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2022 | Buch

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Biofluidmechanik

Grundlagen und Anwendungen

verfasst von: Dieter Liepsch

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Dieses Buch führt Sie in die Grundlagen der Biofluidmechanik ein
Wie funktioniert der menschliche Blutkreislauf? Wie arbeiten Mikrozirkulationsvorgänge? Mit diesen und vielen weiteren Fragen der Strömungsuntersuchung beschäftigt sich die Biofluidmechanik. Dieses Buch gewährt ihnen interessante Einblicke in die Grundlagen der Biofluidmechanik.
Die Biofluidmechanik ist eine thematisch sehr breit gestaffelte Wissenschaft. Sie erforscht die Gesetzmäßigkeiten der Bewegung, des Kräftegleichgewichtes und der Strömungstechnik von Fluiden. Hierzu gehören unter anderem:
• Atmung• Blutkreislauf• Mikrozirkulationsvorgänge• Lymphströmungen• Künstliche Gefäßersatze• Gefäßprothesen aus verschiedenen Materialien• Künstliche Herzklappen• Urologische Messungen• Künstliche Harnleiter• Blutrheologie• Transport durch Membranen• Bewegung geladener Partikel• Ionen in Lösungen• Vibrationen• Wellenfortpflanzung und Schockwellen
Wichtiges Grundlagenwissen der Biofluidmechanik in einem Buch
In seinem Buch gibt der Autor einen ausführlichen Überblick über die Grundlagen der Biofluidmechanik und stellt die folgenden Themen detailliert vor:
• Einleitung in die Biofluidmechanik• Physikalische Grundlagen von Fluiden• Rheologische Grundlagen• Biofluide (Körperflüssigkeiten) in Menschen und Tieren• Grundlegende theoretische Fluid- bzw. hämodynamische Betrachtungen• Medizinische Grundlagen, menschliches Kreislaufsystem, Blutgefäße, Herz, Lungenmechanik und Atmung• Besonderheiten und Messmethoden der Biofluidmechanik• Anwendungen und Beispiele in Modellen, diagnostische und therapeutische Bedeutung
Aufgrund des hohen Praxisbezugs ist dieses Buch über die Biofluidmechanik nicht nur für Studenten, sondern auch für Beschäftigte in Gesundheitsforschung und Medizin ein wichtiges und hilfreiches Grundlagenwerk.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung

Zusammenfassung

Die Biofluidmechanik befaßt sich mit Strömungsvorgängen in Lebewesen und Pflanzen. In diesem Buch sei nur auf die wichtigen Vorgänge im Menschen, speziell dem Kreislaufsystem eingegangen. In allen menschlichen Organen laufen Transportvorgänge wie Impuls-, Wärme- und Stofftransport ab. Diese Transportvorgänge beruhen auf Druck-, Konzentrations- und Temperaturdifferenzen. Die strömungstechnischen Grundvorgänge spielen somit eine entscheidende Rolle beim Blut- und Lymphtransport, aber auch bei der Diffusion durch Gefäßwände und Zellwände. Zu den wichtigsten Strömungsvorgängen im Menschen zählt der Blutkreislauf, wobei man zwischen großem Körperkreislauf und kleinem Lungenkreislauf unterscheidet.

Dieter Liepsch

2. Biofluidmechanik

Zusammenfassung

Der Begriff Biofluidmechanik setzt sich aus den Worten Mechanik und Biofluid zusammen.

Dieter Liepsch

3. Physikalische und Fluidmechanische Grundlagen

Zusammenfassung

Die Fluidmechanik beinhaltet die Lehre von Kräften, Bewegungen und Materialeigenschaften von Fluiden, also Gasen und Flüssigkeiten. Ein Fluid verformt sich im Vergleich zu Festkörpern unter dem Einfluss von Schubspannungen. Die meisten Fluide, bis auf wenige Ausnahmen, bestehen aus Molekülen. Man verwendet zur Beschreibung fluidmechanischer Vorgänge, die sogenannte Kontinuumshypothese, die besagt, dass die Masse eines Fluids stetig über das Volumen verteilt ist (Böswirth und Bschorer 2014). Gasförmige Fluide sind im Zusammenhang dieser Arbeit ein wichtiges Thema, da der Gasaustausch bei Lebewesen ein lebensnotwendiger Vorgang ist, wie beispielsweise die Atmung über die Lunge oder anderen Geweben bzw. Membranen und die damit verbundene Sauerstoffaufnahme und Kohlenstoffdioxidabgabe.

