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内容简介

　　《生物流体力学（翻译版·原书第2版）》旨在为将流体力学应用于人体循环系统研究的相关课程提供教材，宜教易学。本书分为三个部分。第一部分主要对流体力学和固体力学的基础知识以及后边各章所涉及的心血管生理学作了概述。第二部分讲述了人体循环系统中的流体力学，重点针对动脉系统。第三部分的内容主要涉及介植入体及心血管系统的一些测量方法。本书是一本人体循环系统流体力学的入门教材，可供生物医学工程专业的高年级本科生或者一年级研究生使用，也可供相关科研与工程技术人员参考。

内页插图

目录

符号表
缩略语表
单位换算系数、常用的常量与方程
第一部分流体力学、固体力学与心血管生理学
第1章流体力学原理1
1.1引言1
1.2流体的固有属性1
1.2.1密度 1
1.2.2黏度 4
1.2.3可压缩性 5
1.2.4表面张力 5
1.3流体静力学 6
1.4质量和动量的宏观平衡 7
1.4.1质量守恒 7
1.4.2动量守恒 9
1.5质量和动量的微观平衡 11
1.5.1质量守恒 11
1.5.2动量守恒 13
1.5.3数学解 17
1.6伯努利方程 21
1.7无量纲分析 24
1.8直管中的流体力学 26
1.8.1流动稳定性及相关特性 26
1.8.2流动脉动的影响 30
1.9边界层分离 32
习题 33
参考文献 33
第2章固体力学简介 34
2.1材料力学简介 34
2.1.1弹性行为 34
2.1.2工程应变和真实应变 36
2.1.3增量弹性模量 36
2.1.4泊松比 36
2.1.5切应力与切应变 37
2.1.6广义胡克定律 38
生物流体力学2.1.7体积模量 40
2.2薄壁圆管问题 40
2.3厚壁圆管问题 42
2.3.1平衡方程 42
2.3.2相容条件 42
2.4黏弹性 45
习题 47
参考文献 48
第3章心血管生理 49
3.1引言 49
3.2心49
3.2.1概述 49
3.2.2心的结构 51
3.2.3心传导系 51
3.2.4心的功能 54
3.3心瓣膜57
3.4体循环 58
3.5冠状动脉循环 63
3.6肺循环和肺的气体交换 66
3.7脑循环和肾循环 68
3.7.1脑循环 68
3.7.2肾循环 69
3.8微循环 70
3.9循环的调节 72
3.10动脉粥样硬化 73
3.10.1动脉粥样硬化的形态学 73
3.10.2动脉粥样硬化斑块的生长过程 74
3.10.3生理学意义 77
习题 78
参考文献 78
第二部分人体循环系统生物力学
第4章血液的流变特性和血管的力学特性 83
4.1血液的流变特性 83
4.1.1毛细管测黏法、同轴圆筒测黏法、锥-板测黏法的黏度测定及理论 83
4.1.2血液的物理属性 87
4.1.3血液的黏性 88
4.1.4非牛顿流体压力-流动关系 99
4.1.5流动及其产生的应力诱导溶血和血小板的激活105
4.2血管的力学性能107
4.2.1血管壁的结构组分及材料属性 107
4.2.2血管的材料特性 110
4.2.3血管壁的残余应力 114
4.2.4心肌的材料特性 115
4.3总结 116
习题 116
参考文献118
第5章静态和定常流模型119
5.1引言 119
5.2循环系统中的流体静力学 119
5.3伯努利方程的应用 120
5.3.1相对静水压的测量 120
5.3.2动脉狭窄和动脉瘤 121
5.3.3心瓣膜狭窄 122
5.4刚性管流动模型 126
5.4.1血管阻力 128
5.4.2血管阻力的局部变化 129
5.5动脉入口长度的计算及其对流动发展的影响 129
5.6可塌陷血管中的血液流动 132
5.7总结 134
习题 134
参考文献 136
第6章非定常流与非均匀几何形状模型 137
6.1引言 137
6.2人体循环系统中的Windkessel模型 137
6.3脉动血流动力学的连续模型 139
6.3.1动脉系统中的波传播139
6.4动脉粥样硬化的血流动力学理论 157
6.4.1低压理论、低壁面切应力理论和高壁面切应力理论 159
6.4.2随时间变化的壁面切应力、振荡剪切指数和壁面切应力梯度 161
6.5壁面切应力及其对内皮细胞的影响 162
6.6动脉弯曲和分叉处的流动 164
6.6.1弯曲血管 164
6.6.2分支与分叉 168
