Динамика биожидкостей

Биогидродинамику можно рассматривать как дисциплину биологической инженерии или биомедицинской инженерии , в которой фундаментальные принципы гидродинамики используются для объяснения механизмов биологических потоков и их взаимосвязей с физиологическими процессами в здоровье и при заболеваниях/расстройствах. Его можно рассматривать как конъюнктуру машиностроения и биологической инженерии. Она простирается от клеток до органов, охватывая разнообразные аспекты функциональности системной физиологии, включая сердечно-сосудистую, дыхательную, репродуктивную, мочевыделительную, скелетно-мышечную, неврологическую системы и т. д. Динамика биожидкостей и ее моделирование в вычислительной гидродинамике (CFD) применимы как к внутренним, так и к внутренним системам. как внешние потоки. Внутренние потоки, такие как сердечно-сосудистый кровоток и дыхательный поток воздуха, и внешние потоки, такие как полет и водное передвижение (т. е. плавание). Биологическая гидродинамика (или биогидродинамика) предполагает изучение движения биологических жидкостей (например, кровотока в артериях, полета животных, плавания рыб и т. д.). Это может быть как система кровообращения, так и дыхательная система. Понимание системы кровообращения является одной из основных областей исследований. Дыхательная система очень тесно связана с системой кровообращения, и ее очень сложно изучить и понять. Изучение динамики биожидкостей также направлено на поиск решений некоторых заболеваний и расстройств, связанных с человеческим организмом. Полезность этого предмета также можно понять, увидев использование динамики биожидкостей в областях физиологии для объяснения того, как работают живые существа и их движения, для развития понимания происхождения и развития различных заболеваний, связанных с человеческим телом. и их диагностика, поиск лечения заболеваний сердечно-сосудистой и легочной систем.

История биогидродинамики

«Историю динамики биожидкости» можно считать очень старой, начиная с 2700-2600 гг. до н.э., когда впервые письменный документ о кровообращении и теориях китайской медицины под названием «Внутренняя классика» был написан китайским императором Хуан-ди. назывался желтым императором. ^{[ 1 ]} Наиболее известные имена, связанные с областью динамики биожидкостей, — Уильям Харви, Жан Луи Мари Пуазейль и Отто Франк. В 1628 году Гарвей опубликовал «Анатомическое исследование движения сердца и крови животных». Это была первая публикация в западном мире, в которой утверждалось, что кровь перекачивается из сердца и рециркулирует. ^{[ 2 ]} Жану Луи Мари Пуазейлю приписывают разработку теории потока Пуазейля. Он описывает взаимосвязь между потоком и градиентом давления в длинных трубах постоянного сечения. ^{[ 2 ]} В 1890 году Отто Франк опубликовал «Основную форму артериального пульса», содержащую его «теорию кровообращения Виндкесселя». Он также усовершенствовал оптические манометры и капсулы для точного измерения внутрисердечного давления и объемов. ^{[ 2 ]} В наши дни огромные исследовательские усилия направлены на понимание внутренней динамики биожидкостей, чтобы пролить свет на механизмы в физиологии и патофизиологии. Этот список содержит подробную информацию о некоторых крупных исследовательских группах, концентрирующих усилия в этой области.

Основные принципы гидродинамики

Жидкость определяется как вещество, которое непрерывно деформируется под действием напряжения сдвига, независимо от того, насколько оно мало. Кровь является основным примером 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. Типы жидкостей ^{[ 3 ]} Жидкости можно разделить на четыре основных типа. Они есть:

Идеальная жидкость
Настоящая жидкость
Ньютоновская жидкость
Неньютоновская жидкость

Идеальная жидкость — это жидкость, которая не имеет вязкости, то есть не оказывает сопротивления; с прагматической точки зрения такого типа жидкости не существует. Он несжимаем по своей природе. Реальные жидкости по своей природе сжимаемы. Они оказывают некоторое сопротивление и поэтому обладают вязкостью. Все существующие жидкости являются реальными жидкостями. Ньютоновская жидкость — это жидкость, вязкие сдвиговые напряжения которой (действующие между различными слоями жидкости, а также между слоем жидкости и поверхностью, по которой она течет) прямо пропорциональны скорости изменения скорости потока жидкости по отношению к расстояние в поперечном направлении (расстояние, измеренное перпендикулярно потоку), также известное как градиент скорости. Константа пропорциональности известна как динамическая вязкость жидкости, обозначаемая «μ». Функциональная связь между вязким напряжением сдвига и градиентом скорости в ньютоновской жидкости линейна. Это соотношение можно записать как:

