Physik. Prof. Dr. Robert Lemor. Vorlesung im Bachelor-Studiengang Biomedizinische Technik 1. und 2. Semester

Transkript

1 Physik Vorlesung im Bachelor-Studiengang Biomedizinische Technik 1. und 2. Semester Prof. Dr. Robert Lemor Prof. Dr. Michael Möller (Studiengangsleiter)

2 2 Was ist Physik? Physik für Ingenieure? Physik für Mediziner?

3 3 Was ist Physik? aus Physik für Ingenieure (Einführung): Die Physik ist ein Teilgebiet der Naturwissenschaften. Sie beschäftigt sich im Gegensatz zur Medizin oder Biologie mit der leblosen Umwelt. ( ) In der Physik versucht man, die Gesetzmäßigkeiten der unbelebten Umwelt zu erfassen. Sind diese bekannt, so kann man die physikalischen Gesetze für technische Zwecke ausnützen. Die Ingenieurwissenschaft ist ein Beispiel hierfür, weil man in allen ihren Bereichen, beispielsweise im Maschinenbau, in der Feinwerktechnik und in der Elektronik, erfolgreich physikalische Gesetze in die industrielle Praxis umsetzt.

4 4 Was ist Physik? aus Physik für Mediziner (Vorwort): Physikalische Vorgänge sind elementare Bestandteile der Natur- und Lebensvorgänge. Die Gewinnung wissenschaftlicher Erkenntnisse und der wissenschaftliche Fortschritt in diesen Disziplinen setzen Grundkenntnisse der Physik voraus. Physikalische Methoden sind die Grundlagen vieler Laboruntersuchungen im gesamten biologisch-medizinischen Bereich. Ohne die Kenntnis physikalischer Erscheinungen und Effekte, ohne die Anwendung physikalischer Entwicklungen - etwa auf den Gebieten der Röntgenstrahlung, der Radioaktivität, des Ultraschalls, der Elektronenmikroskopie, der Registrierung von Biosignalen - sind viele Bereiche biologischmedizinischer Praxis nicht mehr denkbar.

5 Medizintechnik-Lehrbuch: Inhaltsverzeichnis 6 R. Kramme (Hrsg.): Medizintechnik Springer Verlag, 4. Aufl. 2011, ISBN , 179,95 Innerhalb der HTW auch online! / Allgemeine Inhalte Die Rolle der Technik in der Medizin und ihre gesundheitspolitische Bedeutung Hygiene in der Medizintechnik Neue Vorschriften für Medizinprodukte Technische Sicherheit medizintechnischer Geräte und Anlagen in medizinisch genutzten Räumen

6 Medizintechnik-Lehrbuch: Inhaltsverzeichnis 7 Funktionsdiagnostische Geräte Elektrokardiographen (EKG) Ergometriemessplatz Spirometriesysteme Weiterführende pulmologische Funktionsdiagnostik Elektroenzephalographen (EEG) Elektromyographen (EMG) und evozierte Potentiale (EP) Schlafdiagnostiksysteme Nystagmographie Bildgebende Systeme Ultraschalldiagnostiksysteme Endoskope Positronenemissionstomographie (PET) Computertomographie (CT) Magnetresonanztomographie (MRT)

7 Medizintechnik-Lehrbuch: Inhaltsverzeichnis 8 Therapiegeräte Langzeitbeatmungsgeräte Defibrillatoren/ICD-Systeme Lasersysteme Inhalationsnarkosegeräte Blutreinigungssysteme Herz-Lungen-Maschinen Einsatz von Stoßwellen in der Medizin Hochfrequenzchirurgie Mikrotherapie Spezialthemen Operationstischsysteme Biomaterialien Medizinische Robotersysteme Monitoring Biosignale erfassen Kardiovaskuläres Monitoring Impedanzkardiographie: nichtinvasives hämodynamisches Monitoring Respiratorisches Monitoring Metabolisches Monitoring Zerebrales Monitoring Fetales Monitoring Neonatologisches Monitoring Medizinische Informationsverarbeitung und Kommunikation

