Transportfenomen i människokroppen

Transkript

1 Transportfenomen i människokroppen Laborationshandledning Institutionen för biomedicinsk teknik LTH

2 Inför laborationen: Skriv ut den här laborationshandledningen eller ladda ner den till dator/surfplatta (ej mobiltelefon) och ta med handledningen till laborationen. Läs igenom laborationshandledningen. Ta med miniräknare och anteckningsblock till laborationen. När du kommer till laborationstillfället skall du ha skrivit ned kortfattade svar på förberedelsefrågorna till laborationens två delmoment. Frågorna hittar du på sidan 2 respektive 5. För godkänd laboration krävs: Godkänt på de skriftliga förberedelsefrågorna. Aktivt deltagande vid laborationstillfället Godkänd individuell rapport Rapporten skickas digitalt, som pdf-fil, till ingrid.svensson@bme.lth.se senast 29 februari Rapporten får vara max 4 sidor. Innehållet i rapporten framgår av beskrivningarna för laborationens två delar på sidan 4 respektive 6 Biomedicinsk teknik vid LTH 1

3 Laborations moment: Flödesmätningar Inledning Laborationen har som mål att öka förståelsen av fysiologiska flöden genom att ge praktisk erfarenhet av mätning på modeller av denna typ av flöden. Modeller som används för att studera fysiologiska fenomen kallas ofta fantomer och för den flödesfantom som ni kommer att utnyttja i laborationen kommer ni att med hjälp av ultraljud både att kunna se flödesprofiler och kvantifiera flöden. Artären i det fysiologiska cirkulationssystemet ersätts i fantomen med en slang av gummi, trycket som driver flödet skapas med hjälp av en vattentank. Förberedelseuppgift: Flödesmätningar I laborationen kommer vi att använda en fantom bestående av gummislangar med diametern 8 respektive 11 mm, uppmätt med en linjal. Vid ett test lät vi rumstempererat vatten flöda genom fantomen tills ett 200 ml mätglas var fyllt. Detta tog 36 sekunder. 1. Beräkna Reynolds tal för det aktuella flödet i fantomens två olika slangdiametrar. 2. Diskutera metoden och resultatet. Lista tre likheter och tre olikheter mellan fantomen och en artär. Materielförteckning Vattentank Gummislangar Fantomslang med avsmalning Vatten med ekogena partiklar Ultraljudsutrustning (givare, hårdvara, dator) Uppsamlingskärl Hållare monterat i ett stativ Beskrivning av uppställningen För att generera ett konstant flöde användes en tank med utlopp i nedre hörnet. Utloppet är kopplat via slangar till fantomen och därefter ut till ett uppsamlingskärl. Vattenhöjden i tanken bestämmer flödeshastigheten. Givaren som används heter LA523. För att kunna mäta med denna givare skall du öppna menyn för LA523 och välja det näst sista programmet (B-MSD-SpTR- Mode). Fönstret i figur X visas då på skärmen. I Figur 1 visas också en mätning på en mänsklig halspulsåder. Biomedicinsk teknik vid LTH 2

4 Figur 1: (A) Ultraljudsbild av carotis, den gula linjen anger normalen till flödesriktningen (B) dopplersignal för den gula linjen, (C) Dopplersignal till den blå linjen i fönster A, frekvenserna är proportionella till flödeshastigheterna, (D) Intensitetsfördelning över tid från vit linje i fönster C, (E) Maximala flödeshastighet vid den gula linjen i figur C som funktion av tiden. I laborationen kommer vi främst utnyttja fönster A, C och E (se Figur 1). I fönster A visas en B- mode bild. Fönster C ger en bild av flödesprofilen. I fönster E ritas en kurva i realtid över maxhastigheten i en mätpunkt. Vi kommer att använda ultraljudsbilden för att positionera givare, fokusdjupet och flödesmätningsmarkören. Sedan övergår vi till fönster C för att markera mätpunkten och läser slutligen av hastigheten uppe till vänster i fönster E. Flödesmätningar med ultraljud 1. Placera givaren i hållare och rikta in den så att ni får en tydlig ultraljudsbild av den smala delen av slangen. Om båda slangens väggar är vita betyder det att ultraljudet faller in rakt mot båda väggarna och ger starka ekon. 2. Ställ in fokusdjup och mätdjup i fönster A. Det går att justera fokusdjupet genom att dra i den lilla gula markören till vänster i fönster A. Fokus bör ligga i närheten av den distala väggen (väggen nederst i bilden). Placera den röda markören för flödesmätning i mitten mellan de två väggarna i ultraljudsbilden. 3. Läs av djupet på skalan till vänster och se till så att den gula linjen (i fönster C) ligger på samma djup som den röda markören. Om linjen inte syns i bild så klicka och dra i rutan tills den lokaliseras och dra ner den till korrekt läge. Nu är vi redo att mäta flödet! 4. Kontrollera att utflödesslangen ligger i uppsamlingskärlet. Eftersom vi inte använder ett slutet kretslopp är det bra om någon har koll på kärlet så att detta ej svämmar över. Starta flödet genom att vrida på handtaget vid tanken. 5. Studera flödet på datorskärmen. Rita av flödesprofilen. Mät upp flödets maxhastighet (fönster E) och notera värdet. Om flödet varken syns i fönster A eller C kan det bero på att partiklarna sjunkit till botten av tanken. Rör i så fall om i tanken. 6. Flytta givaren till den tjocka delen av slangen. Gör om förfarandet ovan och notera flödeshastigheten. Stämmer det med teorin? 7. Om det finns tid; Placera givaren precis efter avsmalningen i mitten av fantomen. Hur ser flödesprofilen ut här? Biomedicinsk teknik vid LTH 3