                                                         $\tau =-\mu {\frac {du}{dy}}$ 
     Where  $\tau$  = viscous shear stress
            $\mu$  = dynamic viscosity of the fluid
            ${\frac {du}{dy}}$  = velocity gradient across the flow

Неньютоновская жидкость — это жидкость, которая отличается от ньютоновской жидкости, поскольку вязкость неньютоновских жидкостей зависит от скорости сдвига или истории скорости сдвига. В неньютоновской жидкости соотношение между напряжением сдвига и скоростью сдвига иное и даже может зависеть от времени (зависимая от времени вязкость). Поэтому постоянный коэффициент вязкости определить невозможно.

Неньютоновские жидкости меняют свою вязкость или поведение текучести под воздействием напряжения. Если к таким жидкостям приложить силу, внезапное приложение напряжения может привести к тому, что они станут толще и начнут вести себя как твердое тело, а в некоторых случаях это приведет к противоположному поведению, и они могут стать более текучими, чем были раньше. Снятие стресса заставляет их вернуться в прежнее состояние. Не все неньютоновские жидкости ведут себя одинаково при приложении напряжения: некоторые становятся более твердыми, другие — более текучими. Некоторые неньютоновские жидкости реагируют в зависимости от величины приложенного напряжения, тогда как другие реагируют в зависимости от продолжительности приложения напряжения. Обобщенный степенной закон для всех жидкостей можно записать как:

                                             $\tau =K({\frac {dy}{dx}})^{n}$ 
      Where  K = flow consistency index
             n = Fluid behavior index, n=1 for Newtonian fluids

Тиксотропная жидкость : ее вязкость со временем уменьшается при повышении напряжения. Пример – Мед – продолжайте помешивать, и твердый мед станет жидким.

Реопектическая жидкость : ее вязкость со временем увеличивается при стрессе. Пример – Сливки – чем дольше их взбивают, тем гуще они становятся.

Жидкость для разжижения при сдвиге: ее вязкость снижается с увеличением нагрузки. Пример – Кровь, Томатный соус.

Дилатантная или загущающая при сдвиге жидкость: ее вязкость увеличивается с увеличением напряжения. Пример – Ооблек (смесь кукурузного крахмала и воды), Зыбучий песок.

Пластик Бингама не является ни жидким, ни твердым. Пластик Бингама может выдерживать конечную сдвиговую нагрузку и течь как жидкость, когда это сдвиговое напряжение превышено. Зубная паста и майонез являются примерами пластика Бингама. Кровь также представляет собой пластик Бингама и ведет себя как твердое вещество при скоростях сдвига, очень близких к нулю. Предел текучести для крови очень мал, примерно в пределах от 0,005 до 0,01 Н/м2.

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

                                                      $Re={\frac {\rho vd}{\mu }}$ 
      Where 
              $\rho$  = density of fluid
             v = velocity of fluid
             d = characteristic length
              $\mu$  = dynamic viscosity of fluid

Число Рейнольдса помогает нам предсказать переход между ламинарными и турбулентными потоками. Ламинарное течение – это высокоорганизованное течение вдоль линий тока. По мере увеличения скорости поток может стать дезорганизованным и хаотичным. Это известно как турбулентный поток. Ламинарный поток возникает в средах потока, где Re < 2000. Турбулентный поток присутствует в условиях, при которых Re > 4000. Диапазон 2000 < Re < 4000 известен как переходный диапазон. В большинстве случаев кровоток у людей является ламинарным, при Re 300 или менее возможно возникновение турбулентности при очень высоких скоростях потока в нисходящей аорте, например, у спортсменов с высокой физической подготовкой. Турбулентность также часто встречается при патологических состояниях, таких как шумы в сердце и стеноз сердечных клапанов. Стенотик происходит от греческого слова «стенос», что означает «узкий». Стенотический означает суженный, а стенотический клапан сердца – это клапан, при котором сужение клапана является результатом образования бляшек на клапане.

