В неньютоновской жидкости соотношение между напряжением сдвига и скоростью сдвига иное и может даже зависеть от времени (вязкость, зависящая от времени). Следовательно, нельзя определить постоянный коэффициент вязкости.

Неньютоновские жидкости меняют свою вязкость или текучесть под действием напряжения. Если к таким жидкостям приложить силу, внезапное приложение напряжения может заставить их стать толще и вести себя как твердое тело, или в некоторых случаях это приводит к противоположному поведению, и они могут стать более жидкими, чем были раньше. Снятие напряжения заставляет их вернуться в свое прежнее состояние. Не все неньютоновские жидкости ведут себя одинаково при приложении напряжения - одни становятся более твердыми, другие - более текучими. Некоторые неньютоновские жидкости реагируют в результате величины приложенного напряжения, в то время как другие реагируют в результате продолжительности приложения напряжения. Обобщенный степенной закон для всех жидкостей может быть записан как:

                                                  Где K = индекс плотности потока n = индекс поведения жидкости, n = 1 для ньютоновских жидкостей

Тиксотропная жидкость: Его вязкость со временем снижается со временем. Пример - Мед - продолжайте помешивать, и твердый мед станет жидким.

Реопектическая жидкость: Его вязкость увеличивается с течением времени. Пример - Сливки - чем дольше взбиваются, тем гуще становятся.

Жидкость для разжижения при сдвиге: ее вязкость снижается с увеличением напряжения. Пример - кровь, томатный соус.

Дилатант или загущающая жидкость при сдвиге: ее вязкость увеличивается с увеличением напряжения. Пример - Oobleck (смесь кукурузного крахмала и воды), Quicksand.

А Бингем пластик не является ни жидкостью, ни твердым телом. Пластмасса Бингема может выдерживать конечную сдвигающую нагрузку и течь, как жидкость, когда это напряжение сдвига превышено. Зубная паста и майонез - примеры пластика Бингема. Кровь также является пластиком Бингема и ведет себя как твердое вещество при скорости сдвига, очень близкой к нулю. Предел текучести крови очень мал, примерно в пределах от 0,005 до 0,01 Н / м 2.

Число Рейнольдса потока определяется как отношение сил инерции к силам вязкости. Математически это записывается как 

                                                           куда  = плотность жидкости v = скорость жидкости d = характерная длина  = динамическая вязкость жидкости

Число Рейнольдса помогает нам предсказать переход между ламинарным и турбулентным потоками. Ламинарный поток - это высокоорганизованный поток вдоль линий тока. По мере увеличения скорости поток может стать неорганизованным и хаотичным. Это известно как турбулентный поток. Ламинарный поток возникает в среде потока, где Re <2000. Турбулентный поток присутствует в условиях, при которых Re> 4000. Диапазон 2000

В Число Уомерсли, или альфа-параметр, является еще одним безразмерным параметром, таким как Число Прандтля или Число Рейнольдса который был использован при изучении гидродинамики. Этот параметр представляет собой отношение переходных сил к вязким, так же как число Рейнольдса представляет собой отношение инерционных сил к вязким. Характерная частота представляет собой временную зависимость параметра. Число Уомерсли можно записать как:[2]

                                                      куда  = Womersely Number r = радиус сосуда  = основная частота  = кинематическая вязкость =

В высокочастотных потоках профиль потока становится более тупым вблизи центральной линии сосуда, поскольку силы инерции становятся более важными, чем силы вязкости. Но вязкие силы по-прежнему важны вблизи стенки, так как здесь скорость потока почти равна нулю из-за влияния стенки и условия прилипания. Более того, можно показать, что переходные силы становятся относительно более важными, чем силы вязкости, когда размер животного увеличивается.[2]

