background image

 

University of Mosul – College of Dentistry 

Medical Physics 

Lecturer 

Jameel M. A. Sulaiman 

University of Mosul – College of Dentistry 

M.Sc. Physics - Mosul 

PhD Student at University of Technology- Baghdad 

 

Chapter One 

 

In this chapter we present three broad topics 

1.  We examine what we mean by medical physics and describe some related 

and overlapping disciplines, (Terminology).  

2.  We discuss modeling, a concept that is essential in science, engineering, and 

medicine.  

3.  Review of material taught in an elementary physics course, and we discuss 

the problem of a accurately measuring a person's weight, as you see this 
measurement in far from simple.       

1. Terminology  

 

The term medical physics refers to two major areas: 

1.  The applications  of physics to the function of human body in health and 

disease, called the physics of physiology. 

2.  The application of physics in the practice of medicine includes such things 

as: Stethoscope, tapping of  the chest  (percussion), x-ray, ultrasound, 
radiation, nuclear medicine, and laser.  

   The word physical appears in a number of medical contexts.  


background image

 

   Only a generation ago in England a professor of physics was actually 

a professor of medicine.  

   The word physicist and physician have common  root in the Greek 

words physike (science of nature ) 

   The first things a physician does after taking a medical history of a 

patient is to give him a physical examination during this examination 
he uses the stethoscope, taps the chest, measures the pulse rate, and in 
the other ways applies.  

3.  Physics: Is a branch of science which  deals with natural phenomena  as 

occurs in nature such as electricity and magnetism, light, sound, heat, 
motion, force, fluids, gases properties and concentration of matter. It 
developed through a study of non living bodies and only  in the last   few 
decades it was applied to living  bodies.  

4.  Medicine:  Is a branch of  science  deals with human body which a living 

entity. Living entities characterized by birth, growth, reproduction and death. 
Living entities interact with their environment activity, human beings build 
houses, bridges, dams, implant vegetables and trees, breed animals.    

3. Medical Physics: Is a science which combine medicine and  physics, that 
concerning in the application of physics laws and techniques in human body, and is 
depends on number of medical sciences such as anatomy and physiology. 

4. The function of the human body in health and disease such as (organs, eyes, 
ears, lungs .est.) (These could be called the physics of physiology, diagnosis, and 
therapy). 

5. The practice of medicine such as, the physics of the  stethoscope, the tapping  of 
the  chest  and  the  medical application  of Laser, X-rays, Ultrasound, Radiation , 
Nuclear  Medicine).      

6. Radiological Physics: Involves the  applications of physics to radiological 
problems and includes the use of radiation in the diagnosis and treatment of disease 
as well as the use of radiation nuclides in medicine (nuclear medicine)  


background image

 

7. Health Physics: Involves radiation  protection of patients, workers, and the 
general public, this name  was  given  to it  during  world war second  by members 
of the Manhattan project (the group responsible for the development of the  atomic 
bomb). 

8. Physical medicine: Is the branch  of  medicine deals  with the  diagnosis and 
treatment of  disease and injury by  means of physical such as massage,  exercise, 
heat, water, cold. 

9. Physical therapy:  Is the treatment of disease or bodily weakness by physical 
means such as massage and gymnastic rather than by drugs 

10.  Biophysics: applying physics to  living  bodies  which includes humans , 
animals, plants, micro organism, cells, macromolecules ( proteins ) fats and 
bimolecular. 

11. Medical electronics (medical engineering):  Deal with instrument used  in 
monitoring body functions and diagnosis or  as aids or as surgical, such as  uses of 
the computers in medicine .    

12. ECG: Electrocardiograph: Heart electrical             activity. 

13. EEG: Electroencephalogram: Brain electrical activity. 

14. EMG: Electromyogram: Muscle electrical activity. 

15. NMR: Nuclear Magnetic Resonance:  

•  The relation between some topics of physics and medicine  

Physics 

  Electricity and  magnetism 

        Electric potential, Electric current, Electric circuits, Electronics, 
Feedback, Control, Regulation
 

  Sound 

        Sound waves, Acoustics, Ultrasound 

  Light 


background image

 

        Light waves, Optics, Laser 

  Radiation 

        X-ray, Radioactivity and nuclear physics 

        Medicine 

  Electricity and  magnetism 

        Heart, brain, muscle, electrical activity (ECG, EEG, EMG), electrical 
shock, and position sensors, nervous system, hormonal system , regulation of 
respiration
 , NMR (Nuclear Magnetic Resonance.  

  Sound 

       The sense of hearing, Ear and hearing aids, Ultrasonic imaging, ultrasonic 
cleaning, ultrasonic kidney and bladder operations.
 

