神马文学网物理知识在医疗器械中的应用
来源：百度文库 编辑：神马文学网 时间：2024/04/29 22:25:30
随着近代物理学和计算机科学的迅速发展,人们对生命现象的认识逐步深入,物理学的基础和方法在医学研究和实践中也越来越广泛。本文精选一组与医疗器械有关的问题加以说明。
电子血压仪
测量血压的电子血压仪有一个压力传感器,薄金属片P固定有4个电阻R1、R2、R3、R4,图1是它的侧面图,这4个电阻连接成图2b的电路。
开始时,金属片中央O点未加任何压力,欲使电压表无示数, A、B两点等势,达到电桥平衡,则4个电阻应满足R1R4=R2R3。当O点加上压力F后发生形变,金属片发生形变,由于4个电阻固定在金属片上(图2a),所以R1、R4被拉长,R2、R3被拉宽,故R1、R4电阻增大,R2、R3减小,电桥平衡遭到破坏。压力增大后R1、R4电阻增大,导致A、B两端电压增大,所以A点电势将高于B点。血压越高、F越大,金属片形变和电阻变化也越大,电压表示数随之越大,从而测量出人体血压。
普通输液器原理
普通输液器(图3)在输液时,A管与空气相连,B管下面连接一小容器C,然后再用皮管连接到注射器,溶液沿皮管向下流,到容器C中被隔断(C内有少量空气),并向下滴,再从皮管和注射器进入人体,图3中A管的作用为:当输液瓶中的液体往下流时,瓶上部的气体体积增大,由气体等温变化可知,上部气体压强减小,液体向下流动的速度就会变慢,以至于不再往下流。
如通过A管使瓶中液体与外界相通,使瓶口处液体压强始终保持为大气压,当上部压强减小时,气体自动从A管吸入瓶中,保持了上部气体的压强不变,也就保证了液体以恒定速度持续向下流。由于注射液一般无色,在皮管内流动时不易观察其流动速度,而通过小容器C使液滴逐滴流下,则便于观察液体流动速度、控制输液的快慢。
设输液瓶口到注射针头D的平均高度h=70cm,人体血管内血液的平均压强约为一个大气压,普通注射用针头的内径为0.3mm,假设注射液流动时所受粘滞阻力等为重力的1/2,就可估算注射500mL盐水所需的时间。液滴在重力mg和阻力Ff作用下向下流动,设在针头处注射液流动速度为v,由能量关系有(mg-Ff)h=mv2/2。代入数据得v=2.63m/s,则流入人体液体的流(速)量v0=vS=1.86×10-7m3/s。故输完500mL盐水所需时间t=Q/v0=2688s,约为45分钟。
多普勒血流探测仪
利用超声波多普勒效应测定血流速度的原理如图4所示,超声探头产生一束频率为1~10MHz的超声波,在遇到运动中的血细胞(称为声靶)时沿反射方向返回,再被探头所接收,由于血细胞中红细胞数量占优势,故大部分反射信号来自红细胞,其余来自白细胞和血小板。如果探头发射的超声波的频率为f0、接收器接收到的频率为f、血的流速与声速之间的夹角为θ、声波在人体内传播的速度为μ,按照如下分析即可算出血液速度v。
血流在探头方向的分速度为vcosθ、声波的速度为μ,则血液接收到的频率
f1=(μ+vcosθ)f0/μ ①
该波将被血流再次反射,此时血液变为波源,且以速度vcosθ向探头传播,则探头接收到的频率
f=μf1/(μ-vcosθ) ②
由①②两式可得v=(f-f0)μ/[(f+f0)cosθ]。
定量取药器
在第九届“全国青少年发明创造比赛”获奖作品中,有一项“方便药水瓶”,它是在药水瓶上再加一小杯型容器,该容器用两根细管与药水瓶相通,制成定量取药器(图5a),使用时把药水按图5b方式倒立,当药水停止流动时再把药水瓶倒置(图5c),指定份量的药水便盛载在容器内,取下药水瓶盖就可倒出指定份量的药水。以(图5b)方式倒立时,B为排气管、A为进液管,药液可充满容器,而药水瓶按图5c方式放置时,高出B管的液体则可由管排出,因此取药水量由B管在取药器内的插入深度确定。
心脏灌注显像技术
现在很多心血管专科医院都引进了一种叫作“心脏灌注显像”的检测技术,将若干毫升含放射性锝(Tc)注射液注入动脉,40分钟后通过血液循环均匀分布在被检测者的血液中,对被检测者的心脏进行造影。心血管正常的位置是由于有放射性物质到达而有放射线射出;被堵塞的部分由于放射性物质不能到达而无放射线射出。医生根据显像情况就可判断被检测者的心脏有无病变及病变位置。由于放射性物质伤害人体,所以在人体内的滞留时间不能太长,所以其半衰期不能太长;但是因为放射性物质需要40分钟才能均匀分布于人体血液,所以其半衰期又不能太短,因此半衰期为6小时的放射性锝成为最佳选择。
