2022-2023 Samenvatting
medische fysica
Cel 1
Emma Degroote
GENEESKUNDE 1STE BACH
,Inhoudsopgave
Viscoelasticiteit van biologische materialen en lichaamsvloeistoffen .................................................... 3
Elasticiteit ............................................................................................................................................ 3
Energie in elastische media ................................................................................................................. 3
stress-strain curve ............................................................................................................................... 4
viscositeit ............................................................................................................................................. 4
viscoelasticiteit .................................................................................................................................... 5
Rheologie van mucus: mucoviscidose ................................................................................................. 5
Druk en stroming in het lichaam ............................................................................................................. 6
Druk en volumedebiet ......................................................................................................................... 6
De stromingsregimes........................................................................................................................... 6
De continuïteitsvergelijking ................................................................................................................. 7
Verband tussen stromingssnelheid en de druk bij een niet-visceus fluïdum: de vergelijking van
Bernoulli .............................................................................................................................................. 8
Stromingsdebiet en -weerstand bij een visceus fluïdum: wet van Poiseuille .................................... 9
Viscositeit van het bloed ................................................................................................................... 10
Drukverloop in de circulatie .............................................................................................................. 10
Invloed van de lichaamshouding op de bloeddruk ........................................................................... 11
De sphygomanometer voor bloeddrukmeting .................................................................................. 12
bio-elektriciteit ...................................................................................................................................... 13
basisbegrippen van elektriciteit ........................................................................................................ 13
De RC-keten ....................................................................................................................................... 14
Bio-elektriciteit van de cel: rustmembraanpotentiaal ...................................................................... 15
Bio-elektriciteit van de cel: de actiepotentiaal ................................................................................. 16
Ladingstransport langs een zenuwvezel............................................................................................ 16
Elektrisch hartactiviteit: het ECG....................................................................................................... 17
Wisselstroom: weefselimpedantie ........................................................................................................ 18
Wisselspanning: karakteristieken...................................................................................................... 18
De effectieve waarde van de wisselspanning ................................................................................... 18
Impedantie van een wisselstroomketen ........................................................................................... 18
Stroomdoorgang door het lichaam bij wisselspanning ..................................................................... 19
Diagnostiek met EM golven................................................................................................................... 20
Stralingsbronnen van elektromagnetische straling........................................................................... 20
Breking en reflectie van het licht ...................................................................................................... 21
Lenzen ............................................................................................................................................... 21