  Light 

        The sense of vision, the  eye  and eyesight  correction, Laser surgery, 
therapy
 

  Radiation 

        X-ray, imaging computed tomography (ct) scanner, radiation therapy, 
diagnosis
..  

2. Modeling  

   Even thought physicist believes  that the physical world obeys the laws of 

physics, they are also aware that the mathematical descriptions of some 
physical situation are too complex to permit solution.  

   Example for modeling: 

a)   The eye is analogous to camera. 

b)  The flow of blood is like the  flow of electricity in electric circuit, this 

electrical model can simulate very well the phenomena of cardiovascular 
system.   


background image

 

c) 

Newton second law F=ma, or F= ∆mv/∆t , ∆ is indicates a small change of 
the quantity. P=mv, ∆/∆t means rate of change (of momentum) with time.  

d)  One of the physicist’s favorite words  is function, W= f (H), weight W is a 

function of the height H. 

e)   R=f  (P),  the  heart rate R is a function of the power  (P)  produced by the 

body.    

Feedback Mechanism  

   Many functions of the body are controlled by homeostasis, which is 

analogous to feedback in engineering. 

   (-) feedback produced stable control. 

   (+) feedback produced an unstable control. 

   A simple example of (-) feedback is the control of house temperature by a 

thermostat.  

 

(-) feedback control is common in the body 

    

For example one important function of the body is to control the level 

of the calcium in the blood, if the level drops low, the body release some 
calcium from the bone to increase the level in the blood. 

   If too much calcium released the body lowers the level in the blood by 

removing some via the kidneys.  

   Many of the control mechanism of the body are not yet under stood; various 

diseases have been found to be directly related to the failure of these 
mechanisms.  

   For example, as the body grows, its cells keep increasing in number until it 

reaches adult size, and then the body remains more or less constant in size 
under some type of feedback control. 

   Occasionally some cells are not responding  to this control and become 

tumors.  


background image

 

 

3. Measurement  

 One of the main characteristics of science is its ability to reproducibly 
measure quantities of interest.  The growth of science is closely related to 
the growth of the ability to measure.  In the practice of medicine, early 
efforts to measure quantities of chemical  interest were often scorned  as 
detracting from skill of physician, for example: Weight, pulse, 
temperature of the body, blood pressure, x-  rays, exposure dose of 
radiation, and volume measurements some of the common measurement 
used in the  practice of medicine.  

Table-1: international system (SI) unit (stander units): 

Quantity 

units 

abbreviation 

Length 

Meter 

Mass 

Kilogram 

Kg 

Time 

Second 

Sec 

Current 

Ampere 

Temp. 

Kelvin 

Luminous intensity 

units 

cd 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

 

There are other units are called non standard units these units derived from 
standard units, see table -2. 

Table-2: Some quantity with non (SI) unit 

Quantity 

Unit 

Abbreviation 

Length 

Foot 

Ft 

Volume 

Liter 

Li 

Energy 

Joule 

Calorie 

1 joule=2.39x10

-4

  

Cal 

Pressure 

Pounds/square inch 

PSi 

Temperature 

Celsius,  Kelvin 

o

C,       K=C+273 

        F=9/5 * C +32 

 

Force 

pound 

Lb 

 

  We often use large  or smaller  units such as the    centimeter (cm) , one  

hundredth of  a meter , the   millimeter (mm) ,one  thousand of a meter 

  1m=100cm=1000mm 

  1kg=1000g=1000000mg 

  It is often desirable  to convert  from  particular  set of unite  to another set  

of units 50km per hour (50kmh

-1

) to  convert this speed to  m s 

-1.

 

  50kmh

-1

 =50 km/h =50 (1000/60*60) = 14m.s 

-1

 

  So as to practices these  measurements must be knew the physical quantity 

and physical units, physical quantity  in  general will  have both  a number 
and unit attached.  

       The number by itself is insufficient over years many different units have 

been suggested. In general international system (SI) unit or meter-kilogram-
second ampere (MKSA) system are used to measure various quantities.  


background image

 

 

 

Table -3: Units are called non standard units these units are derived from 

standard units. 

