BIOFIZYKA

DR JULIAN SKRZYPIEC

[e-mail]

Tel. [phone] (domowy)

017 872-1925 (służbowy)

017 872-1920 (sekr.Instytutu)

017 872 -1928 (z-ca dyr.Instytutu ds.

dydaktycznych)

0605953128

BIOFIZYKA

DR JULIAN SKRZYPIEC

[e-mail]

Tel. [phone] (domowy)

017 872-1925 (służbowy)

017 872-1920 (sekr.Instytutu)

017 872 -1928 (z-ca dyr.Instytutu ds.

dydaktycznych)

0605953128

INFORMACJE FORMALNE

•

Wymiar godzin : 15

•

Forma zakończenia : egzamin (pisemny + ustny)

•

Pytania (problemy ): do uzgodnienia ze

studentami

•

Pytania (problemy): do wiadomosci studentów

po zakończeniu wykładu

•

Termin egzaminu: zerowy lub zgodnie z

harmonogramem

•

Literatura: wykaz w sylabusie (październik 2008)

•

Konsultacje : terminy zgodne z wykazem

dyżurów , krótkie informacje za pomocą e-mail

PODSTAWY

BIO + FIZYKA

PODMIOT BADAŃ

(Co badamy)

METODY:

-doświadczalne

-teoretyczne

-symulacje komputerowe

METODOLOGIA

(W jaki sposób

badamy)

PODMIOT BADAŃ

PODMIOT BADAŃ:

ORGANIZM ŻYWY

procesy

Transporty materii i energii

Sterowanie i transport

informacji

oddziaływanie

czynników fizycznych

Biofizyczne podstawy metod

obrazowania

UWAGA

• Stosowanie aparatury fizycznej

(termometr, ciśnieniomierz itp.) oraz
fizycznych metod pomiarowych

nie

jest biofizyką

Biofizyka = nauka

interdyscyplinarna

Dyscypliny- wkład

Biologia (podmiot badań)

Biochemia (procesy)

Chemia (reakcje chemiczne)

Fizyka (metody + metodologia)

Matematyka (modele + opis teor.)

Cybernetyka (sterowanie)

Informatyka (sieci, zaburzenia)

Elektronika (aparatura)

Technika (implanty)

Podział biofizyki

BIOFIZYKA

CZYSTA

(modele mat.procesów

biologicznych)

STOSOWANA

Diagnostyka medyczna

TERAPIA

Skala badań biofizyki

Skala badań

Mikroskala

(Poziom kwantowy)

Makroskala

(Poziom klasyczny)

Komórka

Makrocząsteczka

Molekuła

Tkanka

Cały organizm

Skala badań –cechy obiektu

Skala badań

Cechy obiektu

Mikroskala

(Poziom kwantowy)

Makroskala

(Poziom klasyczny)

Nieciągłość i skoki

energii

Brak determinizmu

klasycznego

Zbyt duża liczba

obiektów

Brak możliwości

opisu klasycznego

Możliwy tylko opis

Statystyczny

(klasyczny lub kwantowy)

Cechy podmiotu badań

• Wieloskładnikowość
• Niejednorodność

• Nieciągłość

• Nierównowagowość
• Otwartość
• Specyficzność

Wieloskładnikowość

Różne typy molekuł

(małe, duże)

Różne typy oddziaływań

(silne i

słabe wiązania)

Chaos molekularny cieplnego

ruchu cząstek

Niejednorodność

Różne stężenia molekuł

( np. na

zewnątrz i wewnątrz komórki)

Różne gęstości

(np. płuca, tkanka

kostna, tkanka mięśniowa)

Niestacjonarność stanów,

nieliniowy opis, osobliwości

Nieciągłość

Skokowa zmiana rozkładu gęstości i

ciśnień molekuł (małe rozmiary+
skoki wartości = konieczność
stosowania praw mechaniki
kwantowej)

A

(p,ρ)

A’

(p’,ρ’)

Błona
półprzepuszczalna
(brak przepływu)

Nierównowagowość

Nierównowaga

termodynamiczna

Transporty

Życie

Entropia
minimalna

Stany
nieuporządkowane

Nierównowagowość (cd)

Równowaga

termodynamiczna

Brak

transportów

Stan

uporządkowany

ŚMIERĆ

Otwartość

Wymiana materii i energii z otoczeniem

Materia:

Oddychanie, odżywianie, wydalanie

Energia:

Przewodnictwo, konwekcja, promieniowanie

Informacja:

????????

