Biofizyka

KSZTAŁCENIE STUDENTÓW
KIERUNKU LEKARSKIEGO WYDZIAŁU LEKARSKIEGO PAM
W KATEDRZE I ZAKŁADZIE FIZYKI MEDYCZNEJ
Jednostka, w której realizowany jest program nauczania przedmiotu:
Katedra i Zakład Fizyki Medycznej
ul. Ku Słońcu 12
71-073 Szczecin
Tel. 0-91 441 45 20
Fax. 0-91 441 45 21
Kierownik jednostki:
Dr n. med. Wojciech Podraza
Adiunkt dydaktyczny
Dr n. med. Hanna Domek
Wymiar godzinowy przedmiotu:
Łącznie 60 godzin, w tym:
30 godzin wykładów
4 godzin seminariów
26 godzin ćwiczeń
Punkty ECTS: 8
Wykłady:
Prof. dr hab. n. med. Bolesław Gonet
Celem nauczania przedmiotu Biofizyka jest uzyskanie przez studenta wiedzy w zakresie
następujących obszarów z tej dziedziny:
Biofizyka molekularna i komórki. Biofizyka układów fizjologicznych. Mechanizmy działania
czynników fizycznych na organizm. Podstawy fizyczne wybranych technik diagnostycznych
i terapeutycznych (Treści kształcenia zgodnie ze standardami kształcenia dla kierunku studiów –
kierunek Lekarski).
Student powinien osiągnąć zrozumienie pojęć i praw fizyki oraz umiejętność wykorzystania praw
fizyki do opisu zagadnień z zakresu biologii komórek i tkanek oraz procesów fizjologicznych.
Powinien poznać zasady wykorzystania przyrządów pomiarowych i aparatury fizycznej oraz uzyskać
umiejętność przeprowadzenia oceny dokładności wykonanych pomiarów i oszacowania błędów.
(Efekty kształcenia – umiejętności i kompetencje).
FORMY PROWADZENIA ZAJĘĆ
Zajęcia z Biofizyki są prowadzone w II-gim semestrze w wymiarze 60 godzin, w formie: wykładów,
ćwiczeń i seminariów oraz egzaminu.
1. Wykłady z biofizyki są prowadzone dla wszystkich grup dziekańskich w liczbie 30 godz. w
semestrze letnim.
2. Ćwiczenia z biofizyki w liczbie 26 godz. prowadzone są przez jednego asystenta w
podgrupach liczących maksymalnie do 12-15 studentów. Studenci wykonują przygotowane
doświadczenia w zespołach 3-4 osobowych. W czasie ćwiczeń sprawdzane są wiadomości z
zakresu danego ćwiczenia w formie ustnej. Zaliczeniem ćwiczenia jest opracowanie pisemne
sprawozdania w/g ustalonych wymogów.
3. Seminaria z biofizyki są prowadzone w grupach dziekańskich (24-30 osób) w liczbie 4 godz.
w semestrze letnim. Zajęcia trwają 2 godz. i są prowadzone w formie prelekcji, dyskusji i
demonstracji.
4. Materiał z zakresu biofizyki na ćwiczeniach sprawdzany jest w formie ustnej odpowiedzi
oraz na podstawie opracowania sprawozdania z wykonanego ćwiczenia.
5. Egzamin końcowy zaliczający biofizykę jest egzaminem pisemnym w formie testu 100 pytań
jednokrotnego wyboru.
2
PROGRAM ZAJĘĆ Z BIOFIZYKI
Tematyka ćwiczeń i seminariów
1. Elementy rachunku błędów
 Wprowadzenie, klasyfikacja błędów, miary dokładności, obliczenia błędu standardowego
w oparciu o rozkład Studenta-Fischera, błędy wielkości wyznaczanych pośrednio,
obliczanie błędów w pomiarach radioaktywności, graficzne przedstawianie wyników
pomiarów
2. Wolne rodniki w zdrowiu i chorobie
Zastosowanie spektroskopii ESR do badań wolnych rodników. Wolne rodniki w zdrowiu
 Źródła powstawania wolnych rodników (łańcuch oddechowy, niektóre reakcje
enzymatyczne, autooksydacja związków biologicznie czynnych - hydrochinony, tiole,
hemoglobiny, mikrosomalna hydroksylacja leków, fagocytoza). Źródła egzogennepromieniowanie jonizujące. Mechanizmy kontroli wolnorodnikowej (dysmutaza
ponadtlenkowa SOD, katalaza, peroksydaza glutationowa, peroksydacja lipidów
/inicjacja, propagacja, terminacja/, malonodialdehyd /MDA/, lipofuscyna, ceroidy,
przeciwutleniacze)
 Wolne rodniki w chorobie
 Zapalenia (fagocytoza, przemiany eikozanoidów, układ immunologiczny). choroby
niedokrwienne, zawał, miażdżyca. Choroby neurologiczne. Uszkodzenia DNA (choroby
uwarunkowane genetycznie), nowotwory, nadciśnienie, cukrzyca, zaćma. Wolne rodniki a
proces starzenia się ustroju
 Profilaktyka i terapia patologicznych reakcji wolnorodnikowych, zmiatacze wolnych
rodników. Układ askorbinianowy
Zajęcia praktyczne

