Biofizyka lekarska jest przedmiotem obowiązkowym dla studentów pierwszego roku Wydziału Lekarskiego SUM w Katowicach. Przedmiot realizowany jest w ciągu obu semestrów (zimowego i letniego), a w trakcie zajęć studenci biorą udział w wykładach, seminariach i ćwiczeniach. Każdy z semestrów kończy się zaliczeniem, zaś w sesji letniej (w czerwcu) studenci przystępują do egzaminu. Znajomość fizyki, biologii i chemii na poziomie szkoły średniej jest wymaganiem wstępnym zrozumienia treści i prawidłowej nauki przedmiotu. Główne cele nauczania przedmiotu: 1. Poznanie roli fizycznych i biofizycznych czynników środowiskowych w powstaniu, rozwoju i kształtowaniu zjawiska życia. 2. Poznanie mechanizmów i skutków oddziaływania fizycznych i biofizycznych czynników środowiskowych (naturalnych i sztucznie wytworzonych przez człowieka) na organizm ludzki w różnych fazach jego rozwoju i różnych okresach życia. 3. Poznanie biofizycznych podstaw funkcjonowania narządów i układów narządów organizmu ludzkiego oraz innych organizmów żywych. 4. Podstawy teoretyczne oraz wykorzystanie praktyczne praw i zjawisk fizycznych oraz biofizycznych prawidłowości w diagnostyce medycznej, profilaktyce i lecznictwie. Zasady funkcjonowania aparatury diagnostycznej i leczniczej (na wybranych przykładach). 5. Nabycie praktycznych umiejętności w prawidłowym wykonywaniu pomiarów (wielkości biofizycznych) stosowanych w zawodowej praktyce lekarza; nabranie sprawności i biegłości w metodyce wybranych badań stosowanych w medycynie.
2 WYKAZ TEMATÓW, KTÓRYCH ZNAJOMOŚĆ WYSTARCZA STUDENTOM I ROKU WYDZIAŁU LEKARSKIEGO DO ZALICZENIA PRZEDMIOTU I ZDANIA EGZAMINU Z BIOFIZYKI LEKARSKIEJ: 1. Promieniowanie elektromagnetyczne niejonizujące a) Rola fali elektromagnetycznej (szczególnie - światła) w indukowaniu zjawiska życia (teorie bioelektroniczne). Wpływ światła na rozwój i kształtowanie życia oraz łańcuch pokarmowy. b) Narząd wzroku, biofizyka i energetyka procesu widzenia. Określenie i charakterystyka optycznych wielkości fizycznych. Recepcja i percepcja światła. Widzenie skotopowe i fotopowe mechanizmy i teorie widzenia. Przetwarzanie sygnału wzrokowego na wszystkich etapach i powstawanie wrażenia wzrokowego (siatkówka, ciała kolankowate boczne, kora; pola recepcyjne i ich rodzaje, przesyłanie, przetwarzanie i kodowanie sygnału, synteza wrażenia wzrokowego). c) Oddzialywanie bodźców świetlnych na organizm człowieka i ich rola w kształtowaniu życia (m. innymi przenoszenie informacji, wymuszenie zachowań, wpływ na powstanie kultury i rozwój sztuki, modelowanie psychiki człowieka itp.). d) Właściwości biofizyczne i cechy fizyczne promieniowania podczerwonego i ultrafioletowego. Zasady wykorzystania promieniowania optycznego w diagnostyce, lecznictwie i profilaktyce (podczerwień, ultrafiolet, promieniowanie widzialne).
