SPIS TREŚCI CZĘŚĆ I. PODSTAWY TEORETYCZNE BIOFIZYKI Budowa materii Wstęp Feliks Jaroszyk... 21

Transkrypt

1 SPIS TREŚCI Wstęp Feliks Jaroszyk CZĘŚĆ I. PODSTAWY TEORETYCZNE BIOFIZYKI Budowa materii Rozdział 1. Hierarchiczność budowy żywych organizmów Feliks Jaroszyk Rozdział 2. Elementy teorii kwantów i budowy powłoki elektronowej atomu Feliks Jaroszyk, Andrzej Pilawski Rozwój poglądów na istotę promieniowania świetlnego i fal materii Zasada nieoznaczoności Heisenberga Determinizm i indeterminizm w fizyce klasycznej i kwantowej Powłoka elektronowa Zjawisko absorpcji i emisji fotonów Widmo charakterystyczne promieni Roentgena. Prawo Moseleya Opis powłoki elektronowej za pomocą mechaniki kwantowej Postulat Pauliego. Tablica okresowa pierwiastków Rozdział 3. Jądro atomowe Marian Kucharski Składniki jądra atomowego Energia wiązania jądra. Siły jądrowe Rozpad promieniotwórczy Rozpad α Rozpad β Przemiana γ Promieniotwórczość naturalna Reakcje jądrowe. Sztuczne izotopy promieniotwórcze Detekcja promieniowania jądrowego (cząstek α, β, fotonów γ) Wyzwalanie energii jądrowej Rozszczepienie ciężkich jąder Synteza termojądrowa Rozdział 4. Cząsteczka Feliks Jaroszyk, Andrzej Pilawski Oddziaływania wewnątrzcząsteczkowe Wiązania jonowe

2 Wiązania kowalencyjne Charakter kierunkowy i nasyceniowy wiązań kowalencyjnych Wiązanie koordynacyjne Oddziaływania międzycząsteczkowe Oddziaływanie van der Waalsa Oddziaływania specyficzne Energie oraz widma cząsteczkowe Rodzaje energii cząsteczek Widma cząsteczkowe Rozpraszanie światła i jego zastosowania w badaniach cząsteczek Rozpraszanie Rayleigha Rozpraszanie Ramana Dynamiczne rozpraszanie światła (DLS) Rozdział 5. Związki wielkocząsteczkowe Informacje wstępne Feliks Jaroszyk Pojęcia ogólne o polimerach i biopolimerach Feliks Jaroszyk Zastosowanie polimerów w medycynie i stomatologii Honorata Shaw, Beata Czarnecka, Dariusz Włodarczyk Podstawy fizyczne materiałoznawstwa stomatologicznego Honorata Shaw, Beata Czarnecka, Dariusz Włodarczyk Rozdział 6. Stany skupienia materii Kryteria podziału Feliks Jaroszyk, Andrzej Pilawski Właściwości sprężyste Właściwości strukturalne Płyny. Podstawowe prawa fizyczne Feliks Jaroszyk Stan gazowy. Stan ciekły. Fizyczne pojęcie płynu Wybrane prawa fizyczne płynów doskonałych i rzeczywistych Struktura i właściwości fizyczne wody Feliks Jaroszyk, Andrzej Pilawski Stany powierzchniowe Feliks Jaroszyk, Andrzej Pilawski Energia powierzchniowa Napięcie powierzchniowe. Prawo Laplace a Zjawiska powierzchniowe Parachora Stan stały Piotr Piskunowicz Ciała krystaliczne i amorficzne Stan krystaliczny Roztwory stałe. Stopy Piotr Piskunowicz Biotermodynamika. Podstawy bioenergetyki i termokinetyki Rozdział 7. Biotermodynamika Wstęp Feliks Jaroszyk Pojęcia podstawowe dotyczące układów i procesów termodynamicznych Feliks Jaroszyk Układ termodynamiczny Rodzaje procesów termodynamicznych Pierwsza zasada termodynamiki. Entalpia. Prawo Hessa Feliks Jaroszyk, Andrzej Pilawski Druga zasada termodynamiki Feliks Jaroszyk, Andrzej Pilawski Prawdopodobieństwo termodynamiczne

