Natuurkundewetten in de klinische toepassing

Transcriptie

1 Natuurwetenschappen De poging om de wereld om ons heen door wetten te beschrijven Natuurkundewetten in de klinische toepassing Markus Klimek Gassen, vloeistoffen, drukken, volumina, temperatuur, energie, elektriciteit, flow, lading, spanning, weerstanden in de dagelijkse praktijk op de OK komt alles even langs Goed begrip voor de principes / wetten hierachter is belangrijk om veilig te kunnen werken! Niet voor niets belangrijk onderdeel van deel 1 van het EDAIC Niet voor niets beta-vakken als voorwaarde voor studie geneeskunde Niet voor niets een van de meest gewenste onderwerpen Kracht, Massa, Arbeid, Energie Archimedes ( v. Chr.): Drijfvermogen = kracht die objecten omhoog duwt en drijvende objecten drijvend houdt Kracht = gewicht verplaatste hoeveelheid water Kracht, Massa, Arbeid, Energie Galileo Galilei ( ): Gedachteexperiment tegen idee van Aristoteles dat zware objecten sneller vallen Vallen van objecten gebeurt met geleidelijk toenemende snelheid onafhankelijk van het gewicht van het object! Die constante versnelling noemen we valversnelling en we duiden ze aan met de letter g 1

2 Isaac Newton ( ) Natuurkundige Filosoof Sterrenkundige Theoloog Alchemist Nog voor zijn 25. drie fundamentele ontdekkingen: Universele gravitatie Differentiaal- en Integraalrekening Dispersie / Kleurschifting De wetten van Newton Objecten blijven in rust of bewegen met constante snelheid, tenzij er externe krachten op inwerken Mate van verandering van de toestand (rust of beweging) van het object staat in direct proportionele verhouding met de ob het object uitgeoefende kracht Alle werkzame krachten genereren een gelijkwaardige, tegengestelde kracht 6 1e wet van Newton Snelheid vs. versnelling: Er is geen kracht/versnelling nodig, om een bewegend object in beweging te houden! Krachten veroorzaken beweging, maar geen versnelling! 2

3 Snelheid vs. versnelling Kracht = massa x versnelling Snelheid = afstand / tijd m/s Versnelling = toename aan snelheid/ tijd m/s 2 Kracht en Energie Kracht = Massa x versnelling [Kracht] = Newton 1 N = 1 kg m s -2 Gewicht = Kracht Massa 1 kg = Massa (onafhankelijk van omgeving!) Massa bekomt pas gewicht door zwaartekrachtversnelling! Zwaartekrachtversnelling = aantrekkingskracht Op de aarde: 9,81 m s -2 1 kg weegt dus 9,81 N Energie Energie = vermogen om arbeid te verrichten Energie = vermogen om beweging te creëren Object valt van grote hoogte = meer energieoverdracht bij landing dan bij kleine hoogte Energie al aanwezig, voordat het object begon te vallen! Object tegen de zwaartekracht in naar hoogte brengen = energie in object investeren ( potentiele energie ) Overdracht van potentiele energie naar kinetische energie en vice versa (Wrijving / warmte als extra factor) 3

4 Kracht en Energie [Kracht] = N (Newton) 1 N = 1 kg m s -2 [Energie] = Joule 1 J = 1 N m 1 J = Energie, die op aarde nodig is om 1 N (dus 100g) 1 m hoog op te tillen 1 cal = 4,2 J Dagelijks energieverbruik: J = 2500 kcal 1 m = 1 J Energie en Arbeid Arbeid = Energieverbruik / Inspanningsvermogen [Arbeid] = Watt (W) 1 W = 1 J / s Dagelijks verbruik: Joule/dag Kan je omrekenen naar: 115,74 Watt Fietsproef: Normaal 3-5 Watt / kg 100 g = 547 kcal = 2297 kj = Joule Arbeid anders afgeleid: Druk = Kracht / Oppervlakte Kracht = Druk x Oppervlakte Volume = Afstand x Oppervlakte Afstand = Volumen / Oppervlakte Arbeid = Kracht x Afstand Arbeid = (Druk x Oppervlakte) x (Volume /Oppervlakte) Vermogen, Spanning, Stroom Vermogen = Spanning x Stroom 1 W = 1 V x 1 A Netspanning: 230 V Ingebouwde zekeringen: 16 A Maximale vermogen uit een stopcontact: 16 x 230 = 3680 W Arbeid = Druk x Volume in de hart- en longfysiologie! 4