Zapis widm EPR z filtrów papierosa (różne gatunki), olejów jadalnych oraz niektórych
używek: kawa, herbata

Zapis widm EPR dla wzorca DPPH

Zapis widma EPR szkliwa zębowego oraz niektórych materiałów protetycznych

Badania śliny metodą chemiluminescencji
3. Mikroskopia, mikroskop elektronowy
 Podstawy optyki geometrycznej (falowej) (przypomnienie)
 Oko jako układ optyczny
 Bieg promieni w mikroskopie optycznym (powiększenie, głębia ostrości, apertura,
zdolność rozdzielcza, kontrast)
 Rodzaje mikroskopów optycznych i metody obserwacji
a) jasne i ciemne pole, kontrast amplitudowy i fazowy; mikroskopy: transmisyjne,
b) odbiciowe, interferencyjne, polaryzacyjne, fluorescencyjne, kontrastowo-fazowe,
c) stereoskopowe i ultramikroskopy
3
 Wideomikroskopia i komputerowa analiza obrazu
 Mikroskopia elektronowa
Zajęcia praktyczne
 Budowa i zasada działania mikroskopu; siatki wzorcowe.
 Sposoby wyznaczania wielkości preparatu przy pomocy różnych mikroskopów.
 Pomiar wielkości mikroobiektów przy pomocy mikroskopu projekcyjnego.
 Wyznaczanie powiększenia okularu oraz całkowitego powiększenia mikroskopu.
4. Promieniowanie jonizujące w medycynie i ochrona radiologiczna





Natura, rodzaje i źródła promieniowania jonizującego
Prawa rządzące zjawiskiem promieniotwórczości
Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią
Skutki biologiczne napromieniowania – układ limfatyczny jako wskaźnik
napromieniowania
Problemy ochrony radiologicznej
Znaki ostrzegawcze i osłony przed promieniowaniem jonizującym
Rodzaje dawek i ich jednostki. Dawki stosowane w prześwietleniach stomatologicznych
Wykrywanie i mierzenie dawek promieniowania jonizującego
d) detektory stosowane w medycynie,
e) dawkomierze i dawki obecnie stosowane,
f) naturalne detektory promieniowania jonizującego
Aparatura terapeutyczna: bomba kobaltowa, akcelerator liniowy


Zajęcia praktyczne
Wyznaczanie energii promieniowania jonizującego z warstwy osłabienia połówkowego
Wyznaczanie dawki ekspozycyjnej i mocy dawki




5. Diagnostyczne i terapeutyczne zastosowanie ultradźwięków, USG
 Natura i właściwości dźwięków ( prędkość dźwięku, natężenie fali, oporność akustyczna,
ciśnienie akustyczne)
 Ucho jako przekaźnik informacji ( teoria Bekesy'ego analizy częstotliwości dźwięku )
 Metody otrzymywania ultradźwięków
 Mechanizm oddziaływania ultradźwięków z tkankami ( odbicie, załamanie, całkowite
wewnętrzne odbicie, rozproszenie, absorpcja i tłumienie fali ultradźwiękowej, kawitacja)
 Biologiczne efekty działania ultradźwięków (termiczne, mechaniczne, biochemiczne)
 Zastosowanie ultradźwięków w medycynie (terapia, diagnostyka - USG, pomiary
przepływów metodą Dopplera)
 Problemy bezpieczeństwa związane ze stosowaniem ultradźwięków
Zajęcia praktyczne
 Badanie zjawisk temperaturowych zachodzących pod wpływem ultradźwięków
 Określanie niejednorodności struktury materiału za pomocą defektoskopii
ultradźwiękowej
 Badanie słyszalności ucha ludzkiego za pomocą audiometru AAD – 80, AS 216
4

Obserwacja tworzenia się fontanny ultradźwiękowej i aerozoli w inhalatorze
ultradźwiękowym
6. Wybrane metody fizykoterapeutyczne
 Prąd stały:
a) wpływ prądu stałego na organizm (zjawiska elektrochemiczne, elektrokinetyczne,
elektrotermiczne, reakcja nerwów i mięśni, odczyn ze strony naczyń krwionośnych)
b) zabiegi elektrolecznicze (galwanizacja, elektroforeza, kąpiele elektryczno-wodne)
 Prądy diadynamiczne ( badanie parametrów prądów diadynamicznych)
a) powstawanie prądów diadynamicznych
b) fizyczne podstawy działania prądów diadynamicznych na komórki i tkanki
c) efekty działania prądów diadynamicznych na organizm
d) ograniczenia stosowania prądów diadynamicznych w terapii
 Prądy diatermiczne (obserwacja wpływu cieplnego prądów diatermicznych na przewodnik
i dielektryk)
e) właściwości elektryczne komórek i tkanek
f) oddziaływanie pól elektromagnetycznych na organizm żywy
(efekty termiczne i nietermiczne)
g) diatermia długo i krótkofalowa, działanie na organizm
podobieństwa i różnice, mikrofale
h) wskazania i przeciwwskazania stosowania diatermii
7. Układy regulacji w organizmach żywych. Układ termoregulacji











Pojęcie sterowania i regulacji
Podstawowy schemat układu regulacji
Ujemne i dodatnie sprzężenie zwrotne
Podstawowe układy i parametry podlegające regulacji
Schemat blokowy chemostatu oddechowego
Regulacja na poziomie kodu genetycznego
Schemat regulacji poziomu glukozy we krwi
Układ termoregulacji
a) podstawowe mechanizmy wymiany ciepła organizmu z otoczeniem
b) fizjologia termoregulacji
c) zaburzenia termoregulacji ( hipertermia i hipotermia ). zaburzenia termoregulacji
(hipertermia i hipotermia)
Zajęcia praktyczne
Badanie wpływu palenia papierosów, picia kawy na termoregulację człowieka
Wykorzystanie kamery termowizyjnej do wyznaczania pól temperaturowych ciała
Wyznaczanie przepływu krwi metodą kalorymetryczną
8. Biopotencjały. Transport biologiczny
 Zjawiska elektryczne w organizmach żywych
 Geneza potencjału spoczynkowego i czynnościowego, (potencjał równowagi, równanie
Goldmana, równowaga Donnana), model elektryczny błony komórkowej
 Mechanizm przewodzenia przez przewężenia Ranviera - nowa hipoteza
5




