fokus: transportfenomen i...

18/01/16

1

Medicin och Teknik/ Introduktion till Medicin och Teknik/ 2011-11-16

Transportfenomen i människokroppen

Ingrid Svensson

Introduktion

2016-01-18 Medicin och Teknik/ Introduktion till Medicin och Teknik/ 2011-11-16

Fokus: transportprocesser på organnivå med kopplingar till cellnivå Kursansvarig: •  Ingrid Svensson, lektor, Biomedicinsk teknik Fritt ur kursplanen: Syfte •  Kursen avser att ge er grundläggande kunskaper om

utvalda transportfenomen och hur dessa styr människokroppens funktion.


Kursmål

Kunskap och förståelse För godkänd kurs skall studenten •  förstå hur ekvationerna för konserverande av massa,

rörelsemängd och energi uttrycks på integral- respektive differentialform

•  förstå vilka antaganden som leder till Bernoulli's ekvation •  förstå skillnaden mellan laminär och turbulent strömning och hur

krökta rör och pulserande tryck påverkar flöden •  förstå hur värme genereras, leds och överförs i människokroppen •  förstå skillnaden mellan Newtonska och icke-Newtonska fluider

och vad detta innebär för flöden i människokroppen


Ur kursprogrammet: Kurslitteratur G.A. Truskey, F. Yuan, D.F. Katz. Transport phenomena in biological systems, second edition, Pearson, 2010 Examination Examinationen består av ett antal obligatoriska moment samt en skriftlig tentamen. Betyg sätts baserat på tentamensresultat, enligt nedan. Obligatoriska moment De obligatoriska momenten i kursen är 5 st. inlämningsuppgifter, en laboration med rapportskrivning samt en gästföreläsning. Tentamen En skriftlig tentamen med såväl teori- som räkneuppgifter avslutar kursen. Teoridelen omfattar 20 poäng och räknedelen 30 poäng. En räkneuppgift omfattar i normalfallet 10 poäng. Således är maximal poängsumma vid tentamen 50 poäng. Med bonuspoäng enligt nedan är maximala poängsumman 52,5 poäng. Vid teoridelen får inga hjälpmedel användas. Vid räknedelen är läroboken, TEFYMA, fysikaliska tabeller, formelblad, godkänd laborationsrapport samt räknedosa tillåtna hjälpmedel. Tentamen är delad, vilket innebär att först genomförs teoridelen utan hjälpmedel och när denna del lämnats in till tentamensvakten påbörjas räknedelen. Bonuspoäng som erhållits adderas till poängsumman från tentamen. Bonuspoäng kan räknas in även vid nästföljande två schemalagda omtentamenstillfällen. Betygsgränser betyg 3: minst 22 poäng betyg 4: minst 32 poäng betyg 5: minst 42 poäng Slutbetyg rapporteras när alla obligatoriska moment är avklarade. Ordinarie tentamen: fredagen den 18 mars 2016, kl. 8-13, sal Sparta B Inlämningsuppgifter Fem obligatoriska inlämningsuppgifter skall genomföras. Det är tillåtet att samarbeta med dessa uppgifter men varje student skall lämna in en egen lösning. 0,5 bonuspoäng till tentamen erhålles för vare inlämningsuppgift som är godkänd senast den 18/3, således maximalt 2,5 poäng. Inlämningsuppgifterna presenteras på hemsidan under särskild flik. Deadlines: 1/2, 8/2, 15/2, 22/2, 7/3

18/01/16

2


Ur kursprogrammet:

Kurslitteratur G.A. Truskey, F. Yuan, D.F. Katz. Transport phenomena in biological systems, second edition, Pearson, 2010 Examination Examinationen består av ett antal obligatoriska moment samt en skriftlig tentamen. Betyg sätts baserat på tentamensresultat, enligt nedan. Obligatoriska moment De obligatoriska momenten i kursen är 5 st. inlämningsuppgifter, en laboration med rapportskrivning samt en gästföreläsning. Tentamen En skriftlig tentamen med såväl teori- som räkneuppgifter avslutar kursen. Teoridelen omfattar 20 poäng och räknedelen 30 poäng. En räkneuppgift omfattar i normalfallet 10 poäng. Således är maximal poängsumma vid tentamen 50 poäng. Med bonuspoäng enligt nedan är maximala poängsumman 52,5 poäng. Vid teoridelen får inga hjälpmedel användas. Vid räknedelen är läroboken, TEFYMA, fysikaliska tabeller, formelblad, godkänd laborationsrapport samt räknedosa tillåtna hjälpmedel. Tentamen är delad, vilket innebär att först genomförs teoridelen utan hjälpmedel och när denna del lämnats in till tentamensvakten påbörjas räknedelen. Bonuspoäng som erhållits adderas till poängsumman från tentamen. Bonuspoäng kan räknas in även vid nästföljande två schemalagda omtentamenstillfällen. Betygsgränser betyg 3: minst 22 poäng betyg 4: minst 32 poäng betyg 5: minst 42 poäng Slutbetyg rapporteras när alla obligatoriska moment är avklarade. Ordinarie tentamen: fredagen den 18 mars 2016, kl. 8-13, sal Sparta B Inlämningsuppgifter Fem obligatoriska inlämningsuppgifter skall genomföras. Det är tillåtet att samarbeta med dessa uppgifter men varje student skall lämna in en egen lösning. 0,5 bonuspoäng till tentamen erhålles för vare inlämningsuppgift som är godkänd senast den 18/3, således maximalt 2,5 poäng. Inlämningsuppgifterna presenteras på hemsidan under särskild flik. Deadlines: 1/2, 8/2, 15/2, 22/2, 7/3


Seminarie- och övningsuppgifter Några av bokens övningsuppgifter har valts ut och omarbetats. Dessa finns samlade i ett speciellt häfte som kommer att erbjudas till självkostnadspris under den första läsveckan. Kapitel som ingår i kursen Kap. 1 – Introduktion Kap. 2 – Bevarandelagar och impulsbalanser Kap. 3 – Bevarandelagar för fluidtransport, dimensionsanalys och skalning Kap. 4 – Approximativa metoder för analys av komplexa fysiologiska flöden Kap. 5 – Strömning i cirkulationssystemet och vävnader Kap. 6 – Masstransport i biologiska system Kap. 8 – Transport i porösa medier Kap. 9 – Transvaskulär transport Kap. 17 – Energitransport i biologiska system Information Löpande kursinformation anslås på kursens web-sida: http://bme.lth.se/course-pages/transportfenomen-i-kroppen/transportfenomen-i-kroppen/ Preliminärt schema 2016

Tid Plats Aktivitet Kapitel i kursbok

läsvecka 1 18/1 13.15-15.00 E:1328 F Kap. 1 22/1 13.15-15.00 E:1328 S/Ö Kap. 1

läsvecka 2 25/1 13.15-15.00 E:3308 F Kap. 2,3 26/1 10.15-12.00 E:1328 S Kap. 2,3 29/1 13.15-15.00 E:3308 Ö Kap. 2,3

läsvecka 3 1/2 13.15-15.00 E:3308 F Kap. 4,5 2/2 10.15-12.00 E:1328 S Kap. 4,5 5/2 13.15-15.00 E:3308 Ö Kap. 4,5

läsvecka 4 8/2 13.15-15.00 E:3308 F Kap. 6 9/2 10.15-12.00 E:1147-49 S Kap. 6

12/2 13.15-15.00 E:3308 Ö Kap. 6 läsvecka 5

15/2 13.15-15.00 E:3308 F Kap. 8,9 17/2 10.15-12.00 E:1328 S Kap. 8,9 19/2 13.15-15.00 E:3308 Ö Kap. 8, 9

läsvecka 6 22/2 13.15-15.00 E:3308 F Gästföreläsning 24/2 8.15-12.00 BME-korr. LABB

läsvecka 7 29/2 13.15-15.00 E:1328 F Kap. 17 1/3 10.15-12.00 E:1328 S Kap. 17 4/3 13.15-15.00 E:3308 Ö Kap. 17

F = föreläsning, Ö= övning, S= seminarium

Medicin och Teknik/ Introduktion till Medicin och Teknik/ 2011-11-16 17

Diffusion:

• är den spontana spridningsprocess som äger rum när fasta partiklar, gaser eller vätskor med en egenskap skilt från omgivningen, sprids, blandas och jämnas ut.