3 e) Budowa, zasada działania i zastosowanie praktyczne laserów. Własności fizyczne promieniowania laserowego. Biofizyczne mechanizmy oddziaływania promieniowania laserowego z tkankami. Rodzaje laserów stosowanych w medycynie. Biofizyczne podstawy doboru rodzajów laserów i parametrów promieniowania do różnych działań terapeutycznych i diagnostycznych (cięcie tkanek, koagulacja, fotoablacja, biostymulacja, terapia fotodynamiczna itp.). f) Nauka obsługi przyrządów optycznych, fotometrycznych i laboratoryjnych, wykorzystujących promieniowanie optyczne; pomiary wybranych wielkości biofizycznych (anomaloskopia, refraktometria, polarymetria itp.). g) Fizyczne podstawy diagnostyki magnetorezonansowej. Zjawisko jądrowego rezonansu magnetycznego i jego zastosowanie w badaniach laboratoryjnych i diagnostyce lekarskiej. Tomografia komputerowa magnetorezonansowa (MR, MRI, NMR) budowa, zasada działania, cel, uzyskiwanie obrazów, przetwarzanie danych, kontrastowanie i środki kontrastowe. 2. Fala akustyczna, ultradźwięki, fala uderzeniowa i inne oddziaływania mechaniczne. a) Charakterystyka fizyczna fali akustycznej i sposób jej propagacji. Infradźwięki, ultradźwięki, zakres słyszalny. Różne rodzaje efektów akustycznych i ich charakterystyka. Biofizyka procesu słyszenia i fizyczne aspekty funkcjonowania narządu słuchu. Podstawowe akustyczne wielkości fizyczne (natężenie i ciśnienie akustyczne, poziom natężenia i ciśnienia, głośność i poziom głośności), obiektywne i subiektywne cechy dźwięku. Prawo Webera-Fechnera. Biofizyka
4 słyszenia w różnych okresach życia człowieka. Skutki narażenia na uszkodzenia narządu słuchu. b) Biofizyczne podstawy auskultacji i perkusji lekarskiej. c) Mechanizmy i skutki oddziaływania fali akustycznej na organizm ludzki. Hałas i jego skutki dla narządu słuchu i skutki pozasłuchowe. d) Oddziaływanie infradźwięków i ultradźwięków na organizm ludzki. e) Zastosowanie ultradźwięków w laboratorium medycznym oraz diagnostyce. Fizyczne i biofizyczne podstawy ultrasonografii. USG jako metoda obrazowania narządów wewnętrznych człowieka w celach diagnostycznych. Fizyczne aspekty wszystkich znanych prezentacji USG. Zjawisko Dopplera i fizyczne podstawy zastosowania go w diagnostyce przepływu krwi w układzie tętniczym i żylnym ludzi dorosłych, dzieci i płodów. f) Biofizyczne podstawy zastosowania ultradźwięków w lecznictwie (w urologii, ortopedii, reumatologii, rehabilitacji, stomatologii, chirurgii itp.). Litotrypsja i aerozoloterapia. g) Własności fizyczne fali uderzeniowej i biofizyczne podstawy jej zastosowania w urologii, ortopedii, rehabilitacji i stomatologii. h) Poznanie budowy, zasady działania i obsługi aparatury do pomiarów akustycznych (zasady prawidłowych pomiarów audiometrycznych, analiza
5 akustyczna dźwięku i pomiar poziomu natężenia akustycznego za pomocą sonometru itp.). i) Podstawy biofizyczne i zasady aplikacji masażu leczniczego. Mechanizmy biofizyczne i skutki biologiczne. Poznanie budowy, działania i zastosowania urządzenia mechaniczno-hydraulicznego do masażu (np."aquavibron"). Pomiar zmian częstotliwości, amplitudy i przyspieszenia drgań wibracyjnych głowicy masującej w funkcji zasilania, precyzyjnym miernikiem drgań i sposób doboru optymalnych parametrów aplikacyjnych. 3. Promieniowanie jonizujące. a) Rodzaje promieniowania jonizującego - charakterystyka fizyczna, mechanizmy oddziaływania z materią, występowanie w środowisku, źródła sztuczne i naturalne. b) Skutki biologiczne i biofizyczne działania promieniowania jonizującego. Wpływ czynników środowiskowych i uwarunkowań biologicznych. c) Promieniowanie rentgenowskie w diagnostyce i terapii. Właściwości fizyczne promieniowania rentgenowskiego, pochłanianie i rozproszenie promieniowania, dawki obciążające pacjenta w rentgenodiagnostyce i terapii. Ochrona pacjenta i personelu medycznego przed nadmiernym narażeniem w badaniach diagnostycznych i terapii promieniowaniem rentgenowskim. d) Izotopy promieniotwórcze - charakterystyka fizyczna, zastosowanie w diagnostyce i terapii, dawki obciążające. Ochrona pacjentów i personelu medycznego przed nadmiernym narażeniem w badaniach diagnostycznych i terapii
