You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
SLIKOVNO GRADIVO -BIOFIZIKAVSEBINE1. • BIOMEHANIKA• ENERGIJSKA BILANCA ČLOVEKA• ZVOK2.• GEOMETRIJSKA OPTIKA• ELEKTROKARDIOGRAFIJA3. • ELEKTROMAGNETNO VALOVANJE• IONIZIRAJOČA SEVANJA• SLIKANJE V MEDICINI•1
BIOMEHANIKASILANAVORSTATIKAKINEMATIKAPRIMERI:• VZVODI V ČLOVEŠKEM TELESU• BIOMEHANIKA ČLOVEŠKE ROKE• TORZIJSKE DEFORMACIJE• DOLOČANJE TEŽIŠČA ČLOVEKA• STABILNOST TELESA• UPORABA ŠKRIPCEV V MEDICINI• MERJENJE POVPREČNE MOČI PRI SKOKU IN HOJISILA• delovanje sile na telo povzroči, da se le to giblje, lahko pakljub vsemu tudi miruje => takrat sila zgolj spremeninjegovo obliko• 4 osnovne sile:– GRAVITACIJSKA SILA– ELEKTROMAGNETNA SILA– ŠIBKA JEDRSKA SILA– MOČNA JEDRSKA SILA• Kaj pa ostale sile kot so SILE NA DOTIK (trenje, silaupora, viskozna sila, sila mišic…) - vse te <strong>iz</strong>virajo <strong>iz</strong>ELEKTROMAGNETNE SILE• ima smer in velikost - je VEKTOR•2
• I. NEWTONOV ZAKON:– če je ∑ F v = 0, potem telo miruje ali pa se giblje premoenakomerno• II. NEWTONOV ZAKON:– če je F ≠ 0, to povzroči, da se telo giblje pospešeno =>∑ v F∑∝ avv v v ⎡ kg= =2• III. NEWTONOV ZAKON:–kadarkoli deluje enpredmet s silo nadrugega, vedno delujetudi drugi predmet naprvega z enako velikovendar nasprotnousmerjeno silo:∑F ma⎢N⎣ ms⎤⎥⎦• SEŠTEVANJE IN RAZSTAVLJANJE SIL:•3
• DELO SILE:v vA = F ⋅ s = F s = Fs cosϕ=[ Nm J ]• ENERGIJSKI ZAKON– če je vsota vseh zunanjih sil razen sile teže in sile vzmeti različnaod 0 =>– če je vsota vseh zunanjih sil razen sile teže in sile vzmeti enaka 0=>• MOČ:A + ( Q) = ∆ W +∆ W +∆ W + ( ∆W)k p pr n0 =∆ Wk +∆ Wp +∆ Wpr + ( ∆Wn)W = WZAČETEKA ⎡ J ⎤P = Wt ⎢=⎣ s ⎥⎦KONEC•4
NAVOR• navor je posledica delovanja sile, ki ne kaže v smerimasnega središča telesa• ima smer in velikost - JE VEKTOR• analogija z II. NEWTONOVIM ZAKONOM:– M ≠ 0 povzroči, da telo pospešeno kroži =>∑ uuv ∑ uuvM ∝uvα[ ]2 2M = Jα Nm J ∝mr ⎡⎣kgm⎤⎦uuv v uvM = r×FM = r F = rF = rF ϕ∑ uuv uv⊥⊥•5
Ločimo tri tipe vzvodov:1. TIP: je dvokrakiVZVODI2. TIP: je enokraki. Ročica bremena pri vzvodu drugega tipa je krajša od ročice sile.Primeren je za premagovanje velikih sil.3. TIP: je enokraki. Vzvod tretjega tipa je zelo pogost v človeškem telesu – pojavlja sepredvsem tam, kjer so potrebne velike hitrosti gibanja na račun večjih silPRIMERI VZVODOV PRI ČLOVEKU•7
SILE NA DISK V HRBTENICIBIOMEHANIKA ČLOVEŠKE ROKE•8
