Pola i promieniowanie elektromagnetyczne

Prezentacja na temat: "Pola i promieniowanie elektromagnetyczne"— Zapis prezentacji:

1 Pola i promieniowanie elektromagnetyczne
Seminarium 3 Pola i promieniowanie elektromagnetyczne Zakład Biofizyki CM UJ Zakład Biofizyki CM UJ

2 Problem 1 Prąd stały (DC) z prawa Ohma:   SEM (bateria)
Natężenie prądu elektrycznego I - miara ładunku przepływającego w jednostce czasu przez przekrój poprzeczny przewodnika. Prąd stały (DC) z prawa Ohma: U - napięcie [V] I - natężenie [A] R - opór [Ω] - opór właściwy [m] l - długość przewodnika [m] S - powierzchnia przekroju poprzecznego przewodnika [m2]   SEM (bateria) dla przewodników Zakład Biofizyki CM UJ

3 Przewodniki (metale Cu, Al, Fe)  ( < 10-5 [m])
Półprzewodniki (Si, Ge)  ( 10-6 [m]) Izolatory (szkło, polistyren) ( > 108 [m]) Opór R wyrażamy w omach [1  =1V/1A], a opór właściwy ρ w [m] (omometr) Opór właściwy zależy od temperatury przewodnika. Zakład Biofizyki CM UJ

4 Płyny ustrojowe są względnie dobrymi przewodnikami.
Materiał Opór właściwy  (przy 20 oC) [m] Właściwości elektryczne srebro miedź aluminium żelazo węgiel stopiony chlorek sodu krew * tkanka tłuszczowa * mięśnie (wzdłuż włókna) * mięśnie (w poprzek włókna) * german szkło bursztyn 1,6 * 10-8 1,7 * 10-8 2,8 * 10-8 10 * 10-8 3.5 * 10-5 2,7 * 10-3 ~1,6 ~25 ~1,25 ~18 4,6 * 10-1 1,0 * 1010 1,0 * 1018 Przewodnik I. rodzaju Przewodnik II. rodzaju Półprzewodnik Izolator * w temperaturze 37 oC Płyny ustrojowe są względnie dobrymi przewodnikami.

5 Dielektryk w polu elektrycznym
atom cząsteczka niepolarna cząsteczka polarna jony

6 Kondensator C = q/U Pojemność elektryczna C kondensatora
[C] = 1F (farad) = 1C/1V Zależy od rozmiarów kondensatora i własności wypełniającego go dielektryka. Zakład Biofizyki CM UJ

7 Prąd zmienny (AC) Zakład Biofizyki CM UJ

8 Problem 2 Model elektryczny tkanki Zawada gałęzi B Wyliczenie zawady
całkowitej R - opory płynu pozakomórkowego S - opory cytoplazmy C - opór pojemnościowy błony komórkowej Zakład Biofizyki CM UJ

9 * ** Tkanka równolegle wykazuje własności opornika
omowego (przepływ prądu DC) i pojemnościowego (opór zależy od częstotliwości f prądu AC) * ** Zakład Biofizyki CM UJ

10 *Migotanie powodują wyłącznie prądy o częstotliwości od 40 Hz do 60 Hz.

11 Porażenia prądem elektrycznym
Następstwa porażenia prądem zależą od kilku czynników: drogi przepływu prądu czasu działania prądu oporności - tzn. przez jaki materiał płynie prąd czy jest to prąd stały czy zmienny częstotliwości prądu natężenia i napięcia prądu Zakład Biofizyki CM UJ

12 Prądy DC i AC w medycynie: Elektroterapia Elektrostymulacja
Elektrodiagnostyka Zakład Biofizyki CM UJ

13 Problem 3 Przykłady komórek pobudliwych: a) komórka nerwowa
b) komórka mięśniowa. Zakład Biofizyki CM UJ 13

14 Krzywa pobudliwości Czas użyteczny - najkrótszy czas potrzebny do pobudzenia włókna nerwowego za pomocą maksymalnego bodźca Reobaza (R) - najniższe natężenie prądu, wywołujące potencjał czynnościowy (t) Chronaksja - czas trwania bodźca o wartości 2R, potrzebny do wywołania pobudzenia - - stopień pobudliwości włókien nerwowych ( ) ms

15 Współczynnik akomodacji (A) - ocena pobudliwości układu nerwowo-mięśniowego, wykrywanie wczesnych stanów chorobowych neuronów ruchowych. A = PP mięśnia dla impulsu trójkątnego/ PP dla impulsu prostokątnego (czas trwania impulsów 1000 ms) gdzie: PP - próg pobudliwości (mA) - - mięsień zdrowy – A (2  4) - - zwyrodnienie mięśni – A < 2

16 Problem 4 Pacjent znajduje się w pobliżu kabla zasilającego. Pojemność elektryczna C w miejscu, w którym stoi pacjent wynosi około 3 pF a sam pacjent jest uziemiony poprzez podeszwę butów, wykonaną z odpowiedniego materiału (opór elektryczny 10 k). Oszacuj wartość potencjału elektrycznego na powierzchni ciała pacjenta. Zakład Biofizyki CM UJ

17 Pomiędzy palce wskazujące dwóch rąk przyłożono napięcie stałe U = 50 V, wywołując przepływ prądu o natężeniu I = 1 mA. Oblicz opór całkowity tkanek na drodze przepływu prądu. Po zmniejszeniu napięcia do wartości U = 30 V natężenie prądu zmalało 2-krotnie. Oblicz wartość oporu i wyjaśnij przyczyny różnicy wyliczonych oporów.

