Biofizyka medyczna 1. Metryczka Nazwa Wydziału: Program kształcenia Wydział Farmaceutyczny z Oddziałem Medycyny Laboratoryjnej Analityka Medyczna, jednolite studia magisterskie, profil praktyczny, studia stacjonarne Rok akademicki: 2018/2019 Nazwa modułu/przedmiotu: Biofizyka medyczna Kod przedmiotu 41666 Jednostka/i prowadząca/e kształcenie: Kierownik jednostki/jednostek: Zakład Bioanalizy i Analizy Leków Prof. dr hab. Piotr Wroczyński Rok studiów 1 Semestr studiów Typ modułu/przedmiotu Osoby prowadzące I podstawowy dr Marek Wasek mgr inż. Bartosz Kózka dr Katerina Makarova Erasmus TAK/NIE Osoba odpowiedzialna za sylabus NIE dr Marek Wasek Liczba punktów ECTS: 3 2. Cele kształcenia 1. Poznanie podstawowych praw biofizycznych i fizycznych wykorzystywanych w diagnostyce i terapii medycznej. 2. Poznanie mechanizmów i skutków oddziaływania fizycznych i biofizycznych czynników środowiskowych na organizm ludzki w różnych fazach jego rozwoju. 3. Nabycie praktycznych umiejętności w prawidłowym wykonywaniu pomiarów wielkości biofizycznych, prezentacji, interpretacji oraz szacowania niepewności wyników końcowych. Strona 1 z 10
3. Wymagania wstępne 1. Znajomość praw fizyki z zakresu szkoły średniej na poziomie podstawowym ( standardy wymagań maturalnych na poziomie podstawowym). 2. Znajomość analizy matematycznej, a w szczególności właściwości funkcji liniowej, wielomianowej i wykładniczej, Zakres podstawowy ze szkoły średniej. 4. Przedmiotowe efekty kształcenia Lista efektów kształcenia Symbol przedmiotowego efektu kształcenia W 1 W 2 W 3 Zna: Treść przedmiotowego efektu kształcenia 1. Podstawy procesów fizjologicznych (krążenia, przewodnictwa nerwowego, wymiany gazowej, ruchu, wymiany substancji). 2. Uproszczoną budowę układu krążenia a w szczególności procesy transportu między układem krwionośnym a układem chłonnym. 3. Student zna podstawy biofizyki działania wybranych narządów słuchu i wzroku. zna prawidłową budowę i funkcję komórek, tkanek narządów i układów organizmu ludzkiego oraz rozumie współzależności ich budowy i funkcji w warunkach zdrowia i choroby. Rozumie fizyczne podstawy procesów biologicznych oraz metod pomiarowych stosowanych w diagnostyce. Zna metodykę pomiarów wielkości biofizycznych. Zna definicje i metody oceny precyzji, dokładności, swoistości, czułości, czułości funkcjonalnej i liniowości metod analitycznych oraz zasady kontroli ich jakości. Zna metody testowania hipotez statystycznych oraz znaczenie korelacji i regresji; Stosuje metody statystyczne do opracowania danych z badań, ocenia rozkład zmiennych losowych, wyznacza średnią, medianę, przedział ufności, wariancje i odchylenia standardowe, formułuje i testuje hipotezy statystyczne oraz dobiera i stosuje metody statystyczne w opracowywaniu wyników obserwacji i pomiarów. Potrafi szacować niepewności pomiarów typu A i typu B. Zna podstawy fizyczne metod obrazowania tkanek i narządów, a w szczególności: 1. Podział metod diagnostycznych in vivo, podstawy biofizyczne sygnałów elektromagnetycznych, którego źródłem jest organizm człowieka. 2. Właściwości fizyczne promieniowania rentgenowskiego i wykorzystanie tego promieniowania w aspekcie diagnostyki medycznej. 3. Podział metod rentgenodiagnostycznych. 4. Właściwości fizyczne promieniowania Odniesienie do efektu kierunkowego (numer) A.W.21. A.U.15 A.W.21. A.U.15 A.W.21. A.U.15 Strona 2 z 10