6 izotopowej. Skutki stochastyczne i niestochastyczne: somatyczne wczesne, późne i genetyczne. Mechanizmy działania promieniowania jonizującego na organizm żywy na poziomie molekularnym. e) Fizyczne podstawy rentgenodiagnostyki. Diagnostyka rtg - zdjęcia rtg i prześwietlenia. Tomografia rentgenowska - zasada, cel, uzyskiwanie obrazów. Rentgenowska tomografia komputerowa (CT, KT) - budowa i zasada działania tomografu komputerowego rentgenowskiego, metody obrazowania narządów, przetwarzanie danych, kontrastowanie i środki cieniujące. Nowoczesne odmiany komputerowej tomografii rtg kolejnych generacji i innych rentgenowskich metod obrazowania (wizjografia, pantomografia itp.). f) Tomografia emisyjna fotonów i pozytonów PET i SPECT. Budowa, zasada działania, metody obrazowania, przetwarzanie danych. 4. Ciepło i jego wymiana z otoczeniem. a) Strumień ciepła. Sposoby dystrybucji ciepła (przewodzenie, konwekcja, promieniowanie, parowanie - funkcje, które je opisują). Energetyka cieplna organizmu człowieka w różnych warunkach termicznych i fizjologicznych - w przemianie podstawowej, przy ciężkiej pracy fizycznej, przy zanurzeniu w zimnej wodzie, suchym i ciepłym powietrzu itp. b) Działanie bodźców ciepłych i zimnych na układ krążenia, pracę serca i naczyń tętniczych oraz żylnych, proces przepływu krwi i ukrwienie narządów i tkanek ludzkich.
7 c) Termoterapia. Biofizyka leczenia ciepłem - formy aplikacji, wskazania i przeciwwskazania. Krioterapia (podstawy fizyczne; zastosowanie w chirurgii, rehabilitacji, stomatologii). d) Ciepło endogenne i egzogenne. Budowa, zasada działania, zastosowanie oraz zasady prawidłowej obsługi aparatury do termoterapii (diatermii krótkofalowej, promienników podczerwieni, lamp "Soluks", lamp Minina, cieplarek parafinowych itp.). Pomiar charakterystyki przestrzennej skutków termicznych aplikacji emiterów ciepła egzo- i endogennego na modelach anatomicznych i biologicznych. Zasady praktycznego wykonania zabiegów diatermią krótkofalową i promiennikami podczerwieni. 5. Ciśnienie a) Określenie ciśnienia i naprężenia jako wielkości fizycznej. Prawa fizyki dotyczące ciśnienia i naprężeń. Zasady pomiaru i jednostki miar ciśnienia. b) Biofizyka układu krążenia. Rola wartości ciśnienia tętniczego (systolicznego i diastolicznego) oraz żylnego w prawidłowym i patologicznym przepływie krwi. Mechaniczna praca serca i energetyka jego pracy. Różne rodzaje ciśnień (hydrostatyczne, dynamiczne, ciśnienie położenia, boczne itp.). Zmiany zachowania się ciśnień w cyklu pracy serca. Fala tętna (powstawanie, zmiany, znaczenie). c) Biofizyka oddychania i układu oddechowego. Rola ciśnienia atmosferycznego i znaczenie różnic ciśnień w różnych odcinkach układu oddechowego dla procesu oddychania. Ciśnienie w jamie opłucnowej. Inflacja i deflacja.
8 d) Poznanie różnych metod (bezpośrednich i pośrednich) pomiaru ciśnienia tętniczego krwi. Poznanie prawidłowych zasad pomiaru ciśnienia tętniczego metodą Riva Rocci. Badanie zachowania się ciśnienia tętniczego skurczowego i rozkurczowego w stanie spoczynku (pozycja stojąca, leżąca, siedząca) i w próbie wysiłkowej. Symetria i asymetria ciśnień mierzonych na kończynach. 6. Zjawiska powierzchniowe. a) Zjawiska adhezji, kohezji i napięcia powierzchniowego (określenia, metody pomiaru, jednostki miar). b) Znaczenie i obserwacja przejawów zjawisk adhezji, kohezji i napięcia powierzchniowego w życiu codziennym. Wykorzystanie wymienionych zjawisk w profilaktyce, higienie, diagnostyce, leczeniu (mycie i higiena osobista, pranie, środki zmiękczające, detergenty; działanie na skórę i śluzówkę, leki w płynie i ich dawkowanie itp.). c) Zjawiska powierzchniowe w organizmie ludzkim. Napięcie powierzchniowe żółci oraz soku żołądkowego i trzustkowego, adhezja śluzu żołądkowego i ich znaczenie dla prawidłowej pracy przewodu pokarmowego. Znaczenie napięcia powierzchniowego, adhezji i kohezji w procesie trawienia. Picie alkoholu etylowego i trawienie - mity i rzeczywistość z punktu widzenia biofizyki zjawisk powierzchniowych. Surfaktanty - występowanie, znaczenie roli zmian napięcia powierzchniowego dla procesu oddychania.
