Biofluid Mechanics: An Introduction to Fluid Mechanics, Macrocirculation, and Microcirculation（生物流體力學：流體力學、大循環與微循環導論）

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.

章節概要

第3版共5部分17章，600餘頁。三位作者是石溪大學生物醫學工程系的教師，研究方向涉及血流、血小板、內皮細胞和微迴圈。愛思唯爾介紹說，本書不僅把流體力學原理應用於血液迴圈，還應用於肺內氣流、關節潤滑、眼內液體流動、腎臟轉運以及其他特殊迴圈。據出版方介紹，這一版新增了習題和例題（包括基於MATLAB的例題），加入了關於沃默斯利流和振盪流的新內容，並標註了較深的內容，便於教師在大學部課程中略過。以下頁數依據出版方的各章書目記錄。

第一部分：流體力學基礎（第1–4章：引言；流體力學基礎；守恆定律；傳熱導論）

第一部分在應用於生理學之前先講授工程基礎。第2章（約55頁）介紹流體力學基礎；第3章約60頁，是全書最長的章節之一，講解守恆定律。第4章補充傳熱導論，這部分內容在微迴圈的物質傳遞中會再次用到。

第二部分：大迴圈（第5–6章：心臟；動脈和靜脈中的血流）

兩個篇幅較長的章節把基礎知識應用於大尺度迴圈：心臟（約50頁），以及動脈和靜脈中的流動（約80頁，為全書最長的一章）。出版方列為本版新內容的沃默斯利流和振盪流，是描述心臟和大動脈中脈動流的標準模型。

第三部分：微迴圈（第7–9章：微血管床；微迴圈中的物質傳遞與傳熱；淋巴系統）

三章討論小血管：微血管床的結構與流動、血液與組織之間的物質和熱量交換，以及把液體送回迴圈的淋巴系統。

第四部分：特殊迴圈（第10–14章：肺的通氣／灌注；眼內液體流動；關節潤滑與骨內轉運；流經腎臟的流動；內臟迴圈：肝和脾）

五個較短的章節（每章約15～40頁）把方法推廣到血管之外：肺內氣流與灌注、眼內液體、滑液潤滑與骨內轉運、腎臟中的流動，以及肝臟和脾臟的迴圈。（出版方的各章書目記錄中，第10章題名較短，為「Flow in the Lungs」。）

第五部分：建模與實驗技術（第15–17章：in silico、in vitro和in vivo生物流體力學）

全書以三章收尾，討論在實踐中如何研究生物流體問題：計算建模、實驗室實驗和活體測量。

核心概念

第一部分：流體力學基礎

• 流體力學基礎：流體的性質與行為，本書其餘部分將其應用於人體。
• 守恆定律：求解流動問題所依據的質量、動量和能量衡算。
• 傳熱：與流體流動一同引入的熱能傳遞。

第二至三部分：大迴圈與微迴圈

• 大迴圈：心臟和大血管中的流動。
• 沃默斯利流與振盪流：脈動流的模型，出版方列為第3版新增內容。
• 微迴圈：小血管中的流動，血液與組織之間的交換在此發生。
• 微迴圈中的物質傳遞與傳熱：物質和熱量如何在血液與周圍組織之間移動。
• 淋巴系統：把組織間液送回血液的管道系統。

第四至五部分：特殊迴圈與方法

• 特殊迴圈：肺、眼、關節與骨、腎臟、肝和脾中的流體流動。
• in silico、in vitro和in vivo方法：計算、實驗室模型和活體測量，是研究生物流體力學的互補途徑。

評析

優點

• 自成體系的基礎部分。 用整整一個部分（四章，約150頁）講授流體力學、守恆定律和傳熱，然後才應用於生理學。出版方強調本書的語言和數學適合大學部學生和研究生一年級學生，因此沒有學過流體課程的學生也可以從這裡起步。
• 超出心血管系統的廣度。 第四部分為肺、眼、關節與骨、腎臟以及肝脾分別設章，出版方指出這超出了傳統生物流體課程的範圍。按出版方的說法，全書各處都討論了臨床應用。
• 不僅講結果，也講方法。 第五部分以計算、實驗室和活體研究方法收尾，是通向研究專案的有用橋梁。
• 第3版的教學支援。 新的例題和章末習題、基於MATLAB的例題，以及可以略過而不影響連貫性的進階內容標註。

局限

• 起點高於入門課程。 出版方把讀者定位為生物醫學工程和機械工程的高年級大學部學生和研究生，並稱本書特別適合大學部四年級和研究生課程。低年級大學部學生需要跳過標註的進階內容；全書超過600頁，一門課只能覆蓋其中一部分。
• 特殊迴圈的討論較短。 第四部分每章約15～40頁，只是對各系統的入門介紹，而非完整論述。
• 以流體為中心。 物質傳遞和傳熱主要放在微迴圈中討論；需要系統學習擴散、反應和膜轉運的學生，還需要專門的傳遞現象教材。

在課程中的定位

在生物傳遞課程中，本書是先講流體、按生理系統組織的選擇。伯德、斯圖爾特、萊特富特和克林根伯格的《Introductory Transport Phenomena》是傳遞現象的第一門課程教材，透過一般性的衡算並行展開動量、熱量和質量傳遞，並不特別關注人體；對於想了解第一部分背後一般理論的學生，它與本書搭配效果很好。富尼耶的《Basic Transport Phenomena in Biomedical Engineering》把流動、傳質和熱力學應用於生理學以及透析器、氧合器等裝置，對傳質的重視程度高於本書。

羅塞利與迪勒的《Biotransport: Principles and Applications》用一套一致的方法處理動量、熱量和質量傳遞，從宏觀衡算一直講到一般方程，適合想在本書之後或同時學習更系統的傳遞課程的學生。特魯斯基、袁和卡茨的《Transport Phenomena in Biological Systems》以及弗裡德曼的《Principles and Models of Biological Transport》更為深入：前者在流動、擴散、反應和電動現象各方面把傳遞理論與生理學聯絡起來，後者專注於跨膜和跨上皮的轉運。如果主要興趣是血流和器官層面的迴圈，應先讀魯賓斯坦、尹和弗雷姆的這本書。

如何使用本書

本書適合大學部高年級和研究生低年級的生物醫學工程與機械工程學生，以及沒有單獨學過流體課程、但想學習血流和其他生理流動的讀者。讀者應熟悉微積分和基礎物理；具備一些生理學知識會有幫助。

實用計畫：

• 核心： 完整學習第一部分，然後學習第二部分（心臟以及動脈和靜脈中的血流），這是大多數生物流體課程的中心。
• 其次： 第三部分微迴圈，尤其是物質傳遞與傳熱一章，它把流體力學與組織交換聯絡起來。
• 按興趣選讀： 從第四部分中選一兩章。肺、腎和關節各章與呼吸、腎臟和骨科器械的聯絡最為直接。
• 用於專案： 在開始計算或實驗工作之前閱讀第五部分。

在大學部課程中，第一遍閱讀時可跳過標註為進階的內容，以後或在研究生課程中再回頭學習。基於MATLAB的例題要實際執行，而不只是閱讀；用章末習題檢驗每條守恆定律，再進入依賴它的生理學章節。