Medizinische Physik: Physik für Mediziner, Pharmazeuten und Biologen

938 Pages·1992·21.88 MB·German

by  O. Prof. Dr. techn. Adolf Friedrich Fercher (auth.)

Adolf Friedrich Pereher
Medizinische Physik
Physik für Mediziner, Pharmazeuten
und Biologen
Springer- Verlag Wien GmbH
0. Prof. Dr. techn. AdolfFriedrich Fercher
Vorstand des Institutes für Medizinische Physik
der Universität Wien, Österreich
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© 1992 by Springer-Verlag Wien
Originally published by Springer-Verlag/Wien 1992
Gedruckt auf säurefreiem, chlorfrei gebleichtem Papier (Gruppe A)
Satz: Thomson Press (India) Ltd., New Delhi 110 001
Mit 676 Abbildungen
ISBN 978-3-211-82371-2 ISBN 978-3-7091-3309-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-7091-3309-5
Für Sonja
VORWORT
Wer aufhört,
besser werden zu wollen,
hört auf,
gut zu sein.
Nach Marie von Ebner-Eschenbach
Heilkunst und Heilkunde wurzeln tief im Irrationalen. Der Patient hat aber
nicht nur Anspruch auf die so wichtige "ärztliche Urgebärde" des Handauflegens
(Leupold-Kirschneck) bzw. der ärztlichen Zuwendung, sondern auch auf das
Potential der modernen wissenschaftlichen Heilkunst und Heilkunde, der Medizin.
Medizin ist die Wissenschaft von gesunden und kranken Lebewesen sowie der
Verhütung, Erkennung und Heilung ihrer Krankheiten. Zwar werden voraussichtlich
in alle Zukunft auch empirische Methoden in der Medizin eine Rolle spielen,
dennoch herrscht kein Zweifel, daß nur ein wissenschaftliches Verständnis der
Prozesse, die dem gesunden und kranken Körper zugrunde liegen, eine optimale
medizinische Versorgung ermöglicht.
Die naturwissenschaftliche Grundlage der modernen Medizin bilden Physik,
Chemie und Biologie. Physikalische Methoden und Einsichten spielen in folgenden
Zusammenhängen in der Medizin eine herausragende Rolle:
1. in der Physiologie und in der Pathologie zum Verständnis der physikalischen
Funktionen des gesunden und kranken Körpers;
2. in der Biologie als Basis zum Verständnis molekularbiologischer und
zellbiologischer Prozesse;
3. in der medizinischen Diagnostik zum Verständnis der Bedeutung der erho
benen bzw. gemessenen Größen. Das reicht von der Erhebung des physikalischen
Status bis zu modernsten Diagnoseverfahren, wie der MR-Tomographie;
4. in der Physikalischen Medizin, wo an der Nahtstelle zwischen Therapie und
Rehabilitation physikalische Methoden wie Balneotherapie, Mechanotherapie,
Thermotherapie, Elektro- und Phototherapie zur Anwendung kommen;
5. zum Verständnis physikalisch bedingter Erkrankungen wie beispielsweise
durch ionisierende und nichtionisierende Strahlung, durch Hitze- und Kälteein
wirkung, durch Einwirkung von elektromagnetischen Feldern und Strömen und
durch Druckveränderungen beim Tauchen oder Fliegen;
6. in der Medizintechnik als Basis des sachgerechten Einsatzes sowie zum
Verständnis des Gefährdungspotentials diagnostischer und therapeutischer
physikalischer Verfahren. Dies gilt auch für den Einsatz schon bewährter Methoden
in neuen Bereichen oder unter neuen Umständen, wo noch keine adäquaten
VIII Vorwort
Erfahrungen vorliegen: Fortschritt ist mit erträglichem Risiko nur möglich, wenn
die wissenschaftlichen Grundlagen bekannt sind.
Ferner ist
7. ... die Kritikfähigkeit des Arztes den Apparaten gegenüber, die er nutzt,
proportional zu seinem Wissen über die einschlägigen wissenschaftlichen
Grundlagen. Der Arzt benötigt allerdings nicht das Wissen des Gerätetechnikers.