电子血压仪
测量血压的电子血压仪有一个压力传感器,薄金属片P固定有4个电阻R1、R2、R3、R4,图1是它的侧面图,这4个电阻连接成图2b的电路。
开始时,金属片中央O点未加任何压力,欲使电压表无示数, A、B两点等势,达到电桥平衡,则4个电阻应满足R1R4=R2R3。当O点加上压力F后发生形变,金属片发生形变,由于4个电阻固定在金属片上(图2a),所以R1、R4被拉长,R2、R3被拉宽,故R1、R4电阻增大,R2、R3减小,电桥平衡遭到破坏。压力增大后R1、R4电阻增大,导致A、B两端电压增大,所以A点电势将高于B点。血压越高、F越大,金属片形变和电阻变化也越大,电压表示数随之越大,从而测量出人体血压。
普通输液器原理
普通输液器(图3)在输液时,A管与空气相连,B管下面连接一小容器C,然后再用皮管连接到注射器,溶液沿皮管向下流,到容器C中被隔断(C内有少量空气),并向下滴,再从皮管和注射器进入人体,图3中A管的作用为:当输液瓶中的液体往下流时,瓶上部的气体体积增大,由气体等温变化可知,上部气体压强减小,液体向下流动的速度就会变慢,以至于不再往下流。
如通过A管使瓶中液体与外界相通,使瓶口处液体压强始终保持为大气压,当上部压强减小时,气体自动从A管吸入瓶中,保持了上部气体的压强不变,也就保证了液体以恒定速度持续向下流。由于注射液一般无色,在皮管内流动时不易观察其流动速度,而通过小容器C使液滴逐滴流下,则便于观察液体流动速度、控制输液的快慢。
设输液瓶口到注射针头D的平均高度h=70cm,人体血管内血液的平均压强约为一个大气压,普通注射用针头的内径为0.3mm,假设注射液流动时所受粘滞阻力等为重力的1/2,就可估算注射500mL盐水所需的时间。液滴在重力mg和阻力Ff作用下向下流动,设在针头处注射液流动速度为v,由能量关系有(mg-Ff)h=mv2/2。代入数据得v=2.63m/s,则流入人体液体的流(速)量v0=vS=1.86×10-7m3/s。故输完500mL盐水所需时间t=Q/v0=2688s,约为45分钟。
多普勒血流探测仪
利用超声波多普勒效应测定血流速度的原理如图4所示,超声探头产生一束频率为1~10MHz的超声波,在遇到运动中的血细胞(称为声靶)时沿反射方向返回,再被探头所接收,由于血细胞中红细胞数量占优势,故大部分反射信号来自红细胞,其余来自白细胞和血小板。如果探头发射的超声波的频率为f0、接收器接收到的频率为f、血的流速与声速之间的夹角为θ、声波在人体内传播的速度为μ,按照如下分析即可算出血液速度v。
血流在探头方向的分速度为vcosθ、声波的速度为μ,则血液接收到的频率
f1=(μ+vcosθ)f0/μ ①
该波将被血流再次反射,此时血液变为波源,且以速度vcosθ向探头传播,则探头接收到的频率
f=μf1/(μ-vcosθ) ②
由①②两式可得v=(f-f0)μ/[(f+f0)cosθ]。
定量取药器
在第九届“全国青少年发明创造比赛”获奖作品中,有一项“方便药水瓶”,它是在药水瓶上再加一小杯型容器,该容器用两根细管与药水瓶相通,制成定量取药器(图5a),使用时把药水按图5b方式倒立,当药水停止流动时再把药水瓶倒置(图5c),指定份量的药水便盛载在容器内,取下药水瓶盖就可倒出指定份量的药水。以(图5b)方式倒立时,B为排气管、A为进液管,药液可充满容器,而药水瓶按图5c方式放置时,高出B管的液体则可由管排出,因此取药水量由B管在取药器内的插入深度确定。
心脏灌注显像技术
现在很多心血管专科医院都引进了一种叫作“心脏灌注显像”的检测技术,将若干毫升含放射性锝(Tc)注射液注入动脉,40分钟后通过血液循环均匀分布在被检测者的血液中,对被检测者的心脏进行造影。心血管正常的位置是由于有放射性物质到达而有放射线射出;被堵塞的部分由于放射性物质不能到达而无放射线射出。医生根据显像情况就可判断被检测者的心脏有无病变及病变位置。由于放射性物质伤害人体,所以在人体内的滞留时间不能太长,所以其半衰期不能太长;但是因为放射性物质需要40分钟才能均匀分布于人体血液,所以其半衰期又不能太短,因此半衰期为6小时的放射性锝成为最佳选择。
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