totale inwendige reflectie en optical fibers ...................................................................................... 22
1
, Endoscopie ........................................................................................................................................ 23
therapie met EM golven: lasers............................................................................................................. 23
het elektromagnetisch spectrum ...................................................................................................... 23
Biologische effecten van elektromagnetische straling...................................................................... 24
Absorptie van EM straling in het optisch gebied .............................................................................. 25
lasers: principe .................................................................................................................................. 25
De HeNe laser .................................................................................................................................... 26
Medische lasers ................................................................................................................................. 26
Oog en visus .......................................................................................................................................... 27
Optische sterkte van een oppervlak tussen media met verschillende brekingsindex ...................... 27
Het oog als optisch systeem .............................................................................................................. 27
De resolutie van het oog: gezichtsscherpte (visus) ........................................................................... 28
Afwijkingen van het oog als optisch systeem en correcties .............................................................. 29
Geluid en gehoor ................................................................................................................................... 30
Wat is geluid ...................................................................................................................................... 30
geluidsintensiteit en akoestische impedantie ................................................................................... 30
Geluidsintensiteit in decibel .............................................................................................................. 30
Isofonen ............................................................................................................................................. 31
Akoestische eigenschappen van het oor ........................................................................................... 31
Doppler effect.................................................................................................................................... 31
Omzettingslijst ....................................................................................................................................... 32
2
,Viscoelasticiteit van biologische
materialen en lichaamsvloeistoffen
Elasticiteit
Beschouw een balk met lengte l en oppervlakte O en waarop een kracht F wordt op uitgeoefend =>
rek
Uitrekking
Strain = delta l/l = 𝜀
- Kleine waarde => niet veel
- Grote waarde wel veel
Stress = F/O = 𝜎
- Materiaalspanning = kracht werkend op een unit of area
E = elasticiteitsmodulus = resistance to being deformed elastically when a
stress is applied
- Wordt in druk uitgedrukt
- Stress / strain => hoge waarde betekent goed bestand, lage
waarde niet goed bestand tegen stress
Botten = 1010 pascal
Spierweefsels = 104
Formule
𝜎=𝜀⋅𝐸
Afschuiving
Afschuiving = shear
- Stress = specifieke waarde maal strain
Shear stress = 𝜏 = F/A
Shear strain = 𝛾(= tan 𝜃)
Formule
𝜏 =𝐺⋅𝛾
Algemeen: hoe meer materiaalspanning/stress hoe meer strain of vervorming => rechtevenredig
Energie in elastische media
Potentiële energie formule
U = ½ V 𝜎𝜀
Bij uitrekking wordt per volume eenheid een hoeveelheid energie in de balk gebracht gegeven door
½ 𝜎𝜀 => potentiële energie stijgt rechtevenredig
- Wanneer balk loslaten dan komt een hoeveelheid energie vrij (kinetische energie)
- Terug naar oorspronkelijke vorm
3
,Toepassing: energie in de achillespees bij lopen
Lopen vergt 35 joule en wordt omgezet tijdens actie
Eigenschap
Elastisch gedrag bij een vervorming is dat de mechanische energie behouden blijft en dat het lichaam
terug keert naar oorspronkelijke toestand
stress-strain curve
materiaal blijft elastisch vervormen bij een kleine vervorming (kan nog terugkeren naar
oorspronkelijke vorm), grote stress wordt vervorming groter => plastisch gebied terecht kan komen =
permanente vervorming
elastisch limiet EL = tot hier volledig terugkeer
