Physics & clinical measurement

Question 1

Explain “Accuracy”

Answer 1

The ability of a measurement device to match the actual value of the quantity being measured. (How close the dart are to the bullseye).

Question 2

Explain “Precision”

Answer 2

The reproducibility of repeated measurements and a measure of their likely spread. (How tightly packed the a cluster of darts are).

Question 3

Explain “Drift”

Answer 3

A fixed deviation from the true value at all points in the measured range. It can be corrected by the process of zeroing.

Question 4

Explained “Hysteresis”

Answer 4

The phenomenon by which a measurement varies from the input value by different degrees depending on whether the input variable is increasing or decreasing in magnitude at that moment in time. An example is the pressure/volume-loop of the ventilator.

Question 5

Explain “Non-linearity”

Answer 5

The absence of a true linear relationship between the input value and the measured value.

Question 6

Explain “Zeroing and calibration”

Answer 6

Zeroing a display removes any fixed drift and improves the accuracy of the measuring system. If all points is offset by +x, zeroing subtracts x from all display values.

Calibration is used to check for linearity over a given range by taking known set points and checking that they all display a measured value that lies on the ideal straight line. The more points that fit the line, the more certain one can be that the line is indeed straight. One point calibration is useless, two points is basic but not good, three points is ideal.

Question 7

Whats the seven base SI units? Include symbols and what it is measuring.

Answer 7

1. Second (s). Measures time.
2. Metre (m). Measures distance.
3. Mole (mol). Measures amount.
4. Ampere (A). Measures current.
5. Candela (cd). Measures luminous intensity.
6. Kilogram (kg). Measures mass (not weight).
7. Kelvin (K). Measures temperature.

Question 8

Explain signal to noise-ratio.

Answer 8

The ratio of the magnitude of the desired measurement (signal) to that of the undesirable information of the same type (noise). Often encountered in measurement systems with amplification (ECG, noise can be diathermy etc).

Question 9

Explain:
1. Force and Newtons
2. Pressure and Pascal
3. Energy, work and Joules
4. Power and Watts

Answer 9

1. Force is that influence that tends to change the state of motion of an object. Force = mass x acceleration. Measured in Newtons. One Newton is that force which will give a mass of one kilogram an acceleration of one meter per second per second.
2. Pressure is force applied over a unit area. Pressure = Force/Area. Measured in Pascal. One Pascal is equal to a force of one Newton applied over an area of one square meter.
3. Energy is the capacity to do work. Work is the result of a force acting upon an object to cause its displacement in the direction of the force applied. Work (J) = Force x Distance. Both energy and work is measured in Joules. One Joule is the work done when a force of one Newton moves one meter in the direction of the force.
4. Power is the rate at which work is done. Work in watts = Work in Joules / time in seconds (s). Measured in Watts.
   One Watt is the power expended when one Joule of energy is consumed in one second.

Question 10

Describe the three gas laws

Answer 10

1. Boyle’s law: At a constant temperature, the volume of a fixed amount of a perfect gas varies inversely with it’s pressure. PV = K.
2. Charle’s law: At a constant pressure, the volume of a fixed amount of a perfect gas varies in proportion to its absolute temperature. V/T = K.
3. Gay-Lussac’s law: At a constant volume, the pressure of a fixed amount of a perfect gas varies in proportion to its absolute temperature. P/T = K

Question 11

Describe a perfect gas and name the one real gas that’s closest to perfection.

Answer 11

A gas that completely obeys all three gas laws
or
a gas that contains molecules of infinitely small size, which therefore, occupy no volume themselves, and which have no force of attraction between them.

Hydrogen comes closest to being a perfect gas since it has the lowest molecular weight.

Question 12

Describe Avogadro’s hypothesis

Answer 12

Equal volumes of gases at the same temperature and pressure contains equal number of molecules.

Question 13

Describe and explain the universal gas equation

Answer 13

The universal gas equation combines all three gas laws into one.

PV = K, P/T = K, V/T = K –> PV/T = K

For one mole of gas K is named the universal gas constant and given the symbol R -> PV/T = R and for n moles of gas -> PV/T = nR -> PV = nRT

Question 14

Use the universal gas equation to calculate the volume of gas in a compressed cylinder of at constant temperature. Cylinder volume is 5 lit and internal pressure 137 bar.