8 9 Was gehört alles zur Physik? Grundbegriffe Mathematische Hilfsmittel, insbesondere Vektorrechnung Physikalische Größen und Einheiten Größen- und Einheitensysteme

9 10 Was gehört alles zur Physik? Grundbegriffe, Physikalische Größen und Einheiten Newtonsche Mechanik Kinematik (Beschreibung von Bewegung) Dynamik (Ursachen von Bewegung) Arbeit und Energie Impulserhaltung Dynamik der Drehbewegung Erlernen und Üben der naturwissenschaftlich-technischen Methodik

10 11 Was hat das mit Biomedizinischer Technik zu tun? Einführung, Physikalische Größen und Einheiten Newtonsche Mechanik Kräfte und Spannungen an Knochen Belastung von Wirbelsäule und Bandscheiben Muskelkraft Dehnung von Blutgefäßen Arbeit, Leistung und Energie bei körperlicher Betätigung

11 12 Was gehört alles zur Physik? Einführung, Physikalische Größen und Einheiten Newtonsche Mechanik Mechanik der Flüssigkeiten und Gase Druck, Kompressibilität Innere Reibung, Viskosität Strömungen

12 13 Was hat das mit Biomedizinischer Technik zu tun? Einführung, Physikalische Größen und Einheiten Newtonsche Mechanik Mechanik der Flüssigkeiten und Gase Gefäßsystem des Menschen Blut: Druck, Viskosität, Blutsenkung Atmung, Strömung in der Luftröhre, Gasaustausch in der Lunge Augeninnendruck Injektionen und Infusionen

13 14 Was gehört alles zur Physik? Einführung, Physikalische Größen und Einheiten Newtonsche Mechanik Mechanik der Flüssigkeiten und Gase Thermodynamik Messung der Temperatur, Wärmeausdehnung Wärmekapazität Kinetische Gastheorie 1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik Kreisprozesse Wärmetransport

14 15 Was hat das mit Biomedizinischer Technik zu tun? Einführung, Physikalische Größen und Einheiten Newtonsche Mechanik Mechanik der Flüssigkeiten und Gase Thermodynamik Messung der Körpertemperatur Wärmeproduktion des menschlichen Körpers Wärmewiderstände von Haut, Fettgewebe, Kleidung Zusammensetzung der Atemluft Narkosegase

15 16 Was gehört alles zur Physik? Einführung, Physikalische Größen und Einheiten Newtonsche Mechanik Mechanik der Flüssigkeiten und Gase Thermodynamik Elektrizitätslehre wird ausführlich in der Elektrotechnik besprochen

16 17 Was hat das mit Biomedizinischer Technik zu tun? Einführung, Physikalische Größen und Einheiten Newtonsche Mechanik Mechanik der Flüssigkeiten und Gase Thermodynamik Elektrizitätslehre Elektrolyte Membranspannungen der lebenden Zelle Nervenleitung Messung bioelektrischer Signale: Elektrokardiogramm (EKG) Elektroenzephalogramm (EEG) Magnetoenzephalogramm (MEG), Hirn- und Nervenströme Wirkung elektromagnetischer Felder auf den Menschen

17 18 Was gehört alles zur Physik? Einführung, Physikalische Größen und Einheiten Newtonsche Mechanik Mechanik der Flüssigkeiten und Gase Thermodynamik Elektrizitätslehre Schwingungen und Wellen Harmonische Schwingungen Erzwungene Schwingungen, Resonanz Überlagerung von Schwingungen Gekoppelte Schwingungen Ebene, harmonische Wellen Energietransport in mechanischen Wellen Elektromagnetische Wellen Ausbreitung von Wellen Akustische Wellen (Schall)