Kodowanie informacji przez komórki nerwowe
Metody pomiaru potencjałów i prądów bioelektrycznych (met. "voltage-clamp")
Elektrofuzja - perspektywy zastosowań w immunologii i farmakologii
Elementy budowy i funkcji błon komórkowych - metody fizyczne stosowane w badaniach
błon
 Kanały jonowe i mechanizmy transportu






Zajęcia praktyczne
Zapis komputerowy EKG u ludzi, (obliczanie rytmu, analiza zespołu QRS, symulacja
EKG)
Badanie stymulatorów serca.
Potencjały w jamie ustnej.
Elektrogustometria
Pomiar impedancji tkanki, zastosowanie techniki pomiarów impedancyjnych do
określania zawartości tkanki tłuszczowej i mięśniowej w organizmie, endometria
oporowa
Potencjał spoczynkowy. Pomiar potencjałów dyfuzyjnych dla różnych membran.
9. Zastosowanie spektroskopii w badaniach medycznych
 Absorpcjometria – podstawy ogólne.
 Absorpcja selektywna.
 Prawa absorpcji.
 Odstępstwa od praw absorpcji.
 Budowa i zasada działania absorpcjometru
spektrofotometry.





fotoelektrycznego typu SPEKOL,
Zajęcia praktyczne
Budowa i zasada działania urządzeń wykorzystywanych w spektroskopii absorpcyjnej
– SPEKOL, SPEKORD, UNICAM.
Badanie widm absorpcji.
Oznaczanie substancji na podstawie widm absorpcji.
Potwierdzanie prawa Lamberta-Beera – badanie zależności absorpcji od stężenia i
grubości kuwety.
Wyznaczanie nieznanego stężenia na podstawie krzywej kalibracyjnej.
10. Płuca i oddychanie – aspekty biofizyczne
 Struktura i funkcja układu oddechowego:
a) Drogi oddechowe
b) Pęcherzyki płucne
 Wymiana gazowa w płucach
 Pomiary parametrów oddechowych
c) Pojemności i objętości płuc
6
d) Zależność ciśnienie-przepływ-objętość
 Własności fizyczne pęcherzyków płucnych
e) Surfaktant
f) RDS-zespół zaburzeń oddychania
g) Technika CPAP-ciągłe dodatnie ciśnienie w drogach oddechowych
 Mechanizm oddychania




Zajęcia praktyczne
Pomiar napięcia powierzchniowego różnych płynów
Model mechanizmu oddychania fizjologicznego i patologicznego (pneumothorax)
Ocena dojrzałości płuc płodu-test spienienia-model
Pomiar szczytowego przepływu wydechowego (PEF)-peek flow meter
11. Optyka
 Pojęcia: optyka, polarymetria, refraktometria
 Natura korpuskularno- falowa światła
 Współczynnik załamania światła (załamanie światła na granicy dwóch ośrodków,
zależność od: temperatury, ciśnienia, długości fali)
 Zjawisko odbicia i załamania światła
 Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia (kąt graniczny)
 Polaryzacja światła
 Substancje optycznie czynne (charakterystyka, właściwości, przykłady związków)
 Kąt skręcania płaszczyzny , Skręcalność właściwa (glukoza, sacharoza)
 Typy refraktometrów
 Zastosowanie pomiarów refraktometrycznych i polarymetrii
Zajęcia praktyczne


Wyznaczanie stężenia roztworu poprzez pomiar współczynnika załamania za pomocą
refraktometru (obserwacja zmiany współczynnika załamania)
Badanie substancji optycznie czynnych przy pomocy polarymetru (obserwacja zmiany
kąta skręcania płaszczyzny polaryzacji)
Tematyka wykładów
1. Elementy fizyki współczesnej









Makro i mikroświat. Osobliwości praw mikroświata
Fizyka klasyczna a mechanika kwantowa
Atom i cząsteczka w ujęciu Schrödingera (równanie). Funkcje i wartości własne
Równanie Diraca; antymateria
Dualizm korpuskularno - falowy. Nierozróżnialność cząsteczek mikroświata
Zasada nieoznaczoności Heisenberga
Fotony a grawitacja
Jądro atomowe, powłoki nukleonowe, kwarki
Filozoficzne aspekty współczesnej fizyki
7
2. Obrazowanie magnetyczno-rezonansowe (tomografia NMR)