3 Entropia. Druga zasada termodynamiki Trzecia zasada termodynamiki Feliks Jaroszyk, Andrzej Pilawski Energia swobodna. Entalpia swobodna Feliks Jaroszyk, Andrzej Pilawski Energia swobodna Entalpia swobodna Procesy egzoergiczne i endoergiczne. Przykłady Wartości standardowe wybranych funkcji stanu Energia swobodna i entalpia swobodna gazu doskonałego Feliks Jaroszyk, Andrzej Pilawski Izotermiczne rozprężenie gazu doskonałego Mieszanie gazów. Roztwory Potencjał chemiczny Feliks Jaroszyk, Andrzej Pilawski Potencjał chemiczny. Współczynnik aktywności Zjawiska transportu masy Dyfuzja Dyfuzja przez błonę Osmoza Zastosowanie termodynamiki do opisu reakcji chemicznych Feliks Jaroszyk, Andrzej Pilawski Rodzaje reakcji chemicznych Kierunek reakcji. Równowaga chemiczna Kinetyka chemiczna. Energia aktywacji Zasady termodynamiki w procesach biologicznych Feliks Jaroszyk, Andrzej Pilawski Pierwsza zasada termodynamiki w procesach biologicznych Druga zasada termodynamiki w procesach biologicznych Zagadnienia termodynamiki nierównowagowej Wstęp Feliks Jaroszyk, Andrzej Pilawski Stan stacjonarny Feliks Jaroszyk, Andrzej Pilawski Procesy sprzężone. Dyssypacja energii Feliks Jaroszyk, Andrzej Pilawski Przykłady procesów sprzężonych Feliks Jaroszyk, Andrzej Pilawski Termodyfuzja Filtracja i ultrafiltracja Zastosowania medyczne transportu błonowego. Sztuczna nerka Henryk Kowalski Kliniczne aspekty dyfuzji i ultrafiltracji w hemodializie Teoretyczne podstawy dializy zewnątrzustrojowej Budowa i właściwości dializatorów Aparatura Dializa otrzewnowa Procesy transportu ładunków elektrycznych. Zjawiska bioelektryczne Feliks Jaroszyk, Andrzej Pilawski Potencjał elektrochemiczny Potencjał elektrodowy Potencjał dyfuzyjny Potencjał błonowy Równowaga Donnana Rozwój i ewolucja. Fluktuacje i struktury dyssypacyjne Feliks Jaroszyk, Andrzej Pilawski

4 Rozdział 8. Podstawy bioenergetyki i termokinetyki Podstawy bioenergetyki Feliks Jaroszyk Wstęp Procesy oksydoredukcyjne Zarys teorii chemiosmotycznej Mitchella Podstawy termokinetyki Feliks Jaroszyk Mechanizmy transportu ciepła Przewodnictwo cieplne Konwekcja Promieniowanie Parowanie Bezwymiarowe liczby podobieństwa Straty cieplne Pole temperaturowe żywych organizmów stałocieplnych Mechanizmy transportu ciepła wewnątrz i na zewnątrz żywych organizmów stałocieplnych Wskaźniki środowiskowe. Bilans energii cieplnej organizmów stałocieplnych Straty cieplne wyrażone przez wskaźniki środowiskowe Termografia Feliks Jaroszyk, Piotr Piskunowicz Wstęp Podstawy fizyczne termografii Termograf AGA-Thermovision Główne zastosowania kliniczne termografii Elementy teorii informacji i sterowania. Teoria chaosu i jej zastosowania w medycynie. Modelowanie w biofizyce i medycynie Rozdział 9. Elementy teorii informacji i sterowania Wojciech Warchoł, Teodor Świdziński, Feliks Jaroszyk Wstęp Niektóre zagadnienia teorii informacji Przepływ informacji łącze informacyjne Miara informacji. Nieokreśloność układu. Negentropia Inne wielkości związane z teorią informacji. Kodowanie. Redundancja Kodowanie informacji Kodowanie informacji w receptorze Przetwarzanie informacji w receptorach Układ cybernetyczny. Transformacja sygnałów. Operatory Układy dyskretne Operatory działaniowe, funkcyjne oraz operatory układów dynamicznych Sposoby badania układów cybernetycznych nazywanych czarną skrzynką Łączenie układów cybernetycznych Sterowanie i regulacja Sterowanie stężeniem leku w układzie jednokompartmentowym Regulacja. Układy ze sprzężeniem zwrotnym Układ regulacji automatycznej z ujemnym sprzężeniem zwrotnym Układy regulacji ze sprzężeniami dodatkowymi Homeostaza. Adaptacja. Antagonistyczny układ ultrastabilny