naar oorspronkelijke toestand
yield punt Yp = vanaf hier zal er een sterke
toename zijn van vervorming bij toename stress
- Plastisch
fracture of UTS = breekpunt
viscositeit
bovenaan = bewegende plaat met snelheid vd
- Vloeistof beweegt met snelheid vd
Tussenin
- Snelheid van vloeistof hangt af van afstand tot
bewegende plaat = snelheidsgradiënt of shear rate
Vd/d
- Laagsgewijze/laminaire stroming
onderaan = stilstaande plaat met snelheid 0
- vloeistof beweegt met snelheid 0
schuifkracht F = shear forces
- rechtevenredig met oppervlakte van laagjes
- de snelheidsgradiënt dv/dy => hoe groter snelheidsgradiënt hoe groter kracht
snelheid aan bewegende plaat groter
viscositeitscoëfficiënt 𝜂 = Pa x s
- hoe groter hoe taaier
- hoezeer een vloeistof zich snel en gemakkelijk uitspreidt over een oppervlak bij uitgieten
intermoleculaire krachten
- toepassing
mucoviscidose = taaislijmziekte = abnormaal hoge viscositeit
formule
ⅆ𝑣 ⅆ𝑣
𝐹 = 𝜂 ⋅ 𝐴 ⋅ ⅆ𝑦 of 𝜏 = 𝜂 ⋅ ⅆ𝑦
Schuifspanning 𝜏 is evenredig met shear rate en met viscositeitscoëfficiënt als evenredigheidsfactor
4
,Newtoniaanse vloeistoffen zijn vloeistoffen waarvan de schuifkracht onafhankelijk is van de afstand
tot de bewegende plaat
- hierbij geldt hoe groter de snelheid van de bovenste plaat hoe groter de remmende
schuifkracht
-
viskeus lichaam zal na deformatie niet terugkeren naar oorspronkelijke situatie
viscoelasticiteit
hogere vervormingstempi geven een grotere materiaalspanning bij dezelfde deformatie
- Hoe sneller je aan iets trekt hoe meer stress je in een kortere periode uitoefent
Kruipen
Brengt continue spanning aan op viskeus materiaal => in de tijd verder
gaan deformeren <-> elastisch materiaal
Ontlasting weg = elastisch respons, in functie van tijd rek verder afnemen
Stress relaxatie
Kracht eerst toegepast dan is de kracht conform met elasticiteit
Na een tijdje gaat het relaxeren => kracht
- Wasdraad die na een tijdje gaat relaxeren
- Continue strain (uitrekking) maar kracht verandert
Hysteresis
‘Verlies’ mechanische energie => potentiële energie bij belasting en rek is
niet volledig gerecupereerd bij wegvallen uitwendige kracht
Stress-strain curves bij belasting en ontlasting vallen niet samen
Rheologie van mucus: mucoviscidose
Rheologie = capaciteit om deformaties te ondergaan en weg te vloeien
Newtoniaanse vloeistof gaat onder constante spanning resulteren in
een viskeuze deformatie met wegvloeien tot gevolg => stopt als
spanning wegvalt, maar water keert niet terug naar oorspronkelijke
plaats
Elastisch gedrag = constante spanning deformatie, wegvallen spanning terugkeren naar
oorspronkelijke toestand
Viscoelastisch materiaal = constante spanning gedragen als visceus midden, maar deel mechanische
energie bewaard => al dan niet volledige terugkeer als spanning wegvalt
Mucus = viscoelastische gel => initieel bij aanleggen spanning gaat een deformatie optreden met
behoud van energie (=elastisch), bij constante spanning verdere toename van deformatie (=visceus).
- Onder drempelwaarde van spanning = elastisch gedrag
Volledige terugkeer naar oorspronkelijke toestand
- Boven drempelwaarde = viskeus gedrag
Blijvende verplaatsing
- Drempelwaarde neemt toe met stijgende viscositeit
5
, Toepassing : mucoviscidose
Mucociliair transport
- 2 lagen
Onderaan de periciliaire vloeistof PLC = lage viscositeit
Bovenop luchtwegen oppervlakte vloeistof ASF = hogere
viscositeit
- Trilhaartjes bewegen in PLC
Voor een netto transport van slijm moet de kracht uitgeoefend
door beweging van trilhaartjes groter zijn dan de
drempelwaarde
Mucoviscidose
- 2 nadelen
ASF veel viskeuzer => hogere transportdrempel
PLC laag veel dunner => minder efficiënte werking van
trilhaartjes (geringe strain)
- Effect
Sterk gereduceerde mucociliaire klaring van het sputum => infectie!!!!
Druk en stroming in het lichaam
Druk en volumedebiet
Vaste stof = vast volume en vaste vorm
Vloeistof = vast volume en geen vaste vorm
Fluïdum
Gas = geen vast volume en geen vaste vorm
Oppervlakte krachten werken op fluïdum en staan loodrecht op het oppervlak => druk
druk = grootte van de normale kracht per eenheid van een oppervlakte => constant (formule)
- F = kracht
- S = oppervlakte p = F/S
- p = druk
- eenheid = pascal = N/m²
bar = 105 pascal
1 atm = 101300 pascal
1 mmHg = 133,322 N/m²
760 mmHg = 0,1 N / mm²
Dichtheid = massa van dit fluïdum per eenheid van volume
- Vloeistoffen afhankelijk van temperatuur en druk
Volume/massa Debieten = volume/massa van hoeveelheid fluïdum per tijdseenheid dat passeert
door een doorsnede van een oppervlakte, loodrecht op de stromingssnelheid
- Volumedebiet = m³/s
- Massadebiet = kg/s
De stromingsregimes
Bewegingswijzen ingedeeld in stroomregimes
- Stationaire of niet-stationaire stroming
- Wervelvrije of turbulente stroming
- Compressievrije of samendrukkende stroming