MODEL ČLOVEŠKE ROKE∑ F v = 0M = 0∑ uuvKAKO SE RAZVIJE SILA V MIŠICI?celičnamembranaGolgijev aparatmitohondrijikanal naceličnimembranijedromiozinska vlakna, aktinska vlaknain sarkoplazmatski retikulumcelični skeletcitoplazmaaktinskovlaknoreceptormiozinskovlaknoaktinceličniskeletsarkoplazmatskiretikulumglaviaktivna mestasteblozglob 1vratzglob 2miozinsko vlakno•9
TORZIJSKI ZLOM TIBIEGolenica (tibia) lahko prenese največjinavor pribl. 100 Nm, pri čemer jemaksimalni kot zasuka 3,4.°TA ZLOM JE POGOST PRISMUČANJU:Če je razdalja od konice smuči dočevlja 1 m, potem je dovolj, da sesneg upira zasuku s silo 100 N, da jenavor na golenico 100 Nm.TORZIJSKA DEFORMACIJAv v vM = r × FM= rFr v ⊥F v ⇒ Sin ϑ= 1M= Dϕ•10
TEŽIŠČE ČLOVEKA IN NJEGOVIH DELOVTEŽIŠČE JE LAHKO TUDI IZVEN PREDMETA•12
DOLOČANJE TEŽIŠČAČLOVEKA Z RICHERJEVOTEHTNICOF T =325 NDOLOČANJE TEŽIŠČA ČLOVEKA ZLOWETTOVO TEHTNICO•13
• PREPROSTI ŠKRIPCI- SPREMENIJO SAMOSMER SILE• SESTAVLJENI ŠKRIPCI-SPREMENIJOVELIKOST IN SMER SILET1 = T2= Mg•16
• SESTAVLJENI ŠKRIPCI-SPREMENIJOVELIKOST IN SMER SILET T = T =1=2 3MgGIBANJE TEŽIŠČA TELESA•17
MERJENJE POVPREČNE MOČI PRI HOJIA = mg∆hAP =tMERJENJE POVPREČNE MOČI PRI SKOKU1 2mvv= mg∆h22∆xvv=tvv2∆x∆ h = =22ggt2 21 2A = mvv+ mg∆ x = mg( ∆ h +∆ x)= mg∆h2AP =ttot•18
•IZMERJEN DIAGRAM ZA ODMIK SENZORJA OD STROPAENERGIJSKA BILANCA ČLOVEKAENERGIJSKI TOK METABOLIZMAIZKORISTEK ČLOVEKAPRIMERI:•REGULACIJA TELESNE TEMPERATURE•ENERGIJSKA VREDNOST ŽIVIL•19
ENERGIJSKI TOK METABOLIZMA• človeško telo lahko obravnavamo kot toplotni stroj, ki pretvarjaenergijo pridobljeno <strong>iz</strong> hrane v delo in toplotodE = dA + dQenergijski tok metabol<strong>iz</strong>ma = mehanska moč (P) + oddan toplotni tokdE dA dQ= +dt dt dt•glavni vir energije pri človeku so maščobe, ogljikovi hidrati in beljakovine•PRIMER: oksidacija glukoze:CH O+6O⎯⎯→ 6HO+6CO+2.8MJ6 12 6 2 2 2•1 mol glukoze (180 g) se spaja s 6 moli O 2 (192 g). Pri tem se sprosti 2.8 MJtoplote.•energija, ki se sprosti na 1 liter porabljenega O 2 : 21 kJ/literO 2(saj 6 molov O 2 zavzame volumen 6×22,4 litrov = 134,4 litrov)•podobno vrednost dobimo tudi za maščobe in beljakovine (20 kJ/liter O 2 ; 18kJ/liter O 2 )pri 1 litru porabljenega O 2 se torej v povprečju sprosti približno 20 kJ energije•20