5 Rozdział 10. Teoria chaosu i jej zastosowania w medycynie Piotr Jaśkowski Elementy teorii chaosu Układy dynamiczne Przestrzeń fazowa Atraktor Układy stochastyczne Prosty model rozwoju populacji Droga do chaosu Własności sygnału i atraktora układu chaotycznego Fraktalna geometria atraktora Wymiar Charakterystyka układów chaotycznych Jak odróżnić układ chaotyczny od stochastycznego? Układy chaotyczne w biologii i medycynie Rozdział 11. Modelowanie biofizyczne w biologii i medycynie Bolesław Turczyński Wstęp Rodzaje modeli Modele biologiczne Modele fizyczne Modele analogowe Modele matematyczne Modele statyczne Modele dynamiczne CZĘŚĆ II. BIOFIZYKA UKŁADÓW BIOLOGICZNYCH Podstawy biofizyki molekularnej komórek i tkanek Rozdział 12. Elementy biofizyki molekularnej Bartłomiej Kwiatkowski Podstawowe rodzaje makrocząsteczek biologicznych Białka Kwasy nukleinowe Lipidy Wybrane metody preparatywne i analityczne biofizyki molekularnej Sączenie żelowe Metody oparte na wirowaniu Elektroforeza Niektóre metody fizyczne badania struktury makrocząsteczek Rentgenografia Spektroskopia molekularna Spektroskopia elektronowa (UV/VIS) Spektropolarymetria Spektroskopia w podczerwieni (IR) Reometria kwasów nukleinowych i białek Rozdział 13. Wstęp do biofizyki komórki Budowa błony komórkowej Marek Tuliszka Transport przez błony Marek Tuliszka

6 Klasyfikacja procesów transportu Białka pośredniczące w transporcie przez błony Charakterystyki transportu aktywnego i biernego Rola transportu aktywnego w regulacji ciśnienia osmotycznego Dynamika procesów transportu Potencjał spoczynkowy Leszek Kubisz Model elektryczny błony komórkowej Leszek Kubisz Rozdział 14. Biofizyka tkanek Biofizyka tkanki nerwowej Krzysztof Michalak, Piotr Piskunowicz Potencjał czynnościowy komórki. Rola jonów sodu i potasu Warunki powstawania potencjałów czynnościowych Rozprzestrzenianie się potencjału czynnościowego Zjawiska zachodzące na synapsach Przetwarzanie informacji w procesie odczuwania bodźca Przetwarzanie informacji przez sieci neuronowe Biofizyka tkanki mięśniowej Mechanizm powstawania skurczu komórek mięśniowych Anna Kostrzewska Wstęp Ułożenie białek kurczliwych w komórkach mięśniowych Ślizgowa teoria skurczu Sprzężenie pobudzenia ze skurczem Przenoszenie pobudzenia w komórkach mięśni poprzecznie prążkowanych Przenoszenie pobudzenia w komórkach mięśni gładkich Właściwości mechaniczne mięśnia Piotr Piskunowicz Mięsień niepobudzony Mięsień pobudzony Energetyka mięśnia Bolesław Turczyński Związek pomiędzy szybkością skracania mięśnia a jego obciążeniem. Moc mięśnia Biofizyka tkanki łącznej Ewa Marzec Elementy budowy tkanki łącznej Układ białko woda w tkance łącznej Właściwości dielektryczne tkanki łącznej Znaczenie biofizycznych właściwości tkanek w biomechanice Bolesław Turczyński Wstęp Główne układy ruchu człowieka Aparat kostno-stawowy Praca i moc człowieka Podstawowe zagadnienia i prawa związane z odkształceniami Tkanka kostna jako materiał anizotropowy. Uogólnione prawo Hooke a Właściwości biomechaniczne tkanki kostnej Wytrzymałość tkanki kostnej a ciężar ciała (obciążenie) Modele reologiczne materiałów lepko-sprężystych i sprężysto-lepkich Właściwości biomechaniczne mięśni Biomechanika narządu żucia