Число Уомерсли , или альфа-параметр, — это еще один безразмерный параметр, такой как число Прандтля или число Рейнольдса , который использовался при изучении гидродинамики. Этот параметр представляет собой отношение переходных сил к вязким, так же, как Число Рейнольдса представляет собой отношение инерционных сил к вязким. Характеристическая частота представляет собой зависимость параметра от времени. Число Уомерсли можно записать так: ^{[ 2 ]}

                                                 $\alpha =r{\sqrt {\frac {\omega }{\vartheta }}}$ 
      Where 
              $\alpha$  = Womersely Number
             r = vessel radius
              $\omega$  = fundamental frequency
              $\vartheta$  = kinematic viscosity =  ${\frac {\mu }{\rho }}$

Профиль потока становится более резким вблизи центральной линии сосуда в высокочастотных потоках, 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, по мере увеличения размера животного. ^{[ 2 ]}

Сердечно-сосудистая система

Сердце, артерии и вены (сеть трубок, по которым переносится кровь) составляют сердечно-сосудистую систему или систему кровообращения нашего тела, которая транспортирует кровь по всему телу. Сердце можно рассматривать как мышечный насос, состоящий из четырех камер и пульсирующих мышц, которые перекачивают и циркулируют кровь по сосудистой сети. Артерии, артериолы, капилляры, венулы и вены составляют сосудистую сеть. В сердечно-сосудистой системе циркулирует около 5 литров крови со скоростью примерно 6 л/м. ^{[ 4 ]} Легочное и системное кровообращение являются двумя частями сосудистой сети. Система малого кровообращения состоит из сети кровеносных сосудов, идущих от правых отделов сердца к легким и обратно к левому сердцу. Остальная часть контура кровотока называется системой большого кровообращения. Легочный и системный кровоток сначала переносят кровь через крупные артерии, а затем разветвляются на более мелкие артерии, прежде чем достичь артериол и капилляров. После капилляров кровь поступает в венулы, прежде чем присоединиться сначала к более мелким венам, а затем к более крупным венам, прежде чем достичь правых отделов сердца. Таким образом завершается круговорот крови, идущей к сердцу, а затем исходящей от него и направляющейся ко всем частям тела. ^{[ 4 ]} Трехстворчатый клапан, правые отделы сердца (правый желудочек), клапан легочной артерии, легочная артерия, легкие, легочные вены и правое сердце являются элементами системы легочного кровообращения. Процесс газообмена, то есть обмен углекислого газа на кислород в легких, является основной функцией легочной системы. Деоксигенированная кровь из правого желудочка перекачивается в легкие, где капилляры, окружающие альвеолярные мешочки, обменивают углекислый газ на кислород. Эритроциты и гемоглобин, присутствующие в крови, который является основным переносчиком кислорода в крови, отвечают за этот газообмен, прежде чем они перенесут в левый желудочек сердца. Системный кровоток отвечает за доставку насыщенной кислородом крови к различным органам и тканям через артериальное дерево, а затем по венозной системе (сети вен) в правый желудочек. Артерии переносят насыщенную кислородом кровь, а вены переносят дезоксигенированную кровь. ^{[ 4 ]}