18 19 Was hat das mit Biomedizinischer Technik zu tun? Einführung, Physikalische Größen und Einheiten Newtonsche Mechanik Mechanik der Flüssigkeiten und Gase Thermodynamik Elektrizitätslehre Schwingungen und Wellen Schall und Gehör Stimmbänder Ultraschall als Therapie- und Diagnosewerkzeug Mikrowellentherapie Radiowellen bei der Kernspintomografie

19 20 Was gehört alles zur Physik? Einführung, Physikalische Größen und Einheiten Newtonsche Mechanik Mechanik der Flüssigkeiten und Gase Thermodynamik Elektrizitätslehre Schwingungen und Wellen Optik Geometrische Optik Wellenoptik Quantenoptik

20 21 Was hat das mit Biomedizinischer Technik zu tun? Einführung, Physikalische Größen und Einheiten Newtonsche Mechanik Mechanik der Flüssigkeiten und Gase Thermodynamik Elektrizitätslehre Schwingungen und Wellen Optik Das menschliche Auge, Farbensehen, Photometrie Mikroskope und andere klassische optische Instrumente Endoskope und andere optische Diagnosemethoden

21 22 Was gehört alles zur Physik? Einführung, Physikalische Größen und Einheiten Newtonsche Mechanik Mechanik der Flüssigkeiten und Gase Thermodynamik Elektrizitätslehre Schwingungen und Wellen Optik Atom- und Quantenphysik Das Bohrsche Atommodell Emission und Absorption von Strahlung durch Atome Bahn-, Spin-, Kernmagnetismus Magnetische Dipolmomente im Magnetfeld

22 23 Was hat das mit Biomedizinischer Technik zu tun? Einführung, Physikalische Größen und Einheiten Newtonsche Mechanik Mechanik der Flüssigkeiten und Gase Thermodynamik Elektrizitätslehre Schwingungen und Wellen Optik Atom- und Quantenphysik Emission und Absorption von Strahlung durch menschliches Gewebe, optische Messung von Durchblutung etc. Laser als Diagnose- und Therapiewerkzeug Bahn-, Spin-, Kernmagnetismus: Kernspintomographie Erzeugung von Röntgenstrahlung Diagnose und Therapie mit radioaktiven Stoffen

23 24 Was gehört alles zur Physik? Einführung, Physikalische Größen und Einheiten Newtonsche Mechanik Mechanik der Flüssigkeiten und Gase Thermodynamik Elektrizitätslehre Schwingungen und Wellen Optik Atom- und Quantenphysik Der Ingenieur für Biomedizinische Technik benötigt so gut wie alle Teilgebiete der Physik!

24 25 Was hat Physik mit Biomedizinischer Technik zu tun? Medizinische Messtechnik misst physikalische Eigenschaften der untersuchten Körperfunktionen, fast immer in elektrische Signale gewandelt Druck, elektrische Potentiale, optische Absorptionskoeffizienten Bildgebende Verfahren messen 2- oder 3-dimensionale Verteilungen physikalischer Eigenschaften der untersuchten Körperteile Absorption und Streuung von sichtbarem oder Röntgenlicht, akustische Eigenschaften, kernmagnetische Eigenschaften Therapiegeräte wirken mit physikalischen Mechanismen auf den Körper ein Wärme, Druck, elektrische Felder, Ultraschall, Laserstrahlung Die Physik ist die Brücke zwischen den Geräten und den biologischen Eigenschaften und Funktionen!

25 26 Studium Vorkenntnisse Präsenz- und Selbststudium Vorlesungen und Übungen Lehrbücher

26 27 Physikalisches Vorwissen? Inhalte sind anders als in der Schule, auch wenn die Themen gleich oder ähnlich bezeichnet sind! in der Schule waren die Formeln einfacher gelten die denn nicht? Physik in der Schule // Physik und Grundlagen Elektrotechnik hier Schule: sehr viel Phänomenologie, d.h. welche physikalischen Größen und Phänomene gibt es überhaupt? nur einfachste Fälle behandelt hier: sehr viel Mathematik, genaue Formeln für allgemeinere Situationen. Lerninhalte: Beschreibung von physikalischen Größen und Vorgängen durch mathematisch-physikalische Formeln. Wechsel zwischen Abstraktion und konkreten Beispielen Verlassen Sie sich nicht auf vermeintliche Vorkenntnisse!