5 SI-Eenheden Druk Lengte (m) Massa (kg) Tijd (s) Stroom (A) Temperatuur (K) Lichtintensiteit (Cd) Molecuulaantal (mol) Alle overige eenheden zijn afgeleid! Druk Druk = Kracht / Oppervlakte 1 Pa = 1 N / 1 m g op 1 m 2 is vrij weinig! Daarom: hpa (100 Pa) = 1 mbar Normale luchtdruk (1 atm): Lucht is stof, heeft massa en oefent druk uit! Lucht = 1,25 kg/m 3 (Styropor = 17 kg / m 3 ) Pa = 1013,25 hpa = 101,325 kpa 1013,25 mbar = 1,013 bar 760 mm Hg = 760 Torr 10,33 m H 2 O 14,696 psi (pounds per square inch) Druk = Kracht / Oppervlakte Olifant = 4500 kg / voet= 1600 cm 2 / altijd minimaal 2 benen op grond Vrouw = 65 kg / Louboutin hakken: 1 cm 2 / regelmatig alleen 1 hak op grond Olifant = 140 kpa / vrouw = 6500 kpa 5

6 Werken met spuiten Druk waarmee vloeistof uitstroomt = kracht / oppervlakte Om vloeistof uit de spuit te krijgen: druk op stempel Kracht die nodig is om stempel in te drukken: druk x oppervlakte 2 ml vs. 20 ml spuit: d = 1 vs. 2 cm Oppervlakte = πr 2 = 0.78 cm 2 vs cm 2 = 4 x meer kracht nodig voor zelfde druk Werken met spuiten Normale bloeddruk: 120 mm Hg = 16 kpa!!! Duim produceert kracht van 25 N op de stempel 2 ml spuit = 25 N / 0.78 cm 2 = 320 kpa 20 ml spuit = 25 N / 3,14 cm 2 = 80 kpa Nog steeds meer dan 5 x SBP en waarschijnlijk ook meer dan de stevigste tourniquet! Bier s Blok: Grote spuit! Langzaam inspuiten! Pressure P= f/a 6

7 Decubitus 20 kg van het gewicht van de patiënt rusten op 10 x 10 cm oppervlakte: 19, 6 kpa Risico op ischemie en drukplekken aanwezig bij - groot gewicht - kleine oppervlakte bij positionering - lage SBD - lange duur van deze toestand - (lokaal probleem) Bloeddruk = Spanning Gemeten bloeddruk = druk op wand van het bloedvat Spanning = Wet van Ohm U = R X I (Spanning = Stroom x Weerstand) Vertalen naar circulatie: Bloeddruk = Cardiac Output x System. Vaatweerstand Flow (in principe) belangrijker dan druk! Cardiac Output = Bloeddruk / System. Vaatweerstand Wie dus de RR verhoogt door alleen de SVR te verhogen, verbetert niet automatisch ook de perfusie!! Cardiac Output 2 Aggregatietoestanden Cardiac Output = Slagvolumen x Hartfrequentie Slagvolumen is afhankelijk van Preload Afterload Inotropie Cardiac Output volgens Fick: VO 2 = CO x avdo 2 wordt dan: Water: 100 C tussen vast en gasvormig Meeste andere stoffen veel groter verschil! Gas-fase in de atmosfere: 1 bar VO 2 CO = avdo 2 waarbij VO 2 nog benaderd kan worden via de CO 2 -productie 7

8 Definities: Gassen kunnen vloeibaar worden door hogere druk Afkoeling Kritische temperatuur: boven deze temperatuur kan het gas niet vloeibaar gemaakt worden door drukverhoging Kritische druk: minimale druk die bij kritische temperatuur nodig is, om gas vloeibaar te maken Kritisch volume: volume van 1 mol gas bij kritische druk en kritische temperatuur Gas: gasvormig bij normale druk en kamertemperatuur Vapor / Damp: gas, dat bij kamertemperatuur normaliter vloeibaar is (kritische temperatuur > kamertemperatuur) Lachgas vs. zuurstof Kritische Temperatuur: Lachgas 36,5 C Zuurstof -119 C Kritische Druk: Lachgas 73 bar bij 36,5 C Lachgas 52 bar bij 20,0 C Zuurstof = Gas Lachgas = Damp Lachgas-Cylinder Hoeveel zit er nog in? Opgeslagen als vloeistof Komt als gas vrij Daarom: gewicht van de cylinder bepalen! Cylinder = 5,6 kg Leeg gewicht = 4,5 kg Gewicht lachgas = 1,1 kg = 1100 g 1 Mol N 2 O = 44 g = 22,4 l (N = 14, O = 16) 1100 g x 22,4 l / 44 g = 560 l voorraad in cylinder Gas is comprimeerbaar! LOR met water of lucht? Gaswetten: 1) Boyle p x V = const. 2) Charles V / T = const. 3) Gay-Lussac / algemene gaswet: p x V = T x n x R (R = const. 8,32 J/C bij1 mol gas) 8

9 De gaswetten Dalton s wet van de partiele druk - Ademlucht = gasmengsel - 21% zuurstof - Percentage blijft gelijk - Totale luchtdruk kan veranderen (weer, hoogte) - Gas neemt bij de druk / percentage passend volume in! P =P 1 + P 2 + P 3 De partiele druk Zuurstoftransport Wie meer dan 70% O2 nodig heeft kan niet meer met een normaal vliegtuig reizen Wie op de grond 70% nodig heeft, zal op 2000 m hoogte 100% nodig hebben 9