Элементы крови и реологии крови

Жидкости, связанные с организмом человека, включают воздух, кислород, углекислый газ, воду, растворители, растворы, суспензии, сыворотку, лимфу и кровь. Основной жидкостью организма, которая действует как линия жизни живых организмов, является «кровь». Кровь – чрезвычайно сложная биологическая жидкость. Он состоит из клеток крови, взвешенных в плазме, и других различных типов клеток, включая лейкоциты, тромбоциты и т. д. Кровоток в артериях и венах тесно связан со свойствами кровеносных сосудов. Перенос кислорода и питательных веществ к различным тканям и органам нашего тела, доставка углекислого газа в легкие и прием кислорода, доставка продуктов обмена веществ в почки, регулирование защитного механизма организма, то есть иммунной системы, и содействие эффективному разогреву. и массоперенос по всему телу являются одними из основных функций, которые кровь выполняет в организме человека. Кровь состоит из эритроцитов или эритроцитов, лейкоцитов или лейкоцитов и тромбоцитов или тромбоцитов. Клетки, которые участвуют в основном в транспортировке кислорода и углекислого газа, известны как эритроциты. Клетки, которые участвуют в первую очередь в фагоцитозе (процессе разрушения неизвестных твердых частиц) и иммунных реакциях, известны как лейкоциты; Тромбоциты – это компоненты крови, которые участвуют в свертывании крови. Кроме того, 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 представляет собой плазму крови, из которой удалены факторы свертывания крови. Кровь составляет от 6 до 8 процентов массы тела у нормальных, здоровых людей. ^{[ 4 ]} Плотность крови немного превышает плотность воды и составляет примерно 1060 кг/м3. ^{[ 4 ]} Повышенная плотность возникает из-за повышенной плотности эритроцитов по сравнению с плотностью воды или плазмы. Реология – это изучение деформации и течения вещества. Реология крови — это изучение крови, особенно свойств, связанных с деформацией и потоком крови. Кровь – неньютоновская жидкость. Однако зачастую неньютоновский эффект очень мал по разным причинам. Таким образом, важно знать о реологии крови. Одной из характеристик крови, влияющей на работу, необходимую для движения крови по артериям, является вязкость крови. Вязкость крови находится в пределах от 3 до 6 сП или от 0,003 до 0,006 Нс/м2. ^{[ 4 ]} Кровь — неньютоновская жидкость, а это означает, что вязкость крови не является постоянной относительно скорости деформации сдвига. Помимо скорости деформации сдвига, вязкость крови также зависит от температуры и объемного процента крови, состоящей из эритроцитов. Если кровь сделать неподвижной на несколько секунд, то в крови начинается свертывание, в результате чего вязкость крови увеличивается. При нарушении стационарного состояния с увеличением скорости сдвига образование сгустка разрушается и вязкость снижается. Более того, ориентация эритроцитов, присутствующих в крови, также влияет на вязкость крови. Таким образом, можно сказать, что кровь представляет собой жидкость, разжижающую 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 является вязкоупругим материалом, т. е. вязким и эластичным, поскольку эффективная вязкость крови зависит не только от скорости сдвига, но и от истории скорости сдвига. Также важно отметить, что нормальная кровь течет гораздо легче по сравнению с твердыми частицами при той же объемной доле частиц. Это связано с тем, что эритроциты могут приспосабливаться, деформируясь, чтобы пройти мимо друг друга. ^{[ 4 ]}

Эффект Фареуса-Линдквиста

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

Приложения динамики биожидкостей

Динамика биожидкостей относится к изучению гидродинамики основных биологических жидкостей, таких как кровь, воздух и т. д., и имеет огромное применение в области диагностики, лечения и некоторых хирургических процедур, связанных с нарушениями/заболеваниями, возникающими в организме и связанными с сердечно-сосудистой и сердечно-сосудистой системами. легочная, синовиальная системы и т. д. Различные типы сердечно-сосудистых заболеваний включают аневризмы, стенокардию, атеросклероз, инсульт, различные типы цереброваскулярных заболеваний, сердечную недостаточность, ишемическую болезнь сердца и инфаркт миокарда или сердечные приступы. Модели вычислительной гидродинамики (CFD), подготовленные с помощью программного обеспечения, артерий, вен и т. д., не только приводят к идентификации свойств текущей крови внутри артерий, но также могут быть идентифицированы изменения вязкости, которые могут быть результатом определенного основного заболевания. расстройство. Кроме того, можно также определить концентрацию напряжений и распределение напряжений в различных биологических системах, несущих жидкости. Это привело к большей степени помощи биомедицинским инженерам в распознавании причин определенных заболеваний, и, таким образом, они могут легко искать метод лечения этого заболевания/расстройства. Кроме того, это привело к увеличению количества хороших исследований в области биотехнологии, биомеханики и т. д.

Ссылки

^ Ли Уэйт, Джерри Файн (2007). «Прикладная механика биожидкостей», The Mc Graw Hill Companies, Inc.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Ли Уэйт, Джерри Файн (2007). «Прикладная механика биожидкостей», The Mc Graw Hill Companies, Inc.
^ «Типы жидкостей»
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я «Биогидродинамика, П.Нитиарасу»
^ "Эффект Фареуса-Линдквиста"

«Закон вязкости Ньютона».

[1] Ли Уэйт, Джерри Файн (2007). «Прикладная механика биожидкостей», The Mc Graw Hill Companies, Inc.

[Waite,_Fine-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Ли Уэйт, Джерри Файн (2007). «Прикладная механика биожидкостей», The Mc Graw Hill Companies, Inc.

[3] «Типы жидкостей»

[Nithiarasu-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я «Биогидродинамика, П.Нитиарасу»

[5] "Эффект Фареуса-Линдквиста"

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]