Lékařská biofyzika I, II (LF OU)

Úvod

Lékařská biofyzika je dvousemestrální předmět zkoumající biologické objekty a problémy fyzikálními metodami. Cílem předmětu je vysvětlení biofyzikálních principů struktury a funkce živých organismů na molekulární a buněčné úrovni, a fyziologických procesů lidského těla na úrovni tkání a orgánů. Dalším cílem je objasnění základních fyzikálních dějů, které následně využívají jednotlivé medicínské obory, a fyzikálních principů diagnostických a terapeutických metod a funkce příslušných přístrojů.

Student získá základní znalosti fyzikálních oborů, které zastupují přímou návaznost na pochopení fyziologických procesů v lidském těle. Současně se seznámí s principy diagnostických a terapeutických přístrojů a jejich aplikacemi. V rámci praktické výuky studenti získají základní dovednosti v realizaci měření a analýze dat, potřebné při práci s lékařskou přístrojovou technikou.

Přednášky

Přednášky jsou vedeny jednou týdně ve velké posluchárně hlavní budovy fakulty - INLEK. Nejsou povinné, ale není na škodu si přijít výklad poslechnout. Hodiny jsou vedené v zimním semestru hlavně garantem předmětu, panem prof. RNDr. Vladimírem Špundou, CSc. a jeho kolegyní, doc. PaedDr. Janou Škrabánkovou, Ph.D. Oba přednášející mají nepochybně veliký zápal pro svůj obor a hodiny vedou někdy i poutavým a pro studenta zajímavým způsobem, jde na nich znát, že se skutečně snaží své vědomosti předat dál. V letním semestru se přednášející poměrně často střídají a probírají se už komplexější témata bližší medicíně.

Rozpis témat jednotlivých přednášek v zimním semestru:

1. Úvod do biofyziky, fyzikální principy struktury a funkce živých systémů, metody jejich studia.
2. Hmota - látka, pole, základní charakteristiky, stavba hmoty. Struktura atomu a molekul, teoretické základy a experimentální metody.
3. Struktura molekul a makromolekul, chemická vazba, nekovalentní interakce.
4. Skupenské stavy hmoty, fyzikálně-chemické vlastnosti kapalin, disperzní systémy, koligativní vlastnosti roztoků.
5. Základy termodynamiky a její aplikace na biologické systémy, termodynamické principy, rovnovážné a nerovnovážné procesy.
6. Biologické membrány - struktura, fyzikálně chemické vlastnosti a funkce lipidů a proteinů biologických membrán.
7. Biologické membrány - strukturní modely, fyzikálně-chemické vlastnosti, biosyntéza biologických membrán.
8. Transport biologicky významných látek přes biologické membrány, prostá/zprostředkovaná difuze, prim. + sekund. aktivní transport, příklady transp. systémů.
9. Základy bioenergetiky, makroergické látky, jejich význam. Struktura a funkce mitochondrií, dýchací řetězec, tvorba gradientu protonů, syntéza ATP.
10. Elektromagnetické záření a jeho spektrum, vlastnosti a zdroje. Interakce záření s látkou. Viditelné (optické) záření, základy fotometrie, absorpční spektra.
11. Zvuk a jeho vlastnosti, základy fyzikální akustiky, hlas a frekvenční analýza zvuku.
12. Vznik a přenos biologického signálu, typy signálních molekul, mechanismus přenosu, příklady receptorů, efektorů, druhých poslů, signál vedoucích proteinů.
13. Elektrické projevy buněk a tkání, mechanismy vzniku a šíření nervového signálu v rámci neuronu a v synapsích, mechanismus synpase zprostředkované acetylcholinem. Neurotransmitery a jejich interakce, metabotropní a ionotropní receptory pro neurotransmitery. Elektrodiagnostické metody.
14. Biofyzikální principy funkce telereceptorů a mechanismu šíření jejich signálu (zrak, chuť, čich). Princip funkce mechaoreceptorů (sluch, hmat).