27 28 Studium: Vorlesungen Inhalte In den Vorlesungen lernen Sie vor allem das Wissen, das Sie für ihre spätere Tätigkeit brauchen. In den ersten Semestern lernen Sie vor allem Grundlagen, auf die Sie später wieder zurückgreifen können müssen. Lehrmethoden Tafelanschrieb ( Kreidephysik ) Vor allem geeignet für schrittweise Darstellung größerer und komplizierter Zusammenhänge, Beispiele, zusätzliche Informationen. Zeichnungen nur Skizzen Overhead-Folie (oder Beamer) Vor allem für einzelne Abbildungen, die sich nicht schnell in ausreichender Qualität (z.b. geometrisch oder perspektivisch exakt) zeichnen lassen PowerPoint-Präsentation Vor allem für qualitative Fakten, Bilder usw. Alle Abbildungen von Folien/Beamer sind als Download verfügbar!

28 33 Studium: Vorlesungen Inhalte In den Vorlesungen lernen Sie vor allem das Wissen, das Sie für ihre spätere Tätigkeit brauchen. In den ersten Semestern lernen Sie vor allem Grundlagen, auf die Sie später wieder zurückgreifen können müssen. Lernmethode In der Vorlesung Schreiben Sie möglichst alles mit, was der Dozent an die Tafel schreibt! Notieren Sie sich zusätzliche Kommentare des Dozenten! Notieren Sie sich eventuelle Fragen oder Verständnisprobleme! Nach der Vorlesung Lesen Sie Ihre Mitschrift nach, und versuchen Sie sie zu verstehen. Bei Problemen: Fragen Sie Ihre Kollegen! Ziehen Sie das Skript hinzu! (Der Besitz eines Skripts ersetzt aber nicht den Besuch der Vorlesung!) Sehen Sie in (ggf. verschiedenen) Lehrbüchern nach, ob Sie es dort besser verstehen!

29 31 Studium: Selbststudium Das Studium besteht aus Präsenzzeit (Vorlesungen, Übungen, Praktika etc.) Selbststudium (Vor- und Nachbereitung, Aufgaben, Lernen für Prüfungen...) Der veranschlagte Arbeitsaufwand für jede einzelne Lehrveranstaltung ist durch die Credit Points (CP) gegeben 1 CP entspricht 30 Stunden 60 CP im Jahr 1800 Stunden = 39 Stunden / Woche (bei 46 Wo.) Das Studium ist ein Full-Time-Job! Die Präsenzzeiten (ein 90min-Block wird als 2 Stunden gezählt) sind weniger als die Hälfte dieser Arbeitszeit!

30 29 Skript Im Verlauf der Physik-Vorlesung wird ein Skript erzeugt. Dieses entspricht dem Inhalt der Beamer-Präsentationen der meisten Formeln und Rechnungen. Es wird jeweils vor der Vorlesung ausgedruckt verteilt, damit Sie sich Notizen machen können.

31 36 Lehrbücher Physik E. Hering, R. Martin, M. Stohrer: Physik für Ingenieure Springer Verlag, 10. Aufl. 2007, ISBN , 44,95 D. Kamke, W. Walcher: Physik für Mediziner Teubner Verlag, 2. Aufl. 1994, ISBN , 49,90 R. Pitka, S. Bohrmann, H. Stöcker, G.Terlecki, H. Zetsche: Physik Der Grundkurs Verlag Harri Deutsch, 4. Aufl. 2009, ISBN , 26,00 H.-J. Paus: Physik in Experimenten und Beispielen Hanser Verlag, 3. Aufl. 2007, ISBN , 59,90 Innerhalb der HTW auch online! /