W 4 W 5 ultradźwiękowego. 4. Medyczne zastosowania promieniowania ultradźwiękowego w diagnostyce i terapii medycznej. 5. Zjawisko magnetycznego rezonansu jądrowego oraz podstawy diagnostyki medycznej NMR. 6. Zastosowania światła laserowego w diagnostyce i terapii. Zna podstawy radiofarmacji a w szczególności 1. Zastosowanie znaczników izotopowych w biologii, diagnostyce i terapii medycznej medycznej. 2. Podstawy biofizyczne metod emisyjnych diagnostyki medycznej (scyntygrafię, tomografię emisyjną SPECT, pozytonową emisyjną tomografię komputerową PET. 3. Podstawy biofizyczne terapii z wykorzystaniem radiofarmaceutyków 4. Podstawy radiologii z wykorzystaniem promieniowania rentgenowskiego i gamma oraz promieniowania beta(-), promieniowania protonowego i hadronowego. Charakteryzuje wpływ czynników fizycznych środowiska na organizmy żywe. Zna pozytywne i negatywne efekty oddziaływań czynników fizycznych na organizm, a w szczególności promieniowania jonizującego i niejonizującego. A.W.21. A.U.15 A.W.22. A.U.16. U 1 U 2 Zna zasady dozymetrii i ochrony radiologicznej: pomiaru dawek, kontroli parametrów aparatury terapeutycznej. Opisuje i interpretuje właściwości i zjawiska biofizyczne oraz ocenia wpływ czynników środowiska na organizmy żywe. Mierzy lub wyznacza wielkości fizyczne w przypadku organizmów żywych i ich środowiska. Stosuje metody statystyczne do opracowania danych z badań, ocenia rozkład zmiennych losowych, wyznacza średnią, medianę, przedział ufności, wariancje i odchylenia standardowe, formułuje i testuje hipotezy statystyczne oraz dobiera i stosuje metody statystyczne w opracowywaniu wyników obserwacji i pomiarów. Potrafi szacować niepewności pomiarów typu A i typu B. A.U.16. A.U.16. 5. Formy prowadzonych zajęć Forma Liczba godzin Liczba grup Minimalna liczba osób w grupie Wykład 15 Cały rok Seminarium - Ćwiczenia 30 5 Strona 3 z 10
6. Tematy zajęć i treści kształcenia W1 Wykład 1 - Metodyka pomiarów wielkości fizycznych i biofizycznych; 1. Podstawowe założenia rachunku niepewności pomiarów zgodnie z Przewodnikiem : Wyrażanie Niepewności Pomiarów ; ( GUM 1999). 2. I odróżnia pojęcia: szacowanie niepewności typu A i typu B. 3. Różnicę pomiędzy pojęciami błędu i niepewności. 4. Pojęcie niepewności rozszerzonej. Potrafi praktycznie wyznaczać tę wielkość. 5. Pojęcia precyzji, dokładności i poprawności pomiarów. 6. Prawidłowy zapis wyniku końcowego i jego niepewności. Potrafi wykonać odpowiednie zaokrąglenia. 7. Modele procesu pomiarowego i jego wpływ na szacowanie niepewności wyniku końcowego. 8. Przykłady oddziaływań przypadkowych i systematycznych. Symbol/e przedmiotowego efektu kształcenia: W2, U2 W2 - Wykład 2 - Rola biofizyki we współczesnej nauce. Techniki doświadczalne i teoretyczne stosowane w biofizyce. 1. Rolę biofizyki we współczesnej nauce i medycynie. 2. Podstawowe techniki pomiarowe stosowane w biofizyce. 3. Powiązania biofizyki z innymi naukami przyrodniczymi. 4. Kilka metod analizy białek krystalicznych. 5. Podstawy fizyczne zjawisk jądrowego rezonansu magnetycznego i elektronowego rezonansu paramagnetycznego w aspekcie wykorzystania ich w analizie strukturalnej i w diagnostyce medycznej. 6. Zjawisko powstawania i właściwości promieniowania rentgenowskiego oraz jego zastosowania w naukach biologicznych i medycznych. 7. Właściwości i zastosowania promieniowania synchrotronowego. Symbol/e przedmiotowego efektu kształcenia: W1, W3 W3 - Wykład 3. - Biofizyka układu krążenia. 1. Rolę wartości ciśnienia tętniczego i żylnego w prawidłowym i patologicznym przepływie krwi. 2. Pojęcie ciśnienia hydrostatycznego i dynamicznego krwi. 3.Zmiany zachowania się ciśnień w cyklu pracy serca. 4. Procesy transportu między układem krwionośnym a układem chłonnym. 5. Prawa ciągłości i Bernouliego przepływu cieczy oraz wnioski wynikające z nich w aspekcie przepływu krwi w układzie krążenia. 6. Zasadę działania ciśnieniomierza Strona 4 z 10
