Grundlagen der medizinischen Physik

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WS 2013/14, HHU Duesseldorf, Prof. Dr. Mathias Getzlaff Vorlesung: Grundlagen der med. Physik, inoffizielle Mitschrift by: Christian Krause, Matr. 1956616 2 BIOMECHANIK − ⃗ R (auf dem Fermurkopf) − ⃗ F (entlang der Abduktorsehne) ∡( ⃗ F , x) = 70 ◦ ⃗W : Gewichtskraft des Körpers ⃗N: Normalkraft des Bodens ⃗W B : Gewichtskraft des Beins ≈ 1 7 ⃗ W Gesamtkraft auf das Bein: 0 = ∑ i F y i = F · sin70 ◦ − R y − 1 7 W + N 0 = ∑ i F x i = F · cos70 ◦ − R x 0 = ∑ i M i = −F · sin70 ◦ · 7cm − 1 7 W · 3cm + W · 11cm = −6, 6F − 3 7 W + 11W ⇒ F = 1, 6W Folge: normales Gehen: 1,6 faches Körpergewicht zieht an Abduktorsehne Erkenntnisse: Schwere Koffer in der linken Hand → rechter Fuß weiter innen, linker Fuß weiter außen → höhere Belastung der Sehne im rechten Bein Gehstock: Entgegengesetzte Situation (Übung) Kraft auf Femurkopf R x = F cos70 ◦ = 0, 5W R y = F sin70 ◦ = 2, 4W ⇒ R = √ R 2 x + R 2 y = 2, 5W (!) Richtung von R tan ϕ = R x 0, 55W = R y 2, 4W = 0, 23 ⇒ ϕ = 13◦ Knochengewebe im allgemeinen entlang Belastung → Knochenfasern in diesem Winkel ∡ (Kopf, Oberschenkelknochen) 140 ◦ bei jungen Erwachsenen 120 ◦ bei Älteren → höheres Drehmoment auf Knochen → Oberschenkelhalsbruch Knochenaufbau Seite 6
WS 2013/14, HHU Duesseldorf, Prof. Dr. Mathias Getzlaff Vorlesung: Grundlagen der med. Physik, inoffizielle Mitschrift by: Christian Krause, Matr. 1956616 2 BIOMECHANIK Weitere Funktionen: • mechanicsher Schutz (Schädel) • Signalübertragung (Mittelohr) Jeweilige Optimierung von Struktur + Form Knochen: Komposit • 65% Kalziumhydroxylapatit (→ “Ca gut für Knochen“) • 10% organische Matrix aus Kollagen: elastische Eigenschaften • 25% Wasser • zusätzlich Zellen innen + außen mit Blutversorgung Anorganische Anteile • 50% bei Kleinkindern • 60% Erwachsenen • 70% Alter ⇒ Reduktion der Elastizität mit dem Alter Porösität > 30% schwammartig, innen < 30% kompakt, außen Aufbau in Leichtbauweise: Geflecht von 100µm dünnen Kalziumhydroxylapatitstäbchen → 100% Porösität Leichtbauweise: Weniger Masse bei gleicher Stabilität → Gewichtsersparnis Adaption “Intelligente“ Anpassung an Beanspruchung → • zusätzliche Kristalldrähtchen entlang Kraftlinien • bei wiederholter Dehnung > 0,1%: Einbau von Ca • Permanente Nichtbelastung: Abbau von Knochenmaterial Elastizität des Skeletts Elastizitätstheorie: Deformation fester Körper unter Kräften • Dehnung (volumenverändernd) • Stauchung (volumenverändernd) • Scherung (volumenkonstant) • Torsion (volumenkonstant) • Biegung (volumenkonstant) jeweils bei kleinen Kräften Wichtige Begriffe Seite 7
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