32 37 Mathematik für Physiker S. Großmann: Mathematischer Einführungskurs für die Physik Teubner Verlag, 10. Aufl. 2012, ISBN , 29,90 Formelsammlungen etc. H. Stöcker: Taschenbuch der Physik Verlag Harri Deutsch, 6. Aufl. 2010, ISBN , 39,95 (mit CD-ROM) ISBN , 29,95 (ohne CD-ROM) H. Stöcker: Taschenbuch mathematischer Formeln und moderner Verfahren Verlag Harri Deutsch, 4. Aufl. 1999(2007)/2003(2008), ISBN , 29,95 (mit CD-ROM) ISBN , 19,95 (ohne CD-ROM)

33 38 Formelsammlung Speziell für diese Vorlesung Nur diese Formelsammlung darf in Klausuren benutzt werden Wird gedruckt ausgegeben (oder Download als PDF)

34 40 Übungsbücher Physik H. Lindner: Physikalische Aufgaben Hanser Fachbuchverlag, 35. Aufl. 2009, ISBN , 14,90 H. Heinemann, H. Krämer, P. Müller, H. Zimmer Übungsbuch Physik Hanser Fachbuchverlag, 11. Aufl ISBN , 24,90 Physik in Aufgaben und Lösungen 4. Aufl. (Bd.1) 3. Aufl. (Bd.2) 2006, ISBN , 14,90 ISBN , 14,90

35 41 Studium: Übungen! Beschreibung von physikalischen Größen und Vorgängen durch mathematisch-physikalische Formeln ist eine Tätigkeit die man nur durch Übung erlernt. In der Vorlesung lernen Sie größtenteils das Wissen, das Sie dafür brauchen. Die Anwendung kann nur kurz demonstriert werden. Die Anwendung des in der Vorlesung präsentierten Wissens wird in den zusätzlich angebotenen Übungen vermittelt. Sie müssen selbst üben, um die Anwendung zu lernen: Übungsaufgaben vor der Übungsstunde rechnen (oder versuchen) Zur Übungsstunde kommen In der Übungsstunde mitmachen fürchten Sie nicht, sich lächerlich zu machen! Wenn Sie Übungsbücher benutzen: betrügen Sie sich nicht selbst!

36 43 Anmerkung: Computer Sie sollten schon einen richtigen Computer haben mit Tastatur mit einigermaßen großem Bildschirm wozu? Es muss nicht der allerneueste PC sein!

37 44 Ausblick: Lehrbücher zur Medizintechnik und Medizinphysik

38 Bücher Medizinische Physik / Medizintechnik 45 R. Kramme (Hrsg.): Medizintechnik Springer Verlag, 4. Aufl. 2011, ISBN , 179,95 Innerhalb der HTW auch online! /

39 Bücher Medizinische Physik / Medizintechnik 46 U. Morgenstern, M. Kraft (Hrsg.): Biomedizinische Technik De Gruyter Verlag, 1. Aufl. 2013, ISBN , 49,95 (weitere Bände erscheinen aktuell)

40 50 Bücher Medizinische Physik / Medizintechnik J. Bille, W. Schlegel (Hrsg.) Medizinische Physik 1 (Grundlagen) Springer Verlag, 1999, ISBN , 99,95 W. Schlegel; J. Bille (Hrsg.) Medizinische Physik 2 (Medizinische Strahlenphysik) Springer Verlag, 2002, ISBN , 59,95 J. Bille, W. Schlegel (Hrsg.) Medizinische Physik 3 (Medizinische Laserphysik) Springer Verlag, 2005, ISBN , 89,95

41 51 Kontaktdaten

42 52 Kontaktdaten Homepage zur Physik-Vorlesung michael-moeller/bmtbacphys1 Prof. Robert Lemor Telefon: (0681) persönlich: nach der Vorlesung oder Raum 6213 Prof. Michael Möller Telefon: (0681) persönlich: Raum 6212