7. Podstawy reometrii cieczy newtonowskich i nienewtonowskich. Reometria krwi. 8. Podstawy dyfuzji przez błonę. Prawo Ficka. Symbol/e przedmiotowego efektu kształcenia: W1 W3 - Wykład 4. - Biofizyka zmysłu słuchu, mowy i wzroku. 1. Zjawiska związane z rozchodzeniem się fal akustycznych w ośrodkach materialnych. 2. Cechy dźwięku obiektywne i subiektywne. 3. Pojęcia progu słyszalności, percepcji głośności i rozdzielczości czasowej ucha. 4. Podstawowe prawa optyki geometrycznej. 5.. Konstrukcje obrazów w soczewkach skupiających i rozpraszających. 6. Wzór soczewkowy. 7. Wady odwzorowań soczewek. 8. Układ optyczny oka, akomodacja i refrakcja. 9. Wady wzroku i sposoby ich korekcji. 10. Pojęcie zdolności rozdzielczej mikroskopu. Symbol/e przedmiotowego efektu kształcenia: W1 W5 Wykład 5. - Wpływ czynników zewnętrznych na organizmy żywe. 1. Podział promieniowania elektromagnetycznego na jonizujące i niejonizujące. 2. Źródła promieniowania niejonizującego. 3. Zjawisko absorpcji promieniowania niejonizujacego przez atomy i cząsteczki. 4. Pojęcie współczynnika absorpcji właściwej (SAR) oraz sposoby jego wyznaczania. Potrafi zmierzyć zakłócenia elektromagnetyczne od urządzeń AGD. 5. Zna prawo Lamberta-Beera. Potrafi wyznaczyć współczynnik pochłaniania światła laserowego przez roztwory wodne. 6. Właściwości i wpływ światła laserowego na tkanki. 7. Źródła promieniowania jonizującego. 8. Zjawiska radiolizy i jonizacji promieniowania jądrowego. 9. Podstawowe jednostki operacyjne stosowane w dozymetrii jądrowej. 10. Koncepcje w dozymetrii jądrowej. Pojęcie hormezy radiacyjnej. 11. Zakres skażeń promieniotwórczych po awariach elektrowni jądrowych. Potrafi wyznaczyć aktywność promieniotwórczą skażonych substancji promieniotwórczych. 12. Pozytywne aspekty zastosowania promieniowania jonizującego w medycynie i technice. 13. Pojęcie nadwrażliwości organizmów żywych na promieniowanie jonizujące. Symbol/e przedmiotowego efektu kształcenia: W5, U1 Strona 5 z 10
W6 Wykład 6 - Biofizyczne podstawy metod diagnostycznych in vivo. 1. Podział metod diagnostycznych in vivo. 2. Sygnały bioelektryczne i związany z tym podział metod diagnostycznych. 3. Podstawy biofizyczne elektrokardiografii, elektroencefalografii, elektromiografii. 4. Właściwości fizyczne fali ultradźwiękowej. 5. Czynne i bierne działanie i zastosowanie ultradźwięków. 6. Fizyczne aspekty wszystkich znanych prezentacji USG. Prezentacje A, B i M. 7. Zjawisko Dopplera i fizyczne podstawy zastosowania go w diagnostyce przepływu krwi w układzie tętniczym i żylnym ludzi dorosłych, dzieci i płodów. 8. Biofizyczne podstawy zastosowania ultradźwięków w lecznictwie ( urologii, reumatologii, stomatologii i chirurgii) 9. Właściwości promieniowania rentgenowskiego. 10. Fizyczne podstawy rentgenodiagnostyki klasycznej, angiografii subtrakcyjnej, rentgenotelewizji i tomografii komputerowej (CT). 11. Dawki pochodzące od typowych metod diagnostycznych z użyciem promieniowania rentgenowskiego. 12. Zna podstawy obrazowania narządów wewnętrznych człowieka przy użyciu zjawiska magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR). 13. Podstawy biofizyczne fotodynamicznych metod diagnostycznych i terapeutycznych. 14. Zastosowanie laserów w medycynie Symbol/e przedmiotowego efektu kształcenia: W3 W7 Wykład 7 - Biofizyczne podstawy radiofarmacji. Zastosowanie znaczników izotopowych w diagnostyce i terapii medycznej. Terapia hadronowa. 1. Podstawy biofizyczne metod emisyjnych ( scyntygrafia, tomografia pojedynczego fotonu SPECT i pozytonowa tomografia emisyjna PET). 