Transcript Fizika u medicini

FIZIKA U MEDICINI
1
FIZIKA U MEDICINI
Jedna od najvećih revolucija u medicinskim naukama desila se krajem XIX vijeka
sa otkrićem:
• rendgenskih zraka (fizičar Vilhelm Konrad Rentgen - 1895.)
• radioaktivnosti (fizičari Antoan Henri Bekerel-1896. i Marija i Pjer Kiri-1898.)
• Kasniji razvoj odgovarajućih aparata, kao i razvoj dozimetrije tokom II
Svjetskog rata, doprijneli su naglom napretku nuklearne medicine, dok je
dizajniranje linearnih akceletarora omogućilo razvoj radioterapije.
• Dakle, dijagnostička i terapeutska upotreba jonizujućeg zračenja
obilježila je doprinos fizike razvoju medicine krajem XIX i tokom XX vijeka,
uključujući i sadašnje vrijeme.
Vilhelm Konrad Rentgen I Ruka sa
prstenom njegove supruge
Marija I Pjer Kiri
A. H. Bekerel
2
FIZIKA U MEDICINI
U današnje vijreme dešava se nova revolucija u medicini. Upotreba
radioaktivnog zračenja nije više jedina tako dominantna primjena fizike
u medicini.
Fizičari se danas u svijetu mogu naći kao članovi timova u skoro svim
oblastima madicine. Oni su neophodan dio timova koji se bave raznim
vrstama savremenog »imidžinga«, kao što su UZ dijagnostika, NMR, CT,
PET, GAMA-kamera i slično.
MEDICINSKA FIZIKA je jedna od relativno novih naučnih oblasti, za koju
ne postoji dovoljno razumijevanja u širokoj populaciji (ali i među
ljekarima), naročito za njen dio FIZIKA FUNKCIONISANJA LJUDSKOG
ORGANIZMA, na koji se mogu praktično primijeniti svi zakoni fizike vodeći
računa o njegovim specifičnim karakteristikama.
3
OBLASTI KOJIMA SE BAVI MEDICINSKA FIZIKA
Medicinska fizika se može podijeliti (uslovno) na dvije važne oblasti:
• fizika ljudskog organizma, koja se naziva i fizika fiziologije
• fizika instrumentacije, koja se koristi u dijagnostici i terapiji
Fizika fiziologije ljudskog organizma
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Fizika lokomotornog sistema
Fizika kardiovaskularnog sistema
Fizika respiratornog sistema
Termodinamika ljudskog organizma kao sistema
Transportni procesi u ljudskom organizmu
Električni procesi u ljudskom organizmu
Fizika uha i čujnosti
Fizika oka i viđenja
Fizika medicinske instrumentacije
•
•
•
•
Elektrodijagnostika i elektroterapija
Radiodijagnostika i radioterapija
Imidžing u medicinskoj dijagnostici (ultrazvučna dijagnostika, NMR, CT,
PET, gama-kamera i slično)
Veliki broj drugih aparata u raznim oblastima medicinske dijagnostike i
4
terapije
FIZIKA
LJUDSKOG
ORGANIZMA
UNIVERZITET U NOVOM SADU
PRIRODNO-MATEMATIČKI FAKULTET
DEPARTMAN ZA FIZIKU
SLOBODANKA STANKOVIĆ
FIZIKA
LJUDSKOG ORGANIZMA
ZA STUDENTE MEDICINSKE FIZIKE I
MEDICINE
SLOBODANKA
STANKOVIĆ
NOVI SAD, 2006.