Specyficzność

• Istnienie kanałów transportowych jest

możliwe dzięki wyspecjalizowanym białkom

• Zmienne rozkłady ładunków od jonizacji do

obojętności elektrycznej

• Cząsteczka polarna i obojętna (fosfolipidy-

część cząsteczki polarna, część obojętna

• Zmiana energii wiązania w procesie rozwoju
• Układ hierarchiczny o dużej zdolności do

samoorganizacji

Wpływ czynników fizycznych

na organizm człowieka (1)

1.Mechaniczne

Drgania

mechaniczne

Fale sprężyste

Przeciążenia,

nieważkość

Niskie i wysokie

ciśnienie

Infradzwięki

Dźwięki

słyszalne

(?)

Ultradzwięki

Wpływ czynników

fizycznych

na organizm człowieka (2)

2.Cieplne

Transport materii

Temperatura

niska i wysoka

Wilgotność

Przewodnictwo

Konwekcja

Promieniowanie

Wpływ czynników

fizycznych

na organizm człowieka (3)

3a. Elektro-

magnetyczne

Prądy stałe

Prądy zmienne

i przemienne

Stałe i wolno-

zmienne

pola elektryczne

i magnetyczne

(?)

Drgania

elektro-

magnetyczne

Wpływ czynników

fizycznych

na organizm człowieka (3)

3b. Elektro-

magnetyczne

Pola elektro-

magnetyczne

wysokiej

częstotliwości

Promieniowanie

jonizujące

Promieniowanie

niejonizujące

(slajd 19)

RTG

α, β, γ

Wpływ czynników fizycznych

na organizm człowieka (3)

Promieniowanie

niejonizujące

Podczerwień

Widzialne

(?)

Ultrafiolet (?) Laserowe (?)

Wpływ czynników fizycznych

na organizm człowieka (4)

• Wolne rodniki i antyoksydanty

• Promieniowanie kosmiczne (szybkie

neutrina)

• Czynniki niekonwencjonalne

-?????????

Czynniki mechaniczne

• Drgania

zmiany typu harmonicznego

(okresowego) wielkości typu: wychylenie, ciśnienie, gęstość

• Fala

rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie,

które w każdym punkcie przestrzeni ma taki sam charakter

Drgania sprężyste – praca

własna

- Podstawowe parametry ruchu

drgającego: częstotliwość, okres,
amplituda, faza

- Rodzaje drgań: idealne, tłumione,

wymuszone. Wykresy dla
wymienionych rodzajów drgań

- Rezonans: opis, warunki, wykres,

przykłady rezonansu mechanicznego

życzę powodzenia

Fale akustyczne – praca

własna

• Powstawanie ( źródła)
• Własności
• Podstawowe parametry fali akustycznej
• Opór akustyczny
• Zjawiska na granicy ośrodków : odbicie,

załamanie, pochłanianie,

• Energia fali: jednostki, przemiana energii w

wyniku pochłaniania ( absorpcji fali)

INFRADŹWIĘKI

• Fale typu mechanicznego (zmiana

gęstości ośrodka, zmiany ciśnienia)

• Częstotliwość ν = (0 do 20 Hz)
• Długość fali λ rzędu kilkadziesiąt

metrów

• Małe tłumienie = duża przenikalność
• Bardzo trudne do badania – brak

generatorów i detektorów z możliwością
regulacji

INFRADZWIĘKI

ŹRÓDŁA

Naturalne

Sztuczne

Uporządkowany ruch

powietrza i wody

Wyładowania

atmosferyczne

Ruchy tektoniczne

Wiatry wokół

Wysokich obiektów

Piszczałki o L~20m

Wybuchy

artyleryjskie

Ruch drogowy

(w pasie do 200m)

