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第一部分 流体力学、固体力学与心血管生理学 1

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

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 83

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 203

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

10.7.5 LDV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