5
SADRŽAJ
POGLAVLJE
STRANA
1. OSNOVI SISTEMOLOGIJE: ORGANIZAM KAO SISTEM
11
2. BIOMEHANIKA LOKOMOTORNOG SISTEMA ČOVEKA
29
3. BIOMEHANIKA KARDIOVASKULARNOG SISTEMA
69
4. TERMODINAMIKA LJUDSKOG ORGANIZMA
101
5. TRANSPORTNI PROCESI U LJUDSKOM ORGANIZMU
135
6. BIOELEKTRIČNI PROCESI U LJUDSKOM ORGANIZMU
159
7. BIOAKUSTIKA
217
8. SVETLOST U MEDICINI – FIZIKA OKA I VIĐENJA
269
9. LITERATURA
319
6
1. OSNOVI SISTEMOLOGIJE - LJUDSKI
ORGANIZAM KAO SISTEM
1.1. SISTEMI
1.2. KIBERNETIČKI SISTEMI
1.3. ISPITIVANJE BIOLOŠKIH SISTEMA
7
2. BIOMEHANIKA
LOKOMOTORNOG SISTEMA ČOVEKA
2.1. ELEMENTI LOKOMOTORNOG SISTEMA
2.2. FUNKCIONISANJE LOKOMOTORNOG SISTEMA
2.3. REALNI SISTEMI
8
9
3. BIOMEHANIKA
KARDIOVASKULARNOG SISTEMA
3.1. IDEALNE TEČNOSTI
3.2. REALNE TEČNOSTI
3.3. KARDIOVASKULARNI SISTEM
3.4. POVRŠINSKI EFEKTI
10
4. TERMODINAMIKA
LJUDSKOG ORGANIZMA
•
•
•
•
•
•
4.1. TERMODINAMIČKI SISTEM
4.2. TOPLOTNA RAVNOTEŽA. NULTI ZAKON TERMODINAMIKE
4.3. ZAKON ODRŽANJA ENERGIJE U ORGANIZMU. I ZAKON TERMODINAMIKE
4.4. DRUGI ZAKON TERMODINAMIKE
4.5. 0BJEDINJENI ZAKON TERMODINAMIKE
4.6. ENERGETSKE PROMJENE U ORGANIZMU
11
5. TRANSPORTNI PROCESI U LJUDSKOM
ORGANIZMU
5.1. TRANSPORT TOPLOTNE ENERGIJE
5.2. TRANSPORT SUPSTANCIJE - DIFUZIJA
12
6. BIOELEKTRIČNI PROCESI U LJUDSKOM
ORGANIZMU
6.1. ELEKTRIČNI SIGNALI U ORGANIZMU
6.2. REGISTROVANJE ELEKTRIČNIH SIGNALA
6.3. FUNKCIONALNA DIJAGNOSTIKA
6.4. PRIMJENA ELEKTRICITETA I MAGNETIZMA NA ORGANIZAM
13
7. BIOAKUSTIKA
Infrazvuk - Audibilni zvuk - Ultrazvuk
< 20 Hz
20 – 2.000 Hz
> 20.000 Hz
Glava (3-20)Hz
vilica(6-8)Hz
ramena (3-6)Hz
kičma (8-12)Hz
kukovi (3-6)Hz
Model ljudskog organizma kao
oscilatornog sistema.
14
PROCES ČUJNOSTI
15
8. SVJETLOST U MEDICINI
FIZIKA OKA I VIĐENJA
•
8.1. ELEKTROMAGNETNA PRIRODA SVJETLOSTI
•
8.2. INTERAKCIJA SVJETLOSTI I MATERIJE
•
8.3. FIZIKA OKA I VIĐENJA
16
PROCES VIĐENJA
17
Medicinski “Imaging”
Intenzivan razvoj medicinskog imidžinga omogućio je dobijanje brojnih
informacija o stanju organizma. Ispitivanja mogu uključivati:
Konvencionalna radiorafija (x-zraci)
Kompjuterizovana tomografija (CT)
Nuklearna medicina
Magnetna rezonanca (MRI)
Ultrazvuk
18
CT Scan - Komputerizovana Tomografija
Computerizovana (aksijalna) tomografija
(CT ili CAT scanning) je dijagnostička procedura koja
koristi specijalnu opremu sa x-zracima za dobijanje slika
presjeka tela. Kombinacija rendgenske cijevi i detektora
pomjera se translatorno i rotaciono u odnosu na
pacijenta, pri čemu se dobija
CT angiografija
Spiralni CT
CT pomoću elektronskog snopa
(EBCT)
19
Pozitronska Emisiona Tomograija (PET)
PET produkuje slike tijela detektovanjem radijacije koju emituju radioaktivne
substancije (radioaktivni izotopi: ugljenik-11, fluor-18, kiseonik-15, Azot-13 sa kratkim
vremenom raspada). PET detektuje gama zrake, dobijene u sudaru pozitrona koje
emituju radioaktivni izotopi i elektrona koji se nalaze u tkivu.
20
Magnetina Rezonanca
Imidžing pomoću Magnetine Rezonance (MRI) daje trodimensionalnu mapu
morfoloških osobina uzorka. Koristi radiofrekventne talase i jako magnetno polje
(od 1,5 – 4 Tesla: Zemljino magnetno polje je oko 0,5 x 10-4 Tesla) da bi se dobile
izvanredno jasne slike unutrašnjih organa i tkiva.
21
MRI - 3D Rekonstrukcija
3D rekonstrukcija dobijena
iz MRI režnjeva
Još jedna 3D rekonstrukcija
strukture glave
22
ULTRAZVUK
23