Basics of Biophysics

Syllabus

* Obsahové zaměření přednášek a seminářů:

* ÚVOD, BIOMECHANIKA

Fyzikální jednotky a jejich soustavy; převody jednotek

Biomechanika a biomechanické vlastnosti tkání

Funkční a biomechanické vlastnosti pojivových tkání (sval, vazy, chrupavka, kost, kloub)

Harmonický oscilátor (kinematika, dynamika, energie; Hookův zákon)

Mechanika pevných těles (elastické vlastnosti látek, modul pružnosti a jeho průběh)

Biomechanika krevního oběhu (srdce, cévy, krev, proudění krve, krevní oběh)

Ideální kapalina, Bernoulliho rovnice, rovnice kontinuity

Reálné kapaliny a krevní oběh (hydrodynamika krevního oběhu, proudění krve)

Viskozita kapalin a krve (laminární tok, Poiseuilův zákon, faktory ovlivňující viskozitu, metody měření)

Krevní tlak a metody jeho měření

Fickovy zákony

* Základy ionizujícího záření

Typy ionizujícího záření a jejich základní vlastnosti

Radioaktivita - procesy vzniku, využití v medicíně

RTG záření - procesy vzniku, využití v medicíně

Principy diagnostických metod využívajících ionizující záření

Typy detektorů ionizujícího záření a základní principy jejich funkce

Základní mechanismy působení ionizujícího záření na biologické systémy, základy radiobiologie

Základní klasifikace následků ozáření

Základní dozimetrické veličiny, principy ochrany před zářením

* Zobrazovací a terapeutické metody využívající ionizující záření

Spektrum rentgenového zdroje a možnosti jeho modifikace

Princip zobrazovacích a terapeutických technik využívajících RTG záření

Počítačová tomografie (CT)

Zobrazovací metody v nukleární medicíně - principy, využívané radionuklidy

Ionizující záření v terapii, radioterapeutické techniky

Hybridní zobrazovací techniky

* ELEKTŘINA A MAGNETISMUS

Elektrostatická interakce, elektrostatické pole, částice v elektrostatickém poli, princip superposice, iontová vazba

Elektrické napětí, elektrický proud, elektrická energie, práce a výkon

Základní druhy fyzikálních interakcí (čtyři druhy sil), princip neurčitosti, dosah sil

Magnetické pole a srovnání magnetického pole s elektrickým

Nukleární magnetická rezonance; princip, použití a výhody metody

Magnetická potenciální energie

Postupný vznik MR obrazu

MR a signály různých tkání, kontrastní látky

Účinky elektřiny na živý organismus; iontoforéza a galvanizace, elektroléčba, elektrostimulace, vysokofrekvenční elektrochirurgie

Interakce elektromagnetických polí s živou hmotou; magnetoterapie

* BIOSIGNÁLY

Pojem biosignálu, terminologie

Rozdělení biosignálů dle různých kriterií, co mají společné, čím se liší

Vznik a různé podmínky vzniku biosignálů, jejich šíření

Elektrické a neelektrické biosignály, snímače, elektrody

Metodika snímání a záznamu biosignálů

Příklady různých biosignálů a jejich popis: EKG, EEG, EMG, EP aj.

Diferenciální zesilovač, jeho funkce, zapojení elektrod

Zpracování a vyhodnocování biosignálů

Biosignály v diagnostice a v terapii

* AKUSTIKA

Fourierova transformace fyzikálních veličin

Mechanické vlnění, podélné a příčné vlnění

Princip šíření zvuku, rychlost šíření zvuku, akustická rychlost, akustický tlak

Akustická impedance, intenzita zvuku, hladina intenzity zvuku, vnímání intenzity

Barva zvuku, výška zvuku

Jednotky používané ve fyziologické akustice

Biofyzika sluchového aparátu

Audiogram, sluchové pole (práh slyšitelnosti a bolesti)

Vyšetřovací metody sluchu, principy korekce sluchových vad

Infrazvuk, ultrazvuk; zdroje a účinky

Principy diagnostického a terapeutického užití ultrazvuku

Šíření ultrazvuku v organismu, chování na rozhraní

Ultrazvukové vyšetřovací metody

Dopplerovská sonografie

Rázové vlny, princip litotripse extrakorporální rázovou vlnou

* OPTIKA

Světlo a optika - definice pojmů

Spektrum elektromagnetického vlnění a jeho pásma

Šíření světla prostředím, transmise, absorpce, reflexe

Kvantová optika, fotony, absorpční a emisní spektra

Zrcadla a čočky

Lupa a meze rozlišení, dalekohled, princip optické mikroskopie, teleskopy, světlovody