6
medische fysica
Cel 1
Emma Degroote
GENEESKUNDE 1STE BACH
,Inhoudsopgave
Viscoelasticiteit van biologische materialen en lichaamsvloeistoffen .................................................... 3
Elasticiteit ............................................................................................................................................ 3
Energie in elastische media ................................................................................................................. 3
stress-strain curve ............................................................................................................................... 4
viscositeit ............................................................................................................................................. 4
viscoelasticiteit .................................................................................................................................... 5
Rheologie van mucus: mucoviscidose ................................................................................................. 5
Druk en stroming in het lichaam ............................................................................................................. 6
Druk en volumedebiet ......................................................................................................................... 6
De stromingsregimes........................................................................................................................... 6
De continuïteitsvergelijking ................................................................................................................. 7
Verband tussen stromingssnelheid en de druk bij een niet-visceus fluïdum: de vergelijking van
Bernoulli .............................................................................................................................................. 8
Stromingsdebiet en -weerstand bij een visceus fluïdum: wet van Poiseuille .................................... 9
Viscositeit van het bloed ................................................................................................................... 10
Drukverloop in de circulatie .............................................................................................................. 10
Invloed van de lichaamshouding op de bloeddruk ........................................................................... 11
De sphygomanometer voor bloeddrukmeting .................................................................................. 12
bio-elektriciteit ...................................................................................................................................... 13
basisbegrippen van elektriciteit ........................................................................................................ 13
De RC-keten ....................................................................................................................................... 14
Bio-elektriciteit van de cel: rustmembraanpotentiaal ...................................................................... 15
Bio-elektriciteit van de cel: de actiepotentiaal ................................................................................. 16
Ladingstransport langs een zenuwvezel............................................................................................ 16
Elektrisch hartactiviteit: het ECG....................................................................................................... 17
Wisselstroom: weefselimpedantie ........................................................................................................ 18
Wisselspanning: karakteristieken...................................................................................................... 18
De effectieve waarde van de wisselspanning ................................................................................... 18
Impedantie van een wisselstroomketen ........................................................................................... 18
Stroomdoorgang door het lichaam bij wisselspanning ..................................................................... 19
Diagnostiek met EM golven................................................................................................................... 20
Stralingsbronnen van elektromagnetische straling........................................................................... 20
Breking en reflectie van het licht ...................................................................................................... 21
Lenzen ............................................................................................................................................... 21
totale inwendige reflectie en optical fibers ...................................................................................... 22
1
, Endoscopie ........................................................................................................................................ 23
therapie met EM golven: lasers............................................................................................................. 23
het elektromagnetisch spectrum ...................................................................................................... 23
Biologische effecten van elektromagnetische straling...................................................................... 24
Absorptie van EM straling in het optisch gebied .............................................................................. 25
lasers: principe .................................................................................................................................. 25
De HeNe laser .................................................................................................................................... 26
Medische lasers ................................................................................................................................. 26
Oog en visus .......................................................................................................................................... 27
Optische sterkte van een oppervlak tussen media met verschillende brekingsindex ...................... 27
Het oog als optisch systeem .............................................................................................................. 27
De resolutie van het oog: gezichtsscherpte (visus) ........................................................................... 28
Afwijkingen van het oog als optisch systeem en correcties .............................................................. 29
Geluid en gehoor ................................................................................................................................... 30
Wat is geluid ...................................................................................................................................... 30
geluidsintensiteit en akoestische impedantie ................................................................................... 30
Geluidsintensiteit in decibel .............................................................................................................. 30
Isofonen ............................................................................................................................................. 31
Akoestische eigenschappen van het oor ........................................................................................... 31
Doppler effect.................................................................................................................................... 31
Omzettingslijst ....................................................................................................................................... 32
2
,Viscoelasticiteit van biologische
materialen en lichaamsvloeistoffen
Elasticiteit
Beschouw een balk met lengte l en oppervlakte O en waarop een kracht F wordt op uitgeoefend =>
rek
Uitrekking
Strain = delta l/l = 𝜀
- Kleine waarde => niet veel
- Grote waarde wel veel
Stress = F/O = 𝜎
- Materiaalspanning = kracht werkend op een unit of area
E = elasticiteitsmodulus = resistance to being deformed elastically when a
stress is applied
- Wordt in druk uitgedrukt
- Stress / strain => hoge waarde betekent goed bestand, lage
waarde niet goed bestand tegen stress
Botten = 1010 pascal
Spierweefsels = 104
Formule
𝜎=𝜀⋅𝐸
Afschuiving
Afschuiving = shear
- Stress = specifieke waarde maal strain
Shear stress = 𝜏 = F/A
Shear strain = 𝛾(= tan 𝜃)
Formule
𝜏 =𝐺⋅𝛾
Algemeen: hoe meer materiaalspanning/stress hoe meer strain of vervorming => rechtevenredig
Energie in elastische media
Potentiële energie formule
U = ½ V 𝜎𝜀
Bij uitrekking wordt per volume eenheid een hoeveelheid energie in de balk gebracht gegeven door
½ 𝜎𝜀 => potentiële energie stijgt rechtevenredig
- Wanneer balk loslaten dan komt een hoeveelheid energie vrij (kinetische energie)
- Terug naar oorspronkelijke vorm
3
,Toepassing: energie in de achillespees bij lopen
Lopen vergt 35 joule en wordt omgezet tijdens actie
Eigenschap
Elastisch gedrag bij een vervorming is dat de mechanische energie behouden blijft en dat het lichaam
terug keert naar oorspronkelijke toestand
stress-strain curve
materiaal blijft elastisch vervormen bij een kleine vervorming (kan nog terugkeren naar
oorspronkelijke vorm), grote stress wordt vervorming groter => plastisch gebied terecht kan komen =
permanente vervorming
elastisch limiet EL = tot hier volledig terugkeer
naar oorspronkelijke toestand
yield punt Yp = vanaf hier zal er een sterke
toename zijn van vervorming bij toename stress
- Plastisch
fracture of UTS = breekpunt
viscositeit
bovenaan = bewegende plaat met snelheid vd
- Vloeistof beweegt met snelheid vd
Tussenin
- Snelheid van vloeistof hangt af van afstand tot
bewegende plaat = snelheidsgradiënt of shear rate
Vd/d
- Laagsgewijze/laminaire stroming
onderaan = stilstaande plaat met snelheid 0
- vloeistof beweegt met snelheid 0
schuifkracht F = shear forces
- rechtevenredig met oppervlakte van laagjes
- de snelheidsgradiënt dv/dy => hoe groter snelheidsgradiënt hoe groter kracht
snelheid aan bewegende plaat groter
viscositeitscoëfficiënt 𝜂 = Pa x s
- hoe groter hoe taaier
- hoezeer een vloeistof zich snel en gemakkelijk uitspreidt over een oppervlak bij uitgieten
intermoleculaire krachten
- toepassing
mucoviscidose = taaislijmziekte = abnormaal hoge viscositeit
formule
ⅆ𝑣 ⅆ𝑣
𝐹 = 𝜂 ⋅ 𝐴 ⋅ ⅆ𝑦 of 𝜏 = 𝜂 ⋅ ⅆ𝑦
Schuifspanning 𝜏 is evenredig met shear rate en met viscositeitscoëfficiënt als evenredigheidsfactor
4
,Newtoniaanse vloeistoffen zijn vloeistoffen waarvan de schuifkracht onafhankelijk is van de afstand
tot de bewegende plaat
- hierbij geldt hoe groter de snelheid van de bovenste plaat hoe groter de remmende
schuifkracht
-
viskeus lichaam zal na deformatie niet terugkeren naar oorspronkelijke situatie
viscoelasticiteit
hogere vervormingstempi geven een grotere materiaalspanning bij dezelfde deformatie
- Hoe sneller je aan iets trekt hoe meer stress je in een kortere periode uitoefent
Kruipen
Brengt continue spanning aan op viskeus materiaal => in de tijd verder
gaan deformeren <-> elastisch materiaal
Ontlasting weg = elastisch respons, in functie van tijd rek verder afnemen
Stress relaxatie
Kracht eerst toegepast dan is de kracht conform met elasticiteit
Na een tijdje gaat het relaxeren => kracht
- Wasdraad die na een tijdje gaat relaxeren
- Continue strain (uitrekking) maar kracht verandert
Hysteresis
‘Verlies’ mechanische energie => potentiële energie bij belasting en rek is
niet volledig gerecupereerd bij wegvallen uitwendige kracht
Stress-strain curves bij belasting en ontlasting vallen niet samen
Rheologie van mucus: mucoviscidose
Rheologie = capaciteit om deformaties te ondergaan en weg te vloeien
Newtoniaanse vloeistof gaat onder constante spanning resulteren in
een viskeuze deformatie met wegvloeien tot gevolg => stopt als
spanning wegvalt, maar water keert niet terug naar oorspronkelijke
plaats
Elastisch gedrag = constante spanning deformatie, wegvallen spanning terugkeren naar
oorspronkelijke toestand
Viscoelastisch materiaal = constante spanning gedragen als visceus midden, maar deel mechanische
energie bewaard => al dan niet volledige terugkeer als spanning wegvalt
Mucus = viscoelastische gel => initieel bij aanleggen spanning gaat een deformatie optreden met
behoud van energie (=elastisch), bij constante spanning verdere toename van deformatie (=visceus).
- Onder drempelwaarde van spanning = elastisch gedrag
Volledige terugkeer naar oorspronkelijke toestand
- Boven drempelwaarde = viskeus gedrag
Blijvende verplaatsing
- Drempelwaarde neemt toe met stijgende viscositeit
5
, Toepassing : mucoviscidose
Mucociliair transport
- 2 lagen
Onderaan de periciliaire vloeistof PLC = lage viscositeit
Bovenop luchtwegen oppervlakte vloeistof ASF = hogere
viscositeit
- Trilhaartjes bewegen in PLC
Voor een netto transport van slijm moet de kracht uitgeoefend
door beweging van trilhaartjes groter zijn dan de
drempelwaarde
Mucoviscidose
- 2 nadelen
ASF veel viskeuzer => hogere transportdrempel
PLC laag veel dunner => minder efficiënte werking van
trilhaartjes (geringe strain)
- Effect
Sterk gereduceerde mucociliaire klaring van het sputum => infectie!!!!
Druk en stroming in het lichaam
Druk en volumedebiet
Vaste stof = vast volume en vaste vorm
Vloeistof = vast volume en geen vaste vorm
Fluïdum
Gas = geen vast volume en geen vaste vorm
Oppervlakte krachten werken op fluïdum en staan loodrecht op het oppervlak => druk
druk = grootte van de normale kracht per eenheid van een oppervlakte => constant (formule)
- F = kracht
- S = oppervlakte p = F/S
- p = druk
- eenheid = pascal = N/m²
bar = 105 pascal
1 atm = 101300 pascal
1 mmHg = 133,322 N/m²
760 mmHg = 0,1 N / mm²
Dichtheid = massa van dit fluïdum per eenheid van volume
- Vloeistoffen afhankelijk van temperatuur en druk
Volume/massa Debieten = volume/massa van hoeveelheid fluïdum per tijdseenheid dat passeert
door een doorsnede van een oppervlakte, loodrecht op de stromingssnelheid
- Volumedebiet = m³/s
- Massadebiet = kg/s
De stromingsregimes
Bewegingswijzen ingedeeld in stroomregimes
- Stationaire of niet-stationaire stroming
- Wervelvrije of turbulente stroming
- Compressievrije of samendrukkende stroming
6