Answer 14

From PV/T = K we get:
(P1xV1)/T1 = (P2xV2)/T2 = K
T is constant so we can delete them. We are looking for V2 which gives us:
V2 = P1 x V1 / P2

V2 = 137 x 5 / 1 = 685 liters

REMEMBER: You can only use 680 liters of the gas, since the cylinder still holds 5 liters at atmospheric pressure.

Question 15

Define Laminar flow. Name the equation that describes it and explain it.

Answer 15

Laminar flow describes the situation when any fluid (liquid or gas) passes smoothly and steadily along a given path. It is described by the HAGEN-POISEUILLE-equation.

Flow = (Pi x p x r4) / (8 x n x l)

p = pressure drop along the tube
r = radius of the tube
n = viscosity of fluid
l = length of the tube

Question 16

Whats the most important aspect of the Hagen Poiseuille-equation.

Answer 16

That the flow is proportional to the 4th power of the radius. If the radius doubles, the flow through the tube will increase by 16 times.

Question 17

How do the flow differ in the centre and periphery in laminar flow.

Answer 17

The fluid column has a parabolic siluett. In the middle of the column the velocity is about 2 x average, while the fluid near the edge of the tube approaches zero velocity.

Question 18

Explain Turbulent flow and the special equation/number that is associated with it.

Answer 18

Turbulent flow is when fluid flows unpredictably, and not parallel to the tube sides.

As flow is unpredictable there is no single equation that defines the rate of flow, as with laminar flow. However, the REYNOLDS NUMBER can be used to identify whether flow is likely to be laminar or turbulent.

Re = (p x v x d)/n

Re = Reynolds numer (>2000 is likely to be turbulent.
p = density of fluid
v = velocity of fluid
d = diameter of tube
n = viscosity of fluid

Question 19

Explain the Bernoulli principle

Answer 19

An increase in the flow velocity of an ideal fluid will be accompanied by a simultaneous reduction in its pressure.

Question 20

Explain the Venturi effect

Answer 20

The effect by which the introduction of a constriction to fluid flow within a tube causes the velocity of the fluid to increase and, therefore (according to the Bernoulli principle), the pressure of the fluid to fall.

The Venturi effect does NOT describe the entrainment of air or any other fluid. It does however describe the fall in pressure that can be used to pull or entrain fluids or gases into the system in a predictable fashion.

Question 21

Define the law of conservation of energy and what it means in the setting of velocity and pressure of fluids.

Answer 21

Energy cannot be created or destroyed, but can only change from one form to another.

If the velocity (kinetic energy) of a fluid system increases, its pressure (potential energy) must reduce by the same amount.

Question 22

Define and explain the Coanda effect

Answer 22

The tendency of a stream of fluid flowing in proximity to a convex surface to follow the line of the surface rather than its original course.

The effect is thought to occur because a moving column of fluid entrains molecules lying close to the curved surface and therefore creating a relatively low pressure near that surface. As the pressure further away from the surface is higher, the column is pushed towards the low pressure point at the curved surface.

Question 23

Define Heat

Answer 23

The energy that flow between to points owing to the difference in their temperatures. Its measured in Joules.

Question 24

Define temperature

Answer 24

A measure of the mean kinetic energy of the molecules of a substance.

Question 25

Whats the Triple point?

Answer 25

The temperature at which all three phases of water (solid, liquid, gas) are in equilibrium at 611.73 Pa. It occurs at 0,01 Celsius.

Question 26

Explain Kelvin

Answer 26

One Kelvin is equal to 1/273,16 of the thermodynamic triple point of water. A change in temperature of 1K is equal in magnitude as 1C.

Kelvins must be used when performing calculations with temperature. For example the volume of gas do not double between 10 and 20 C, but between 283.15K (10C) and 566.3K (293.15C).

Question 27

What is a:
1. Resistance wire
2. Thermistor
3. Thermocouple

Answer 27

Three different methods of measuring temperature.

1. The resistance of thin piece of metal increases with increasing temperature. A very sensitive way of measuring temp, but fragile and slow.
2. The resistance of certain semiconductor metals falls as temp increases. Fast responding, cheap but suffer from calibration errors and deteriorate over time.
3. A thermocouple utilizes the Seebeck effect. Two dissimilar metals, usually copper and constantan produce a voltage at the their junction that is in proportion to the temperature difference of the junction.