Сердечно-сосудистая система

Сердце, артерии и вены (сеть трубок, по которым проходит кровь) составляют сердечно-сосудистую систему или систему кровообращения нашего тела, которая транспортирует кровь по всему телу. Сердце можно представить как мышечный насос, состоящий из четырех камер и пульсирующих мышц, которые качают кровь по сосудистой сети и циркулируют в ней. Артерии, артериолы, капилляры, венулы и вены составляют сосудистую сеть. В сердечно-сосудистой системе циркулирует около 5 литров крови с расходом примерно 6 л / м.[4] Легочное и системное кровообращение - две части сосудистой сети. Система малого круга кровообращения состоит из сети кровеносных сосудов от правого сердца к легким и обратно к левому отделу сердца. Остальная часть петли кровотока называется системой системного кровообращения. Легочный и системный кровоток забирает кровь сначала через крупные артерии, а затем разветвляется на более мелкие артерии, прежде чем достигнет артериол и капилляров. После капилляров кровь попадает в венулы, прежде чем присоединиться к более мелким венам, а затем к более крупным венам, прежде чем достигнет правого сердца. Таким образом завершается цикл крови, идущей к сердцу, а затем идущей от него ко всем частям тела.[4]Трикуспидальный клапан, правое сердце (правый желудочек), легочный клапан, легочная артерия, легкие, легочные вены и правое сердце являются элементами системы легочного кровообращения. Процесс газообмена, то есть обмен углекислого газа с кислородом в легких, является основной функцией легочной системы. Обескислороженная кровь из правого желудочка перекачивается в легкие, где капилляры, окружающие альвеольные мешочки, обменивают углекислый газ на кислород. Красные кровяные тельца и гемоглобин, присутствующие в крови, который является основным переносчиком кислорода в крови, несут ответственность за этот газообмен, прежде чем они попадут в левый желудочек сердца. Системный кровоток отвечает за транспортировку насыщенной кислородом крови к различным органам и тканям через артериальное дерево, а затем дезоксигенированную кровь в правый желудочек по венозной системе (сети вен). Артерии переносят насыщенную кислородом кровь, а вены - дезоксигенированную кровь.[4]

Элементы крови и реологии крови

К жидкостям, связанным с человеческим телом, относятся воздух, кислород, углекислый газ, вода, растворители, растворы, суспензии, сыворотка, лимфа и кровь. Основная жидкость организма, которая действует как спасательный круг для живых организмов, - это «кровь». Кровь - чрезвычайно сложная биологическая жидкость. Он состоит из взвешенных в плазме клеток крови и других различных типов клеток, включая белые кровяные тельца, тромбоциты и т. Д. Поток крови в артериях и венах тесно связан со свойствами кровеносных сосудов. Перенос кислорода и питательных веществ к различным тканям и органам наше тело, доставляя углекислый газ в легкие и принимая кислород, доставляя побочные продукты метаболизма в почки, регулируя защитные механизмы организма, то есть иммунную систему, и способствуя эффективному тепломассообмену по всему телу, являются одними из основных функции, которые кровь выполняет в организме человека. Кровь состоит из красных кровяных телец или эритроцитов, белых кровяных телец или лейкоцитов, а также тромбоцитов или тромбоцитов. Клетки, которые в основном участвуют в переносе кислорода и углекислого газа, известны как эритроциты. Клетки, которые в основном участвуют в фагоцитозе (процессе разрушения неизвестных твердых частиц) и иммунных ответах, известны как лейкоциты; тромбоциты - это компоненты крови, которые участвуют в свертывании крови. В дополнение к этому от 55 до 60 процентов крови по объему состоит из плазмы.[4] Плазма - это прозрачная жидкость янтарного цвета, в которой взвешены клеточные компоненты крови. Плазма содержит такие компоненты, как белки, электролиты, гормоны и питательные вещества. Сыворотка - это плазма крови, из которой удалены факторы свертывания. Кровь составляет от 6 до 8 процентов массы тела у нормальных здоровых людей.[4] Плотность крови немного больше плотности воды - примерно 1060 кг / м3.[4] Повышенная плотность происходит из-за повышенной плотности эритроцитов по сравнению с плотностью воды или плазмы. Реология - это изучение деформации и течения материи. Реология крови - это исследование крови, особенно свойств, связанных с деформацией и потоком крови. Кровь - это неньютоновская жидкость. Однако часто неньютоновский эффект очень мал по разным причинам. Таким образом, важно знать реологию крови. Одной из характеристик крови, которая влияет на работу, необходимую для обеспечения прохождения крови по артериям, является вязкость крови. Вязкость крови находится в диапазоне от 3 до 6 сП, или от 0,003 до 0,006 Нс / м2.[4] Кровь - это неньютоновская жидкость, а это означает, что вязкость крови не является постоянной величиной по отношению к скорости деформации сдвига. Помимо скорости сдвига, вязкость крови также зависит от температуры и от объемного процента крови, состоящего из эритроцитов. Если на несколько секунд сделать кровь неподвижной, в крови начинается свертывание, в результате чего вязкость крови увеличивается. Когда стационарное состояние нарушается при увеличении скорости сдвига, образование сгустка разрушается, и вязкость уменьшается. Кроме того, ориентация эритроцитов, присутствующих в крови, также влияет на вязкость крови. Таким образом, мы можем сказать, что кровь является жидкостью, разжижающей сдвиг, т.е. вязкость уменьшается с увеличением скорости сдвига. За пределами скорости сдвига около 100 с -1 вязкость почти постоянна, и кровь ведет себя как ньютоновская жидкость.[4] Кровь представляет собой вязкоупругий материал, т. Е. Вязкий и эластичный, поскольку эффективная вязкость крови зависит не только от скорости сдвига, но и от истории скорости сдвига. Также важно отметить, что нормальная кровь течет намного легче по сравнению с твердыми частицами при той же объемной доле частиц. Это связано с тем, что красные кровяные тельца могут приспосабливаться, деформируясь, и проходить друг мимо друга.[4]