6.7动脉狭窄和动脉瘤处的流动 171
6.8总结 178
习题 178
参考文献 179
第7章原生心瓣膜180
7.1引言180
7.2主动脉瓣和肺动脉瓣 181
7.2.1力学性能 182
7.2.2瓣膜动力学 185
7.3二尖瓣和三尖瓣 187
7.3.1机械性能 191
7.3.2瓣膜动力学 193
习题 196
参考文献 197
第三部分心血管植介入体、生物力学测量技术及计算机仿真
第8章人工心瓣膜动力学203
8.1引言203
8.2人工心瓣膜发展历史简介 204
8.2.1机械瓣204
8.2.2组织材料瓣膜 207
8.2.3机械瓣膜与生物组织瓣膜对比小结 210
8.2.4经导管（介入）瓣膜210
8.2.5当前使用的人工心瓣膜 212
8.3人工心瓣膜的血流动力学评价 213
8.3.1压力降 213
8.3.2有效开口面积 214
8.3.3反流 216
8.3.4血流状态（flow patterns）与切应力 217
8.3.5人工心瓣膜渗漏 224
8.3.6空化现象和高强度振荡信号 225
8.4凝血风险和血流破坏的体外研究 227
8.4.1血栓沉积的影响227
8.5人工心瓣膜的耐久性 228
8.5.1磨损 228
8.5.2疲劳 229
8.5.3矿化 229
8.6当前瓣膜设计的发展趋势 230
8.7总结 231
习题 231
参考文献232
第9章血管治疗技术 233
9.1血管搭桥植入物 233
9.2动静脉瘘 234
9.3血管搭桥材料的类型 235
9.4血管搭桥的临床经验 238
9.5生物力学与吻合口内膜增生 239
9.6血管成形术、支架和腔内支架植入 247
9.7支架植入的生物力学 252
习题 255
参考文献 255
第10章流体动力学测量技术 257
10.1引言 257
10.2血压的测量 257
10.3血流的测量 259
10.4阻抗测量 262
10.5流场可视化 265
10.6超声多普勒测速 269
10.7激光多普勒测速仪 281
10.7.1技术特征 281
10.7.2探头规格 282
10.7.3光检测器(光电探测器) 284
10.7.4信号处理 285
10.7.5LDV生理脉动流场测量的平均相位窗285
10.8核磁共振成像与速度映射技术 286
10.8.1切片激发 287
10.8.2空间编码 288
10.8.3成像过程和脉冲程序 289
10.8.4相位对比核磁共振 290
10.8.5相位对比磁共振成像的临床应用 292
习题 297
参考文献 297
第11章血液循环系统计算流体力学298
11.1引言 298
11.2计算流体力学分析技术 299
11.2.1控制方程 299
11.2.2网格生成 300
11.2.3离散化技术 302
11.2.4时间积分 303
11.2.5泊肃叶流仿真、结果验证及网格无关性 304
11.3生物力学建模 307
11.3.1典型区域的几何构型 307
11.3.2血液流变特性模拟 308
11.3.3边界条件 309
11.3.4稳态与非稳态流动分析 311
11.3.5二维和三维模拟 313
11.3.6流固耦合分析 314
11.4人体血液循环系统的流体动力学仿真 314
11.4.1人体主动脉 315
11.4.2颈动脉分支 316
11.4.3主动脉分支 317
11.4.4冠状动脉分支 318
11.4.5动脉瘤（腹主动脉瘤和脑动脉瘤） 319
11.4.6动脉狭窄 320
11.4.7介入治疗与外科手术 321
11.4.8瓣膜动力学仿真 322
11.5未来方向：多尺度模拟 325
11.6总结 325
11.7计算机仿真程序 325
参考文献 326
符号表
英文字母
A横截面面积（第6章）
B0磁场强度（第10章）
C顺应性
Ci物质的量浓度（指定项i）
c波速
D，d直径
Di扩散系数（第3章）；扩张系数（第6章）
DL可膨胀性
E弹性模量（杨氏模量）
Einc增量弹性模量
Ep压力-应变模量
E,F,G对流通量（第11章）
Ev，Fv，Gv黏性通量（第11章）
G切变模量
g重力加速度
H“总头”�。�单位体积的总能量，水头损失
H,Hct压积
J雅可比（第11章）
Jν第一类ν阶贝塞尔函数
K稠度系数
KD溶解系数
Ks刚度系数
k体积模量
l0初始长度
l变形后长度
M′t模量（第6章）
NDDean数
Ni物质i的摩尔通量
p静水压力
ps收缩压
pd舒张压