UPORABA: če <strong>iz</strong>merimo prostornino porabljenega kisika na časovno enoto (t.j.razliko med prostornino vdihanega in <strong>iz</strong>dihanega kisika) lahko določimoenergijski tok metabol<strong>iz</strong>ma (dE/dt):dEdtdVdt0= ⋅20kJlIZKORISTEK ČLOVEKAUspešnost športnikov jeodvisna od zmožnostimaksimalne porabekisika na kg telesne težev časovni enoti.IZKORISTEK:e =PdE dt= mehanska moč/energijski tok metabol<strong>iz</strong>ma•21
REGULACIJA TELESNE TEMPERATURE•KOLIČINA ODDANE TOPLOTE JE ODVISNA OD:•TOPLOTNE IZOLIRANOSTI TELESA,•FIZIČNE AKTIVNOSTI,•TEMPERATURE OKOLICE,•VLAŽNOSTI,•GIBANJA ZRAKA.ENERGIJSKA VREDNOST ŽIVIL•1 kcal je energija, ki jepotrebna, da 1 kg vodesegrejemo za 1 K.Q = mc∆ T =J= 1kg⋅4200 ⋅ 1K=kg K= 4,2kJ•PRETVORBA kcal v kJ: 1 kcal = 4.2 kJ•22
ZVOK IN SVETLOBA KOT VALOVANJEVRSTE VALOVANJALASTNOSTI VALOVANJAZVOČNO VALOVANJEDOPPLERJEV EFEKTSVETLOBA - GEOMETRIJSKA OPTIKA-ENAČBALEČEPRIMERI:• TOTALNI ODBOJ - ENDOSKOPIJA• STOJEČE VALOVANJE - HITROST ZVOKA V ZRAKU• UHO - MEJA SLIŠNOSTI• DOPPLERJEV EFEKT - UPORABA PRI MERJENJU HITROSTIKRVI Z ULTRAZVOKOM• LEČE IN PRESLIKAVE PREKO LEČ• LUPA• OKO• KRATKOVIDNOST, DALJNOVIDNOSTVALOVANJE• VRSTE:– longitudinalno (deli sredstva se gibljejo vzdolž širjenjavalovanja) - primer: valovanje na vzmeti• drugi primer: ZVOK– transverzalno (deli sredstva se gibljejo prečno glede nasmer širjenja valovanja) - primer: valovanje na vrvi• drugi primer: SVETLOBA• ZNAČILNOSTI VALOVANJA:– ODBOJ– LOM– UKLON– INTERFERENCA (seštevanje valovanja)•23
• ODBOJ•24
• LOM• LOM IN TOTALNI ODBOJ NA PREHODU SVETLOBE IZ VODE V ZRAKn zrak =1n voda =1.33sinαnsin β = n21TOTALNI ODBOJ IN OPTIČNI VODNIK:•25
UPORABA OPTIČNEGA VODNIKA V MEDICINI - ENDOSKOPIJA• UKLON•26
• INTERFERENCA• STOJEČE SINUSNO VALOVANJE•27
ZVOK• longitudinalno valovanje zgoščin in razredčin zraka• lahko se širi samo v snovi• hitrost zvoka je odvisna od stisljivosti snovi, po kateri se širi intemperatureSnov T( o C) c (m/s) Snov T( o C) c (m/s)Guma 20 50 Živo srebro 20 1450Zrak 0 331 Svinec 20 2650Helij 0 965 Led 0 3300Vodik 0 1284 Medenina 20 3500Morska voda 17 1530 Jeklo 20 5000Navadna voda 25 1500 Aluminij 20 5100UHO•28
•OBČUTLJIVOST UŠESA IN MEJA SLIŠNOSTI•DOPPLERJEV EFEKT•29
•UPORABA DOPPLERJEVEGA EFEKTA PRIMERITVAH Z ULTRAZVOKOM•MERJENJE HITROSTI IN PRETOKA KRVI POŽILAH TER UGOTAVLJANJE MEST STENOZ•30
