background image

 

1

 

College of Medicine 

Dept. of Medical physics          2019-2020     

 

Heat and cold in medicine /CH 4 

 ***************************************************************** 

Physical Basis of Heat and Temperature 

As molecules of all materials are moving so they have kinetic energy. The average 

kinetic energy of an ideal gas can be shown to be directly proportional with temperature. 

An increase of temperature of any material means an increase in the energy of molecules 

of that material. If enough heat added to a solid, it melts, forming a liquid. The liquid may 

be changed to a gas by adding more heat. Adding still more heat converts gas to ions. 

While adding heat to substance increase its molecular kinetic energy, which increase 

its temperature, the reverse is also true, heat can be removed from a substance to lower the 

temperature, 

 

Thermometry & Temperature scales: 

— 

Thermometry is instrument to measurement heat while temperature scales represented 

unit of measuring the temperature. 

— 

 
Temperature is difficult to measure directly, so we usually measure it indirectly by 

measuring one of many physical properties that change with temp. . 

 

1-Fahrenheit scale (°F): in this scale the freezing temp. is 32°F and boiling point is 

212°F ,and normal body temp. is about 98.6°F . 

2-The Celsius (°C): the freezing point is 0°C and the boiling point is 100°C, in 

between is divided into 100 divisions. 

3-The Kalvin scale(°K):or the absolute scale this scale has the same divisions as 

the Celsius but takes the 0° K at the absolute zero which is=-273.15°C. 


background image

 

2

 

 

 

 

To change °C to °F 

[°C= (°F-32) 5/9] or [°F=°C (9/5)+32] 

Also °C=°K-273 or °K=°C+273 

 

 

 


background image

 

3

 

Types of thermometers 

1-Glass-liquid thermometer 

This called a glass fever thermometer. This thermometer composed of glass capillary 

tube  ends  with  a  bulb  a  store  for  liquid,  the  liquid  can  be  mercury  or  (alcohol  for  low 

temperature measurement). The principle behind this thermometer is that an increase in 

the  temperature  of different materials usually causes them to  expand  different amounts.  

When the thermometer is heated the liquid inside will expand more than the glass causing 

the liquid to raise in the capillary, for mercury it expands 1.8% from (0- 100°C).As the 

fever  temp. is  needed  to  be  precise  it  has  a  thin  capillary  less than  0.1mm  in  diameter, 

which makes the mercury to rise higher per degree.  

That  it  would  be  very  difficult  to  read if it were  not  designed  for  visibility.  Two 

things increase the visibility of the capillary: the glass case acts as a magnifying glass 

and an opaque white backing in used.  

In addition to that the fever thermometer has a restriction above the bulb making the 

mercury not to return if the thermometer is exposed to low temp. unless the thermometer 

is moved rapidly with proper snap of the wrist. The temperature is usually taken underneath 

the tongue or in the rectum. Since the thermometer is usually considerably colder than the 

body its lowers the temperature of the surrounding tissue when it is first inserted. It takes 

several minutes before the temperature of the tissue rise to the original value.     

 

2- Thermistor 

It's composed from a bridge of four resistances with a source of electricity. These 

resistors are in balance and one of them is used for temp. measurement (resistor T).This 

resistor  as  any  other  resistance  changing  with  heat  but  this  particular  resistance  has the 

property of rapid change with heat (5 %/°C).A bridge circuit with a thermistor in one of 

the  legs,  initially  the  four  resistors  are  equal,  the  bridge  is  balanced,  by  symmetry,  the 

voltages at each end of the meter are equal and no current flows through the meter. A temp. 

change causes the thermistor resistance to change . This unbalance the bridge, the voltages 

at each end of the meter become un equal, causing a current to flow through the meter and 


background image

 

4

 

the  resulting meter  deflection  can  be  calibrated  for  temp.    with  thermistors  it is  easy  to 

measure temp. changes of 0.01°C . therefore are used quite often in medicine because of 

their sensitivity. 

Thermistors  are  placed  in  the  nose  to  monitor  the  breathing  rate  of  patients  by 

showing the temp. change between inspired cool air and expired warm air (pneumograph). 