7 Biofizyka narządów Rozdział 15. Biofizyka zmysłu słuchu Wstęp Aleksander Sęk Fizyczne podstawy drgań i fal akustycznych Aleksander Sęk Ruch drgający Klasyfikacja sygnałów Podstawy analizy sygnałów Pojęcie liniowości. Filtry Propagacja dźwięku w przestrzeni Natężenie dźwięku. Decybel Fala akustyczna na granicy ośrodków. Impedancja Budowa i funkcjonowanie układu słuchowego Aleksander Sęk Droga fali akustycznej w układzie słuchowym Proces przetwarzania Wzmacniacz ślimakowy Nieliniowość układu słuchowego Emisje otoakustyczne Nerw słuchowy Percepcyjna analiza dźwięku w układzie słuchowym Aleksander Sęk Progi słyszalności i percepcja głośności Progi słyszalności Krzywe jednakowej głośności Skalowanie głośności Sumowanie w czasie. Progi różnicowe Selektywność częstotliwościowa Istota selektywności częstotliwości Wstęga krytyczna. Filtry słuchowe Percepcja barwy Głośność a selektywność częstotliwościowa Percepcja wysokości Wysokość tonów. Skalowanie wysokości Teorie percepcji wysokości Dyskryminacja częstotliwości Wysokość dźwięków złożonych Rozdzielczość czasowa ucha Lokalizacja dźwięków Czynniki lokalizacyjne wynikające z odsłuchów dwuusznych Rola małżowiny usznej Efekt precedensu Binauralne różnice poziomu maskowania Mowa Aleksander Sęk Wytwarzanie dźwięków mowy Głoski i fonemy Analiza dźwięków mowy. Spektrogram Dźwięki mowy Intonacja Wady słuchu i ich korekcje Dorota Hojan-Jezierska Wstęp Choroby narządu słuchu Metody badań uszkodzeń słuchu Korekcje wad słuchu

8 Metody dopasowania aparatów słuchowych Procedury oparte na audiometrii tonalnej Procedury oparte na skalowaniu głośności Potencjały wywołane Piotr Świdziński, Teodor Świdziński Badania elektrofizjologiczne Badanie potencjałów wywołanych drogi słuchowej Badanie potencjałów wywołanych drogi wzrokowej Badanie potencjałów wywołanych drogi węchowej Rozdział 16. Biofizyka układu wzrokowego Wstęp Anna Przekoracka-Krawczyk, Piotr Jaśkowski Promieniowanie elektromagnetyczne Anna Przekoracka-Krawczyk, Piotr Jaśkowski Podstawowe prawa optyki geometrycznej Anna Przekoracka-Krawczyk, Piotr Jaśkowski Załamanie światła w pryzmacie Załamanie światła na powierzchni sferycznej Układ optyczny oka Anna Przekoracka-Krawczyk, Piotr Jaśkowski Wady wzroku i ich korekcja Siatkówka oka Anna Przekoracka-Krawczyk, Piotr Jaśkowski Transdukcja sygnału w siatkówce Wrażliwość siatkówki Kanały włączeniowe i wyłączeniowe w siatkówce Pola recepcyjne komórek zwojowych Wielkość pól recepcyjnych Przetwarzanie informacji wzrokowej Anna Przekoracka-Krawczyk, Piotr Jaśkowski Funkcja czułości na kontrast Widzenie barwne Teoria trójchromatyczna Teoria opozycji barwnej Szlaki parvo i magno Kora wzrokowa Pierwszorzędowa kora wzrokowa (V1) Drugorzędowa kora wzrokowa Pola wzrokowe wyższego rzędu Dwie drogi wzrokowe Podstawy fotometrii i kolorymetrii Kamila Linkowska-Świdzińska, Teodor Świdziński Światło i kolor w medycynie Zagadnienia fotometrii Wielkości fotometryczne Zagadnienia kolorymetrii nauka o kolorze Rozdział 17. Biofizyka układu oddechowego Andrzej Pilawski, Kazimierz Narożny Mechanizm wentylacji płuc Rola ciśnień wewnątrzopłucnowego i śródpęcherzykowego Rola właściwości sprężystych tkanki płucnej i napięcia powierzchniowego warstwy powierzchniowej pęcherzyków. Histereza objętościowo- -ciśnieniowa Praca wykonywana przez układ oddechowy. Moc oddechowa Wymiana gazowa