�×魈辶ρе凶芡肥侵傅ノ恢亓苛魈宓淖苣芰浚�其单位是长度的单位。而此处的“总头”是指单位体积流体的总能量，其单位是压力的单位，故加上引号以示区别。——编辑注P,F轴向加载，力
Q流量（第11章）
R半径
符号表生物流体力学r,θ,z;r,φ,z圆柱坐标系参量
r,θ,φ球坐标系参量
Re雷诺数
Rs阻力
SA node窦房结
T扭矩；截断误差（第11章）
u,v,w速度分量
V体积
V0初始体积
x,y,z笛卡儿坐标系参量
Z阻抗
Z0特征阻抗
1D(2D,3D)一维（二维，三维）
希腊字母
α沃姆斯莱数
γ切应变
γ·切应变率，速度梯度
δ长度增量
ε正应变
εi相位角（第6章）
εt真实应变
ε·正应变率
ξ,η,ζ广义坐标系参量（第11章）
η,ζ,ξ管壁在r,θ,z方向的位移（第6章）
ρ密度
μ［动力］黏度
μapp表观黏度
μp血浆黏度
ν泊松比（固体），运动黏度（μ/ρ，流体）
σ正应力
σult极限应力
σy屈服应力
Γ对角矩阵（第11章）
τ切应力
ω,Ω角速度缩 略 语 表
AAA腹主动脉瘤
ALE任意拉格朗日-欧拉（第11章）
AV房室瓣（第3章）
AVF动静脉瘘
bpm每分钟心跳次数
CDFM彩色多普勒血流成像
CFD计算流体力学
CO心输出量
CT计算机断层扫描
CVP中心静脉压
CW连续波
CX冠状动脉回旋支
DVT深静脉血栓
EC内皮细胞
ECG心电图
EDV舒张末期容积
EF射血分数
EMF电磁流量计
e-PTFE膨体聚四氟乙烯
ESV收缩末期容积
FSI流固耦合
HDL高密度脂蛋白
HR心率
IH内膜增生
IMA胸廓内动脉
LAD左降冠状动脉
LDA激光多普勒测风雷达
LDL低密度脂蛋白
LDV激光多普勒测速仪
MAP平均动脉压
MRI核磁共振成像
PET聚对苯二甲酸乙二醇酯
PIV粒子图像测速仪
PRF脉冲重复频率
PRU外周阻力单位
PTA经皮腔内血管成形术
PTCA经皮腔内冠状动脉成形术
PTFE聚四氟乙烯
RF射频脉冲
RMS均方根
RV反流体积
SG比重��
SMC平滑肌细胞
SVC,IVC上、下腔静脉
SVG隐静脉桥
SVHD单心室缺陷病
TEE经食管超声心动图
WSR壁面切应变率
WSS壁面切应力
WSSG壁面切应力梯度
ZCC/ZCD零计数器/零相交检测器
缩 略 语 表生物流体力学

