Transportfenomen i människokroppen

Transkript

1 Transportfenomen i människokroppen Introduktion Ingrid Svensson 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. Medicin och Teknik/ Introduktion till Medicin och Teknik/ 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 1

2 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. 18/01/16 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 Ur kursprogrammet: 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: Preliminärt schema 2016 Tid Plats Aktivitet Kapitel i kursbok läsvecka 1 18/ E:1328 F Kap. 1 22/ E:1328 S/Ö Kap. 1 läsvecka 2 25/ E:3308 F Kap. 2,3 26/ E:1328 S Kap. 2,3 29/ E:3308 Ö Kap. 2,3 läsvecka 3 1/ E:3308 F Kap. 4,5 2/ E:1328 S Kap. 4,5 5/ E:3308 Ö Kap. 4,5 läsvecka 4 8/ E:3308 F Kap. 6 9/ E: S Kap. 6 12/ E:3308 Ö Kap. 6 läsvecka 5 15/ E:3308 F Kap. 8,9 17/ E:1328 S Kap. 8,9 19/ E:3308 Ö Kap. 8, 9 läsvecka 6 22/ E:3308 F Gästföreläsning 24/ BME-korr. LABB läsvecka 7 29/ E:1328 F Kap. 17 1/ E:1328 S Kap. 17 4/ E:3308 Ö Kap. 17 F = föreläsning, Ö= övning, S= seminarium Massöverförning Diffusion Diffusion: 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. Slumpmässiga rörelser ( random walk ) Hög koncentration Låg koncentration Diffusionskoefficienten, D ij

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 3

4 Relation mellan tröghets- och viskösa krafter Reynolds tal: Relativ betydelse av konvektion resp. diffusion Peclet tal: Stationärt, laminärt flöde Osborne Reynolds, Pe << 1 : diffusion snabbare Pe stort: konvektion snabbare Turbolent flöde Jean Claude Eugéne Peclét Storleksordningar i människokroppen 1.4. Transport inom celler (hoppas över!) Diffusion ñ Konvektion 4

5 Cellmembran 1.5 Transcellulär transport (hoppas över) Exempel: i tarmväggen 1.6 Fysiologiska transportsystemet Kardiovaskulära cirkulationssystemet Kardiovaskulära cirkulationssystemet Respirationssystemet Mag- och tarmkanalen Levern Njurarna } uppgift E1.2 } Uppgift S1.1, 2, E1.1 Hjärtat Blodkärl Blod 5

6 Hjärtat Blodflöde vid olika aktivitet CO: Cardiac output; hjärtminutvolym SV: Stroke volume; slagvolym HR: Heart rate; puls CO = SV x HR Respirationssystemet Löslighetskurvor Näsa Struphuvud (larynx) Luftstrupe (trachea) Lungor Kapillärbädd Nervsystemet Diafragman Uppgift S1.1 6

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 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 mol L -1 = 4C Hb. 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 P O2 = 95 mmhg and the average fractional saturation is S = 95% The partial pressure for oxygen in the veins is P O2 = 38 mmhg and the average fractional saturation is S = 70% Löslighetskurvor Gasutbytet i lungan lungartär lungven Uppgift S1.1 7

8 Matsmältningssystemet Levern Munhålan Matsmältningskanalen Lever Gallblåsa Bukspottskörtel Matsmältningskanalen: Matstrupe (esophagus) Magsäcken Tunn- och tjock tarm Ändtarm Njurarna Njurarna, forts. 8

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 9

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 cm 3 per 100 cm 3 for carbon dioxide in the plasma and 1.98 cm 3 per 100 cm 3 for carbon dioxide transported by the erythrocytes. 10