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. 1

2 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 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. 2

3 Ur kursprogrammet: Ordinarie tentamen: måndagen den 13 mars 2017, kl. 8-13, sal Sparta D 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 13/3, således maximalt 2,5 poäng. Inlämningsuppgifterna presenteras på hemsidan under särskild flik. Deadlines: 30/1, 6/2, 13/2, 20/2, 6/3 Preliminärt schema 2017 Tid Plats Aktivitet Kapitel i kursbok läsvecka 1 16/ E:1328 F Kap. 1 20/ E:1147 S/Ö Kap. 1 läsvecka 2 23/ E:1328 F Kap. 2,3 24/ E:1328 S Kap. 2,3 27/ E:1147 Ö Kap. 2,3 läsvecka 3 30/ E:1328 F Kap. 4,5 31/ E:1328 S Kap. 4,5 3/ E:1147 Ö Kap. 4,5 läsvecka 4 6/ E:1328 F Kap. 6 7/ E:3308 S Kap. 6 10/ E:1147 Ö Kap. 6 läsvecka 5 13/ E:1328 F Kap. 8,9 14/ E:1328 S Kap. 8,9 17/ E:1147 Ö Kap. 8, 9 läsvecka 6 20/ E:1328 F Gästföreläsning 22/ BME-korr. LABB läsvecka 7 27/ E:1328 F Kap. 17 1/ E:1328 S Kap. 17 3/ E:1147 Ö Kap. 17 F = föreläsning, Ö= övning, S= seminarium 3

4 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 Diffusion Slumpmässiga rörelser ( random walk ) Diffusionskoefficienten, D ij 4

5 Exempel på diffusionskoefficienter Konvektion Bulkrörelser hos gaser och vätskor, ex. värmeströmning eller rörelsemängd (mv) (eller energi) Konvektion av rörelsemängd orsakas av krafter, ex. tyngdkraft, tryck, skjuvkrafter (blodflöde, flöde i ledvätska) 5

6 Materialparametrar som dyker upp vid konvektion Rel. mellan flöden och gradienter för molekylär transport 6

7 Relation mellan tröghets- och viskösa krafter Reynolds tal: Stationärt, laminärt flöde Osborne Reynolds, Turbulent flöde Relativ betydelse av konvektion resp. diffusion Peclet tal: Pe << 1 : diffusion snabbare Pe stort: konvektion snabbare Jean Claude Eugéne Peclét

8 Storleksordningar i människokroppen Diffusion ñ Konvektion 1.4. Transport inom celler (hoppas över!) 8

9 Cellmembran 1.5 Transcellulär transport (hoppas över) Exempel: i tarmväggen 9

10 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 10

11 Hjärtat CO: Cardiac output; hjärtminutvolym SV: Stroke volume; slagvolym HR: Heart rate; puls CO = SV x HR Blodflöde vid olika aktivitet 11

12 Respirationssystemet Näsa Struphuvud (larynx) Luftstrupe (trachea) Lungor Kapillärbädd Nervsystemet Diafragman Löslighetskurvor Uppgift S1.1 12

13 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. Löslighetskurvor Uppgift S1.1 13

14 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% Gasutbytet i lungan lungartär lungven 14

15 Matsmältningssystemet Munhålan Matsmältningskanalen Lever Gallblåsa Bukspottskörtel Matsmältningskanalen: Matstrupe (esophagus) Magsäcken Tunn- och tjock tarm Ändtarm Levern 15

16 Njurarna Njurarna, forts. 16

17 Atheroscleros Cancer 17

18 Konstgjorda organ Artificiell lever 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

19 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. 19