Question 28

Hur fungerar en pulsoximeter?

Answer 28

En probe innehållande två LED transilluminerar utvald vävnad (fingertopp, öronsnibb etc) med monokromatiskt ljus vid två våglängder (röd 660 nm och infraröd 940nm) varje 5-10 millisekund. En fotodiod på andra sidan proben mäter mottaget ljus och konverterar det till en elektrisk signal. Fotodioden kan inte differentiera mellan våglängderna, men aktiveringen av dom två olika LED sker alternerande, så att fotodioden och processorn ska veta vilken våglängd som mäts.

OxyHb och DeoxyHb har olika absorptionsspektra, där DeoxyHb absorberar maximalt med ljus vid det röda spektrat (600-750nm) och oxyHb i det infraröda spektrat (850-1000nm). Absorption av ljus i dessa två spektra används för att uppskatta saturation enligt:
SaO2 = OxyHb / (OxyHb + DeoxyHb).

Felkällor är: avvikande Hb (såsom MetHb eller COHb) där pulsoxymetern inte kan differentiera. Ger antingen falskt för högt eller falskt statiskt (kring 85). Dessutom tar pulsoxymetern generellt tid på sig att ge ett mätvärde, och visat värde är oftast 1 min delay på.

Question 29

Vad är den isobestiska punkten?

Answer 29

Den våglängd då absorptionskoefficienterna för både oxy- och deoxyHb är identiska. Detta är vid 800nm. Kan användas som en referenspunkt då ljusabsorption är oavhängig saturationsgrad.

Vid ritandet av en absorptionskurva kan man rita två linjer som korsar varandra vid 800 nm och där den ena toppar kring 660 (rött) och den andra kring 940 (infrarött) nm.

Question 30

Vad är Beer-Lamberts lag och hur kopplas den till pulsoxymetri?

Answer 30

Beers lag: Intensiteten av överfört ljus minskar exponentiellt med ökad koncentration av substansen (som ljuset färdas i).

Lamberts lag: Intensiteten av överfört ljus minskar exponentiellt med ökad distans genom substansen (som ljuset färdas i).

Dessa kombineras för att räkna ut absorptionsgrad och därigenom saturation.

Question 31

Beskriv några problem, felkällor och tekniska begränsningar med pulsoxymetri.

Answer 31

1. Pulsoximetern är kalibrerad efter friska frivilliga och är inte validerad vid låga hypnotiska värden. Värden under 70-80% är därför inte tillförlitliga.
2. Interferens från ambient ljus kan ske i ett ljust rum. Dock tar den pulsatila funktionen bort en del av detta.
3. Förlorad pulsatil komponent såsom vid hypoperfusion, hypotermi och perifer vasokonstriktion. = Sämre signal.
4. Rörelseartefakter eller elektrisk interferens.
5. Infraröd absorption av annan substans, såsom nagellack eller nikotinfläckar.
6. Abnormalt Hb:
   - CarboxyHb (COHb): Liknar HbO2 i absorption, ger Sat kring 96% (falskt).
   - MetHb: Identisk absorption på båda spektra, ger Sat kring 84% oavsett.
   - Metylenblått eller indocyaningrön ger falskt för låga värden.
7. Ger inget mått på ventilationsproblem (CO2-retention).
8. Anemiska patienter kan ha full saturation men suboptimal syrgasleverans pga Hb lågt.

Question 32

Vilka principiellt skilda metoder för blodtrycksmätning finns?

Answer 32

Invasiva och icke-invasiva, där icke-invasiva också kan vara kontinuerliga eller intermittent.

Question 33

Hur mäts icke-invasivt blodtryck?

Answer 33

1. En kuff placeras runt en extremitet, oftast överarmen. Denna ska täcka 2/3 av armens längd.
2. Kuffen har en manometerfunktion för att veta vilka tryck som appliceras.
3. En samtidig metod för att mäta systoliska och diastoliska tryck. Detta kan vara palpation (sysBT, dock 0-25% underskattning), doppler (bra vid låga flöden), auskultation (korotkoffljud, det första är systoliskt tryck och det sista diastoliskt) eller oscillometri (en sensorisk kuff mäter intensitet av oscillationer när huvudkuffen sakta töms).

