Medizinische Biophysik Transportprozesse

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Medizinische Biophysik Transportprozesse I. Elektrischer Ladungstransport (el.

Leitfähigkeit on Geweben (EIT,.) 04. 04. 0. Transportprozesse II. III.

Grundbegriffe sarten: laminare, turbulente Volumenstromstärke, -dichte

on idealen Flüssigkeiten Geschwindigkeitsprofil Bernoullische Gleichung

Elektrischer Strom (el. Ladungstransport) IV.

on reellen Flüssigkeiten Newtonsches Reibungsgesetz Viskosität Anwendung:

Elektrischer Ladungstransport (el. Strom).

(J): J A m stationärer Strom: zeitlich konstant.

Elektrische Leitfähigkeit Alternatiform: Stromdichte J A l Potenzialgradient

1 Medizinische Biophysik Transportprozesse I. Elektrischer Ladungstransport (el. Strom). Grundbegriffe Elektrische Stromstärke, -dichte. Transportgesetz = ohmsches Gesetz 3. Anwendungen Messung on Biopotenzialen (EKG, ) Messung der elektrischen Leitfähigkeit on Geweben (EIT,.) Transportprozesse II. III. Diffusion (Volumentransport) (Stofftransport) II. Volumentransport (en). Grundbegriffe sarten: laminare, turbulente Volumenstromstärke, -dichte Flüssigkeit: ideale, reelle. Kontinuitätsgleichung Anwendung: Blutkreislauf 3. on idealen Flüssigkeiten Geschwindigkeitsprofil Bernoullische Gleichung Anwendung: Blutströmung Volumenstromstärke, sgeschwindigkeit, Messmethoden I. Elektrischer Strom (el. Ladungstransport) IV. Wärmeleitung (Energietransport) V. Verallgemeinerung 4. on reellen Flüssigkeiten Newtonsches Reibungsgesetz Viskosität Anwendung: Viskosität des Blutes VI. Energetische Aspekte I. Elektrischer Ladungstransport (el. Strom). Grundbegriffe Elektrische Stromstärke (I): I (A) A Elektrische Stromdichte (J): J A m stationärer Strom: zeitlich konstant. Transportgesetz = ohmsches Gesetz l U R I R U A A I I A l l Stromstärke Elektrische Leitfähigkeit Alternatiform: Stromdichte J A l Potenzialgradient 3 3. Anwendungen 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 4

2 Impedanzplethysmographie (IPG) Untersuchung der Blutströmung in den Extremitäten Apex-Locator Lügendetektor Generator-Elektroden Volumenstromstärke Impedanzkardiographie (IKG) Messelektroden Manschette Untersuchung der Herzfunktion Aufblasen der Manschette Coulter-Zähler Pulsolumen/Minutenolumen des Herzens 5 6 Therapie Elektroreizung II. Volumentransport (en). Grundbegriffe Stromlinien sarten: turbulente krit Herzschrittmacher Defibrillator laminare (ausführlicher siehe später!) 7 8

Volumenstromstärke (I): Allgemeingültige Voraussetzungen: inkompressible

reelle Flüssigkeit = mit innerer Reibung 9 V I V t cca.

Kontinuitätsgleichung I I I I A A Impedanz-Methoden Dilutionsmethoden I Zugabe

Salzlösung, Probenentnahme Die Konzentration des Markierstoffes in der Probe:

3 Volumenstromstärke (I): Allgemeingültige Voraussetzungen: inkompressible Gas/Flüssigkeit laminare V I m 3 s Anwendung: Blutströmung Volumenstromstärke und sgeschwindigkeit in der Aorta? V m Volumenstromdichte (J): J A s I J ideale Flüssigkeit = ohne innere Reibung reelle Flüssigkeit = mit innerer Reibung 9 V I V t cca. 70 ml 0 Messmethoden der Volumenstromstärke: Ultraschall-Doppler Laser-Doppler. Kontinuitätsgleichung I I I I A A Impedanz-Methoden Dilutionsmethoden I Zugabe des Markierstoffes V Fluoreszenzfarbstoffe Radioisotope kalte phys. Salzlösung, Probenentnahme Die Konzentration des Markierstoffes in der Probe: c V I I c I Weitere Voraussetzung: starres Rohr oder stationäre * * stationäre : in der Zeit sich nicht ärndernde I I I I' I'' (siehe krichhoffsche Knotenregel!) 3

Kontinuitätsgleichung im Blutkreislauf 3.

Anwendungen der bernoullischen Gleichung

4 Kontinuitätsgleichung im Blutkreislauf 3. on idealen Flüssigkeiten Ideale Flüssigkeit: keine innere Reibung Geschwindigkeitsprofil: Bernoullische Gleichung: Daniel Bernoulli Mathematiker Physiker Anatom Gefäß Aorta Arterien Arteriolen Kapillaren Venolen Venen Hohlenen Energieerhaltung A (cm ) 4, (cm/s) 3 5 0,5 0,0 0,05,5 6 3 p g h konstant Weitere Voraussetzungen: starres Rohr oder stationäre ideale Flüssigkeit 4 Anwendungen der bernoullischen Gleichung 4. on reellen Flüssigkeiten Reelle Flüssigkeit: innere Reibung ist nicht ernachlässigbar Newtonsches Reibungsgesetz : Bei gleichmäßiger Bewegung: F F R A h F R Viskosität (innerer Reibungskoeffizient) [] = Pa s Geschwindigkeitsgradient 5 6 4

Geschwindigkeit (cm/s) Viskosität: stoffspezifisch temperaturabhängig Rotationsiskosimeter

nicht-newtonsche (anomale) Flüssigkeit dilatante Fl. pseudoplastische Fl.

Honig 7 Gelenkflüssigkeit t t 8 Viskosität des Blutes Geschwindigkeitsprofil: Kaninchenaorta: bei

jeder Flüssigkeit) hängt sehr stark on dem Hämatokritwert des Blutes ab hängt om

Gefäßen (< mm) ist die Viskosität kleiner (Fahraeus- Lindqist-Effekt) Eine physiologische Folgerung:

5 Geschwindigkeit (cm/s) Viskosität: stoffspezifisch temperaturabhängig Rotationsiskosimeter geschwindigkeitsgradientabhängig Einteilung der Flüssigkeiten newtonsche (normale) Flüssigkeit nicht-newtonsche (anomale) Flüssigkeit dilatante Fl. pseudoplastische Fl. Stoff Luft Wasser Blut Äthanol Glyzerin zeitabhängig Thyxotrope Flüssigkeit: Rheopexe Flüssigkeit: Honig 7 Gelenkflüssigkeit t t 8 Viskosität des Blutes Geschwindigkeitsprofil: Kaninchenaorta: bei Körpertemperatur und bei physiologischen erhältnissen: -0 mpa s hängt on der Temperatur ab ( wie bei jeder Flüssigkeit) hängt sehr stark on dem Hämatokritwert des Blutes ab hängt om Geschwindigkeitsgradienten ab, undzwar pseudoplastisch hängt om Blutgefäßdurchmesser ab, in kleinere Gefäßen (< mm) ist die Viskosität kleiner (Fahraeus- Lindqist-Effekt) Eine physiologische Folgerung: Plasma-Skimming Parabolisches Geschwindigkeitsprofil + bernoullische Gleichung Polyzythämie HCT Anämie HCT < HCT (HCT= hematokrit ) HCT 9 Hausaufgaben: Neue Aufgabensammlung 5. Teil

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