5 Efterarbete I rapporten skall du ta med: - Beräkningar av volymsflödet utifrån de uppmätta flödeshastigheterna i de olika delarna av fantomen. - Diskutera resultatet! - Diskutera även uppgift 7, antingen teoretiskt eller utifrån era observationer under laborationen. - Redovisning av förberedelseuppgiften. Biomedicinsk teknik vid LTH 4

6 Reologi Inledning Laborationen avser att ge kunskap om en metod för att bestämma viskositet och illustrera två olika fluiders materialbeteende. DISPLAY Följande moment behandlas: Injustering av viskosimetern Studium av viskositet som funktion av skjuvningshastighet respektive temperatur Materielförteckning Viskosimeter: Bohlin Visco 88 BV Ketchup Sirap kopp START CAL. FUNC. ON/OFF SPEED SYSTEM Förberedelseuppgift: Reologi 1. Hur skiljer sig den skenbara viskositeten från den verkliga viskositeten? 2. Hur varierar viskositeten för ketchup med avseende på skjuvningshastigheten? 3. Hur varierar viskositeten för sirap med avseende på skjuvningshastigheten? 4. Hur påverkar temperaturen viskositeten för ketchup respektive sirap? Beskrivning av viskosimetern Viskometern som används i laborationen är en rotationsviskosimeter med en stillastående cylindriskt formad kopp och en solid roterande cylinder. Den fluid som skall undersökas hälls i koppen och koppen träs på den solida cylindern. Fluiden trycks då ut i utrymmet mellan koppens vägg och den inre solida cylindern. Därefter startas rotationen av den inre cylindern. Rotationshastigheten och det moment som krävs för att rotera cylindern mäts och viskositeten kan bestämmas. På viskosimeterns display kan följande parametrar avläsas: - momentet, M [mnm] - skjuvningshastighet, γ [1/s] - skjuvspänning, τ [Pa] - viskositet, η [Pa s] - temperatur, T [ C] - rotationshastighet, f [varv/s] Notera att mjukvaran i viskosimetern utnyttjar antagandet om Newtonsk vätska i beräkningen av skjuvningshastighet, skjuvspänning och viskositet. När icke-newtonska vätskor studeras så är det Biomedicinsk teknik vid LTH 5

7 möjligt att beräkna den verkliga viskositeten med hjälp av mätvärdena för rotationshastighet och moment. Mäta viskositet 1. Montera innercylindern med 25 mm diameter (den mellersta storleken) i viskosimetern. 2. Tryck i bottnen i koppen med diametern 27.5 mm (den mellersta storleken) och häll i ca.10g ketchup. 3. Trä cylindern med ketchupen utanpå den fasta cylindern, tryck yttercylindern uppåt och rotera den moturs så bajonettfattningen låser fast den i viskosimetern. 4. Ställ SYSTEM-reglaget i läge 2 (ges av kombinationen av ytter- och innerdiameter). 5. Starta rotationen på läge 1. Notera värden för M, f, η, γ, τ, T. Du väljer vad som visas i displayen med knappen som är märkt FUNCTION. 6. Gör en mätserie för ketchupen där hastigheten varieras från läge 1-8. Notera samtliga 48 mätvärden i en tabell (8 rader och 6 kolumner). 7. Stanna rotationen, ta försiktigt loss yttercylindern och där efter innercylindern. Diska av cylindrarna i vasken. 8. Byt fluid till sirap (12g) och gör samma typ av mätning men endast för den lägsta hastigheten (SPEED-reglaget) i position 1. Gör först mätningen vid rumstemperatur och där efter vid 30 C. Värm sirapen genom att trä ett varmt vattenbad utanpå yttercylindern. Efterarbete I rapporten skall du ta med: - En kort inledning till vad ni har mätt och hur ni gjorde mätningen (0.5-1 sida) - Beskrivning av hur man beräknar viskositeten för Newtonska respektive icke-newtonska fluider - Mätresultat - Diagram över ketchupens skenbara viskositet som funktion av skjuvningshastigheten - Kommentar till resultatet - Mätvärden för sirapen - Diagram över sirapens viskositet som funktion av temperaturen - Kommentar till resultatet Biomedicinsk teknik vid LTH 6