Biofyzika

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), základy termodynamiky, rentgenové záření a počítačová tomografie, akustika a biofyzika slyšení.