Seine Kompetenz ist die Wechselwirkung des Geräts mit dem menschlichen
Körper. Gute Physikkenntnisse auf seiten des Mediziners sind auch Voraus
setzung für eine ärztliche Beeinflussung der Entwicklungen in der Medizintechnik;
8. ... Art und Einsatz medizinischer Geräte und Methoden starkem zeitlichen
Wandel unterworfen. Heute mehr denn je. Viele Geräte, die der Medizinstudent
während des Studiums kennenlernt, werden bereits veraltet sein, wenn er als Arzt
tätig wird. Was sich hingegen nicht ändert, sind die wissenschaftlichen Grundlagen;
9. ... die Physik wesentliche Basis unseres heutigen Weltbilds. Daran sollte
auch der Mediziner teilhaben.
Echte Kompetenz bedeutet vor allem auch, daß der Student elementare
Fragestellungen quantitativ lösen kann. Beispielsweise die Abschätzung des Fehlers
bei der Blutdruckmessung, wenn die Manschette ein paar Zentimeter verrutscht.
Oder die Abschätzung der Gesundheitsgefahrdung durch ionisierende Strahlung,
die Gefährdung des Gehörs durch Schall, der Augen und der Haut durch Licht
oder der Knochen durch mechanische Belastungen. Medizin ist eine angewandte
Wissenschaft, dies gilt umso mehr für die wissenschaftlichen Grundlagen. Diesem
Umstand tragen viele durchgerechnete Beispiele und Aufgaben mit Lösungen
Rechnung.
Das vorliegende Buch ist ein Lehrbuch für Hochschulanfanger. Es führt
systematisch in die Grundlagen der reinen Physik ein. Die physikalischen Gesetze
werden hergeleitet bzw. ihre Entstehung verdeutlicht. Die Bedeutung dieser Gesetze
wird mit Hilfe der zahlreichen Beispiele erläutert. Die Medizinische Physik wird
teils in speziellen Kapiteln und teils in den zahlreichen Beispielen präsentiert.
Dieses Buch ist aus der Vorlesungstätigkeit des Verfassers für Physik- und
Medizinstudenten an zwei Universitäten (Essen und Wien) und aus Weiterbildungs
veranstaltungen für Medizinphysiker entstanden. Als Voraussetzung genügen
Kenntnisse der Schulphysik. Dem Lehrbuchcharakter entsprechend wurde jedem
Kapitel eine Zusammenfassung nachgestellt, die es erlaubt, die wesentlichen
Inhalte zu rekapitulieren. An die Zusammenfassung schließen sich Beispiele und
Aufgaben an, die eine Überprüfung des Gelernten und eine Erprobung des Könnens
erlauben. Zur Erleichterung der Handhabung beim Lernen wurde der eigentliche
zugrunde liegende Stoff in Normaldruck, Zusammenfassungen, Beispiele und
Aufgaben in Kleindruck ausgeführt. Der gezielten Prüfungsvorbereitung auf das
deutsche Physikum dient ein Schlüssel zum Gegenstandskatalog des Instituts für
medizinische Prüfungsfragen.
Die Medizinische Physik umfaßt die oben aufgelisteten Aspekte der Physik in
der Medizin. Es gibt hier viele Berührungspunkte mit anderen Fächern,
insbesondere mit der Physikalischen Medizin und der Biophysik. Die Unterschiede
zu diesen Disziplinen sind in den Berührungspunkten naturgemäß verschwindend
klein, hingegen liegen die Schwerpunkte dieser Fächer doch deutlich auseinander.
Hinweise zur Benutzung des Buches IX
Während die Medizinische Physik den Studenten hauptsächlich mit dem physikali
schen Wissen für das Studium und die ärztliche Berufsausübung vertraut macht,
findet die Biophysik ihren Schwerpunkt als Grundlagenwissenschaft innerhalb der
Biologie, die ihrerseits ein Grundlagenfach der Medizin ist. Schließlich liegt der
Schwerpunkt der physikalischen Medizin wiederum eindeutig im Bereich der
Therapie und da vor allem bei chronischen Erkrankungen und bei der Nachbehand
lung.
Der Inhalt dieses Buchs geht über den im deutschen Sprachraum gelehrten
Stoff der Physik für Mediziner deutlich hinaus. Es enthält auch das für Fachärzte
in den entsprechenden Disziplinen erforderliche physikalische Grundwissen. Die
ausführliche Behandlung vieler biophysikalischer Fragen, medizinisch-physikali
scher Probleme aus der Klinik und der Unfallverhütung, sowie die Diskussion der
Gefahrenpotentiale der verschiedenen physikalischen Verfahren in Diagnostik und
Therapie macht das Buch außerdem zu einem für die spätere Tätigkeit nützlichen
Nachschlagewerk für den Mediziner und biomedizinisch orientierten Naturwissen
schaftler und wird auch manchem Medizinphysiker eine nützliche Hilfe sein.
