Sylabus
Základy teorie chyb absolutní chyba, relativní chyba, hrubá chyba, systematické chyby, náhodné chyby, aritmetický průměr, standartní chyba aritmetického průměru, grafické zpracování výsledků měření
Měření vybraných fyzikálních veličin
Měření hmotnosti – váhy pákové, pružinové a torzní, tenzometrické
Měření hustoty-pyknometrická metoda, metoda ponorného tělíska, Mohrovy vážky
Měření viskozity – Newtonův zákon viskozity, rotační viskozimetry, tělískové viskozimetry, Stokesův zákon, výtokové a kapilární viskozimetry, Hagen - Poiseuillův zákon
Kalorimetrická měření – měrná tepelná kapacita, Dewarova nádoba, směšovací kalorimetr, elektrický kalorimetr
Refraktometrie – Snellův zákon, mezný úhel, Abbého refraktometr
Polarimetrie – optická aktivita látek, kruhový polarimetr
Spektrofotometrie – Lambertův a Lambert – Beerův zákon, absorbance, spektrofotometr
Hmota
Formy hmoty – látka a pole
Silové interakce – 4 druhy základních silových interakcí, energie částice v silovém poli
Částice hmoty – fotony, leptony, mezony, baryony, dualismus
Atom – atomové jádro a obal (orbital, kvantová čísla)
Fyzikálně-chemické vlastnosti molekul a jejich struktura – silné a slabé chemické interakce
Biopolymery a jejich struktura
Disperzní soustavy a jejich vlastnosti
Biologické membrány a transport látek přes membránu
Biomembrána- model fluidní mozaiky, funkce, lipidová dvojvrstva – složení a stavba
Transport látek přes membránu – pasivní transport (difúze, osmóza), Donnanova rovnováha, aktivní transport (skupinová translokace, transport pomocí membránových váčků, transport pomocí specifických přenašečů)
Kompartmentová analýza
Volné radikály
Definice, tvorba a radikálová chemie
Reactive Oxygen Species – hlavní zástupci této skupiny (tvorba/zánik, působení v organismu)
Reactive Nitrogen Species – hlavní zástupci této skupiny (tvorba/zánik, působení v organismu)
Poškozující účinek na biomolekuly – lipidová peroxidace, poškození proteinů a DNA
Oxidativní stres – princip/důsledky
Mechanika tekutin a základy reologie, biofyzika proudění tělních kapalin
Hydrodynamika - klasifikace kapalin, rovnice pro ideální a newtonovské kapaliny – rovnice kontinuity, Bernoulliho rovnice, proudění ideálních kapalin, rovnice pro viskózní kapaliny – Navier – Stokesova rovnice, viskozita, proudění reálných kapalin, Hagen –Poiseuillův zákon, Stokesův zákon
Základy reologie - vztah mezi deformací a namáháním (strain-stress křivka), rozdělění látek dle mechanických vlastností, dynamické namáhání, význam reologie, reologické rozdělení těles, reologická elementární tělesa a reologické modely, křivky toku
Proudění tělních tekutin – srdce a převodní systém srdeční, srdeční cyklus - fáze a popis tlakových a objemových změn, kvantifikace srdeční činnosti, krev a krevní tlak, hydromechanické zákony významné pro popis průtoků a tlakových poměrů v krevním řečišti
Ultrazvuk a magnetické rezonanční zobrazování (MRI)
Fyzikální vlastnosti – definice, akustická impedance, rozhraní (odraz vs transmise)
Princip zobrazování – časové zpoždění a pokles intenzity, A-scan, B-scan (2D, 3D and 4D zobrazení; T-M scan); IVUS
Dopplerův jev – princip (pohyblivý zdroj a stojící přijímač a opačně)
Zobrazení krevního toku – CW Doppler, PW Doppler (Colour Doppler/Spectral Doppler/Colour Doppler Energy)
Využití ultrazvuku v terapii – hlavní terapeutická aplikace ultrazvuku; biologické účinky ultrazvuku
MRI princip – vlastnosti jádra, magnetický moment, Larmorova frekvence, elektromagnetický impulz, absorpce energie, TR, TE
MRI zobrazování – T1-, T2-, PD-vážené obrazy, MRI scan
MR angiografie – CE MRA, PC MRA, TOF MRA
FMRI – princip
Radioaktivita