Magnetyczne właściwości elektronów i jąder
Zjawisko jądrowego rezonansu magnetycznego
Przejście od spektroskopii NMR do tomografii NMR
Zasady skanowania i rekonstrukcji obrazów, przekształcenie Fouriera
Metoda 2D FT (dwuwymiarowa transformacja Fouriera)
Czasy relaksacji i ich znaczenie w diagnostyce stanów chorobowych
Obrazowanie MR, możliwości diagnostyczne
Aspekty bezpieczeństwa obrazowania NMR
3. Promieniowanie Roentgena w medycynie







Historia odkrycia promieniowania Roentgena (X)
Natura promieniowania X
Lampy i urządzenia aparatu rentgenowskiego
Tomografia komputerowa CT, tomograf spiralny
Pomiary dawek promieniowania
Wolny rodnik alaninowy jako dozymetr promieniowania
Teorie oddziaływania promieniowania jonizującego z materią żywą, niebezpieczeństwo
prześwietleń
 Nowe techniki prześwietleń rentgenowskich w stomatologii. Radiografia cyfrowa.
 Laserowa obróbka zdjęć rentgenowskich stomatologicznych (Digora)
 Terapia roentgenowska, akcelerator liniowy.
Uzupełnienie wykładu - seminarium i ćwiczenia: promieniowanie jonizujące i ochrona
radiologiczna w medycynie.
4.
Lasery w medycynie









Geneza nazwy „laser” i „maser”
Właściwości światła laserowego
Pompowanie optyczne, zasada działania lasera
Typy laserów, podział z uwagi na materiał laserujący i długość emitowanej fali
Demonstracja lasera helowo-neonowego, rubinowego (laser impulsowy) oraz
półprzewodnikowego
Oddziaływanie promieniowania laserowego z tkankami
Laser biostymulacyjny, działanie receptorowe i energetyczne
Pokaz lasera biostymulującego (profesjonalny) i omówienie jego zastosowań w
stomatologii ( leczenie nadwrażliwości , bólu, stanów zapalnych, opryszczki)
Lasery chirurgiczne (jagowo-neodymowy, jagowo-holmowy, CO2)
5. Przekazywanie informacji w organizmach żywych






Elementy cybernetyki
Dodatnie i ujemne sprzężenie zwrotne
Cyfryzacja sygnałów informacyjnych, układ dwójkowy
Transport biologiczny (pasywny, aktywny) przezmembranowy
Kanały jonowe (chlorkowy, wapniowy, sodowy i potasowy)
Transport wewnątrzkomórkowy, drugi posłannik
8
Uzupełnienie wykładu: ćwiczenia - biopotencjały, transport biologiczny
6. Biofizyka układu krążenia i oddychania









7.
Energetyka (sprawność) układu krążenia w stanach normy i patologii
Prawo Bernouliego
Opory przepływu krwi, lepkość
Przepływ laminarny i burzliwy, fala tętna
Rozkład ciśnień w układzie tętniczym i żylnym
Serce płucne
Mechanizmy transportu gazów
Hemoglobina jako honorowy enzym (powinowactwo, współczynnik interakcji hem-hem)
Napięcie powierzchniowe, surfaktant
Biotermodynamika













