28.10.2010
Wykład 4: Fizyka medyczna
I. UKA
AD ODDECHOWY:
transport gazów w układzie oddechowym.
Konwekcja  powietrze do płuc
Dyfuzja
całkowita powierzchnia przekroju dróg oddechowych jako funkcja ich rozwoju (zależność
wykładnicza):
gwałtowny wzrost następuję w strefie oddechowej
powoduje to znaczny spadek prędkości przemieszczania się gazów podczas wdechu w tym
obszarze
całkowita powierzchnia płuc 0,1m^2 powierzchnia pęcherzyków płucnych 80m^2
mieszanina gazów w pęcherzykach płucnych różni się od składu powietrza bo płuca nie
opróżniają się całkowicie, czynnościowa pojemność zalegająca wynosi 30%
1) prawa Boylea'a-Mariotta  prawo przemiany gazowej izotermicznej
p1V = p2V
1 2
Mechanizm wentylacji
1) Wdech
rośnie objętość,
ciśnienie wewnątrz-płucne zmniejsza się,
ciśnienie pęcherzyków maleje(poniżej ciśnienia atmosferycznego)
 wzrost przepływu strumienia powietrza pęcherzyków,
 przepływ rośnie aż do p_p min a potem maleje (mniejsza różnica ciśnień)
2) Wydech
maleje objętość,
ciśnienie wewnątrz-płucne zwiększa się,
siły sprężyste (retrakcyjne) zmniejszają objętość pęcherzyków,
 wzrost p_p powoduje wypieranie z nich powietrza,
 strumień maksymalny p_p maksymalne,
Fizyka pęcherzyków płucnych
pęcherzyki płucne zmniejszają rozmiary dzięki napięciu powierzchniowemu płynu wyściółki
(surfaktant) ZMIANY S
CI
GA
E  nie skokowe UKA

D STABILNY
pęcherzyki nie pokryte surfaktantem zapadają się i nie można oddychać z powodu zbyt
małej podatności płuc
napięcie powierzchniowe zależy od grubości warstwy surfaktantów (im grubsza tym mniejsze
napięcie powierzchniowe)
wdech  maleje grubość surfaktantu, rośnie napięcie powierzchniowe co daje większe
ciśnienie
wpływ zmniejszania lub zwiększania stosunku wentylacji do perfuzji na ciśnienie
parcjalne O i CO
2 2
normalnie stosunek wentylacji do perfuzji 0,8
całkowite zatkanie dojścia pęcherzyka ciśnienia O2 i Co2 zbliżone do wartości w zmieszanej
krwi żylnej
całkowite zablokowanie perfuzji ciśnienia O2 i co2  równe wartościom w wydychanym
powietrzu
zmiany wentylacji w zależności od ciśnienia (Y- wentylacja, X- ciśnienie O2/CO2 dla drugiego)
1)
 różne wartości ciśnienia O2 w pęcherzykach
 stałe ciśnienie CO2 , równe 49, 44, 37 mmHg
(charakterystyka a, la 1/x)
2)
 stałe wartości ciśnienia O2 w pęcherzykach 40, 55, 100 mmHg
 zmienne ciśnienie CO2
(charakterystyka liniowo rosnąca)
HISTEREZA OBJ
TOŚCIOWO  CIŚNIENIOWA
WDECH(inflacja)
ciśnienie otwarcia (przezwyciężenie sił adhezyjnych zapadniętych pęcherzyków)
najpierw napełniają się bardziej odporne mniej liczne pęcherzyki większe (objętość rożnie
powoli)
potem napełniają się liczne pęcherzyki małe i znacznie wzrasta objętość
siły sprężystości w ostatniej fazie ograniczają dalszy wzrost objętości
WYDECH (deflacja)
duże spadki ciśnienia przy małym %DELTA V opróżnianie pęcherzyków powoli równomiernie
p[rznianie małych pęcherzyków
nie dochodzi do zapadnięcia
PODATNOŚĆ PA
UC
�ąV
C=
�ą P
miara elastyczności układu oddechowego
zdolność do zmiany objętości poprzez zmianę ciśnienia opłucnej
 zakres 1,8  3,5 litr/kPa
 pomiary: zmiany ciśnienia w przełyku i objętość powietrza wdychanego do płuc
całkowita podatność
1 1 1
= �ą
cpłuca-tchawica c ctchawica
płuca
oporność dróg oddechowych
różnica ciśnień potrzebna do wywołania zmiany w przepływie powietrza
dV �ą P
J = =
dt R
R reprezentuje opór przepływu określony poprzez lepkość powietrza, długość L i promień r
8 L
R= �ą
Ćą
r4
zależność objętości od czasu
a) warunki normalne  objętość rośnie do pewnego momentu a potem maleje