Quantity 

Unit 

Abbreviation 

Dimensions 

Force 

Newton 

Kg m/sec

2

 

Pressure 

Pascal 

Pa= N/m

2

 

Kg/ m sec

2

 

Energy 

Joule 

J =Nm 

Kg m

2

/sec

2

 

Power 

Watt 

W=J/sec 

Kg m

2

/sec

3

 

Torque 

Newton - meter 

T =N. m 

Kg m

2

/sec

2

 

Electrical charge 

Coulomb 

A. Sec 

Electrical potential 

Volt 

V = J/C 

Kg m

2

/sec

3

 A 

Electrical 

resistance 

Ohm 

Ω = V/A 

Kg m

2

/sec

3

 A

2

 

Capacitance 

Farad 

F= C/V 

Sec

4

 A

2

/ kg. m

2

 

inductance 

Henry 

H= J/M2 

Kg m

2

/sec

A

2

 

Frequency 

Hertz 

HZ 

Sec 

-1

 

Radioactivity 

Becquerel 

Bq 

Sec 

-1

 

Absorbed dose 

gray 

Gy = J/Kg 

m

2

/sec

2

 

Magnetic flux 

Weber 

Wb = J/A 

Kg m

2

/sec

2

 A

2

 

 

There are many other physical measurements involving the body and time we can 
divide them in to two groups: 

1.  Measurements of repetitive processes, such as the pulse,  this 

measurements  usually involve the  number of repetitions per  time, 


background image

 

minuets, hour, for example the pulse heart rate is about 70/min. And the 
breathing rate is about 15/min.  

2.  Measurements of non repetitive processes, such as how long it takes the 

kidneys  to remove  a foreign substance from the blood.  Non repetitive 
time  processes in the  body  range  from  the  action  potential  of a nerve 
cell (1 m sec) to the  lifespan of an  individual.  

Errors and accuracy 

Accuracy refers  to how close a  given measurement  is to an accepted 
standard. . For example, a person's height measurement as 1.765 m   may be 
accurate to 0.003m compared to the standard meter. 

 The maximum likely error in any scale measurement is usually taken to be 
half the  distance between adjacent scales marking. Thus if a rule  is 
graduated in mm, then  measuring  the length of  body  there is a possible  
error of 0.5mm in judging the position of each end of the  body against the 
rule. The maximum possible error is thus 1mm. If the length being measured 
is say 62cm the relative possible error is (2x0.05/62) and the % possible 
errors equal to 0.1/62x100 or   0.16% If a current measured on an ammeter 
whose scale divisions are 0.1 a part is judged to be 2.7A.  The% possible 
error is equal to [(2x0.05/2.7)]x100=4%  

Errors may be lessened by taking several observation of the same reading: 

Example: 

Let us suppose the six reading of the micrometer screw gauge were  

{1.25, 1.24, 1.22, 1.22, 1.26, 1.24} mm 

Mean (average) = (1.25+ 1.24+ 1.22+ 1.22+ 1.26+ 1.24/6) =1.24mm 

In order to calculate the most likely error in this mean, first evaluate the 
deviations of reading.  

These are the differences between each reading and  the  mean. Then calculate 
the mean  of the deviations. This is the most likely error  in the mean. In the 
example quoted the deviations 


background image

10 

 

Deviations = 

{

|1.25-1.24|+|1.24-1.24|+|1.22-1.24|+|1.22-1.24|+|1.26-

1.24

|+|1.24-1.24|/6} = 0.01mm 

This is the likely error in the mean reading of 1.24 mm which should now be 
stated 1.24±0.01mm 

Example: 

The periodic time T of a simple pendulum of length L is given by  

 

T=

2π (L/g)

 

½

 

  

 

 where g is the acceleration of free fall.  

Squaring T

2

(L/g) 

Hence, if a graph is plotted with  values of T

2

(sec

2

) as  coordinates against the 

corresponding  values of  L (m)  as  abscissas a straight line through the origin will 
be obtained whose  slope , obtained  from two widely  straight separated points on 
the straight  line, is the numerical value of (4π

2

/g) and from which g may now be 

calculated, see figure 1.  

 

 

Slope = (PN/QN) 


background image

11 

 

g =4π

2

 X slope 

 

Questions 

1.  Give three examples of the use of the word physical in medicine.  

2.  List four physical measurements usually made during a physical 

examination 

3.  Determine your age in minute? Include an estimate of the error. 

4.  Measure your pulse 10 times for 15 sec periods  

a.  What is your average pulse rate per minute? 

b.  Estimate the % possible error 

c.  Estimate the accuracy. 

d.  Calculate (Mean + Deviation.) 

5. If a thermometer whose scale divisions are 0.1

o

C apart is used to measure a rise 

of temperature start of 35

o

C to 38 

o

C. An ill person measured her temperature ten 

times in a row and got the fallowing values in degrees (36.1, 36.0, 36.1, 36.2, 36.4, 
36.0, 36.3, 36.3, 36.4, 36.2)  

a.  Estimate the % possible error 

b.  Estimate the accuracy. 

c.  Calculate (Mean + Deviation.) 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mohammed Altamer
المشاهدات: لقد قام 54 عضواً و 1351 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل