物理知识在医疗器械中的应用

随着现代物理学和计算机科学的迅速发展，人们对生命现象的认识逐渐加深，物理学的基础和方法越来越广泛地应用于医学研究和实践。本文选取了一组与医疗器械相关的问题进行解释。

用于测量血压的电子血压计具有压力传感器，并且薄金属片p固定有四个电阻器R1、R2、R3和R4。图1是电子血压计的侧视图，四个电阻器连接到图2b的电路中。开始时，不对金属板中心的O点施加压力。为了使电压表无指示，A点和B点电位相等，达到电桥的平衡，四个电阻应满足R1R4=R2R3的要求。当压力f作用于点o时，金属板会变形。由于四个电阻固定在金属片上(图2a)，R1和R4将被拉长，R2和R3将被加宽，因此R1和R4的电阻将增加，R2和R3将减小，电桥平衡将被破坏。在压力增加之后，R1和R4的电阻增加，导致A和B两端的电压增加，因此A点的电位将高于B点的电位。血压越高，F值越大，金属片变形和电阻变化越大，电压表示越大，从而测量人体的血压。

普通输液器的原理在输液过程中，管a与空气相连，管b与管b下方的小容器c相连，然后与带有鞘管的注射器相连。溶液沿着鞘管向下流动，在容器c中被阻塞(容器c中有少量空气)，向下滴落，然后从鞘管和注射器进入人体。图3中的管a的功能是:当输液瓶中的液体向下流动时，瓶上部的气体体积增加。从气体的等温变化可以看出，上部的气体压力降低，液体的向下流动速度变得更慢，从而不会向下流动。例如，瓶子中的液体通过一根管子与外界相通，因此瓶口处的液体压力总是保持在大气压。当上部压力降低时，气体自动从A管吸入瓶内，从而保持上部气体的压力不变，保证液体以恒定的速度继续向下流动。由于注射液一般是无色的，所以在导管内流动时很难观察到它的流速。然而，观察液体的流动速度和通过使液体通过小容器C一滴一滴地控制输注速度是方便的。假设从输液瓶口到注射针D的平均高度h是70厘米，人体血管中的平均血压大约是一个大气压，并且普通注射针的内径是0.3毫米， 假设注射液在流动时受到的粘性阻力等是重力的1/2，则可以估计注射500毫升盐水所需的时间。 液滴在重力mg和阻力Ff的作用下向下流动。针头处注射装置的流速为v，能量关系为(mg-Ff)h=mv2/2。代入数据得到v = 2.63m米/秒，流入人体的液体流量(速度)v 0 = vs = 1.86×10-7立方米/秒。因此，输送500毫升盐水需要时间t = Q/v 0 = 2688秒，约45分钟。

多普勒血流检测器使用超声多普勒效应的原理来测量血流速度，如图4所示。超声波探头产生频率为10兆赫的超声波束，当遇到移动的血细胞(称为声学目标)时，超声波束沿反射方向返回，并被探头接收。由于红细胞的数量占主导地位，大多数反射信号来自红细胞，其余来自白细胞和血小板。如果探头发出的超声波的频率为f0，接收器接收的频率为F，血流速度与声速的夹角为θ，声波在人体内的传播速度为μ，则可以根据以下分析计算出血液速度V。如果探头方向的血流速度为vcosθ，声波速度为μ，则血液接收到的频率f1=(μ+vcosθ)f0/μ①将再次被血流反射。此时，血液成为波源，并以速度vcosθ传播到探头，则探头接收到的频率f=μf1/(μ-vcosθ)②可从① ②方程v=(f-f0)μ/

在第九届“全国青年发明创造大赛”的获奖作品中，有一个“方便药瓶”。它在药瓶上增加了一个小的杯状容器。容器通过两个细管与药瓶连接，形成定量取药装置(图5a)。当使用时，药瓶根据图5b的方法倒置。当药瓶停止流动时，药瓶被倒置(图5c)。将规定量的药物装入容器中，取下药瓶瓶盖，倒出规定量的药物。当以图5b所示的方式倒置时，b是排气管，a是进液管，并且药液可以填充容器。当液体药瓶以图5c所示的方式放置时，高于b管的液体可以从管中排出，因此所服用的药物量由b管在药物服用装置中的插入深度决定。

心脏灌注成像技术许多心血管专科医院现在已经引入了一种称为“心脏灌注成像”的检测技术。将几毫升含放射性锝(Tc)的注射液注入动脉，并在40分钟后通过血液循环均匀地分布在受试者的血液中，以对受试者的心脏进行成像。心血管系统的正常位置是由于放射性物质的到达和放射。被阻挡的部分没有辐射，因为放射性物质无法到达它。医生可以根据成像情况判断被测心脏是否有病变以及病变位置。因为放射性物质对人体有害，在人体内的停留时间不能太长，所以它的半衰期也不能太长。然而，因为放射性物质需要40分钟才能均匀分布在人体血液中，它们的半衰期不能太短，所以半衰期为6小时的放射性锝是最佳选择。