18 Problem 5 Po jednej defibrylacji należy przeprowadzić natychmiastową resuscytację krążeniowo – oddechową (RKO). Zakład Biofizyki CM UJ

19 Oszacuj wartość napięcia elektrycznego, do którego należy naładować defibrylator o pojemności elektrycznej 30 µF, przy założeniu że energia wyładowania defibrylatora wynosi 300 J. Zakład Biofizyki CM UJ

20 Problem 6 Rola uziemienia Zakład Biofizyki CM UJ

21 Prąd upływu (PU) Zakład Biofizyki CM UJ faza przewód neutralny
źródło zasilania urządzenie masa (ziemia) faza przewód neutralny prąd upływu BH Brown, et al. „Medical Physics and Biomedical Engineering”, IOP Publishing, 1999. Zakład Biofizyki CM UJ

22 Technika termoablacji - ogrzewanie tkanki przy pomocy prądów o częstotliwości radiowej (200  500) kHz. Problem 7 J (A/m2) ~ 1/r4 r

23 Typy elektrod Zakład Biofizyki CM UJ

24 Problem 8 Quasi-stałe pole magnetyczne Ziemii
Wytwarzanie pól magnetycznych w technice [stałych lub zmiennych, w zależności od stosowanego prądu elektrycznego - nie dotyczy rysunku (a)] Zakład Biofizyki CM UJ

25 Siła Lorentza dla sin  = 1: [B] = 1 T (tesla) 1 T = 10 4 Gs (gauss)
Indukcja magnetyczna [B] = 1 T (tesla) 1 T = 10 4 Gs (gauss) Natężenie pola magnetycznego H: H = B/(0 r ) [H] = A/m Zakład Biofizyki CM UJ

26 Paramagnetyki: r > 1 Ferromagnetyki: r >> 1
0 - przenikalność magnetyczna próżni, 4* [V*s/(A*m) = T*m/A] r - względna przenikalność magnetyczna Diamagnetyki: r < 1 Paramagnetyki: r > 1 Ferromagnetyki: r >> 1 H2O  r = Powietrze  r = Hemoglobina krwi  r > 1 Fe  r = ~104 Zakład Biofizyki CM UJ

27 Wartości indukcji przykładowych źródeł
Zakład Biofizyki CM UJ

28 Wybrane zastosowania PM w medycynie: - magnetoterapia (0.1 do 10 mT)
- magnetostymulacja (poniżej 0.1 mT) - diatermia - wysokie częstotliwości: ~ MHz - diatermia krótkofalowa  objętościowa; ~ GHz - diatermia mikrofalowa  powierzchniowa - magnesy nadprzewodzące - MRI niskie częstotliwości (~ Hz) a) b) Poprawa obrazu krwi (a) oraz ukrwienia ciała pacjenta (b). Zakład Biofizyki CM UJ

29 Problem 9 q- q+ v  0;  = 900 v  0;  = 0 v = 0
Zakład Biofizyki CM UJ

30 Zastosowanie np. w cyklotronie
v  0; 0 <  < 900 Zastosowanie np. w cyklotronie Zakład Biofizyki CM UJ

31 Problem 10 Ciało doskonale czarne - idealizacja obiektów rzeczywistych (ciało człowieka, płomień świecy, żarówka, Słońce…). Wszystkie ciała ogrzane do temperatury T>0 emitują promieniowanie EM - promieniowanie cieplne (termiczne). 31 Zakład Biofizyki CM UJ Zakład Biofizyki CM UJ

32 Prawo Stefana-Boltzmanna
Całkowita energia emitowana w jednostce czasu w postaci promieniowania cieplnego przez jednostkę powierzchni ciała doskonale czarnego jest proporcjonalna do T4. 32 Zakład Biofizyki CM UJ Zakład Biofizyki CM UJ

33 lmaxT = const Prawo Wiena const = 2.898·106 nm·K
T rośnie → lmax maleje Słońce: T = 5000 K, lmax = 600 nm Żarówka: T = 3000 K, lmax = 1000 nm 4) Człowiek: T = 310 K, max  nm 33 Zakład Biofizyki CM UJ Zakład Biofizyki CM UJ

