7.10.2010
Wykład 1: Fizyka medyczna
I.FIZYKA UKŁADU KOSTNEGO
1. r ola kości:
→ podpora,
→ ruch,
→ ochrona narządów
→ magazynowanie pierwiastków chemicznych
→ transmisja dźwięku (ucho środkowe)
2. Podstawowe parametry fizyczne opisujące układ kostny: a) siła dp
F = dt
II zas. Dynamiki p= mv
dla m= const
F = ma
dv
a= dt
b)momenty siły
M = F x r
A – duża wytrzymałość, kruchy, duża sztywność, np.; ceramika B – plastyczność średnia, duża twardość, średnia podatność C – definiowane przez dużą podatność, małą wytrzymałość, plastyczny, średnia twardość D – materiały polimerowe
c) Najważniejsza siła – siła grawitacji
utrzymanie pozycji stabilnej – suma wektorów wszystkich sił w środku ciężkości musi być równa zero ∑ Fi=0
w rzeczywistości siła działająca na nogę jest sumą wektorową:
→ siła od podłoża
→ ciężar ciała
→ ciężar nogi
3. Siły działające na kręgosłup.
(kręgosłup – utrzymuje pozycje stabilną)
kształt S → zwiększenie stabilności
dyski – amortyzacja wstrząsów i zapewnienie ruchomości sąsiadującym kręgom siły → masa głowy ok 3 kg
pow. kręgu szyjnego 5 cm^2 → w efekcie nacisk 6 N/m^2
nacisk na dowolny kręg lędźwiowy jest w przybliżeniu taki sam głowa + tułowie = 500N
N
Maksymalny nacisk na kręg przed pęknięciem P
=1100
max
cm 2
zatem siła konieczna do uszkodzenia dysku → 11000 N (około 1 tony)
4. S
kład chemiczny kości:
– kolagen (40% wagowo, 60% objętościowo) Moduł Younga zbliżony do stali
–
minerały (tlen 44%, węgiel 15,5%, fosfor 10,2%, wapń 22%)
- główny składnik mineralny → HAp (nie występuje w przyrodzie, kryształki mają kształt pręcików)
–
Duże moduły Younga również dla szkliwa, włosów.
5. Właściwości mechaniczne kości
→ gęstość 1.9 g/cm3 (nie zmienia się z wiekiem, natomiast struktura staje się bardziej porowata)
LF
N
→ moduł Younga Y =
=17,9 GPa [
]
A dL
m 2
→ porównywalny do betonu
→ podczas chodzenia siły działające na kości są większe niż kiedy stoimy, im szybszy ruch tym większe siły działające
→ w zależności od przyłożenia siły albo złamanie albo rozerwanie
→ moduły Younga
– kość gąbczasta E≈0,076 [GPa]
(diament E≈1000 [GPa])
– nerwy E≈10 [MPa]
– skóra E≈3 [MPa]
– żołądek E≈0,015 [MPa]
– wątroba E≈0,02 [MPa]
6. Połączenia kości
a) kościozrosty - nieruchome
b) więzozrosty → małoruchowe (również
chrzęstozrosty)
c) stawy – ruchome
Maź stawowa – deformuje się pod wpływem obciążenia
–
pomiary współczynnika tarcia in vitro <0,01
7. Pomiar składu mineralnego kości:
→ SPA –single photon absorptiometry, I-125 o energii 27,4keV
pomiar różnicowy , widmo absorpcyjne, stad pow masa kości , pomiar ilościowy, detektory scyntylacyjne)
→ neutronowa analiza aktywacyjna (źródło Pu-Be 14 MeV, po za-aktywowaniu zdejmuje się widmo promieniowania gamma, stad skład chemiczny)
→ densytometry
–
podwójna wiązka promieniowania X, DEXA (duel energy X-ray absorptiometry) źródło: lampa rtg (WN 70kV i 140 kV) z filtracją
detektor: NaI(Tl)
cechowanie: wzorce hydroksyapatytu wapnia
czas pomiaru: kręgi lędźwiowe około 5 min, staw biodrowy ok 2 min.