 

 

3-Thermocouple:- 

 

Consist of two junctions of two different metals. If the two junctions are at different 

temp..  A  voltage  is  produced  that  depends  on  the  temp.  difference.  Usually  one  of  the 

junctions is kept at a reference temp. such as in an ice-water bath. The copper -constantan 

thermocouple can be used to temp. from -190 to 300°C. For 100°C temp. difference, the 

voltage  produced  is  only  about  0.004V.Thermocouple  can  be  made  small  enough  to 

measure the temp of individual cells. 

 


background image

 

5

 

 

 

Thermograph-mapping the body's temperature:                 

The temperature of body's surface is different in different parts. Depending on 

▪  External physical factors and internal metabolic. 

▪  Blood supply to the skin. 

Measurement of surface temp. is useful to diagnosis of some diseases, which may change 

locally the skin temp..  The body heat can give infrared radiation (IR) of long waves, which 

are  not  visible  unlike  the  red-hot  object  which  is  visible.  By  using  this  principle  the 

thermograph instrument was designed to measure the radiation emitted from a part of the 

body.  

There are two techniques to measurement the body’s temperature they are: 

▪  A basic thermographic unit used to measure the radiation emitted from a part 

of the body  

▪  A commercial instrument used in clinical thermography.  

Clothing affects skin temperature so that must be removed before thermography.     

Heat radiation power can be measured by Stefan-Boltzman law for the total radiative power 

per surface area: 

W= e σT

4

 


background image

 

6

 

Where 

T: is the absolute temp. of the body 

e: is the emissivity depends upon the emitter material and its temp. for radiation from 

body e is almost 1. 

σ: is the Stefan –Boltzmann constant=5.7×10

-12

 W/cm

2

 °K

4

 

Example

a. what is the power radiated per square centimeters from 

skin at a temp. of 306°K.? 

W= e σT

4

= (5.7×10

-12

)(306)

4

= 0.05W/cm

2

 

b. what is the power radiated from a nude body 1.75m

2

(1.75×10

4

 cm

2

) in area? 

W= (0.05) (1.75×10

4

 cm

2

) = 875 W 

Thermography  usually  is  taken  in  a  rather  cold  room  to  increase  the  temp.  difference 

between region of poor and normal blood supply consequently the contrast improved the 

machine can detect 0.2°C 

Temp. difference and record the thermogram in two seconds. The procedure takes 

about 20 min at room temp. (20-21 °C). 

o  Usage of thermograph: 

❖  It  was  found  that  the  most  breast  cancers  has  1°C  higher  than  that  the  other 

side(healthy)(since the tumor often increase the blood flow) and it was thought that this 

will be good procedure for early breast cancer detection. 

It was found that one of three thousands women, have abnormal thermogram of the 

breast and less than 1% has shown cancer.  

X-ray mammography has shown much more successful results to detect breast tumor 

of less than 1cm in diameter, but they present a radiation hazard to the body. 

Biopsy gives information only about the material excised. 

❖  Thermography is useful in the study of blood circulation in the head, differences in the 

blood supply between left and right of the patient, which may reflect problems.  

❖  In diabetic patients the study of blood supply in legs is important. The presence of hot spots 

in the foot can be determined before of ulcer forms and preventative measure can be taken, 

studies show a reduction of 20% in limb amputation of diabetic patients. 


background image

 

7

 

Heat therapy 

Heat  was  recognized  as  therapeutic  agent  several  thousand  years  ago.  It  has  two 

primary therapeutic effects: 

1- An increase in metabolism resulting in relaxation of the blood 

capillaries (vasodilation). 

2- An increase in blood supply to cool down the heated area. 

Heat production for therapy: 

1- The conductive method 

Heat can transfer by conduction. The quantity of heat transfer depends on the temp. 

difference,  the  time  of  contact,  the  area  of  contact,  and  the  thermal  conductivity  of  the 

materials. This can be done by several ways such as hot bath, hot packs, and electric heating 

pad. This can lead to local surface heating and using in the treatment of arthritis, neuritis, 

strains, sinusitis and back pain. 