2. Podstawy radiofarmacji. Zalety stosowania wskaźników izotopowych.. Zjawisko izomerii jądrowej w aspekcie wykorzystania tego zjawiska w produkcji generatorów technetowych. 3. Zasadę działania cyklotronów i reaktorów atomów w aspekcie produkcji izotopów. 4. Zastosowania emisyjnych metod diagnostycznych. Potrafi wytłumaczyć zalety tych metod w odniesieniu do metod transmisyjnych ( CT, USG i NMR). 5. Biofizyczne podstawy terapii izotopowej i terapii z wykorzystaniem promieniowania X i gamma. 6. Podstawy biofizyczne terapii protonowej, hadronowej i BNCT. Symbol/e przedmiotowego efektu kształcenia: W4, W5 Strona 6 z 10
C1- Ćwiczenie 1 - Refrakcja molekularna 1. Prawa odbicia i załamania światła, kąt graniczny, zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia, oddziaływanie fali świetlnej z materią, korpuskularno-falową naturę światła, dyfrakcję i interferencję światła 2. Refrakcję molekularną 3. Dwa sposoby znajdowania refrakcji substancji czystej 4. Wyznaczanie współczynnika załamania światła za pomocą refraktometru 5. Określanie stężenia glukozy w roztworach wodnych 6. Zastosowanie refraktometrii. Symbol/e przedmiotowego efektu kształcenia: W1, W2, U2 C2 - Ćwiczenia 2 - Badanie własności i absorpcji światła z wykorzystaniem lasera. 1. Budowę i zasadę działania lasera, 2. Siatkę dyfrakcyjną, jej zastosowania oraz zasadę działania monochromatora, 3. Prawo Lamberta-Beera 4. Potrafi wyznaczać współczynnik pochłaniania światła laserowego dla wybranej cieczy. Symbol/e przedmiotowego efektu kształcenia: W2, W3, W4, U1, U2 C3 - Ćwiczenie 3 - Obserwacje i pomiary mikroskopowe. 1. Elementy optyki geometrycznej. 2. Dyfrakcję i interferencję światła. 3. Budowę oka ludzkiego i powstawanie w nim obrazów. 4. Budowę i bieg promieni w mikroskopie 5. Aperturę, powiększenie i zdolność rozdzielczą mikroskopu. 6. Metodę pomiaru małych przedmiotów przy pomocy skali okularowej Symbol/e przedmiotowego efektu kształcenia: W1, W2, W3, W4, U1, U2. 4 - Ćwiczenie 4 - Pomiary temperatury metodami elektrycznymi. 1. Założenia elektronowej teorii ciał stałych, 2. Zjawiska kontaktowe na granicy zetknięcia dwóch metali, zjawisko termoelektryczne, 3. Podstawowe wiadomości o budowie i działaniu półprzewodników, 4. Podstawy sporządzania wykresów, Strona 7 z 10
5. Metodę najmniejszych kwadratów, 6. Pojęcia niepewności standardowej, złożonej i rozszerzonej, poziomu ufności. 7. Metodę wykalibrowania termopary i termistora 8. Metodę wyznaczenia nieznanej temperatury metodą algebraiczną (ścisłą), 9. Metody porównania pomiarów temperatury przy zastosowaniu termopary i termistora, 10. Metodę porównania dokładności i precyzji obu metod. Symbol/e przedmiotowego efektu kształcenia: W2, W3, W4, U1, U2. C5 - Ćwiczenie 5 Wyznaczanie współczynnika dyfuzji przez błonę 1. Zjawisko dyfuzji nieelektrolitów w roztworach oraz dyfuzja swobodnej (stężeniowej), 2. Pierwsze prawo Ficka, 3. Zjawisko dyfuzji nieelektrolitów przez błony oraz współczynnik przepuszczalności, 4. Budowę komory Ussinga, 5. Budowę i zasadę działania refraktometru Abbego, 6. Zagadnienia związane z regresją liniową (linearyzacja), 7. Metodę doświadczalnego wyznaczania współczynnika dyfuzji kwasu winowego w błonie. Symbol/e przedmiotowego efektu kształcenia: W1, W2, W3, W4, U1, U2. C6 - Ćwiczenie 6 Reometria cieczy newtonowskich i nienewtonowskich. Wyznaczanie charakterystyki lepkościowo-temperaturowej gliceryny wiskozymetrem rotacyjnym. 