b) zmniejszenie podatności  z początku rośnie, potem na stałej wartości, potem maleje
c) wzrost oporności  objętość rośnie (Ale mniej niż w war normalnych) a potem maleje
dla b) c) niskie wartości objętości dla wdychanego powietrza
NARZ
D ODDECHOWY  3D UKA
AD MECHANICZNY
bierne elementy sprężyste w postaci komory o dwóch koncentrycznych powłokach
(powierzchnia płuc  obudowa i drogi przepływu powietrza, ściana klatki piersiowej  z
ródło
energii i odbudowa) napędzanie siłą mięśni
rura (tchawica) rozgałęziona dychotomicznie, połączenie komory z otoczeniem
otoczenie z
ródło poboru powietrza
1. MECHANICZNY MODEL LINIOWY
F =F �ąF �ąF
S t i
gdzie
F  siła wypadkowa niezbędna do realizacji ruchu oddechowego
F  sprężystość układu oddechowego
S
F  tarcie
t
F  bezwładność poruszanych mas
i
2
F =kx�ą�ądx�ąmd x
podejście uproszczone - przypadek jednowymiarowy
2. MODEL OBJ
TOŚCIOWO  CIŚNIENIOWY
odpowiednikiem ruchu (przemieszczania) jest objętość, a siły - ciśnienie
ciśnienie p przyłożone do układu stanowi różnicę ciśnień wewnętrznego i zewnętrznego
V
2
p= pw  pz= �ąR dV �ąI d V
C
gdzie
R  opór dróg oddechowych
I - bezwładność poruszających się elementów
C  podatność układu oddechowego
odwrotność podatności jest oporem sprężystym płuc i klatki piersiowej łącznie. Bezwładność
i podatność uwzględniają z konieczności nie dające się anatomicznie oddzielić; masę płucnego
układu krążenia wraz z krwią oraz własności sprężyste naczyń.
3. MODEL ELEKTRYCZNY
odpowiednikiem są wielkości elektryczne
R  opór dróg oddechowych
C  pojemność odpowiada podatności
L  indukcyjność = bezwładność
1
2
E= Q�ąR dQ�ąL d Q
C
gdzie
E  siła elektromotoryczna
Q - ładunek elektryczny, jako odpowiednik pompowanego przez układ oddechowy powietrza
PROCES ODDYCHANIA
równanie opisujące przepływ powietrza/ zmiany ciśnienia
�ąV
dV
T
Q= =�ą P gdzie  QR- =0
�ą P
dt R
C
�ąV =V -V
T VC FRC
zmiany w czasie  równanie różniczkowe:
�ąV
T
d śą�ą P  QR- źą
C
=0
dt
Krzywa statycznej wydechowej zależności między ciśnieniem, a objętością płuc
 u osób zdrowych  wyśrodkowana, rosnąca i po pewnym czasie osiąga stała wartość
 rozedma  większa niż u zdrowych objętość
Praca oddychania  model matematyczny
�ąV =V  V
T VC PRC
�ąW = d �ąV
+"P
�ąV
P=
C
�ąV
T
�ąV
�ąW = d �ąV
+"
C
0
1
2
�ąW = �ąV
T
2C
PRZYKA
AD:
śpiący człowiek V =2l
T
C=0,1 �ą cm H2O
dm oddechów
=10
dt min
dW
=6,8 kcal /dzień
dt
TESTY ODDECHOWE
detekcja Helicobacter pylori
PODSTAWY CHROMATOGRAFII
gazy troposferyczne:
azot 78%
tlen
argon
co2
metan
podtlenek azotu
SRAYTECH. �! chromatograf 1
3 elementy chromatografu
dozownik
kolumna chromatograficzna
detektor
kolumny
 metalowe, lub silikonowe rurki o małej średnicy wewnętrznej (kapilary)
 w środku kolumny adsorbent (np.; ten do butów silica żel /adsorbuje wodę/, węgiel
medyczny  od sraczki, maski przeciwgazowe, filtracja wody /duża powierzchnia czynna
adsorpcji/, sito molekularne  spiek krzemionkowy o otworach wielkości kilku
Angstremów, gdzie mogą się zmieścić gazy o takiej szerokości  wodór, metan, gazy
szlachetne  inne grzęzną w sicie i zostają uwięzione w nim na stałe, chemia domowa)
sposób działania kolumny chromatograficznej
rozdzielenie fazy główna faza tworzy pik
zanieczyszczenia rozciągły pik
dozownik  miejsce wstrzykiwania mieszaniny poddawanej chromatografii
 np. zawory wielodrożne w systemie pętli dozującej
detektor
1) katarometr (TCD)  detektor cieplno-przewodnościowy
2) ECD
3) FID  spalanie
4) MS  detektor masowy
5) kwadrupolowy
6) FTIR  pochłanianie promieniowania podczerwonego
pomiar dwutlenku węgla  capnografy