2-Radiant heat (IR) 

Heat radiation can be achieved by using infrared radiation (IR); it penetrates about 3mm in 

the  skin.  It  can  be  produced  glowing  coils  and  by  250  watts  incandescent  lamps.  The 

wavelengths used are between (800-40000nm) an excessive exposures can cause reddening 

and  sometimes  swelling  longer  exposure  can  cause  skin  browning  or  hardening.  It  is 

considered to be more effective than conductive heating because it can penetrate deeper. 

3-Diathermy 

Short  wave  diathermy  utilized  electromagnetic  wave  in  radio  range  (=10m)  and 

microwave range (12cm). 

Heat from diathermy penetrates deeper into the body than radiant and conductive heat, thus 

it  is  useful  for  internal  heating  and  has  been  used  in  the  treatment  of  inflammation  of 

skeleton, bursitis and neuralgia. 

 

 

Different methods are used for transferring the electromagnetic energy into the body: 

A- The  part  of  the  body  to  be  treated  is  placed  between  two  plates  (electrodes) 

connected with high frequency power supply. The charged particles of the tissue will 


background image

 

8

 

be  attracted  to  one  plate  and  to  other  depending  upon  the  sign  of  the  alternating 

voltage on the plate. This movement will produce resistive (joule) heating (book fig 

4.9). 

 

 

 

B- By transferring short wave energy into the  body by magnetic  induction. This can be 

done by either placing a coil around the region to be treated  or by (pancake) coil placed 

near  the  part  of  the  body  to  be  treated.  The  alternating  current  in  the  coil  produces  an 

alternating  magnetic  field  in  the  tissue.  Consequently  an  alternating  (eddy)  current  are 

induced, producing joule heating in the region b treated. 

Short wave diathermy can  penetrate  deep into tissue. It can be  used in relieving muscle 

spasms, protruded intervertebral disc pain, joints with minimal soft tissue coverage such as 

knee, elbow.  


background image

 

9

 

 

 

C- Microwave diathermy can be produced in special tube called (magnetron) and emitted 

from the  applicator (antenna) which  can be  placed  several inches from the  region to be 

treated. 

Microwave  can  penetrate  deeper  into  the  tissue  causing  heating.  It  is  used  in  fractures, 

sprains, strains, bursitis, and injuries to tendons. The frequency used is 900MHz, which is 

found  more  effective  than  other frequencies  in  therapy.  It  causes  more  uniform  heating 

around bony region. 

 

4-Ultrasonic waves 

These waves are different from electromagnetic waves. It produces mechanical vibration 

inside tissue. It is the same as the sound waves but it has much higher frequencies about 

1MHz  with  power

 

of  several  watts  per  centimeter.  It  can  move  the  tissue  particles 

backward and forward with high frequency, in doing so it can increase the kinetic energy 

consequently it heats the tissue. 

Ultrasound can be produced by special transducers placed in direct contact with the skin. 

It is used for reliving tightness and scarring

 

occurring in joint disease. It can dispose more 

heat in bones as bones are better absorber for ultrasonic energy than soft tissue. It is also 

used in deep therapy. Heat therapy has also been used in cancer treatment in combination 

with radiotherapy. The tumor is heated about 42°C for approximately 30 minutes, and the 

radiation treatment is given after heat treatment. 


background image

 

10

 

Cryogenics 

Cryogenics is the science and technology of producing and using of very low temp., 

it is effects in biology and called cryobiology. 

Low temp. can be produced by liquefying gases. It was succeeded to produce liquid air (-

196 °C) in 1877 and liquid helium (-269°C) in 1908.For solid carbon dioxide it is (-79°C) 

and  liquid  nitrogen  (-196°C).These  cold  liquids  have  many  medical  and  biological 

advantages.  The  storages  of  liquefied  gases are  rather  difficult  because  it  can  take  heat 

rapidly from the environment by conduction, convection, and radiation. 