Slika 4: Primer ultrazvočne slike.Na sliki lahko vidimodvodimenzionalno sliko opazovanegadela telesa (sredina zgoraj), žile, v katerije z kvadratom označen del žile nakaterega je snop valov usmerjen. Barvev kvadratu nam dajejo informacijo otrenutni hitrosti krvnega pretokaoziroma o <strong>iz</strong>merjenem Dopplerjevempomiku. Spodaj je prikazan časovnipotek merjenja hitrosti krvnega pretoka<strong>iz</strong> katerega lahko pridobimokvantitativne informacije in boljšivpogled v dinamiko. Ta slika je narejenaz metodo, imenovano dupleks Doppler,ki omogoča nejveč informacij [15].S1S1S2v1 v2 v1Øv = konst., v1S1 = v2S2S1 > S1, v1 < v1•PULZNI NAČIN MERJENJA•31
SVETLOBA - GEOMETRIJSKA OPTIKA•VRSTE LEČ1 1 1+ =a b f1 ⎛ 1 1 ⎞= ( n − 1)⎜ + ⎟f ⎝r1 r2⎠•KONVEKSNA-ZBIRALNA LEČA•32
•KONKAVNA-RAZPRŠILNA LEČA•LUPA•33
OKOKRATKOVIDNOSTDALJNOVIDNOST•34
ELEKTRIČNO IN MAGNETNO POLJETER ELEKTROMAGNETNO VALOVANJEEL. POLJE TOČKASTEGA NABOJA; KONDENZATORJAELEKTROSTATSKA POTENCIALNA ENERGIJAELEKTRIČNI DIPOLMAGNETNO POLJE TULJAVESILA NA NABITI DELEC V EL. IN MAG. POLJUSPEKTER IN ENERGIJA EM VALOVANJAPRIMERI:• EKG• KATODNA CEV (CRT)• RENTGENSKI APARAT• SPEKTER IN SEVANJE PLINOV• SPEKTER IN SEVANJE TRDNIH SEGRETIH TELES• TERMOGRAFIJAELEKTRIČNO POLJE•ELEKTRIČNO POLJE TOČKASTEGA MIRUJOČEGA NABOJAuvE =•ELEKTRIČNO POLJE KONDENZATORJAer4πεoε = 8.86 × 10oeo= 1, 6 × 102−12−19e UE = =ε S dVr$⎡ ⎤⎢⎣m⎥⎦( As) 2NmAso−19A =∆ We= eU ⎡eV = 1, 6 × 10 J⎣2⎤⎦•35
ELEKTROKARDIOGRAFIJA(EKG)• Elektrokardiografija je veda, s katero preučujemodelovanje srca na podlagi merjenja potencialnih razlikmed različnimi deli telesa ob srčni aktivnosti.• Elektrokardiograf je posebna priprava, s katerozaznamo na površini telesa napetostne razlike.• Elektrokardiogramje standard<strong>iz</strong>iran časovni zapisnapetostnih razlik, ki jih <strong>iz</strong>merimo.DEPOLARIZACIJA CELICE INELEKTRIČNI DIPOL•36
ELEKTRIČNO POLJE DIPOLAIN EKVIPOTENCIALNE ČRTEZGRADBA IN DELOVANJE SRCA•37
TIPIČEN EKGMERJENJE EKG - priklop po Einthovenu•38
MAGNETNO POLJE•MAGNETNO POLJE PERMANENTNEGA MAGNETA•MAGNETNO POLJE•V OKOLICI VODNIKA, PO KATEREMTEČE TOK•V TULJAVISILA NA NABITI DELEC•V ELEKTRIČNEM POLJUuuvF =euveE•V MAGNETNEM POLJUuuv v uvF = ev × Bm•delec se giblje:•v smeri el. polja: po premici•prečno na smer el. polja: poparaboli•delec se giblje:•po krožnici ali vijačnicije radialna sila•39
TULJAVAKATODNA CEV (CRT(CRT-cathoderay tube)IZVIR NAPETOSTIZA GRETJEKATODECUREK ELEKTRONOV VMAGNETNEM POLJUANODAKATODAVISOKONAPETOSTNIIZVIR•ENERGIJA ELEKTRONOV V KATODNI CEVI 2mv2∆ W =∆Wk= eUeRENTGENSKA CEVeU=h ν + ( Q)eU=hνhceU =λmaxminSVETLOBA ZENERGIJO hνc= νλ8 mc = 3×10s−34h = 6,6 × 10 Jshc = 1240eV ⋅nm•40