Hög koncentration Låg koncentration

MassöverförningDiffusion


Diffusion

Slumpmässiga rörelser (”random walk”)

Diffusions-koefficienten, Dij

https://www.youtube.com/watch?v=Bz02z4GSS0k

18/01/16

3


Exempel på diffusionskoefficienter


Konvektion

•  Bulkrörelser hos gaser och vätskor, ex. värmeströmning eller rörelsemängd (m�v) (eller energi)

•  Konvektion av rörelsemängd orsakas av krafter, ex. tyngdkraft, tryck, skjuvkrafter (blodflöde, flöde i ledvätska)


Materialparametrar som dyker upp vid konvektion


Rel. mellan flöden och gradienter för molekylär transport

18/01/16

4


Relation mellan tröghets- och viskösa krafter

•  Reynolds tal:

Stationärt, laminärt flöde

Turbolent flöde

Osborne Reynolds, 1842-1912


Relativ betydelse av konvektion resp. diffusion

•  Peclet tal:

Pe << 1 : diffusion snabbare Pe stort: konvektion snabbare

Jean Claude Eugéne Peclét 1793-1857


Storleksordningar i människokroppen

Diffusion

Konvektion

ñ


1.4. Transport inom celler (hoppas över!)

18/01/16

5


Cellmembran


1.5 Transcellulär transport (hoppas över)

Exempel: i tarmväggen


1.6 Fysiologiska transportsystemet

•  Kardiovaskulära cirkulationssystemet •  Respirationssystemet •  Mag- och tarmkanalen •  Levern •  Njurarna uppgift E1.2

} Uppgift S1.1, 2, E1.1

}


Kardiovaskulära cirkulationssystemet

•  Hjärtat •  Blodkärl •  Blod

18/01/16

6


Hjärtat

CO: Cardiac output; hjärtminutvolym SV: Stroke volume; slagvolym HR: Heart rate; puls CO = SV x HR


Blodflöde vid olika aktivitet


Respirationssystemet

•  Näsa •  Struphuvud (larynx) •  Luftstrupe (trachea) •  Lungor •  Kapillärbädd •  Nervsystemet •  Diafragman


Löslighetskurvor

Uppgift S1.1

18/01/16

7


Uppgift S1.1

Determine the fraction of oxygen that is transported in solution and that bound to hemoglobin in aterial and venous blood for men and women. •  The solubility of oxygen in plasma at 37°C is 1.4×10-6 mol L-1

mmHg-1. For simplicity, assume that the solubility in reed blood cells equals the solubility in plasma.

•  The heme concentration in red blood cells is 0.0203 mol L-1 = 4CHb.

•  The blood volume fraction (hematocrit) is typically 0.45 for men and 0.40 for women.


Uppgift S1.1 forts

•  The partial pressure for oxygen in the arteries is mmHg and the average fractional saturation is

•  The partial pressure for oxygen in the veins is mmHg and the average fractional saturation is

S = 95%PO2 = 95

PO2 = 38

S = 70%


Löslighetskurvor

Uppgift S1.1


Gasutbytet i lungan

lungartär lungven

18/01/16

8


Matsmältningssystemet

•  Munhålan •  Matsmältningskanalen •  Lever •  Gallblåsa •  Bukspottskörtel

Matsmältningskanalen: •  Matstrupe (esophagus) •  Magsäcken •  Tunn- och tjock tarm •  Ändtarm


Levern


Njurarna


Njurarna, forts.

18/01/16

9


Atheroscleros


Cancer


Konstgjorda organ


Idag: •  Introduktion och översikt •  Definitioner: diffusion, konvektion, Reynolds tal, Peclet

tal •  Exempel på fysiologiska transportsystem:

kardiovaskulära cirkulationssystemet, respirationssystemet, matspjälkningssystemet, levern, njurarna

•  Atheroscleros, cancerbehandling, konstgjorda organ

18/01/16

10


Uppgift S1.2 Compare the amount of oxygen that is taken up and the amount of carbon dioxide that is released when blood passes through the lung capillaries. Information about the transportation of oxygen can be taken from the previous example (S1.1). Assume for the carbon dioxide that 30% is bounded to the erythrocytes and 70% is transported in the plasma. The difference in amount of carbon dioxide (at standard temperature and pressure) between lung arteries and veins is 2.27 cm3 per 100 cm3 for carbon dioxide in the plasma and 1.98 cm3 per 100 cm3 for carbon dioxide transported by the erythrocytes.

fokus: transportfenomen i...

Documents