Es bleibt mir noch die angenehme Pflicht, den Firmen Kretztechnik, Philips,
Siemens und Carl Zeiss sowie Herrn Univ.-Prof. Dr. H. Pokieser, Vorstand der
Universitätsklinik für Radiodiagnostik der Universität Wien, für viele zur
Verfügung gestellte Bilder zu danken. Ebenso danke ich Herrn Univ.-Prof. Dr. P.
Spieckermann, Vorstand des Instituts für Medizinische Physiologie der Universität
Wien, für zahlreiche Anregungen und Hinweise sowie meinen Mitarbeitern Dr.
Christoph Hitzenberger, Dr. Ewald Moser, Dr. Leopold Sehrnetterer und Dr.
lngwald Strasser für die kritische Durchsicht verschiedener Kapitel. Dem Springer
Verlag Wien, insbesondere Herrn Raimund Petri-Wieder und Herrn Frank Ch.
May, danke ich für das bereitwillige Eingehen auf meine Wünsche und Herrn Ing.
Edwin W. Schwarz für die sorgfaltige Gestaltung und Ausführung des Drucks.
Schließlich danke ich meiner Familie für das während der Arbeiten zu diesem
Buch aufgebrachte Verständnis.
Wien, im Februar 1992 A. F. Fercher
Hinweise zur Benutzung des Buches
Der Inhalt ist in 28 KAPITEL gegliedert, die in die Kapitelgruppen
MECHANIK
WÄRMELEHRE
ELEKTRIZITÄTSLEHRE
ATOM- UND MOLEKÜLPHYSIK
KERN- UND STRAHLENPHYSIK
OPTIK
zusammengefaßt sind. Die Größe der verschiedenen Kapitel entspricht etwa deren
Bedeutung für das physikalische Grundlagenwissen und ihrer Rolle in der
Medizinischen Physik. Die meisten Kapitel sind noch in Abschnitte untergliedert.
X Hinweise zur Benutzung des Buches
Jeder Abschnitt, manchmal mehrere eng zusammengehörige Abschnitte, enthalten
am Anfang eine historische Einführung und Hinweise zur medizinischen Bedeutung
des nachfolgenden Stoffs. Nach der darauf folgenden Erläuterung der
physikalischen Zusammenhänge folgt jeweils eine
ZUSAMMENFASSUNG,
die die wichtigsten quantitativen Zusammenhänge (mit numerierten Formeln)
enthält und eine kurze Wiederholung des zuvor behandelten Stoffs erlaubt. Daran
schließen sich
BEISPIELE,
an, u. zw. meist aus der medizinischen Physik, und darauf folgen
AUFGABEN,
die eine Überprüfung des Könnens des Lernenden erlauben. Lösungen der
Aufgaben, ein Glossar der benutzten medizinischen Fachausdrücke sowie ein
SCHLÜSSEL ZUM DEUTSCHEN GEGENSTANDSKATALOG
finden sich im Anhang.
Zum Druck wäre noch anzumerken, daß VEKTOREN im Text durch
Halbfettdruck, in den Abbildungen hingegen durch einen Pfeil über dem
Größensymbol gekennzeichnet sind.
INHALTSVERZEICHNIS
TABELLENÜBERSICHT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XVII
PHYSIKALISCHE KONSTANTEN UND UMRECHNUNGSFAKTOREN . XIX
PERIODISCHES SYSTEM DER ELEMENTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXI
GRÖSSENSYMBOLE, EINHEITENSYMBOLE UND SONDERZEICHEN. XXIII
EINLEITUNG ....................................... .
MECHANIK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1. Kinematik und etwas Mathematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1 Größenlehre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Längen- und Winkelmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3 Koordinatensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4 Zeitmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5 Wachstum, Stabilität und Chaos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Zusammenfassung l.A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.6 Geradlinige Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.7 Infinitesimalrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.8 Vektorrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.9 Kreisbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.10 Winkelfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Zusammenfassung l.B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2. Statik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.1 Wechselwirkungen und Bausteine der Materie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.2 Kräftegleichgewicht ............... .' . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Zusammenfassung 2.A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.3 Elastostatik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Zusammenfassung 2.B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Aufgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89