background image

11 

College of Medicine/Babylon University 

Medical Physics Module 

 

 

 

Lecture 2: 

 
 

Physics of The Skeleton 

Objectives

: after the end of this lecture, the student must know:

 

1- The different function of bones in the body 

2- How can we measure bone strength

 

3- Calcium homeostasis and the role of calcium in bone formation and 

strength 

Bone has at least six functions in the body: 

 

1- support 

2- Locomotion 

3- Protection

 

 

4- Storage of chemicals 

5- Nourishment 

6- -Sound transmission ( in the middle ear) 

1-  The body’s muscles attached to the bones through tendons and ligaments, 

and the system of bones plus muscles support the body. 

2-  Bone joints permit movement of one bone with respect to another. The 

destruction of joints in arthritis can seriously limit locomotion. 

3-  The skull protect the brain and several of most important sensory organs 

(eye and ears). The ribs form protective cage for heart and lungs. 

4-  The bones acts as chemical bank for storing elements for future use by the 

body. 

For example: constant level of calcium is needed in the blood to maintain normal 

body functions, if the calcium level falls too low, it activate parathyroid glands to 

release more parathormone hormone into the blood, and this causes bones to 

release the needed calcium to the blood and restore it to normal value. 


background image

12 

College of Medicine/Babylon University 

Medical Physics Module 

 

 

 

5-  The teeth are specialized bones can cut food and serve nourishment. 

 

6-  The smallest bones of the body are ossicles in the middle ear. These three 

bones acts as levers, and provide matching system for converting sound 

vibration in air to sound vibration in fluid in cochlea. They are the only 

bones that attain full adult size before birth. 

 

 

What Is Bone Made Of 

 

There are large percentage of calcium (Ca

+

) in the body Ca

+

 has much heavier 

nucleus than most other elements of the body, it absorbs x-ray much better than 

surrounding soft tissue. This is the reason that x-rays show bones so well. 

Using X-rays scattering  indicates that bone mineral crystals are rod shaped of 

diameter  20–70 Aº and length 50–100 Aº. 

How Strong Are Your Bones 

 

The strain ( ∆ L / L ) 
 F / A  α  ∆ L / L 
 F / A = Y ∆ L / L 
  Y   =  F L / A ∆ L         Y = young modulus 
When the force increase the bone breaks at stress of about  120 N / mm

2

  

 
∆ L = L F / A Y             ( elongation ) 


background image

College of Medicine/Babylon University 

Medical Physics Module 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Figure 2-1: 

when a piece of bone is placed under increasing tension, it’s strain 

 

increase linearly at first (Hook’s law) and then more rapidly just before it breaks. 

The viscosity of synovial fluid decreases under large sheer stress found in the 

joint 

The good lubricating properties of synovial fluid are thought to be due to the 

presence hyaluronic acid and mucopolysaccharide of molecular weight 500000 

which deform under load. 

Example

: assume a leg has 1.2 m shaft of bone with cross-sectional area of 3 cm

2

 

(3x10

-4

 m

2

) what is the amount of shortening , when all of the body weight of 700 

N is supported on his leg? 

      ∆ L = ( 1.2 m ) ( 7 x 10 

2

 N ) / 3x 10

-4

 m

2

 ( 1.8 x 10

10

 N/m

2

  

         = 1.5x 10

-4

 m = 0. 15 mm

 

In running the force on the hip bone when the heel strikes the ground may be 

four times the body’s weight. 

In normal walking the force on the hip are about twice the body’s weight. 


background image

14 

College of Medicine/Babylon University 

Medical Physics Module 

 

 

 

same force applied over a long period of time. This property called 

 

viscoelasticity. 

 

The local electrical fields may also play a rule. 

 

When bone is bent it generates an electrical charges on its surfaces called 

 

piezoelectricity, 

may act as physical stimulus for bone growth and repair. 

Experiments with animal bone fractures have shown that bone heals faster if an 

electrical potential is applied across the broken bone.

 

The synovial membrane encase the joints and retains the lubricating synovial 

fluid. The surfaces of joint are articular cartilages. They are smooth somewhat 

rubbery material attached to the solid bone. 

The lubricating properties of fluid depends on its viscosity, the viscosity of 

synovial fluid decreases under large shear stress found in the joint. 

Measurement Of Bone Minerals in The Body 

 

There are many physical techniques for studying bones in the body. A few years 

ago, osteoporosis (decrease bone density) was difficult to detect, until the 

patient got broken hip or crushed vertebra, where it’s too late to use preventive 

therapy.

 

The strength of bone depends of the mass of bone mineral present. The available 

techniques for studying bones are: 

1-  X-ray image to measure bone mineral, it’s an old technique with several 

problems like: 

A- x-ray beam has many different energies, and the absorption of x-ray by 

calcium varies rapidly with energy. 


background image

15 

College of Medicine/Babylon University 

Medical Physics Module 

 

 

 

B- There are scattered radiation when it reaches the film. 

 

C- The film is a poor detector for making quantitative measurements. 

 

2-  Photon absorbiometric technique by (JRC ) author ,1960 

The three problems of x-ray use are eliminated here by using: 

A-  mono energetic x–ray or gamma ray 

source.  

B- A narrow beam to minimize scatter. 

C- A scintillation detector that detects all photons. 

The determination of bone mineral mass by using 

MB  α log ( I˳/ I )  
Where  I˳ is the initial intensity, MB bone mineral 
mass 
 
MB = K log ( I˳ / I ) 

 

This instrument is a modern clinical bone scanner that uses photon absorption 

technique. 

Since bone is living tissue, it undergoes changes throughout life. A continuous 

process destroying old bone and building new bone, called bone remodeling is 

slow work. 

Bone remodeling is performed by specialized bone cells, the osteoclast that 

destroy the bone, and osteoblast build it, we have the equivalent of a new 

skeleton about every  7 years. Each day osteoclast destroy bone containing 

about 0.5 gm of calcium (the bone have about 1000 gm of calcium, and 

osteoblast build new bone using about the same amount of calcium). 

While the body is young and growing the osteoblast do more than osteoclasts, 

but after the body is 35 to 40 years old the activity of osteoclasts is greater than 


background image

16 

College of Medicine/Babylon University 

Medical Physics Module 

 

 

 

of the osteoblasts, resulting in a gradual decrease in bone mass that continues 

until death. 

This decrease apparently faster in woman than in men and leads to serious 

problems  in  older  women,  this  condition  called  osteoporosis  results  in 

spontaneous fractures, especially in the spine and hips. 

One osteoclast can destroy bone 100 times faster than one osteoblast can build 

new bone, as in other aspects of life. 

 

 

Small group discussion: 

 

 

Qx/ Explain why, there is no attraction between two bodies? 

 

Qx/ To calculate force at the fifth lumbar vertebra (L5) with body tipped forward at 

60º to the vertical and with weight of 225N in the hands can approach ? 

Qx/ Explain, there is friction inside body parts or organs? 

 

Qx/ A 30 years old male presented with shivering (shaking of body) and found that his 

temperature 39C°, explain the mechanism of elevating body temperature and how 

can we reduced the body temperature. 

Qx/ Explain how piezoelectricity of bone fasten healing of fractures  

Qx/ Why x-ray shows bone so well 

Qx/ 55 years old female experience pain in her joints mainly the knee, from physical 

point of view explain the causes of pain. 

Qx/ What are the medical effects of orbiting satellite in space journey on the bones? 




رفعت المحاضرة من قبل: علي الشبري
المشاهدات: لقد قام عضوان و 176 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