Radioaktivita – definice, charakterizace, proces radioaktivní přeměny, aktivita, fyzický poločas, protonové/nukleonové číslo, izotop, izobar, izoton, izomer
Radioaktivní přeměna – alfa, beta and gama; neutrony
Interakce ionizujícího záření s obaly atomů – excitace, ionizace, princip interakce alfa, beta a gama záření s absorbující hmotou
Interakce ionizujícího záření s jádry atomů – neutrony, pozitivně nabité částice, fotonukleární reakce
Jaderné reakce – princip (tepelné a rychlé neutrony), jaderná řetězová reakce
Optika a biofyzika vidění
Optika – spektrum a vlastnosti elektromagnetického záření, šíření světla – lom a odraz světla, disperze světla, optická spektra, vlnová optika- interference, difrakce a polarizace světla, základy paprskové optiky, kvantová optika¨
Biofyzika vidění – stavba oka, optický systém oka, blízky a vzdálený bod, akomodační šíře, zraková ostrost, stavba sítnice, mechanismus funkce tyčinek a čípků, refrakční vady oka
Ionizující záření (biologické efekty a aplikace v medicíně)
Radiobiologický efekt - fyzikální, fyzikálně-chemický, chemický a biologický proces; buněčný cyklus a buněčná radiosenzitivita; účinky ionizujícího záření (přímé, nepřímé); kyslíkový poměr
Radiační poškození – stochastické a deterministické účinky
Radioterapie – uzavřené/otevřené zdroje; ozařovače (zdroje gama záření, částicové urychlovače, protonová terapie); 3D scintigrafie (SPECT, PET)
Úvod do termodynamiky
Teplota, vlastnosti plynů (ideální plyn, reálné plyny), tlak, Boyleův zákon, Charlesův zákon stavová rovnice ideálního plynu, teplo, práce, komprese ideálního plynu, Carnotův cyklus
RTG a Výpočetní tomografie
RTG záření – vlastnosti, princip rentgenky, brzdné a charakteristické záření
Interakce RTg záření s hmotou – zeslabení intenzity záření, fotoelektrický jev, Comptonův rozptyl
Aplikace v lékařství – fluoroskopie, radiografie, kontrastní činidla
Computed Tomography – princip, atenuační faktor, voxel, Hounsfieldovy jednotky
Akustika a biofyzika slyšení
Akustika - akustické vlnění, vlnění v bodové řadě – harmonický pohyb, interference vlnění, rychlost vlnění, energie vlnění, intenzita zvuku, akustická spektra, fyziologická akustika – výška zvuku, hlasitost
Biofyzika slyšení – struktura a funkce ucha, mechanismus slyšení, audiometrie
Praktická cvičení z biofyziky
Měření hustoty
Měření viskozity
Měření tepla - kalorimetrie
Měření lomu světla - refraktometrie
Měření optické otáčivosti - polarimetrie
Měření světelné absorpce - spektrofotometrie
Biometrická měření
Biofyzika vidění
Audiometrie
Vliv velikosti molekuly na rychlost difúze
Anotace
Předmět biofyzika poskytuje studentům fyzikální výklad vybraných biologických a fyziologických dějů a znalosti základních fyzikálních měřicích metodik. Cílem tohoto předmětu je vybavit studenty potřebnými teoretickými znalostmi, dále pak naučit je základům laboratorní techniky včetně správných návyků pro vedení experimentů, seznámit je se základními přístroji v laboratoři a naučit základy metodiky vědecké práce. Toto vše je vedeno v souladu s požadavky navazujících předmětů a farmaceutické praxe. Biofyzika jako přípravný předmět poskytuje optimální teoretický i experimentální základ pro vzdělávání studentů na Farmaceutické fakultě Univerzity Karlovy napříč všemi úseky jejich studia.
Témata: základy teorie chyb, měření vybraných fyzikálních veličin, hmota, biologické membrány a transport látek přes membránu, volné radikály, mechanika kapalin a biomechanika krevního oběhu, ultrazvuk a magnetické rezonanční zobrazování, radioaktivita, optika a biofyzika vidění, ionizující záření (biologické působení a aplikace), termodynamika, rentgenové záření a počítačová tomografie, akustika a biofyzika slyšení.