10 Fick s diffusiewet Concentratie / Druk-gradient (meer = meer) Membraanoppervlakte (meer = meer) Membraandikte (meer = minder) Stof (moleculair gewicht: meer = minder) (oplosbaarheid: meer = meer) Flow (stroming) Volume van gas of vloeistof dat een bepaalde dwarsdoorsnede per tijdseenheid passeert Laminaire flow vs. Turbulente flow Kinematische viscositeit = densiteit / viscositeit Wet van Hagen-Poisseuille (bij lamin. flow!) Hagen Poisseuille in de praktijk Denk aan infuusnaalden, tubes, slijmvlieszwelling bij kinderen met pseudocroup RADIUS IN DE 4 de MACHT!!! (bij turbulente flow alleen 2 de macht) 10

11 Hagen-Poisseuille in de praktijk Bernoulli-Fenomeen: Door wet van energiebehoud minder druk bij hoge flow Hierdoor aantrekkingsvermogen voor andere vloeistof Wet van La Place Oplosbaarheid van anesthetica: T = wandspanning Kleine alveoli hebben meer druk nodig om niet te collaberen als er geen surfactant is Eigenlijk: P = (2 x T x d) / r d = wanddikte Niet zo belangrijk bij alveoli, wel bij het myocard!: T = (P x r) / (2 x d) Wandspanning neemt af bij hypertrofie! 11

12 Osmotische druk = Aantrekkingskracht voor water door semipermeabele membraan Ionisatie, ph, pka zwakke base ph>pka: nietgeioniseerd + ph=pka: unionized=ionized ph<pka: geioniseerd + bv: Basische drug (diazepam) pka3.3 In maag: ph=1.3 In plasma: ph=7.4 Hogereconc. diazepam in de maagdanin plasma Zwakke zuur ph>pka: geionseerd + ph=pka: unionized=ionized ph<pka: niet geioniseerd + Denk aan hersenoedeem bij TURP-syndroom etc. Warmteuitwisseling Temperatuurmanagement op de OK: Radiatie = 40-70% Convectie = tot 30% Conductie (weinig, meestal vocht) Evaporatie ca. 20 % OK-gebied! 12

13 Warm air?! Spectophotometrie Straling kent verschillende golflengtes Straling door een oplossing (bloed) = absorptie vindt plaats Wet van Lambert Beer: De stof aan zich, de dikte en de concentratie bepalen de absorptie T ( λ,c,d ) = exp ( κ ( λ ) c d ) Gebruikt b.v. voor pulsoximetrie 13

14 Wheatstone Bridge Figure 2.5 Isolation in a disposable blood-pressure sensor. Disposable blood pressure sensors are made of clear plastic so air bubbles are easily seen. Saline flows from an intravenous (IV) bag through the clear IV tubing and the sensor to the patient. This flushes blood out of the tip of the indwelling catheter to prevent clotting. A lever can open or close the flush valve. The silicon chip has a silicon diaphragm with a four-resistor Wheatstone bridge diffused into it. Its electrical connections are protected from the saline by a compliant silicone elastomer gel, which also provides electrical isolation. This prevents electric shock from the sensor to the patient and prevents destructive currents during defibrillation from the patient to the silicon chip. Elektrischer circuit om weerstanden te vergelijken Maakt metingen ook van kleine veranderingen mogelijk De variabele weerstand wordt zo aangepast, dat geen stroom meer door het galvanometer gaat De nodige aanpassingen van Rv maken het meten van Ru mogelijk Transducer: vertaalt mechanisch signaal in elektrisch signaal Signaaltransductie Vuur op de OK Economisch spier Hydraulisch, Pneumatisch, Acoustisch Transductie tussen fysische domeinen zuiger, trommelvlies pomp, propellor, turbine Mechanisch hefboom, katrol-reductie translatie rotatie elektromagnetische flow meter / pomp luidspreker / microfoon, lineaire motor /generator, piezo-element, trilhaarcel schroefspindel, lier kruk-as, wiel Elektrisch motor / generator, draaispoelmeter transformator rem, wrijving Stirlingmotor transmissie (versnellingsbak) verbrandings-motor: expanderend gas, explosie smoorklep, koelkast Uitzetting, geheugen metaal Thermisch Ohmse weerstand Peltier-element photo-diode: (zonnecel) staafjes, kegeltjes absorptie, zwarte straler endotherme reaktie exotherme reaktie: Accu, Batterij, verbranding brandstofcel, zenuw Chemisch, Straling, nucleair Licht Fotosynthese LED, Laser, vlamboog A. Veltman,

15 Vuur op de OK Vragen? 15