Pierwsza zasada termodynamiki
Praca i ciepło
Energia wewnętrzna
Entalpia
Druga zasada termodynamiki
Entropia jako miara organizacji (uporządkowania) układu
Procesy odwracalne i nieodwracalne
Entropia a wymiana ciepła
Energia swobodna, entalpia swobodna
Procesy egzo i endotermiczne
Układy nierównowagowe
Zasada Prigogina
Nowotwory z pozycji termodynamiki
Uzupełnienie wykładu - ćwiczenia: Układ termoregulacji
8. Oddziaływanie czynników fizycznych na organizmy żywe
 Pola magnetyczne i elektromagnetyczne
 Możliwości występowania pól elektromagnetycznych w pobliżu aparatury (urządzeń)
medycznej
 Słabe pola magnetyczne i mechanizmy ich oddziaływania (efekt cyklotronowy,
nadprzewodnictwo). Możliwości ich zastosowań w medycynie - magnetoterapia
 Wysokie i niskie ciśnienia (baropatie)
 Wysokie i niskie temperatury, krioterapia
 Choroba wibracyjna a stanowisko pracy
Uzupełnienie wykładu - ćwiczenie: Układy regulacji w organizmach żywych. Układ
termoregulacji
9. Wolne rodniki w zdrowiu i chorobie
 Definicja wolnego rodnika
 Sposoby wykrywania wolnych rodników
 Metoda spektroskopii mikrofalowej (zasady elektronowego rezonansu spinowego)
9




Rodzaje wolnych rodników w organizmach żywych, reakcje wolno-rodnikowe
Cukrzyca, miażdżyca i choroby niedokrwienne serca a wolne rodniki
Wolne rodniki w stanach zapalnych dziąseł, masach plastycznych używanych w protetyce
Wolne rodniki szkliwa zębowego jako naturalny dozymetr promieniowania jonizującego
Uzupełnienie wykładu: seminarium, zajęcia praktyczne: wolne rodniki w zdrowiu i chorobie
10. Wiązania chemiczne i biospektroskopia









Natura i rodzaje wiązań chemicznych
Wiązanie chemiczne w świetle chemii kwantowej
Znaczenie wiązań słabych w stabilizacji struktury czwartorzędowej białek
Hemoglobiny patologiczne
Energia elektronowa, oscylacyjna i rotacyjna
Spektroskopia : UV, VIS, IR, ESR, NMR, ramanowska
Parametry badań spektralnych
Fluorymetria, fluorescencja i fosforescencja
Zastosowania spektroskopii w medycynie i stomatologii
Uzupełnienie wykładu - ćwiczenia: Zastosowanie spektroskopii w badaniach medycznych
Sposób zaliczania przedmiotu:
Egzamin testowy (100 pytań); wpis do indeksu ze stopniem.
LITERATURA OBOWIĄZKOWA
1. Biofizyka. Podręcznik dla studentów
pod redakcją F. Jaroszyka, wydawnictwo PZWL 2001.
2. Podstawy biofizyki. Podręcznik dla studentów medycyny
pod redakcją: doc. Andrzeja Pilawskiego.
Wydawnictwo PZWL, Warszawa 1985,
Wydanie IV poprawione i uzupełnione.
LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA
1. Wybrane zagadnienia z biofizyki
pod redakcją: St. Miękisza i A. Hendricha.
Wydawnictwo VOLUMED, 1998.
2. Fizyka z elementami biofizyki i agrofizyki.
Aut.: St. Przestalski.
Wydawnictwo Akademii Rolniczej we Wrocławiu, 1993,
wydanie trzecie poprawione.
10
3. Obrazowanie magnetyczno-rezonansowe.
Zasady fizyczne i możliwości diagnostyczne.
Aut.: Bolesław Gonet.
Wydawnictwo Lekarskie PZWL Warszawa, 1997.
4. Medical Physics: Physics of the Body.
Aut.: J.R.. Cameron, J. G. Skofronick, R. M. Grant.
Medical Physics Publishing, Madison, Wisconsin, 1992
Każdy temat ćwiczeń laboratoryjnych zawiera spis zalecanych pozycji z bieżącego piśmiennictwa.
STUDENCKIE KOŁO NAUKOWE
Studenckie Koło Naukowe przy Katedrze i Zakładzie Fizyki Medycznej PAM,
Opiekun: prof. dr hab. n. med. Bolesław Gonet
11