Dieter Liepsch

4. Rheologische Grundlagen

Zusammenfassung

Die Rheologie befasst sich mit dem Verformungs- und Fließverhalten von Stoffen. Man unterscheidet zwischen phänomenologische Rheologie bzw. Makrorheologie, die das Deformations- und Fließverhalten ohne Berücksichtigung der Stoffstruktur beschreibt und der Strukturrheologie bzw. Mikrorheologie, aus welcher die Eigenschaften eines Stoffes mit dessen mikroskopischen Struktur bestehen. Die Messverfahren, die zur Bestimmung der rheologischen Stoffeigenschaften angewandt werden, sind unter dem Oberbegriff Rheometrie zusammengefasst.

Dieter Liepsch

5. Körperflüssigkeiten in Menschen

Zusammenfassung

Es wird ein kurzer Überblick über die wichtigesten Biofluide des Menschen gegeben. Es werden die Zusammensetzung des Blutes und dessen Fließverhalten in Abhängigkeit der Gefäßdurchmesser beschrieben. Weitere wichtige Fluide wie Lymphe, zerebrale Flüssigkeiten, Gelenkflüssigkeiten, Verdauungssekrete und ihre Bedeutung werden kurz abgehandelt.

Dieter Liepsch

6. Medizinische Grundlagen

Menschliches Kreislaufsystem, Blutgefässe, Herz, Lungenmechani – Anwendung von CFD-Modellen am Beispiel der Nasenströmun

Zusammenfassung

Das Kreislaufsystem des Menschen setzt sich aus dem Herzmuskel und zwei geschlossenen Kreisläufen, in denen das Blut in den Blutgefäßen zirkuliert, zusammen. Das Herz besteht aus zwei Vorhöfen (rechtes und linkes Atrium), zur Aufnahme des Blutes und zwei Kammern (rechter und linker Ventrikel). Beim pulmonalen Kreislauf wird das Blut vom rechten Ventrikel zu den Atmungsoberflächen der Lunge und zurück zum linken Atrium befördert. Der systemische Kreislauf bringt das Blut vom linken Ventrikel zu allen anderen Körperteilen und zurück in das rechte Atrium (Abb. 6.1)

Dieter Liepsch

7. Einige grundlegende theoretische fluid- bzw.- hämodynamische Betrachtungen und Besonderheiten

Zusammenfassung

Wie bereits in Kap. 3 und 4 (Blut und Blutrheologie) beschrieben, weicht das Fließverhalten des Blutes vom newtonschen Fließgesetz bei niedrigen Scherraten stark ab. Bei hohen Scherraten dagegen kann man von einem newtonschen Fließverhalten ausgehen. In größeren Blutgefäßen wurde bisher angenommen das Blut ein newtonsches Fließverhalten aufweist. Dies ist richtig, solange es sich um gerade Strecken handelt. Das Gefäßsystem besitzt aber viele Krümmer und Verzweigungen, wo es zur Strömungsablösung und Sekundärströmungen kommt. Hier treten lokale örtliche Strömungsveränderungen auf, die ein nicht-newtonsches Fließverhalten bewirken.

Dieter Liepsch

8. Einige Anwendungen und experimentelle Beispiele an Modellen mit diagnostischer und therapeutischer Bedeutung

Zusammenfassung

Empfehlenswert, wenn auch etwas zeitaufwendiger ist es, zuerst die Strömung mittels entsprechender Verfahren sichtbar zu machen. Dadurch können viele Geschwindigkeitsmessungen eingespart werden, denn man kennt die Orte an denen Geschwindigkeitsänderungen stattfinden.

Dieter Liepsch

9. Messmethoden der Biofluidmechanik

Zusammenfassung

Dieses Kapitel gibt einen kurzen Überblick über die im Buch erwähnten Meßverfahren. Es soll lediglich als eine kurze Anleitung dienen und ist nicht vollständig. Es werden anhand einiger Beispiele die Verwendung verschiedener Messverfahren gezeigt. Für experimentelle Arbeiten ist die detaillierte Kenntnis der Verfahren wichtig, um genaue Aussagen zu machen. Es hat sich gezeigt, daß vielfach auf Experimente verzichtet wird. da durch Computersimulation heute Vieles einfacher und zeitsparender ist. Es ist aber wichtig die Simulationsergebnisse sorgfältig zu prüfen, denn die Praxis hat gezeigt, daß durchaus teilweise Unterschiede auftreten, die bedeutend sind.

Dieter Liepsch

Backmatter

Titel: Biofluidmechanik
verfasst von: Dieter Liepsch
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-63179-9
Print ISBN: 978-3-662-63178-2
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-63179-9

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