9 Rozdział 18. Biofizyka układu krążenia Wstęp Piotr Piskunowicz Uproszczona budowa układu krążenia Piotr Piskunowicz Procesy transportu między układem krwionośnym a układem chłonnym Piotr Piskunowicz Energetyka serca Piotr Piskunowicz Właściwości biomechaniczne i geometryczne naczyń krwionośnych Bolesław Turczyński Właściwości bierne i czynne Związek między naprężeniem sprężystym a właściwościami geometrycznymi naczynia krwionośnego i ciśnieniem krwi w stanie równowagi Związek między zmianą ciśnienia krwi i zmianą naprężenia sprężystego oraz właściwości geometrycznych naczynia krwionośnego Molekularne podstawy właściwości sprężystych naczyń krwionośnych. Napięcie czynne Dynamika krwi Impedancja tętnicza. Fala tętna Właściwości reologiczne krwi i ich rola Bolesław Turczyński Właściwości pseudoplastyczne i tiksotropowe Wpływ hematokrytu na lepkość krwi Odkształcalność erytrocytów Agregacja erytrocytów Elektryczna, magnetyczna i mechaniczna aktywność serca. Metody badawcze Feliks Jaroszyk Elektryczna i magnetyczna aktywność serca Elektrokardiografia Magnetokardiografia Mechaniczna czynność serca. Mechanokardiografia CZĘŚĆ III. ODDZIAŁYWANIE CZYNNIKÓW FIZYCZNYCH NA ŻYWY ORGANIZM Rozdział 19. Wpływ czynników mechanicznych na żywy organizm Wstęp Helena Gawda Wpływ fal sprężystych na organizm. Wprowadzenie Helena Gawda Infradźwięki i wibracje Helena Gawda Generacje ultradźwięków Helena Gawda Parametry fal i pola ultradźwiękowego Helena Gawda Rozchodzenie się ultradźwięków w tkankach Helena Gawda Czynne i bierne działanie ultradźwięków. Przykłady zastosowania Helena Gawda Litotrypsja Helena Gawda Ultrasonografia Helena Gawda, Dariusz Włodarczyk Dopplerowskie metody badania biologicznych struktur ruchomych Helena Gawda, Dariusz Włodarczyk Ocena szkodliwości oddziaływania ultradźwięków na obiekty biologiczne Helena Gawda Wpływ przyspieszeń Helena Gawda l. Wpływ przyspieszeń podłużnych +G z, G z Wpływ przyspieszeń poprzecznych

10 Stan nieważkości Wpływ zmienionego ciśnienia na organizm człowieka Helena Gawda Wpływ obniżonego ciśnienia Wpływ podwyższonego ciśnienia Rozdział 20. Wpływ temperatury i wilgotności Feliks Jaroszyk Wpływ temperatury otoczenia. Termoregulacja Wpływ pola temperatur na kinetykę procesów biologicznych Termoregulacja Wpływ temperatury otoczenia na pole temperatur organizmu stałocieplnego Wpływ wilgotności Rozdział 21. Wpływ pola elektrycznego i magnetycznego na żywy organizm Józef Terlecki Właściwości elektryczne i magnetyczne Dielektryki Półprzewodniki i przewodniki Przewodność oraz przenikalność elektryczna komórek i tkanek Właściwości magnetyczne substancji Momenty magnetyczne elektronów i atomów Właściwości magnetyczne substancji biologicznych Zjawisko rezonansu magnetycznego Działanie pól elektromagnetycznych na żywe organizmy Oddziaływanie pól stałych i wolnozmiennych Oddziaływanie pól elektromagnetycznych wysokiej częstotliwości skutki termiczne Zagrożenia wtórne Ogólne zasady ochrony przed promieniowaniem elektromagnetycznym 743 Rozdział 22. Wpływ promieniowania jonizującego na żywy organizm Tadeusz Rudnicki, Józef Terlecki Wstęp Ważniejsze źródła promieniowania jonizującego Źródła medyczne Promieniowanie rentgenowskie Źródła promieniowania gamma Radionuklidy naturalne Obiekty jądrowe Przechodzenie promieniowania jonizującego przez substancję Krótki przegląd fizycznych procesów wzajemnego oddziaływania cząstek naładowanych i substancji Straty energii jonizacyjne Przechodzenie promieniowania fotonowego (rentgenowskiego, gamma) przez substancję Wzajemne oddziaływanie neutronów i materii Podstawowe wielkości stosowane w dozymetrii promieniowania jonizującego Działanie biologiczne promieniowania jonizującego Wprowadzenie Efekty radiobiologiczne Dawki graniczne promieniowania jonizującego Czy istnieją dawki bezpieczne? Dawki graniczne dla niektórych grup ludności