9 d) Zasady precyzyjnego pomiaru napięcia powierzchniowego (cieczy biologicznych, wody destylowanej, alkoholi itp.) metodą stalagmometryczną, metodą rozciągania błonki powierzchniowej strzemiączkiem Lenarda z użyciem wagi torsyjnej i metodą kapilarną. 7. Statyka, kinematyka i dynamika płynów. a) Podstawowe pojęcia oraz prawa dotyczące przepływu i statyki cieczy (prawo ciągłości strugi, Bernoulliego, Poiseuille'a, Archimedesa, Pascala itp.), opór naczyniowy, struga, zjawiska towarzyszące przepływowi przez zwężki, lepkość cieczy. b) Biofizyka układu krążenia. Podobieństwa i różnice w stosunku do modeli fizycznych (laboratoryjnych i teoretycznych), zakres stosowania praw fizyki i jego ograniczenia. Przepływ laminarny i turbulentny. Stany nieustalone. Znaczenie lepkości krwi i osocza dla przepływu krwi. Zmiana wartości lepkości w wybranych chorobach (miażdżyca, cukrzyca itp.) i znaczenie tego zjawiska. Odczyn Biernackiego - opad krwi. c) Zastosowanie wody do leczenia i profilaktyki schorzeń (hydroterapia). Kąpiel lecznicza w basenach (odciążenie w niedowładach i porażeniach), torach wodnych, polewania, natryski, bicze wodne, okłady itp. Znaczenie tych zabiegów dla układu krążenia ("serce kąpielowe", diureza, zmiany ciśnienia tętniczego i przekrwienia, sterowanie funkcją naczyń krwionośnych, odczyn Brown-Sequardta, prawo Dastre i Morota itp).
10 8. Nanotechnologia oraz nowoczesne materiały w medycynie, biologii i technice. a) Metamateriały. Własności fizyczne materiałów lewoskrętnych, właściwości optyczne materiałów z ujemną wartością ε i μ. Zastosowania obecne i potencjalne ( supersoczewki, mikroanteny, efekt niewidzialności ). b) Nanotechnologia. Kropki kwantowe, studnie i druty kwantowe, mikropyły i ultradrobne proszki, nanorurki krzemowe i nanorurki węglowe. Właściwości, otrzymywanie i ich zastosowanie w medycynie, biologii, badaniach laboratoryjnych i technice. Perspektywy rozwoju technologii. c) Fulereny. Budowa, właściwości, formy występowania. Fulereny właściwe, olbrzymie, nanorurki, nanocebulki. Fulereny egzohedralne, endohedralne i heterofulereny. Właściwości, sposoby otrzymywania i zastosowanie. d) Grafen. Budowa, własności fizyczne i otrzymywanie. Zastosowanie obecne i perspektywiczne w medycynie i technice. e) Nanoroboty. 9. Zjawiska elektryczne. a) Tkanka żywa (komórka żywa) jako odbiornik prądu elektrycznego. Impedancja komórek i tkanek. Częstotliwościowa funkcja impedancji komórek i tkanek. Znaczenie zmiennej impedancji skóry dla zdrowia i funkcjonowania organizmu człowieka.