Rozpis témat jednotlivých přednášek v letním semestru:

1. Biofyzika krevního oběhu.
2. Biofyzika dýchání.
3. Optika v medicíně - oko jako optický systém (vznik obrazu, vady zobrazení, optické parametry a rozlišovací schopnost oka, prostorové vidění, zorné pole).
4. Fyziologická akustika a její parametry, objektivní a subjektivní akustické veličiny a jejich vztahy.
5. Zobrazovací metody nevyužívající ionizující záření (princip ultrazvukového zobrazení, dopplerovská zobrazení, termografické zobrazení).
6. Základy biomechaniky, analýza pohybu, mechanické vlastnosti tkání, deformace měkkých tkání a kostí.
7. Rozšiřující metody fyzikální terapie - elektroterapie, magnetoterapie, využití chladu a tepla.
8. Neionizující elektromagnetické záření - jeho spektrum, vlastnosti, účinky, ochrana (hygienické limity), fyz. vlastnosti laserového záření, využití v medicíně
9. Pitevní týden (neprobíhá výuka v jiných předmětech)
10. Hyperbaroxie
11. Radioaktivita přirozená a umělá, charakteristika ionizujícího záření. Biologické účinky ionizujícího záření (detekce, ochrana). Ionizující záření v medicíně.
12. Princip rentgenky, brzdné a charakteristické rentgenové záření. Detekce rentgenového záření, kontrastní látky.
13. Radiodiagnostické metody, tomografické a scintigrafické systémy.
14. Výpočetní tomografie. Magnetická rezonance.

Cvičení

Biofyzikální cvičení v zimním semestru probíhají, narozdíl od letního, mimo hlavní budovu Lékařské fakulty (INLEK), a to v centru města Ostravy, na Bráfově ulici (Bráfova 7, budova C Přírodovědecké fakulty), v případě prvních 2/3 (v rozdělených skupinkách po 2 lidech), a posléze poslední 4 cvičení ve skupinkách po 4 studentech na Chitussiho ulici (budova L Přírodovědecké fakulty), která jsou již trošku pokročilejší; každé jedno cvičení (pro správné provedení a úspěšně vypracovaný protokol) vyžadují od studentů náležité znalosti z přípravy na prováděná cvičení. Za cvičení v zimním semestru zodpovídá převážně pan doc. RNDr. Libor Koníček, PhD. společně s kolegyní a jejich asistenty. Každý týden je nutné vypracovat protokol z daného cvičení, přičemž se probírají relativně jednoduché, příkladné fyzikální jevy.

V letním semestru praktická cvičení probíhájí již v laboratořích INLEKu, a není tedy potřeba jezdit někam jinam, mimo areál LF. Samotné protokoly jsou relativně náročnější na vypracování a témata, která budete prakticky zkoušet, jsou oproti zimnímu semestru více vztažené k aplikované medicíně.

Rozpis témat jednotlivých cvičení v zimním semestru:

1. Úvod - Bezpečnost práce v laboratoři fyziky, požadavky na zpracování protokolu, chyby měření. Protokol 1: Měření obvodu hlavy.
2. Měření teploty. Měření odporovým teploměrem, termočlánkovým teploměrem, infračerveným teploměrem, termokamerou. Protokol 2: Měření na lidském těle, tepelná výměna.
3. Akustika. Frekvenční analýza zdrojů zvuku. Protokol 3: Frekvenční analýza hlasu. Měření rychlosti šíření zvuku.
4. Viskozita, Reynoldsovo číslo. Protokol 4: Měření viskozity.
5. Tlak, tlakoměry. Protokol 5: Měření krevního tlaku, měření tlaku na těle. Spirometrie, tepová frekvence.
6. Geometrická optika na optické lavici, optické soustavy, lupa, dalekohled, mikroskop. Fotometrie. Protokol 6: Měření osvětlení, svítivosti.
7. Vlnová optika - ohyb světla na mřížce. Spektra zdrojů světla, míchání barev, zrakové vjemy, optické klamy. Protokol 7: Ohyb světla na mřížce, interference.
8. Polarimetrie (měření obsahu cukrů v roztoku). Protokol 8: Určení hmotnostní koncentrace cukru ve vodném roztoku.
9. Náhradní cvičení pro ucelený blok protokolů 1-8. (následná cvičení probíhájí již v jiné budově - L PřF)
10. Aplikace UV-VIS absorpční spektrofotometrie (např. stanovení oxidace hemoglobinu, antioxidační aktivity, stanovení koncentrace proteinů). Protokol 10: Aplikace metody dvoupaprskové absorpční spektrofotometrie k určení antioxidační aktivity.
11. Měření rozměrů mikroskopických objektů pomocí světelného mikroskopu. Protokol 11: Měření tloušťky lidského vlasu, měření velikosti buněk, stanovení počtu částic ve vzorcích.
12. Měření pH. Protokol 12: Měření pH, titrace, potenciometrie.
13. Centrifugace - sledování vlivu fyzikálních vlastností látek a parametrů centrifugace na kvalitu separace. TLC chromatografie: TLC rostlinných a syntetických pigmentů. Protokol 13: Centrifugace, chromatografie.
14. Vyhraněný týden pro náhradní cvičení v případě předchozích absencí, či nedostatečného počtu splněných protokolů.

Rozpis témat jednotlivých cvičení v letním semestru:

1. Úvodní cvičení, zápis do kurzu, organizace, letmá technická průprava a apel na kybernetickou bezpečnost.
2. Zpracování protokolů - MS Office + CitacePRO (k tomu více zde).
3. Ultrazvuková diagnostika - zobrazování. (1/6 laboratoře)
4. Detekce ionizujícího záření + Princip vzniku CT obrazu. (2/6 laboratoře)
5. Perimetrie - vyšetření zorného pole. (3/6 laboratoře)
6. Dopplerův jev - aplikace v biofyzikálních měřeních (4/6 laboratoře)
7. Fyziologická akustika (základní audiometrická vyšetření) (5/6 laboratoře - akustická komora)
8. Termografie (6/6 laboratoře)
9. Pitevní týden
10. Monitor vitálních funkcí / Analýza hlásek
11. Kostní denzitometrie
12. Demonstrace účinků fyzikální terapie. Biomechanická měření.
13. Hyperbarická komora, ukázka.
14. Radiodiagnostika. Detekce ionizujícího záření. Praktická ukázka (KNM FNO).
15. Nukleární medicína. Praktická ukázka (KNM FNO).

Zápočet a zkouška

Zápočet v zimním semestru je udělen pouze za účast na cvičeních, která musí být 100%, a za včasné (případně úspěšně opravené) odevzdávání protokolů.

V letním semestru je zkouška složena z kombinovaného testu, jehož první část obsahuje elektronický test v pc učebnách fakulty pod dozorem paní doktorky Sochorové a pana profesora Špundy, kdy má student za úkol, ve výukovém rozhraní Moodle, zodpovědět 50 náhodně generovaných otázek, týkajících se informací z obou semsetrů, přičemž má na výběr (ve valné většině) ze 4 možností. Otázky do elektronického testu vychází z přednášek obou semestrů, ze cvičných testů (tzv. post-testů; specifikum letního semestru), dále z případných otázek v jednotlivých úlohách ve cvičení. Není nutností se učit z žádné učebnice. Prezentace kantorů jsou napříč tématy zpracované a poskytnuty studentům jak na ročníkový email (ZS), tak v rozhraní Moodle (LS). Pro případné zájemce, je možné využít skript, které napsal samotný pan prof. RNDr. Vladimír Špunda, CSc.

Doporučená literatura

K úspěšnému splnění předmětu se stačí učit z prezentací k přednáškám, které jsou bohaté na text a vysvětlují látku dostatečně. Nejsou bohužel vypracována žádná celistvá skripta, není ani žádná učebnice na jejímž použití by se vyučující shodli.