用晶格玻爾茲曼方法研究中醫(yī)滾法推拿及紅細(xì)胞變形和運動.pdf

1、21世紀(jì)隨著各學(xué)科的發(fā)展,產(chǎn)生了許多新的交叉學(xué)科,比如材料科學(xué)和生命科學(xué)的交叉學(xué)科。不同的物體由不同的材料構(gòu)成,各生命體也可以看為由特定的材料構(gòu)成。本論文將關(guān)注血液這種生命材料在中醫(yī)推拿、剪切流和空腔流下的運動以及紅細(xì)胞的變形。
　　中醫(yī)推拿活血化淤、疏經(jīng)通脈的機理研究一直是學(xué)術(shù)界的熱點。推拿是推拿師兩手或單手用力于患者肌體,以達(dá)到治療疾病目的的一種物理療法,也是人類最早的自然治療方法之一。推拿中的滾法類手法是由腕關(guān)節(jié)的伸屈運動和

2、前臂的旋轉(zhuǎn)運動復(fù)合而成。滾法是滾法類手法中的一種。它是用第五掌指節(jié)關(guān)節(jié)背側(cè)吸附于治療部位,以腕關(guān)節(jié)的伸屈運動與前臂的旋轉(zhuǎn)運動相結(jié)合,使小魚際與手背在治療部位上作持續(xù)不斷的來回滾動的手法,在手法作用下血管形成軸向運動狹窄。但到目前為止,還是缺乏對滾法量效關(guān)系的研究,臨床因缺乏科學(xué)研究所得的客觀量化的操作標(biāo)準(zhǔn),因而操作手法上有些混亂,各個醫(yī)生手法動力差異較大,其效果也千差萬別。要解決這一問題,還有待對滾法動力學(xué)作進一步的研究。為了研究血液及

3、血細(xì)胞在中醫(yī)推拿等各種復(fù)雜流中的行為,我們將從簡單到復(fù)雜,進行純流體、含顆粒的流體、含變形細(xì)胞的流體的研究。
　　含顆粒的流體廣泛存在于自然界和工業(yè)生產(chǎn)中。如花粉顆粒的輸運與傳播,血管中紅細(xì)胞隨血漿的運動,廢水中帶粒流的分離與處理等。由于數(shù)值研究懸浮顆粒在流體中的運動涉及動邊界,如果是可變形的生物泡膜,比如紅細(xì)胞,則還涉及到變形邊界。傳統(tǒng)的計算方法在處理動邊界問題時需要特別大的計算量,計算方法也很復(fù)雜,即使利用超級計算機,也很難進

4、行。
　　在靜止的血液中,紅細(xì)胞的形狀是雙凹碟形的(biconcave disk)。現(xiàn)在人們都已經(jīng)認(rèn)識到彈性膜在負(fù)壓的作用下會自然地塌縮成雙凹碟形。紅細(xì)胞膜分為三層,膜外表面是由長的糖分子組成的凍膠狀細(xì)胞外網(wǎng)絡(luò),中間是混有蛋白質(zhì)的流動的磷脂雙分子層,里面是相聯(lián)的細(xì)胞內(nèi)網(wǎng)絡(luò)。磷脂雙分子層可以自由流動,但是紅細(xì)胞的表面積是保持不變的。紅細(xì)胞的內(nèi)容物是結(jié)合了氧的蛋白質(zhì)血色素,近似可以看為粘滯系數(shù)和血漿相同的不可壓縮流體。在變形過程中紅細(xì)

5、胞膜的總面積保持不變,紅細(xì)胞的總體積也保持不變,這是數(shù)值模擬細(xì)胞膜變形和運動的一個難點。
　　晶格玻爾茲曼方法由于簡單、并行、精確和魯棒性,在很多領(lǐng)域已經(jīng)被證明是一個強有力的工具,而且處理動邊界的技術(shù)日趨成熟。本文就是基于晶格波爾茲曼方法,研究中醫(yī)滾法推拿時的血流量的變化以及流線圖的分布情況,脈動場對粒子運動的影響,以及紅細(xì)胞在剪切流中的變形及運動。
　　我們主要做了以下幾個方面的工作:
　　1、通過建立模型,模擬Po

6、iseuille流以及單顆粒沉降來檢驗程序的穩(wěn)定性與可靠性,為進行下面的研究奠定基礎(chǔ);
　　2、通過建立晶格玻爾茲曼方法中正弦式的滾法推拿模型,解決了圓弧式的滾法推拿模型的奇異性問題,研究了推拿對動脈血管中血流量的影響以及通過對推拿時的流線圖分析研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)推拿周期性變化時,其血管內(nèi)的流線圖也隨之進行相應(yīng)的周期性變化并有所遲滯;
　　3、建立了顆粒在渦流中運動的二維模型。其中顆粒被看作剛性小球,渦流由開口的空腔產(chǎn)生,分別用動

7、量交換法和壓力張量積分法計算顆粒受到的流體作用力。研究了顆粒在脈動流場中的運動,模擬發(fā)現(xiàn)顆粒運動呈現(xiàn)波動的形式,顆粒的水平速度、豎直速度、角速度都有相應(yīng)周期性變化。當(dāng)顆粒之間或者顆粒與空腔之間的間隙小于一個格子單位時,我們引入了潤滑力來補充流體的作用力。在脈動流場的形成過程中,模擬發(fā)現(xiàn)脈動流場也是一個個的閉合環(huán)。但是由于受到入口脈動壓差影響,渦流場不是一個完全穩(wěn)定狀態(tài),而是在不斷波動變化中的。用最近點法計算顆粒受力,通過與壓力張量積分法

8、進行了對比,發(fā)現(xiàn)最近點法的計算結(jié)果和壓力張量積分法的計算結(jié)果精確符合,而且最近點法具有計算量相對較小,計算效率較高的優(yōu)勢。這也為模擬紅細(xì)胞和多顆粒推拿下的運動打下了基礎(chǔ);
　　4、建立了非均勻膜的二維紅細(xì)胞在剪切流中變形與運動的晶格玻爾茲曼模型。通過模擬結(jié)果我們分析得到均勻膜紅細(xì)胞在剪切流中,在進行坦克履帶式(tank-tread)運動的同時,形狀也由靜態(tài)的雙凹狀變形為高度扁平狀。而由于長期受到大剪切力的作用以及細(xì)菌侵蝕變成不均勻