1. Pojęcie i zjawisko lepkości (definicje i jednostki) 2. Siły tarcia wewnętrznego, wzór Newtona (definicje: naprężenia ścinającego, prędkości ścinania, jednostki) 3. Krzywe płynięcia, reogramy (przykłady cieczy newtonowskich i nienewtonowskich) 4. Czynniki wpływające na lepkość cieczy. Równanie w postaci wykładniczej i logarytmicznej opisujące zależność lepkości cieczy od temperatury (wzór Arrheniusa-Gutzmanna) 5. Energię aktywacji lepkości (jednostki) 6. Regresję liniową (linearyzacja) 7. Obsługę i zasadę działania lepkościomierza rotacyjnego 8. Doświadczalne wyznaczanie charakterystyki lepkościowo-temperaturowej gliceryny oraz ilościowe wyznaczenie energii aktywacji lepkości dla tej cieczy. Symbol/e przedmiotowego efektu kształcenia: W1, W2, W3, W4, U1, U2. 7. Sposoby weryfikacji efektów kształcenia Symbol przedmiotowego efektu Symbole form prowadzonych zajęć Sposoby weryfikacji efektu kształcenia Kryterium zaliczenia Strona 8 z 10
kształcenia W1, W2, W3, W4, W5 W W2, W3, W4, U1, U2 W, C 8. Kryteria oceniania Kolokwium 1 test zamknięty oraz 3 pytania typu otwartego dotyczące tematyki poruszanej na wykładach; system punktowy Dla 6 ćwiczeń: Kartkówka 4 pytania przed każdym wykonaniem ćwiczenia ( 15 min.) Raport z 6 ćwiczeń Kolokwium 2 zadania dotyczące odrzucania wyników wątpliwych, szacowanie niepewności metodą typu A i B przy użyciu kalkulatora zaokrąglanie wyników i niepewności Kryterium 1 zaliczenia Uzyskanie powyżej 50% z kolokwium Kryterium 2 zaliczenia Uzyskanie powyżej 50% z wypadkowej sumy punktów z kartkówek i raportów z 6 ćwiczeń oraz kolokwium Forma zaliczenia przedmiotu: : Kolokwium 1, Kolokwium 2, 4 kartkówki, 6 raportów z ćwiczeń ocena 2,0 (ndst) 3,0 (dost) 3,5 (ddb) 4,0 (db) 4,5 (pdb) 5,0 (bdb) kryteria Uzyskanie poniżej 50% punktów z kryterium 1 i 2 zaliczenia Uzyskanie od 51% do 60 % wypadkowej sumy punktów z kryterium 1 i kryterium 2 zaliczenia Uzyskanie od 61% do 70% wypadkowej sumy punktów z kryterium 1 i kryterium 2 zaliczenia Uzyskanie od 71% do 80 % wypadkowej sumy punktów z kryterium 1 i kryterium 2 zaliczenia Uzyskanie od 81% do 90 % wypadkowej sumy punktów z kryterium 1 i kryterium 2 zaliczenia Uzyskanie powyżej 90% wypadkowej sumy punktów z kryterium 1 i kryterium 2 zaliczenia 9. Literatura Literatura obowiązkowa: 1. Feliks Jaroszyk, Biofizyka. Podręcznik dla studentów, Wydawnictwo Lekarskie PZWL, 2001 2. Krzysztof Dołowy, Biofizyka, Wydawnictwo SGGW, 2005 3. Bolesław Kędzia, Materiały do ćwiczeń z biofizyki i fizyki, PZWL, 1980 4. Instrukcje do ćwiczeń C1-C6 oraz literatura tam cytowana 5. Materiały z prezentacji wykładów (wersja elektroniczna) Literatura uzupełniająca: 1. Andrzej A. Czerwiński, Energia jądrowa i promieniotwórczość, Oficyna Edukacyjna, 1998. Strona 9 z 10
2. A.Z. Hrynkiewicz, E. Rokita, Fizyczne metody diagnostyki medycznej i terapii, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2000 10. Kalkulacja punktów ECTS Forma aktywności Liczba godzin Liczba punktów ECTS Godziny kontaktowe z nauczycielem akademickim: Wykład 15 Seminarium - Ćwiczenia 30 3 Samodzielna praca studenta (przykładowe formy pracy): Przygotowanie studenta do zajęć Przygotowanie studenta do zaliczeń Konsultacje, raport z ćwiczeń Razem 25 godz. 25 godz. 20 godz. 70 godz. 11. Informacje dodatkowe 1. Zajęcia laboratoryjne ( C1 C6) odbywają się na Pracowni Biofizyki, Blok 3, sala 01, Wydział Farmacji zgodnie z planem dla poszczególnych grup studenckich 2. Konsultacje odbywają się w godzinach ustalonych przez prowadzących zajęcia laboratoryjne. 3. Kierownik Pracowni przyjmuje studentów w każdą środę podczas trwania zajęć laboratoryjnych od godz.8 14 4. Na zajęcia laboratoryjne przynosimy kalkulatory z funkcjami statystycznymi 5. Dane kontaktowe osoby odpowiedzialnej za dydaktykę: e- mail : marek.wasek@wum.edu.pl tel. : 22 5720961 Podpis Kierownika Jednostki Podpis osoby odpowiedzialnej za sylabus Strona 10 z 10