Biofluid Mechanics: An Introduction to Fluid Mechanics, Macrocirculation, and Microcirculation（生物流体力学：流体力学、大循环与微循环导论）

引用

Rubenstein, D. A., Yin, W., & Frame, M. D. (2021). Biofluid Mechanics: An Introduction to Fluid Mechanics, Macrocirculation, and Microcirculation (3rd ed.). Academic Press.

章节概要

第3版共5部分17章，600余页。三位作者是石溪大学生物医学工程系的教师，研究方向涉及血流、血小板、内皮细胞和微循环。爱思唯尔介绍说，本书不仅把流体力学原理应用于血液循环，还应用于肺内气流、关节润滑、眼内液体流动、肾脏转运以及其他特殊循环。据出版方介绍，这一版新增了习题和例题（包括基于MATLAB的例题），加入了关于沃默斯利流和振荡流的新内容，并标注了较深的内容，便于教师在本科课程中略过。以下页数依据出版方的各章书目记录。

第一部分：流体力学基础（第1–4章：引言；流体力学基础；守恒定律；传热导论）

第一部分在应用于生理学之前先讲授工程基础。第2章（约55页）介绍流体力学基础；第3章约60页，是全书最长的章节之一，讲解守恒定律。第4章补充传热导论，这部分内容在微循环的物质传递中会再次用到。

第二部分：大循环（第5–6章：心脏；动脉和静脉中的血流）

两个篇幅较长的章节把基础知识应用于大尺度循环：心脏（约50页），以及动脉和静脉中的流动（约80页，为全书最长的一章）。出版方列为本版新内容的沃默斯利流和振荡流，是描述心脏和大动脉中脉动流的标准模型。

第三部分：微循环（第7–9章：微血管床；微循环中的物质传递与传热；淋巴系统）

三章讨论小血管：微血管床的结构与流动、血液与组织之间的物质和热量交换，以及把液体送回循环的淋巴系统。

第四部分：特殊循环（第10–14章：肺的通气／灌注；眼内液体流动；关节润滑与骨内转运；流经肾脏的流动；内脏循环：肝和脾）

五个较短的章节（每章约15～40页）把方法推广到血管之外：肺内气流与灌注、眼内液体、滑液润滑与骨内转运、肾脏中的流动，以及肝脏和脾脏的循环。（出版方的各章书目记录中，第10章题名较短，为“Flow in the Lungs”。）

第五部分：建模与实验技术（第15–17章：in silico、in vitro和in vivo生物流体力学）

全书以三章收尾，讨论在实践中如何研究生物流体问题：计算建模、实验室实验和活体测量。

核心概念

第一部分：流体力学基础

• 流体力学基础：流体的性质与行为，本书其余部分将其应用于人体。
• 守恒定律：求解流动问题所依据的质量、动量和能量衡算。
• 传热：与流体流动一同引入的热能传递。

第二至三部分：大循环与微循环

• 大循环：心脏和大血管中的流动。
• 沃默斯利流与振荡流：脉动流的模型，出版方列为第3版新增内容。
• 微循环：小血管中的流动，血液与组织之间的交换在此发生。
• 微循环中的物质传递与传热：物质和热量如何在血液与周围组织之间移动。
• 淋巴系统：把组织间液送回血液的管道系统。

第四至五部分：特殊循环与方法

• 特殊循环：肺、眼、关节与骨、肾脏、肝和脾中的流体流动。
• in silico、in vitro和in vivo方法：计算、实验室模型和活体测量，是研究生物流体力学的互补途径。

评析

优点

• 自成体系的基础部分。 用整整一个部分（四章，约150页）讲授流体力学、守恒定律和传热，然后才应用于生理学。出版方强调本书的语言和数学适合本科生和研究生一年级学生，因此没有学过流体课程的学生也可以从这里起步。
• 超出心血管系统的广度。 第四部分为肺、眼、关节与骨、肾脏以及肝脾分别设章，出版方指出这超出了传统生物流体课程的范围。按出版方的说法，全书各处都讨论了临床应用。
• 不仅讲结果，也讲方法。 第五部分以计算、实验室和活体研究方法收尾，是通向研究项目的有用桥梁。
• 第3版的教学支持。 新的例题和章末习题、基于MATLAB的例题，以及可以略过而不影响连贯性的进阶内容标注。

局限

• 起点高于入门课程。 出版方把读者定位为生物医学工程和机械工程的高年级本科生和研究生，并称本书特别适合本科四年级和研究生课程。低年级本科生需要跳过标注的进阶内容；全书超过600页，一门课只能覆盖其中一部分。
• 特殊循环的讨论较短。 第四部分每章约15～40页，只是对各系统的入门介绍，而非完整论述。
• 以流体为中心。 物质传递和传热主要放在微循环中讨论；需要系统学习扩散、反应和膜转运的学生，还需要专门的传递现象教材。

在课程中的定位

在生物传递课程中，本书是先讲流体、按生理系统组织的选择。伯德、斯图尔特、莱特富特和克林根伯格的《Introductory Transport Phenomena》是传递现象的第一门课程教材，通过一般性的衡算并行展开动量、热量和质量传递，并不特别关注人体；对于想了解第一部分背后一般理论的学生，它与本书搭配效果很好。富尼耶的《Basic Transport Phenomena in Biomedical Engineering》把流动、传质和热力学应用于生理学以及透析器、氧合器等装置，对传质的重视程度高于本书。

罗塞利与迪勒的《Biotransport: Principles and Applications》用一套一致的方法处理动量、热量和质量传递，从宏观衡算一直讲到一般方程，适合想在本书之后或同时学习更系统的传递课程的学生。特鲁斯基、袁和卡茨的《Transport Phenomena in Biological Systems》以及弗里德曼的《Principles and Models of Biological Transport》更为深入：前者在流动、扩散、反应和电动现象各方面把传递理论与生理学联系起来，后者专注于跨膜和跨上皮的转运。如果主要兴趣是血流和器官层面的循环，应先读鲁宾斯坦、尹和弗雷姆的这本书。

如何使用本书

本书适合本科高年级和研究生低年级的生物医学工程与机械工程学生，以及没有单独学过流体课程、但想学习血流和其他生理流动的读者。读者应熟悉微积分和基础物理；具备一些生理学知识会有帮助。

实用计划：

• 核心： 完整学习第一部分，然后学习第二部分（心脏以及动脉和静脉中的血流），这是大多数生物流体课程的中心。
• 其次： 第三部分微循环，尤其是物质传递与传热一章，它把流体力学与组织交换联系起来。
• 按兴趣选读： 从第四部分中选一两章。肺、肾和关节各章与呼吸、肾脏和骨科器械的联系最为直接。
• 用于项目： 在开始计算或实验工作之前阅读第五部分。

在本科课程中，第一遍阅读时可跳过标注为进阶的内容，以后或在研究生课程中再回头学习。基于MATLAB的例题要实际运行，而不只是阅读；用章末习题检验每条守恒定律，再进入依赖它的生理学章节。