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高考申論題 105年 [醫學工程] 生物輸送原理

第 三 題

📖 題組:
血液在動脈系統之流動呈現脈衝流(pulsatile flow)特性。假設動脈血管之直徑為 D,血液之密度、黏度及平均流速分別為 ρ、μ 及 U,脈衝頻率為 f。試問:
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (三)

如何以非侵入方式,藉由偵測脈衝波傳遞行為,量測血液之流速?(9 分)

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看到此題,應將「脈衝波傳遞行為」作雙重思考:一是外加超音波脈衝波的傳遞與反射(如都卜勒效應或傳遞時間法);二是心臟打出的生理壓力脈衝波。最關鍵的是,必須利用題幹給定的參數(D, ρ, μ, f),聯想到生物流體力學中的 Womersley 參數,說明如何將測得的局部流速經過物理模型修正,推導出真實的平均流速 U。

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【破題】 在生物輸送與流體力學領域中,欲以非侵入方式量測動脈脈衝流(Pulsatile flow),臨床與醫工實務上最常利用外加聲學脈衝波的傳遞與反射行為來建立物理模型。同時,必須結合動脈血流的物理特性與生理參數,進行流速剖面的數學修正。 【論述】

小題 (一)

此脈衝流之 Wombersley number(Nw)定義及物理意義為何?(8 分)

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看到 Womersley number,應立刻聯想到非恆定流中「暫態慣性力」與「黏滯力」的相對關係。作答時,數學定義需列出包含脈衝頻率、管徑、密度與黏度的精確公式;物理意義則需探討高、低數值對血液流速分佈(拋物線 vs. 平坦)及壓力-流速相位差的影響,並具體連結大動脈與微血管的生理場景。

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【破題】Womersley number(常以 Nw 或 α 表示)為生物流體力學中分析非恆定流(unsteady flow)的關鍵無因次參數,用於描述動脈脈衝血流中,暫態慣性力與黏滯力的相對影響程度。 【論述】 一、定義(數學模型)

小題 (二)

脈衝波在血管之傳遞速率受到那些血流及血管壁性質之影響?如何影響?(8 分)

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看到脈衝波傳遞速率(Pulse Wave Velocity, PWV),應立即聯想生物流體力學中的經典公式:Moens-Korteweg 方程式。透過該公式展開變數,將分子與分母的參數對應到『血管壁性質』(彈性模數 E、壁厚 h、管徑 D)與『血流性質』(密度 ρ),並結合生理現象(如動脈硬化、血管重塑)解釋正反比關係。

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【破題】脈衝波在血管中的傳遞速率(Pulse Wave Velocity, PWV)主要由管壁的固體力學特性與血液的流體力學特性共同決定,臨床與生物流體力學中常以 Moens-Korteweg 方程式建立物理模型進行量化分析。 【論述】 一、物理模型:Moens-Korteweg 方程式

📝 非侵入式血流速量測
💡 結合超音波物理效應與 Womersley 脈衝流理論進行精確量測。
  • 脈衝都卜勒法:利用紅血球散射產生的頻移計算局部瞬時流速。
  • 傳遞時間法:藉由超音波順逆流的時間差推算血管平均流速。
  • Womersley 修正:利用無因次參數修正脈衝流之流速剖面偏誤。
🧠 記憶技巧:一波(Doppler)、二時(Transit)、三修正(Womersley)
⚠️ 常見陷阱:答題時容易遺漏 Womersley 數的物理修正,誤將脈衝流視為穩定層流。
Womersley Number 都卜勒效應 層流與紊流判別

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