SVETLOBA KOTELEKTROMAGNETNO VALOVANJE•NASTANEK EM VALOVANJA NA DIPOLNI ANTENI:SPEKTRI EM VALOVANJA•HITROST ŠIRJENJA EM VALOVANJA:•ENERGIJA EM VALOVANJA:c = ×hcE=hν=λ83 10 m s•41
SEVANJE IN SPEKTER RAZREDČENIH PLINOV•ENERGIJA n-tega STANJAELEKTRONA V ATOMU VODIKA:1En= E2 1; E1=−13,6eVn•ČRTASTI EMISIJSKI SPEKTERSEVANJE TRDNIH TELES•STEFANOV ZAKON ZA SEVANJE ČRNEGA TELESAj4 −8W= σT; σ = 5,7×102 4mK•WIENOV ZAKON:λ ⋅ T =maxkonstanta•zvezni spekter sončne svetlobezvezni spekter sončne svetlobe; črte so posledicaabsorpcije svetlobe v Sončevi atmosferi, ki vsebujeHelij•42
TERMOGRAFIJA - SLIKANJE Z IR KAMERAMI•APLIKACIJA V MEDICINI:•ZGODNJE ODKRIVANJE RAKA NA DOJKI NA PODLAGISPREMEMB V KRVNEM OBTOKU•ODKRIVANJE VNETNIH STANJ•ODKRIVANJE NEPRAVILNE PREKRVAVITVE….•PREDNOSTI PRED DRUGIMI METODAMI:•NEBOLEČA•NEINVAZIVNA•POCENI•NAJHITREJE SE DA UGOTOVITI ZGODNJI STADIJ RAKA•90% NATANČNOSTTERMOGRAFIJA - ZGODNJE ODKRIVANJE RAKA NA DOJKI•43
TERMOGRAFIJA - RAČUNALNIŠKA OBDELAVA SLIKTERMOGRAFIJA - DRUGI PRIMERI V MEDICINI IN TEHNIKI•44
IONIZIRAJOČE SEVANJEDELCI α IN βŽARKI γRAZPOLOVNI ČAS IN RAZPOLOVNA DEBELINAANIHILACIJA ELEKTRONA IN POZITRONAPRIMERI:• VPLIV IONIZIRAJOČEGA SEVANJA NA ŽIVE ORGANIZME• ZAŠČITA PRED SEVANJEM• OBSEVANJE Z γ ŽARKI• RADIOTERAPIJASEVANJE RADIOAKTIVNIH ELEMENTOV•DELCI α IN β:•α: He jedra, 2p/2n, e=+2e o ,zaustavi list papirja ali nekajcm zraka•β: hitri elektroni, e=-e o ,zaustavi Al plošča, plaststekla•ŽARKI γ :•γ : EM valovanje z valovnodolžino reda pm, brez masein naboja, zelo prodorni,zaustavi jih nekaj cm debelaplast svinca in nekaj dmdebela plast betona, se neuklanjajo v magnetnem polju•45
ARAZPOLOVNI ČAS IN RAZPOLOVNA DEBELINAdN−dt= Enota za aktivnost je becquerel (Bq) oz. število razpadov v časovni enoti (1/s).N(t)−λt= N 0e− / 1/2N = N 0⋅2 t tt 1/2= ln 2/λΦ = Φ0⋅eΦ =Φ ⋅−µd−d / d02d 1/2= ln 2 /µ1/ 2VPLIV IONIZIRAJOČEGA SEVANJA NAŽIVE ORGANIZME•46