Zdroje a detektory světla, oko

* Biofyzika vidění, fyzikální princip a aplikace fluorescence a průtokové cytometrie v medicíně

Oko jako optická soustava - fyzikální charakteristiky

Optické vady oka, korekce očních vad

Oko jako detektor světla, biofyzika vidění

Barva světla, její vnímání

Fluorescenční spektroskopie ("steady state" spektroskopie, zhášení fluorescence, doby života excitovaného stavu, polarizace fluorescence, fluorofory)

Cytometrie (průtoková cytometrie, FACS)

* Fyzikální princip a aplikace laserů a mikroskopických technik v medicíně

Laser - princip, charakteristika a vlastnosti paprsku

Laserové zdroje

Využití laserového záření a aplikace laserů v medicíně

Optická mikroskopie (mikroskop pro procházející a dopadající světlo, fázový kontrast, polarizační mikroskop, fluorescenční mikroskop, interferenční mikroskop)

Elektronová mikroskopie

Mikroskopie skenovací sondou

* TERMODYNAMIKA A buněčná bioenergetika

Termodynamický systém, stavové veličiny; vnitřní energie, teplo, práce

První věta termodynamická

Druhá věta termodynamická (ekvivalentní formulace)

Entropie v živých organismech

Tepelný transport; předávání tepla vedením, prouděním a zářením

Tepelná pohoda organismu, regulace teploty v organismu, vliv tepelného záření okolního prostředí, vliv vlhkosti a proudění vzduchu

Termometrie, termografie, typy teploměrů obecně, lékařské teploměry

Působení nižších a vyšších teplot na organismus, využití v medicíně, hypertermie a kryoterapie

Biofyzikální princip přeměny energií v mitochondriální membráně

Biofyzikální podstata tvorby ATP ATP-syntázou

Struktura biologické membrány a membránová fluidita

Biofyzikální podstata transportu v membránách

Difúze, osmóza

* BIOFYZIKA TKÁNÍ

Cytoskeleton a jeho dynamika

Střední filamenta, mikrotubuly, aktinová filamenta

Fyzikální základy buněčného pohybu

Molekulární motory

Iontové kanály

Klíčové faktory pro buněčnou organizaci tkání

Tkáně - pojivové, epitelové, svalové, nervové

Struktura a stabilita pojivové tkáně

Biofyzikální vlastnosti spojů epitelů

Biofyzika svalové práce (svalový stah)

Nervové tkáně - membránový potenciál

Nervové tkáně - akční potenciál, podstata jeho šíření

* BIOFYZIKÁLNÍ METODY V REGENERATIVNÍ MEDICÍNĚ

Základní princip tkáňového inženýrství

Postup při přípravě arteficiálních tkání

Tkáňové inženýrství chrupavky - důvody vzniku a rozvoje

Řízené uvolňování léčiv

Liposomy, jejich vlastnosti, příprava

Použití liposomů ve tkáňovém inženýrství pro řízené dodávání bioaktivních látek

(celkem 18 hodin přednášek a 10 hodin seminářů)

Annotation

Předmět je koncipován jako teoreticko-praktický. Seznamuje studenty se základy biofyziky a jejím využitím v oblasti medicínských diagnostických a léčebných metod. Studenti získají základní informace o fyzikálních odlišnostech jednotlivých metod a jejich biologických účincích. Seznámí se s jednotlivými druhy těchto metod a přístroji, kterými jsou tato vyšetření prováděna. Předmět bude realizován v rámci nepravidelné blokové výuky.

Obsahové zaměření přednášek:

Biomechanika;

Elektřina a magnetismus;

Akustika;

Termodynamika;

Optika a biofyzika vidění;

Lasery;

Ionizující záření;

Biosignály.

Obsahové zaměření praktických cvičení:

BMI, Krevní tlak, Srdeční frekvence, Elektrokardiografie, Audiometrie, Ultrasonografie, Dopplerovská sonografie,

Optometrie, Perimetrie, Ergometrie, Radioaktivita.