BMD – bone mineral density.
–
pomiar stopnia zaczernienia światłoczułego materiału
–
20x niższa dawka promieniowania niż przy rentgenie klatki piersiowej
tandardowe parametry ludzkie:
człowiek standardowy – parametry stosowane we wszelkiego rodzaju pomiarach dozymetrycznych (normalizacja badan dla wartości średnich) parametry: ilość oddechów 15/min, pochłanianie O2 → 0,26 L/min II. MIĘŚNIE, DYNAMIKA RUCHU
1. m
ięśnie – energia mech , energia cieplna
2. porównanie własności fizycznych mięśni gładkich i szkieletowych a) mięśnie gładkie:
→ narządy wewnętrzne
→ związane z miozyna
→ czynność niezależna
→ powolne
→ długotrwałe
→ odporne na zmęczenie
b) mięśnie poprzecznie prążkowane:
→ czynność zależna
→ związana z aktyna
→ zależne od woli
→ szybkie zmęczenie
→ silne, krótkotrwałe skurcze
→ 3x silniejsze od gładkich
→ 100x szybsze od gładkich
→ 300x szybsze zużycie szkieletowych
3 właściwości mechaniczne mięśni:
.
a) bierne
→ sprężystość, plastyczność - rozciągliwe, wracają do formy sprzed rozciągania.
→ sprężystość podczas pracy, zależy od wieku.
b) czynne:
→ napięcie spoczynkowe – każdy mięsień ma początkowy stan napięcia tzw.
spoczynkowy stan napięcia (tonus), tworzy się przez impulsy wysyłane przez móżdżek
→ skurcz – zmiana długości lub napięcia mięśnia wywołująca siłę mechaniczną
→ typy skurczów:
- izotoniczny - stałe napięcie, zmiana długości (ruch)
- izometryczny – stała długość, zmiana napięcia (dreszcze)
- auksotoniczny - zmiana długości i napięcia (bieganie, chodzenie)
- tężcowy – permanentny skurcz
→ długość mięśnia pod wpływem skurczu zmniejsza się o połowę
→ siła wygenerowana przez mięsień zależy od jego początkowej długości
→ szybkość skurczu zależy od napięcia, jakie musi wygenerować mięsień
→ F całk= F czynna F bierna
4. B
udowa sarkomeru
Zależność napięcia od długości sarkomeru w pojedynczym włóknie
→ jest związana z wielkością „zakładki” gdzie nakładają się cienkie i grube włókna na sarkomerze
5. L iczby
- 104−106 włókienek w mięśniu
- włókno średnica 50 mikrometrów
- cząsteczek miozyny 1013 na cm 2
N
teoretycznie mięsień może generować siłę 30[
]
cm 2
6. Siła przypadająca na pojedynczy mostek poprzeczny, wytrzymałość mięśni a hemoglobina.
→ wytrzymałość mięśni zależy od zawartości hemoglobiny i przepływu krwi: mało wytrzymałe (działają szybko i szybko się męczą, niska Hb i przepływ krwi – jasne mięśnie), bardziej wytrzymałe (działają wolniej i wolniej się męczą, dużo Hb)
→ siła przypadająca na jeden mostek poprzeczny 3 pN
7. Moc dostarczona podczas wysiłku
ATP 14 kcal/mol
700 W
8. Dźwignie (M – siła nacisku, W - ciężar)
I typu. Dwuramienna – pkt oparcia przyłożony między przyłożenia siły mięśnia a pkt przyłożenia oporu np. staw szczytowo-potyliczny (np. zamknięte usta, głowa)
II typu – jednoramienna – pkt przyłożenia siły mięśnia oporu leżą na tej samej stronie a ramie siły mięśnia jest dłuższe od ramienia oporu (są blisko siebie ) np. stopa – stanie na palcach M<W
III typu jednoramienna – pkt przyłożenia siły i poru leżą po tej samej stronie, lecz ramie siły mięśnia jest krótsze od ramienia siły oporu (są daleko od siebie) powszechny w ustroju choć mało ekonomiczny M>W np.; biceps