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(yùn)動(dòng).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(yùn)動(dòng)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(jī)理研究一直是學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)。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(yùn)動(dòng)和

2、前臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)與前臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(dòng)的手法,在手法作用下血管形成軸向運(yùn)動(dòng)狹窄。但到目前為止,還是缺乏對(duì)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(gè)醫(yī)生手法動(dòng)力差異較大,其效果也千差萬別。要解決這一問題,還有待對(duì)滾法動(dòng)力學(xué)作進(jìn)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(jìn)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(yùn)與傳播,血管中紅細(xì)胞隨血漿的運(yùn)動(dòng),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(yùn)動(dòng)涉及動(dòng)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(jì)算方法在處理動(dòng)邊界問題時(shí)需要特別大的計(jì)算量,計(jì)算方法也很復(fù)雜,即使利用超級(jí)計(jì)算機(jī),也很難進(jìn)

4、行。
　　在靜止的血液中,紅細(xì)胞的形狀是雙凹碟形的(biconcave disk)?，F(xiàn)在人們都已經(jīng)認(rèn)識(shí)到彈性膜在負(fù)壓的作用下會(huì)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(dòng)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(dòng),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(yùn)動(dòng)的一個(gè)難點(diǎn)。
　　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(gè)強(qiáng)有力的工具,而且處理動(dòng)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(shí)的血流量的變化以及流線圖的分布情況,脈動(dòng)場對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)的影響,以及紅細(xì)胞在剪切流中的變形及運(yùn)動(dòng)。
　　我們主要做了以下幾個(gè)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(yàn)程序的穩(wěn)定性與可靠性,為進(jìn)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(duì)動(dòng)脈血管中血流量的影響以及通過對(duì)推拿時(shí)的流線圖分析研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)推拿周期性變化時(shí),其血管內(nèi)的流線圖也隨之進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(dòng)

7、量交換法和壓力張量積分法計(jì)算顆粒受到的流體作用力。研究了顆粒在脈動(dòng)流場中的運(yùn)動(dòng),模擬發(fā)現(xiàn)顆粒運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)波動(dòng)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(gè)格子單位時(shí),我們引入了潤滑力來補(bǔ)充流體的作用力。在脈動(dòng)流場的形成過程中,模擬發(fā)現(xiàn)脈動(dòng)流場也是一個(gè)個(gè)的閉合環(huán)。但是由于受到入口脈動(dòng)壓差影響,渦流場不是一個(gè)完全穩(wěn)定狀態(tài),而是在不斷波動(dòng)變化中的。用最近點(diǎn)法計(jì)算顆粒受力,通過與壓力張量積分法

8、進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)最近點(diǎn)法的計(jì)算結(jié)果和壓力張量積分法的計(jì)算結(jié)果精確符合,而且最近點(diǎn)法具有計(jì)算量相對(duì)較小,計(jì)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jìn)行坦克履帶式(tank-tread)運(yùn)動(dòng)的同時(shí),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