�“碐B 3102.3—1993规定，此量应称相对密度。——编辑注ⅩⅦ单位换算系数、常用的常量与方程生物流体力学单位换算系数、常用的常量与方程
单位换算
长度1ft=12in=30.48cm=0.3048m
1cm=0.394in=0.03280ft
体积1L=1000cm3(cc)=0.001m3
1ft3=0.028317m3
压力1mmHg=133.3N/m2=1333dyn/cm2
1atm=14.696lbf/in2=760mmHg
功率1hp=550ft·lbf/s=745.7W
密度1lb/ft3=16.018kg/m3=0.016018g/cm3
黏度1centi Poise(cP)=10-2Poise(P)
1P=1dyn·s/cm2=1g/(cm·s)=0.1N·s/m2=0.1Pa·s
流体参数
密度（ρ):ρ水＝999kg/m3≈1g/cm3
ρ空气＝1.22kg/m3(在标准大气温度和压力下）
ρ血液＝1060kg/m3=1.06g/cm3;ρ血浆＝1035kg/m3=1.035g/cm3
黏度（μ):μ水＝1.0cP
μ血浆＝1.2cP;μ血液＝3.5cP（在切应变率>100s-1)
流体力学控制方程
流体本构关系：
牛顿流体：τ=μ�祏�祔
卡森流体：τ=τy+kcγ·
幂律流体：
τ=Kplγ·n(n≠1)
运动方程（不可压缩，牛顿流体）
质量守恒方程（连续性方程）：·V=0
动量方程：�礦 �祎+(V·）V =-1ρp+g +μρ2V
流体静力学关系：Δp=ρgh
一维流动
质量守恒方程，不可压缩流体（密度ρ为常量）:V1A1=V2A2
伯努利方程（能量守恒方程）——定常流——非黏性流动：
p+ρV22+ρgh=H(常数）
泊肃叶方程（充分发展的稳态流动，牛顿流体）：
Vz(r)=ΔpR24μL1－rR2=Vmax 1－rR2
Q=πΔpR48μL=πΔpd4128μL
ⅩⅨ圆柱管的壁面切应力：τw=－d4ΔpL
泊肃叶流体的壁面切应力：|τw|=4μQπR3
雷诺数:Re=ρVdμ
入口长度（层流）：Le=0.06dRe
泊肃叶流体的沃姆斯莱（Womersley）数：α=d2ρωμ
固体力学方程ε=l－l0l0
胡克材料的应力-应变关系：σ=Eε；τ=Gγ
泊松比：ν=-εlateralεaxial
真实应变：εt=ln(1+ε）
薄壁弹性管：εθ=ΔRR；σθ=pRt
厚壁弹性管：E=p1R21(1+ν)(1－2ν)(R22－R21)ru+p1R21R22(1+ν)(R22－R21)r2ru
动脉血流力学关系
血液的卡森方程：τμplasma=1.53γ·+2.0
动脉血管壁的弹性模量：
ⅩⅩ薄壁圆管的弹性模量：Eθ=pR2tΔR
厚壁圆管的弹性模量（Bergel）Einc=2(1-ν2）R21R2(R22－R21)ΔpΔR2
流阻：R=ΔpQ
阻抗（轴向）：|Zz|n=|p|n|Q|n
动脉血管壁的顺应性：C=ΔV/VΔp
Gorlin方程（瓣膜开口的有效面积）：A=QmeanCdρΔp
压力波的速度（Moens-Kortweg关系)：C0=hE2Rρ
血液的沃姆斯莱(Womersley)数关系：
Vz=AR2iμα21-J0(αr′i3/2)J0(αi3/2)eiωt
Q=AπR4eiωtiμρ1-2J1(αi3/2)i3/2αJ0(αi3/2)

ⅩⅩ生物流体力学译者序
译者序
?丛书主编简介
Max Lu（逯高清）教授
主编“可持续能源发展中的新材料系列图书”
Lu教授的研究领域为材料化学和纳米技术。他因从事清洁能源和环境技术领域的纳米颗粒及纳米多孔材料的相关研究工作，而广为人知。他发表了超过500篇高影响力的论文，这其中，包括其在《自然》（Nature）、 《美国化学学会期刊》（Journal of the American Chemical Society）、Angewandte Chemie和《先进材料》（Advanced Materials）等高水平期刊上发表的文章，还获得了20项国际专利。Lu教授是一位在科学信息研究所(Instituto for Scientific Information,ISI）材料科学方面被引用次数很高的一位作者，其引用次数超过17500次（h因子为63）。他获得过大量国际国内的著名奖项，包括中国科学院国际合作奖(2011年)，Orica奖，RK 墨菲奖章，Le Fevre奖，埃克森美孚奖，Chemeca奖章，最有影响的100位澳大利亚杰出工程师之一(2004年、2010年和2012年)，世界上最有影响力的50位华人榜(2006年)。他曾两次荣获得澳大利亚研究理事会奖学金(2003年和2008年)。他也被选为澳大利亚技术科学工程学院（Australin Acadeny of Technological Sciences and Engineering ATSE）会士和化学工程协会(Instintion of Chemical Engineers IChemE)会士。同时，他还是12个主要国际期刊的主编和编委，其中，包括《Journal of Colloid and Interface Science and Carbon》。
自2009年起，Lu教授便担任昆士兰大学副校长和副主席（分管科研）职务。他还担任过常务副校长职务（2012年），从2008年8月到2009年6月，他先后担任过代理副校长（分管科研）和副校长（分管科研联络）职务。在2003~2009年期间，他还担任澳大利亚研究理事会（ARC）中心功能纳米材料杰出人才基金会的主任。
Lu教授曾在很多政府委员会和咨询机构供职，包括澳大利亚总理科学工程创新理事会（2004年、2005年和2009年），ARC专家学会（2002~2004年）等。他也曾是IChemE澳大利亚委员会的主席，以及ATSE的前任主任。之前的其他工作单位还包括Uniseed Pty有限公司、ARC纳米技术网络、昆士兰中国理

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