Pri obsevanju rakastih tvorb (npr.tumorjev) z γ žarki je potrebnominim<strong>iz</strong>irati poškodbe zdravega tkiva.Zato je žarek zelo ozek, obsevanje papoteka tako, da se telo (ali <strong>iz</strong>vor) vrti,pri čemer je tumor vseskozi obsevan,doza sevanja, ki jo prejme zdravo tkivopa čim manjša.OBSEVANJE Z γ ŽARKIObsevanje z radio<strong>iz</strong>otopomCobalt ( 60 Co 27 ), ki seva γ žarke.Obsevanje z γ žarki, ki nastanejo kotposledica anihilacije elektrona in pozitronav linearnem pospeševalniku (linearaccelerator-LINAC). Za obsevanje se lahkouporabljajo tudi drugi delci kot so hitri protoni, nevtroniin elektroni, ki jih pridobimo v LINAC-u.ANIHILACIJA e + in e -γe + e -γDRUGI PRIMERI RADIOTERAPIJE- radioaktivni <strong>iz</strong>vor lahko tudi vstavimo v tkivo, njegovo sevanje pa uničuje celice vokolici- v primeru zdravljenja raka na žlezi ščitnici se pacienta zdravi z injeciranjemradioaktivnega <strong>iz</strong>otopa joda ( 131 I 53) v krvni obtok, le ta pa se nalaga v žlezi ščitnici inskoncentrira prav na mestih, kjer nastajajo nove rakaste celice•47
METODE SLIKANJA V MEDICINIKLASIČNO SLIKANJECT - COMPUTED TOMOGRAPHYPRIMERI:• RENTGENSKO SLIKANJE• SLIKANJE Z γ-KAMERO• SPET - SINGLE PHOTON EMISSION TOMOGRAPHY• PET - POSITRON EMISSION TOMOGRAPHYMETODE SLIKANJA V MEDICINISLIKANJE Z RENTGENOMklasičnoCT (computed tomography)•48
CT - COMPUTED TOMOGRAPHYpo grško tomos pomeni prerezγ - KAMERA- radioaktivni <strong>iz</strong>otopi (npr. 99* Tc 43- vzbujeno stanjeatoma technitium) se uporabljajo kot t.i. tracerji -sledilci, ki se vgradijo v umetno sintet<strong>iz</strong>iranespojine, ki imajo lastnost, da se akumulirajo vdoločenih delih tkiva npr. tumorjih.-ker 99* Tc 43seva γ žarke, le-te lahko opazujemo st.i. γ -kamero, ki vsebuje veliko detektorjev, kisimultano detektirajo γ žarke na več mestih- časovno spreminjanje intenzitete sevanja vposameznem delu telesa lahko opazujemo nazaslonu•49
SPET - single photon emission tomographyPET - positron emission tomographySPET - CT-slikanje z γ kamero, pri čemer detektiramo γ žarke, ki <strong>iz</strong>hajajo <strong>iz</strong>radiaktivnega <strong>iz</strong>otopa vgrajenega v spojino, ki se je akumulirala v določenem tkivu.PET - <strong>iz</strong>otope kot so C 611, N 713, O 815vgradimo v posebne spojine, ki se akumulirajo vdoločenem delu telesa npr. v rakasti tvorbi. Ti <strong>iz</strong>otopi nato razpadejo z β + -razpadom,pri čemer nastane en pozitron (e + ), ki se anihilira z enim od elektronov (e - ) sosednjihatomov, pri čemer nastaneta dva γ žarka z energijo 510 keV pod kotom 180 o . Postopekobdelave slike je enak kot pri SPET, torej CT, le da pri PET dobimo dva fotona podkotom 180 o , pri SPET pa enega v poljubni smeri•50