11 Rozdział 23. Wpływ promieniowania niejonizującego na żywy organizm Charakterystyka promieniowania niejonizującego. Uwagi terminologiczne Marian Kucharski Wytwarzanie promieniowania niejonizującego Marian Kucharski Absorpcja promieniowania niejonizującego przez atomy i cząsteczki Marian Kucharski Zjawiska fizyczne zachodzące w cząsteczkach wzbudzonych. Fotoluminescencja. Schemat Jabłońskiego Marian Kucharski Reakcje fotochemiczne Marian Kucharski Przykłady biologicznie ważnych reakcji fotochemicznych Reakcje fotochemiczne związane z ozonem atmosferycznym Fotosensybilizacja. Tlen singletowy Marian Kucharski Melanina jako indywidualny fotoprotektor Marian Kucharski Fotomedycyna Marian Kucharski Lasery. Promieniowanie laserowe Urszula Kokowska Właściwości promieniowania laserowego Wpływ promieniowania laserowego na tkanki Zastosowanie laserów w medycynie i stomatologii Światłowody Wolne rodniki i antyoksydanty w zdrowym i chorym organizmie Bolesław Gonet Wolne rodniki w zdrowym organizmie Antyoksydanty Wolne rodniki w chorym organizmie Metody wykrywania wolnych rodników Podstawy fizyczne wybranych metod obrazowania tkanek i narządów. 826 Rozdział 24. Podstawy fizyczne metod obrazowania tkanek i narządów Edward Pankowski Tomografia transmisyjna KT Promienie rentgenowskie Mechanizm wytwarzania promieniowania rentgenowskiego Widmo promieniowania rentgenowskiego Osłabianie promieniowania rentgenowskiego Rentgenowska transmisyjna tomografia komputerowa KT Rekonstrukcja obrazu w rentgenowskiej transmisyjnej tomografii komputerowej Rozwój transmisyjnej tomografii komputerowej Przestrzenna i gęstościowa zdolność rozdzielcza Obrazowanie trójwymiarowe Uboczne skutki badania za pomocą tomografii KT Rozdział 25. Spektroskopia i tomografia NMR Bolesław Gonet Wstęp Podstawy fizyczne zjawiska NMR Relaksacja Oddziaływanie spin sieć. Czas relaksacji podłużnej T Oddziaływanie spin spin. Czas relaksacji poprzecznej T Przekształcenie Fouriera Koncepcja spektroskopii NMR Przesunięcie chemiczne

12 Sprzężenie spin spin, rozprzęganie spinów Od spektroskopii do tomografii NMR Skanowanie i rekonstrukcja obrazów Parametry obrazowania MR Możliwości diagnostyczne tomografii NMR Rozdział 26. Tomografia emisyjna SPECT Edward Pankowski Wstęp Jednofotonowa emisyjna tomografia komputerowa SPECT Zdolność rozdzielcza Lokalizacja źródeł promieniotwórczych Rozdział 27. Pozytonowa emisyjna tomografia komputerowa (PET) Edward Pankowski Wstęp Budowa i zasada działania tomografu emisyjnego PET Znaczniki izotopowe stosowane w tomografii PET Zastosowanie kliniczne tomografii emisyjnej PET Dodatek Feliks Jaroszyk Polecane piśmiennictwo Skorowidz