34 310 K średnia IR 34 Zakład Biofizyki CM UJ Zakład Biofizyki CM UJ

35 Straty ciepła przez promieniowanie
ΔE – strata energii na jednostkę czasu (moc) [J/s]=[W] A – powierzchnia ciała e – emisyjność (0 ≤ e ≤ 1) s – stała Stefana-Boltzmanna TC – temperatura ciała TO – temperatura otoczenia 35 Zakład Biofizyki CM UJ Zakład Biofizyki CM UJ

36 A – powierzchnia ciała [m2]
M – masa ciała [kg] H – wzrost [m] straty ciepła w wyniku promieniowania stanowią ok. 50% wszystkich strat. Inne drogi strat ciepła to: przewodnictwo cieplne oddychanie pocenie 36 Zakład Biofizyki CM UJ Zakład Biofizyki CM UJ

37 Termografia Stan zapalny prawego kolana Zakład Biofizyki CM UJ
Stan zapalny prawego kolana Zakład Biofizyki CM UJ

38 Problem 11 Zakład Biofizyki CM UJ

39 Typy laserów He-Ne (wzbudzanie atomów He, które oddziałując następnie z Ne wzbudzają stan metastabilny Ne). C02-N2-He (N2 pompowany dzięki wyładowaniu elektrycznemu, akcja laserowa pomiędzy stanami cząsteczkowymi CO2, He przeprowadza cząsteczki CO2 do stanu podstawowego). Jonowe (akcja laserowa dla jonów gazów szlachetnych Ar+ lub Kr+). Nd:YAG (kryształ granatu itrowo-glinowego (Ytrium-Aluminium-Garnet – YAG) domieszkowany neodymem, istnieją też lasery YAGowe domieszkowane erbem lub holmem: Er:YAG, Ho:YAG). Półprzewodnikowe (dioda półprzewodnikowa (złącze p-n) wykonana z arsenku galu (GaAs) domieszkowana tellurem (Te) lub cynkiem (Zn)). Ekscymerowe (akcja laserowa w dimerach gazów szlachetnych i chlorowców, cząsteczki (ArF, KrF, XeCl, XeF) istnieją tylko w stanie wzbudzonym). Barwnikowe (akcja laserowa w cząsteczkach barwników organicznych). Zakład Biofizyki CM UJ Zakład Biofizyki CM UJ

40 Monoenergetyczność Zakład Biofizyki CM UJ Zakład Biofizyki CM UJ

41 Monoenergetyczność Substancja aktywna λ [nm] Zakres Rubinowy 694 VIS
CO2 10600 IR Nd:YAG 1060 He-Ne 633 Jonowy (Ar+, Kr+) 458 ÷ 515 Półprzewodnikowy 630 ÷ 904 VIS, IR Ekscymerowy (XeF, XeCl, KrF) 193 ÷ 351 UV Barwnikowy 400 ÷ 700 Zakład Biofizyki CM UJ Zakład Biofizyki CM UJ

42 Głębokość penetracji Typ lasera λ [nm] GP [mm] CO2 10600 ~ 0.2 Nd:YAG
~ 6 Ar+ 488 ÷ 514 ~ 2 Ekscymerowy 193 ÷ 351 ~ 0.01 IR nm – wzbudzenie drgań cząsteczek H2O, wzrost kT – oddziaływanie termiczne. IR 1060 nm – nie wzbudza H2O, słabo pochłaniane przez inne składniki. VIS ~500 nm – silne pochłanianie przez hemoglobinę. UV ~250 nm – brak efektów termicznych, fotoablacja (wyrzucanie fragmentów tkanki). Zakład Biofizyki CM UJ

43 Problem 11 Metody fluorescencyjne w onkologii - detekcja nowotworów układu oddechowego A. Hrynkiewicz, E. Rokita (red.) „Fizyczne metody diagnostyki medycznej i terapii”, PWN, Warszawa 2000. Zakład Biofizyki CM UJ

44 Pomiar perfuzji w skórze – metoda LDPI
Medical Laser Application 22, (2007), prawidłowa perfuzja w skórze dłoni podrażnienie skóry Zakład Biofizyki CM UJ

45 Substancja fotouczulająca Selektywna absorpcja energii
Problem 12 Światło Substancja fotouczulająca Selektywna absorpcja energii ŚMIERĆ KOMÓRKI Przykłady zastosowań terapii fotodynamicznej: nowotwory układu oddechowego nowotwory trzustki nowotwory głowy i szyi nowotwory pęcherza moczowego nowotwory skóry Zakład Biofizyki CM UJ

46 Terapia fotodynamiczna – nowotwór układu oddechowego
A. Hrynkiewicz, E. Rokita (red.) „Fizyczne metody diagnostyki medycznej i terapii”, PWN, Warszawa 2000. Zakład Biofizyki CM UJ

47 LASIK Zakład Biofizyki CM UJ
Zakład Biofizyki CM UJ

48 Laser zielony w urologii
Zakład Biofizyki CM UJ