A special container has been designed by Dewar (1892) and its named after his death, this 

composed from two cylindrical bottles made of glass or stainless steel one inside the other 

and a vacuum in between this can prevent heat transfer by conduction and convection the 

two bottles are both silvered so that radiation striking the surface is reflected rather than 

absorbed  they are as good reflector and poor radiation for heat, the contact between them 

is made only at the top to minimize heat losses by conduction. 

 Low  temperatures  have  been  used  for  long  term  preservation  of  blood,  sperm,  bone 

marrow and tissue. The idea of using cryogenic methods to cool the body into a state of 

suspended animation so that it can pass time without aging.  

For conventional blood storage it can be stored with anticoagulant at 4°C, about 1% of 

the red blood cells hemolyze (break) each day so the blood will not be suitable for use after 

21  day,  for  rare  blood  types  this  storage  time  is  insufficient  and  makes  maintaining  an 

adequate supply difficult. Also some preservation materials (protective agents) added such 

as glycerol or dimethyl sulfoxide  improves the cell survival. Sometimes and especially in 

blood these materials can present a problem to remove them from the blood.  

Blood can store for a much longer if it frozen rapidly. Two techniques are used for this: 

a- thin-walled containers  

 The container with thin walls is constructed so that the blood volume between the walls is 

small. After it is filled  with blood it is quickly inserted  into a liquid nitrogen  bath. The 

frozen blood can be stored indefinitely at the temperature of liquid nitrogen (-196°C). 

 

 


background image

 

11

 

 b- the 'blood sand' method 

 blood is sprayed onto a liquid nitrogen surface and freezes into small droplets. The droplets 

are about the size of grains of sand hence the name 'blood-sand'. The droplets are collected 

and then stored in special containers, usually at the temperature of liquid nitrogen.  

The preservation of large tissue like bone, muscles is still under searches as storage of 

them involves some problems: 

1- Because of its large physical dimensions it is difficult to cool down all the cells at the 

same rate. 

2- Adding and removing protective agents is difficult. Some work has been carried out to 

preserve cornea and skin. 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

 

12

 

Cryosurgery 

The  cryogenic  methods  are  used  to  destroy  cells  called  cryosurgery.  It  has  several 

advantages: 

1-Cause a little bleeding 

2-The volume of the tissue destroyed can be controlled 

3-Little pain because low temp. desensitize the nerves 

 One of the first uses of cryosurgery is in the treatment of Parkinson’s disease; (shaking 

palsy).  A  disease  associated  with  the  basal  ganglion  of  the  brain.  This  disease  causes 

uncontrolled tremors in the arms and legs. It is possible to stop it by destroying parts of the 

thalamus of the brain that controls nerve impulse to the other part of the nerve system. In 

cryosurgery  using  a  cryoknife.  it  desired  to  treat  Parkinson's  disease  by  destructively 

freezing the appropriate region in the thalamus.  the vacuum jacket acts as an insulator for 

the  walls  of  the  variable  temperature  probe  (cannula)in  the  treatment  of  Parkinsone's 

disease the tip of the probe its cooled to(-10°C)    and moved into appropriate regions of 

the thalamus  causing temporary freezing of these region. The frozen areas recover if the 

probe tip is removed in less than 30 sec. the patient must be conscious during the procedure 

so  that  the  surgeon  can  observe  when  the  shaking  stops;  this  means  that  the  probe  has 

reached the correct region of the thalamus. This region is then destroyed by freezing for 

several minutes at temperature near -85

o

C. After freezing. the tip is warmed and removed, 

the  destroyed  tissue  will  form  a  cyst  which  does  not  interferes  with  the  normal  body 

function and successful results were obtained in more than 90% of cases. 

Safety with Cryogenics 

•   Containers must be securely fixed. 

•   Pressure-reducing regulator must be used. 

•   Cryogenic fluid causes “freeze burns”. 

•   Adequate ventilation is required. 

•   Open flame and smoking are prohibited 

•   Special care for oxygen since it is highly flammable.  




رفعت المحاضرة من قبل: Mubark Wilkins
المشاهدات: لقد قام 7 أعضاء و 199 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