Medizinische Biophysik Transportprozesse

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Sylvia Bösch
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Medizinische Biophysik Transportprozesse I. Elektrischer Ladungstransport (el. Strom).

9. 3. nwendungen Messung der elektrischen Leitfähigkeit on Geweben (IPG, IKG, EIT,.

Energietransport (Wärmeleitung) 0. Mechanismus. Grundbegriffe Energiestromstärke, -dichte.

Grundbegriffe sarten: laminare, turbulente Volumenstromstärke, -dichte Flüssigkeit:

on idealen Flüssigkeiten Geschwindigkeitsprofil Bernoullische Gleichung nwendung:

Elektrischer Strom (el. Ladungstransport) II. Wärmeleitung (Energietransport) V.

Grundbegriffe q Elektrische Stromstärke (I): I () q Elektrische Stromdichte (J): J m

Transportgesetz = ohmsches Gesetz U R I l R U Widerstand R lternatiform: Stromdichte I l J

1 Medizinische Biophysik Transportprozesse I. Elektrischer Ladungstransport (el. Strom). Grundbegriffe Elektrische Stromstärke, -dichte. Transportgesetz = ohmsches Gesetz nwendungen Messung der elektrischen Leitfähigkeit on Geweben (IPG, IKG, EIT,.) Transportprozesse III. IV. Diffusion (Volumentransport) (Stofftransport) II. Energietransport (Wärmeleitung) 0. Mechanismus. Grundbegriffe Energiestromstärke, -dichte. Transportgesetz = Fourier-Gesetz 3. nwendungen III. Volumentransport (en). Grundbegriffe sarten: laminare, turbulente Volumenstromstärke, -dichte Flüssigkeit: ideale, reelle. Kontinuitätsgleichung nwendung: Blutkreislauf 3. on idealen Flüssigkeiten Geschwindigkeitsprofil Bernoullische Gleichung nwendung: Blutströmung (Volumenstromstärke, sgeschwindigkeit, Messmethoden) I. Elektrischer Strom (el. Ladungstransport) II. Wärmeleitung (Energietransport) V. Verallgemeinerung VI. Energetische spekte I. Elektrischer Ladungstransport (el. Strom). Grundbegriffe q Elektrische Stromstärke (I): I () q Elektrische Stromdichte (J): J m stationärer Strom: l q I zeitlich konstant. Transportgesetz = ohmsches Gesetz U R I l R U Widerstand R lternatiform: Stromdichte I l J l Die bisher bekannte Form des ohmschen Gesetzes Die neue Form des ohmschen Gesetzes Potenzialgradient 3. nwendungen Diagnostik Messung on Biopotenzialen (EKG, EEG, ) EKG Messung der elektrischen Leitfähigkeit on Geweben Gewebe (ms/m) Blut 700 graue Hirnmasse 300 weiße Hirnmasse 50 Haut 00 Fett 40 Knochen 0 Ein bildgebendes Verfahren: die elektrische Impedanztomographie (EIT) (ausführlicher siehe später!) EEG Elektrische Leitfähigkeit 3 4

2 Impedanzplethysmographie (IPG) Untersuchung der Blutströmung in den Extremitäten pex-locator Lügendetektor Generator-Elektroden Impedanzkardiographie (IKG) Messelektroden Manschette Untersuchung der Herzfunktion ufblasen der Manschette Coulter-Zähler Pulsolumen/Minutenolumen des Herzens 5 6 Therapie (ausführlicher siehe später!) Galanisation / Iontophorese Wärmetherapie Elektrochirurgie ktiität Wärmebildung und -abgabe Volumenstromstärke Wärmebildung (W) In Ruhe 5 Langsames Spazieren Radfahren (5 km/h) Treppensteigen (/s) Laufen (5 km/h) Elektroreizung in der Physiotherapie Herzschrittmacher Defibrillator Strahlung Leitung Verdunstung Verdunstung 7 8

. Grundbegriffe II. Energietransport (Wärmeleitung) 0. Mechanismus: Stöße zw.