Automatiska intermittenta mätningar bygger på oscillometri, dvs en kuff för ocklusion och för sensing. Accuracy 2-3% (om använd kuff är rätt).

Question 34

Beskriv komponenterna vid invasiv blodtrycksmätning.

Answer 34

1. Intraarteriell kanyl (artärnål). Parallella sidor för att minimalt påverka tryckvågen. Ofta teflonbelagd för att minska tromboser.
2. Tryckset. Relativt icke-compliant för att minimera damping.
3. Flush. Oftast 500ml NaCl trycksatt till 250-300 mmHg.
4. Transducer. Ofta med membran som mäter tryckvågen. Kan kalibreras och “nollas”.
5. Mikroprocessor, förstärkare och display. För att processera och visualisera kurvan/trycket.

Question 35

Vad är transducerns funktion i artärtrycket?

Answer 35

En transducer omvandlar en form av energi till en annan, i detta fallet trycket vätskekolumnen utövar mot ett membran. Detta membran påverkar en resistans wire som i sin tur omvandlar energin till en elektrisk signal.

Question 36

Vad finns det för felkällor med artärtryck?

Answer 36

1. Artärkurvans morfologi: Desto disträare mätningen sker desto högre SBP och lägre DBP, MAP är relativt oförändrat.
2. Nollning ska ske flera gånger dagligen för att säkerställa att systemet är rätt inställt.
3. Rätt nivå. Transducern ska vara placerad i hjärtnivå för att återspegla rätt tryck. Om den istället är placerad 10cm under hjärtat kommer trycket vara 7,5 mmHg falskt för högt och tvärtom.
4. Resonans: När ett system utsätts för oscillationer som i sin tur genererar större oscillationer i systemet tack vare systemets egna resonanta frekvens eller (naturliga frekvens). För att undvika denna ökade oscillation är artärsystemen korta, vida och stela.
5. Damping: Förändring i amplitud av pulskurvan pga faktorer i mätsystemet. Damping coefficient (DC) ska vara mellan 0-1. Overdamping (DC>1) ger ett starkt dämpat svar på ökade oscillationer (dör ut snabbt) medan underdamping (DC0) ger fortsatt höga oscillationer som svar på förändring. Systemet ska vara någonstans mellan dessa ytterligheter, optimalt vid DC 0,64 som ger snabb respons men minimal overshoot. Orsaker till förändrad damping kan vara luftbubblor, trevägskranar, tromber, böjda slangar etc. Overdamping ger underskattat systoliskt och överskattat diastoliskt tryck.

Question 37

Vad finns det för metoder att mäta gaskoncentrationer i en gasblandning?

Answer 37

Rutinmetoder i klinisk praktik är:
- O2: Bränslecell eller paramagnetisk analys
- CO2 + inh.ane: Infraröd mätning.

Andra mätsätt: masspektrometri, gaskromatografi, refraktometri, UV-absorption, piezoelektrisk absorption, Ramans gas analys.

Question 38

Beskriv en paramagnetisk analys.

Answer 38

Paramagnetiska gaser är attraherade till magnetfält (till skillnad från diamagnetiska som repelleras). O2 är tack vare sina två oparade elektroner paramagnetisk.

Den klassiska analysmetoden för paramagnetiska gaser (O2) är två sfärer med kväve som hålls ihop av en pinne. Denna “hantel” hänger på ett filament och kan rotera fritt. När O2 kommer in i kammaren där sfärerna hänger kommer attraktionen till det magnetiska fältet få “hanteln” att rotera. Graden av rotation kan sen omvandlas till O2-koncentration.

Question 39

Beskriv infraröd analys av CO2 (kapnometri).

Answer 39

Alla gaser som innehåller två olika atomer i sin molekyl kan absorbera infrarött ljus vid en specifik våglängd. Detta är känt som Lufts princip. En infraröd-mätare kan med andra ord analyser koncentrationen av CO2, N2O och alla kända anestesigaser.