11 b) Komórki, tkanki, narządy i całe organizmy jako generatory napięć, prądów elektrycznych i pól elektromagnetycznych o różnej charakterystyce. Charakterystyka elektryczna komórek, tkanek i narządów jako źródło informacji o prawidłowym lub patologicznym ich działaniu. Sposoby i metody rejestracji sygnałów elektrycznych i funkcji elektrycznych różnych narządów organizmu ludzkiego (ekg, eeg, emg, eng i inne). Praktyczne poznanie metodyki rejestracji sygnałów elektrycznych na przykładzie wykonania elektrokardiogramu. Prawidłowy elektrokardiogram, trójkąt Einthovena, wektor elektryczny serca, typowe odprowadzenia. c) Oddziaływanie zewnętrznych napięć, prądów i pól elektromagnetycznych na organizm ludzki - skutki, przejawy, szkodliwość. Porażenie prądem elektrycznym. Zasady ochrony przeciwporażeniowej stosowane w aparaturze elektromedycznej. Prąd upływu, prąd zwarciowy, sprzężenia pasożytnicze. d) Oddziaływanie pola magnetycznego i elektromagnetycznego różnych częstotliwości i natężeń na organizm ludzki. Zjawisko magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) i elektronowego (EPR). Problem bezpieczeństwa i zagrożenia dla zdrowia ludzkiego. Pola magnetyczne i elektromagnetyczne a implanty. Oddziaływanie pól elektromagnetycznych pochodzących z aparatury diagnostycznej i leczniczej na ortozy, ortezy, protezy oraz aparaturę elektromedyczną w ich zasięgu. e) Działanie prądu stałego na organizm ludzki (elektrochemiczne, elektrokinetyczne, elektrotermiczne). Anelektrotonus i katelektrotonus. Wykorzystanie diagnostyczne prądu stałego (galwanopalpacja). Metody lecznicze
12 wykorzystujące prąd stały (galwanizacja, jontoforeza, kąpiele elektryczno-wodne, czterokomorówki itp.). f) Pojęcie punktów motorycznych nerwów i mięśni. Reobaza, chronaksja, chronaksymetria, krzywa i/t, prawo du Bois Reymonda, współczynnik akomodacji, iloraz akomodacji. Zasady elektrostymulacji leczniczej mięśni i nerwów z wykorzystaniem prądów o przebiegach prostokątnych i trójkątnych. Podobieństwa i różnice przy elektrostymulacji mięśni gładkich oraz poprzecznie prążkowanych odnerwionych obwodowo. g) Praktyczny pomiar parametrów elektrycznych prądów leczniczych o różnych przebiegach, generowanych w nowoczesnych elektrostymulatorach - z wykorzystaniem oscyloskopu katodowego. Poznanie podstawowych zasad praktycznych prawidłowego wykonywania elektrostymulacji mięśni i nerwów za pomocą prądów leczniczych o wybranych przebiegach. Nauka wykonywania testu chronaksymetrycznego. h) Ból - powstawanie, recepcja, percepcja, przewodzenie, teorie regulacji przewodzenia bólu, mechanizmy elektroanalgezji - ujęcie biofizyczne. Elektroterapia przeciwbólowa - metody, mechanizmy, skuteczność, wątpliwości. i) Nowe osiągnięcia światowego elektrolecznictwa. Stymulacja czynnościowa (FES) chodu u hemiplegików i skolioz idiopatycznych, elektroterapia w nietrzymaniu moczu i reedukacji pęcherza neurogennego, we wspomaganiu gojenia się ran i pobudzenia procesów naprawczych tkanek, w normalizacji patologicznie zmienionych napięć mięśniowych.
13 10. Złożone skutki synergicznego oddziaływania różnych czynników fizykalnych na organizm ludzki. Zasady biofizyczne i metody fizykalne lecznictwa uzdrowiskowego (kinezyterapia i masaż leczniczy, balneoterapia, krenoterapia, termoterapia, hydroterapia, klimatoterapia itp.). Piśmiennictwo podstawowe do nauki przedmiotu (prócz treści zawartych w wykładach): 1. Biofizyka. red. F. Jaroszyk, PZWL, W-wa, 2007 i późn. 2. Podstawy biofizyki. red. A. Pilawski, PZWL, W-wa, 1985 i późn. 3. Nowoczesna elektroterapia. red. A. Franek,Wyd SUM, 2009, http://wydawnictwo.sum.edu.pl 4. Materiały do ćwiczeń z biofizyki i fizyki. red. B. Kędzia, PZWL, Warszawa, 1982 i późn. 5. Mika T.: Fizykoterapia. PZWL, Warszawa, 1993 (i późn.), Piśmiennictwo uzupełniające: 1. Fizjoterapia. red. G. Straburzyński, PZWL, Warszawa, 1988 2. Biofizyka lekarska red. J. Grzesik Wyd SAM, 1994