Эффект Фарнюса-Линдквиста

Роберт (Робин) Санно Фореус, шведский патолог и гематолог, и Йохан Торстен Линдквист, шведский врач, заметили, что когда кровь течет через сосуды диаметром менее 1,5 мм, кажущаяся вязкость жидкости уменьшается. Вязкость крови снижается по мере увеличения процента диаметра сосуда, занятого бесклеточным слоем. Однако, когда диаметр трубки приближается к диаметру эритроцита, вязкость резко возрастает. Для кровотока через трубки диаметром менее примерно 1 мм вязкость не является постоянной по отношению к диаметру трубки. Следовательно, в таких кровеносных сосудах кровь ведет себя как неньютоновская жидкость.[5]

Применение биожидкостной динамики

Biofluid Dynamics относится к изучению динамики основных биологических жидкостей, таких как кровь, воздух и т. Д., И имеет огромное применение в области диагностики, лечения и некоторых хирургических процедур, связанных с расстройствами / заболеваниями, которые возникают в организме и связаны с сердечно-сосудистой системой, легочная, синовиальная системы и т. д. Различные типы сердечно-сосудистых заболеваний включают аневризмы, стенокардию, атеросклероз, инсульт, различные типы цереброваскулярных заболеваний, сердечную недостаточность, ишемические заболевания сердца, инфаркт миокарда или сердечные приступы. Модели вычислительной гидродинамики (CFD), подготовленные с помощью программное обеспечение артерий, вен и т. д. не только позволяет идентифицировать свойства текущей крови внутри артерий, но также можно определить изменения вязкости, которые могут быть результатом определенного основного заболевания / расстройства. Кроме того, также можно идентифицировать концентрацию напряжения и распределение напряжений в различных биологических системах, несущих жидкости. Это привело к большей помощи биомедицинским инженерам в распознавании причин определенных заболеваний, и, таким образом, они могут легко найти метод лечения этого заболевания / расстройства. Кроме того, это привело к большему количеству хороших исследований в области биотехнологии, биомеханики и т. Д.

использованная литература

  1. ^ Ли Уэйт, Джерри Файн (2007). "Прикладная биожидкостная механика", Mc Graw Hill Companies, Inc.
  2. ^ а б c d е Ли Уэйт, Джерри Файн (2007). "Прикладная механика биожидкостей", Mc Graw Hill Companies, Inc.
  3. ^ «Типы жидкостей»
  4. ^ а б c d е ж г час я "Bio-Fluid Dynamics, П. Нитиарасу"
  5. ^ «Эффект Фархуса-Линдквиста»