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

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

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

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.

Dielektryk w polu elektrycznym atom cząsteczka niepolarna cząsteczka polarna jony

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

Prąd zmienny (AC) Zakład Biofizyki CM UJ

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

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

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

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

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

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

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 (0.1 - 0.5) ms

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

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

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.

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

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

Problem 6 Rola uziemienia Zakład Biofizyki CM UJ

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

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

Typy elektrod Zakład Biofizyki CM UJ

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

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

Paramagnetyki: r > 1 Ferromagnetyki: r >> 1 0 - przenikalność magnetyczna próżni, 4*10-7 [V*s/(A*m) = T*m/A] r - względna przenikalność magnetyczna Diamagnetyki: r < 1 Paramagnetyki: r > 1 Ferromagnetyki: r >> 1 H2O  r = 0.9999912 Powietrze  r = 1.000004 Hemoglobina krwi  r > 1 Fe  r = ~104 Zakład Biofizyki CM UJ

Wartości indukcji przykładowych źródeł Zakład Biofizyki CM UJ

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

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

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

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

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

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  9000 nm 33 Zakład Biofizyki CM UJ Zakład Biofizyki CM UJ

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

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

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

Termografia Stan zapalny prawego kolana Zakład Biofizyki CM UJ http://www.medme.pl/artykuly/termografia-bezpieczna-alternatywa-dla-badan-rtg,3108338,1.html Stan zapalny prawego kolana Zakład Biofizyki CM UJ

Problem 11 Zakład Biofizyki CM UJ

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

Monoenergetyczność Zakład Biofizyki CM UJ Zakład Biofizyki CM UJ

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

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 10600 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

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

Pomiar perfuzji w skórze – metoda LDPI Medical Laser Application 22, (2007), 105-126. http://www.biophotonics.ul.ie/resources/Biophotonics%20&%20Tissue%20Optics%20Methods.pdf prawidłowa perfuzja w skórze dłoni podrażnienie skóry Zakład Biofizyki CM UJ

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

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

LASIK Zakład Biofizyki CM UJ http://www.ttsh.com.sg/about-us/newsroom/news/article.aspx?id=2340 Zakład Biofizyki CM UJ

Laser zielony w urologii http://www.omega-med.pl/przerost-gruczolu-krokowego.html Zakład Biofizyki CM UJ