J. Fourier 768-830 Mathematiker und Physiker Temperaturgradient 9 Wärmeleitfähigkeit: stoffspezifisch Stoff (W/(mK) Silber 40 Glas

nwendungen (Zusammenfassung der Wärmeabgabemechanismen) 4 4 Temperaturstrahlung P T T Körper T Körper = 8 C T Umgebung = 0 C P = 83 W

3 . Grundbegriffe II. Energietransport (Wärmeleitung) 0. Mechanismus: Stöße zw. tomen und Molekülen + freie Elektronen = Konduktion Energiestromstärke (I): (Wärmestromstärke) Energiestromdichte (J): (Wärmestromdichte). Transportgesetz = Fourier-Gesetz T > T E x J E I E J W s J W m s m Stromdichte x E T x Wärmeleitfähigkeit Wärmeleitzahl (W/(mK) J. B. J. Fourier Mathematiker und Physiker Temperaturgradient 9 Wärmeleitfähigkeit: stoffspezifisch Stoff (W/(mK) Silber 40 Glas Wasser 0,6 Muskel 0,4 Fett 0, Luft 0,05 3. nwendungen (Zusammenfassung der Wärmeabgabemechanismen) 4 4 Temperaturstrahlung P T T Körper T Körper = 8 C T Umgebung = 0 C P = 83 W T Umgebung = 0 C P = 90 W! Umgebung 0 T Wärmeleitung P x T Körper = 8 C P 40 W T Umgebung = 0 C Luft Wasser als Umgebung en! (z. B. Wind) Verdunstung hohe spez. Verdampfungswärme on Wasser: 400 kj/kg (bei 30 C)!! Ladungstransport Energietransport Was strömt? Stärke? q E q E nalogie T Warum? l T x Zusammenhang? q l E T x Wassererlust: ständig 50 ml/h bei Extrembedingungen 600 ml/h 35 W 000 W!! en! (z. B. Wind) 3

Reibung reelle Flüssigkeit = mit innerer

4 III. Volumentransport ( on Gasen und Flüssigkeiten in Röhren). Grundbegriffe Stromlinien sarten: krit turbulente laminare llgemeine Gültigkeitsoraussetzungen: Volumenstromstärke (I): V I m 3 s V m Volumenstromdichte (J): J s inkompressible Gas/Flüssigkeit laminare Im Weiteren werden Flüssigkeiten behandelt, die Begriffe und Gesetze gelten aber auch für Gase. I J ideale Flüssigkeit = ohne innere Reibung reelle Flüssigkeit = mit innerer Reibung 3 4 nwendung: Blutströmung Volumenstromstärke und sgeschwindigkeit in der orta? V Liter I 6 min Laser-Doppler Messmethoden der Volumenstromstärke: Ultraschall-Doppler Impedanz-Methoden Dilutionsmethoden 5 (siehe früher!) I Zugabe des Markierstoffes V Fluoreszenzfarbstoffe Radioisotope kalte phys. Salzlösung, Probenentnahme Die Konzentration des Markierstoffes in der Probe: c V I I c 6 4

Die Gleichung gilt nur für: starres Rohr

Zeit sich nicht ändernde ) I I I I ' I '' I

Kapillaren Venolen Venen Hohlenen (cm ) 4,5

0,05,5 6 (Siehe kirchhoffsche Knotenregel

5 . Kontinuitätsgleichung I I I I D. h. die wird in engeren Rohrabschnitten schneller und umgekehrt. Kontinuitätsgleichung im Blutkreislauf I I Die Gleichung gilt nur für: starres Rohr oder stationäre * (* stationäre : in der Zeit sich nicht ändernde ) I I I I ' I '' I ' '' Gefäß orta rterien rteriolen Kapillaren Venolen Venen Hohlenen (cm ) 4, (cm/s) 3 5 0,5 0,0 0,05,5 6 (Siehe kirchhoffsche Knotenregel in der Elektrizitätslehre!) on idealen Flüssigkeiten nwendungen der bernoullischen Gleichung Ideale Flüssigkeit: keine innere Reibung Geschwindigkeitsprofil: Bernoullische Gleichung: Daniel Bernoulli Mathematiker Physiker natom Energieerhaltung p g h konstant Die Gleichung gilt nur für: starres Rohr oder stationäre ideale Flüssigkeit 9 0 5

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