Själva analysmekanismen innehåller:
- En hot wire som utstrålar infrarött ljus.
- Olika filter som filtrerar fram våglängden man är intresserad av (olika för olika gaser).
- Sample chamber som består av safirglas (absorberar inte infrarött ljus). I denna passerar även gasblandningen och ljuset kommer därför gå igenom gasmixen.
- Gaserna man är intresserad av (ex CO2) kommer absorbera infrarött ljus på sin specifika våglängd.
- En fotodetektor på andra sidan av sample chambern som noterar mängden ljus och omvandlar via processor till ett värde.

Question 40

Beskriv fas 1-4 i den kapnografiska kurvan.

Answer 40

Fas 1: Inspiratorisk baseline.
Fas 2: Expiratorisk upstroke.
Fas 3: Expiratorisk platå.
Fas 4: Expiratorisk downstroke.

Question 41

Vilka typer av kapnografer finns det? Fördelar och nackdelar med dessa?

Answer 41

Sidestream och mainstream, beroende på var i kretsen analysen sker.

Sidestream tar ett gasprov från respslangarna nära patienten och leder detta via en accessorisk mindre slang till analysmekanismen som ofta sitter i själva ventilatorpaketet. Fördelar är att den ger mindre vikt och bulk vid patienten men nackdelar är att det krävs ett flöde på 50-100ml/min, ofta aktivt sug för att få ut gasen, risk för blockage av slangen, behov för vattenfälla mm.

Mainstream analyserar på själva huvudkretsen, och skickar då sin infraröda signal genom den. Fördelar är att undvika nackdelarna med sidestream, men nackdelarna är att den ofta är dyr, bulkigare och mer stökigt vid patienten och risken för fel vid smutsigt sensorfönster.

Question 42

Vilka metoder finns för att monitorera muskelrelaxantia perioperativt?

Answer 42

Kliniska: lyfta huvudet, generera tillräckligt negativt tryck i respirator, krama händer etc.

Kvalitativa: nervstimulator med muskulärt svar som bedöms av kliniker (subjektivt).

Kvantitativa:; Nervstimulator med kvantifiering av svar via ex. acceleromyografi.

Question 43

Vilka är huvudmönsterna för nervstimulering i kliniken?

Answer 43

Single twitch: Äldsta metoden. Ett supramaxmimalt stimuli ges och reduktion jämfört med ett utgångsvärde (innan muskelrelax) fås fram. Kan inte differentiera mellan fas 1 eller fas 2-block. Reduktion ses först vid >75% av receptorer blockerade. Behövs åtminstone 90% reduktion för bukkirurgi.

ToF: Fyra identiska supramaximala stimulin, ett var 0,5s. Antal muskulösa twitches som ser korresponderar till receptorblockad (0 -> 100%, 1-> 90%, 2-> 80%, 3-> 75%, 4-> <75% blockad). Till skillnad från single twitch behövs inget utgångsvärde pre-NMB. Man kan även räkna ut ratio mellan twitchar (vid 4/4 -> ex T4 är 90% av T1).

Tetanic: Högfrekvent tetaniskt stimuli (ofta 50Hz, 5s). Mycket smärtsamt. Visar på eventuell fade även om TOF eller DBS är normala. Därav extra sensitivt om misstanke om låggradig receptorblockad kvarstår.

Post-tetanic count: Ett tetaniskt stimuli som ger hög ACh-frisättning, därefter ges återkommande mindre stimuli varje sekund och antalet twitchar mäts. En PTC<5 är lika med djup blockad. En PTC>15 är ca 2/4 på ToF. Används vid ex. neuro eller ögonkirurgi då patienten måste ligga helt stilla.

Double burs stimulation: Två tetaniska burstar på 50Hz ges. Varje burst har tre impulser a 0,2ms. Ger bättre möjlighet att se små förändringar i blockad. Bra vid slutet av op/väckning.

Question 44

Vad skiljer fas 1 och fas 2-blockad åt?

Answer 44

Fas 1-blockad är utan fade, dvs vid ToF kommer alla fyra svar minska lika mycket. Ses vid depolariserande blockad.

Fas 2-blockad innehåller fade, dvs. vid ToF kommer T4 < T1 vid given NMB. Ses vid icke-depolariserande blockad eller eventuellt vid upprepad depolariserande blockad.