Transport

lotniczy

Infradźwięki – własności,

działanie

• Długość fali rzędu kilkadziesiąt metrów
• Częstotliwość ν od 0 do 20Hz
• Małe tłumienie w cieczach i ciałach stałych
implikuje

dużą przenikalność –

w

przypadku granicznym zasięg rzędu

kilkuset km

Ponieważ narządy wewnętrzne charakteryzują

się

porównywalnymi

z infradzwiękami

częstotliwościami drgań własnych

( kl.piersiowa – 4 do 10Hz, pęcherz moczowy

– 18 do 20Hz, mózg- ok. 10Hz) działanie na

organizm jest prawdopodobnie typu

rezonansowego

( wzrost amplitudy drgań)

Infradźwięki –

działanie

na

organizm człowieka

W zależności od

natężenia i czasu ekspozycji

następuje

eskalacja efektów:

- Ból głowy
- Niepokój
- Mdłości
- Bezsenność
……………………………………………………………….
…od tego poziomu badania na zwierzętach doświadczalnych

……………………………………………….

-

Omdlenia

- Pękanie naczyń krwionośnych
- Śmierć

Infradźwięki – efekty

działania

Natężenie

Czas
ekspozycji

Efekty

Do 120 dB

Do 5 min
Pow. 5 min

Brak efektów
Brak badań

120dB do 140dB

Do 2 min
Pow. 2 min

Zmęczenie, ból
głowy
Brak badań

140dB do 160dB

Do 2 min

Pow. 2min

Utrata równowagi
mdłości
Trwałe uszkodzenia

Pow. 160dB

??

Brak badań

Ok. 170 dB

Brak danych

Pękanie naczyń

krwionośnych i

szybka śmierć

zwierząt

doświadczalnych

Infradźwieki-

przeciwdziałanie i

zastosowanie

Ochrona –

brak skutecznych sposobów

Zastosowanie –

brak (a może stosujemy

nieświadomie ?)

Uzasadnienie:

- Nie potrafimy konstruować

regulowanych (ν, I) generatorów

- Zbyt dużo niewiadomych aby można

było rozpocząć badania kliniczne

- Nie potrafimy określić dokładnego

celu badań

Wibracje

• Definicja

: drgania o ν= (10 do 20 Hz)-

bezpośrednio

działają na organizm

(warunek konieczny – kontakt fizyczny)

• Źródła

: - młoty pneumatyczne

- maszyny np. silniki okrętowe
- silniki Diesla (szczególnie

niebezpieczne silniki niskoobrotowe)

Działanie

: podobnie jak infradzwięki

-

???

Zapobieganie

: środki ochrony osobistej

Ultradźwieki

• Definicja

: Fale typu mechanicznego (drgania

cząstek ośrodka w którym rozchodzi się fala

– w gazach i cieczach zmiany okresowe

gęstości (ρ) i ciśnienia (p)

- w ciałach stałych drgania cząstek ośrodka

wokół położenia równowagi

Częstotliwość

: 20 kHz do 200(?)MHz

W gazach-fala

podłużna

W ciałach stałych – fala

poprzeczna

Ultradźwięki są falami

niesłyszalnymi

przez

człowieka

Źródła ultradźwięków

Źródła

Naturalne

Sztuczne

Nietoperz (echolokacja)

Delfin

Pies

Piszczałki (b.krótkie)

Wysokoobrotowe turbiny

Drgające powierzchnie

kryształu – odwrotny

efekt piezoelektryczny

Efekt piezoelektryczny –

prosty

(praca własna)

Naprężenia mechaniczne

Zmiana rozkładu ładunków

Niejednorodne pole elektryczne

Efekt jest obserwowany w

wybranej

klasie kryształów np. kwarc, tytanian

baru

Efekt piezoelektryczny -

odwrotny

Zmienne

pole elektryczne – prosta zmiana

parametrow

Zmienne w czasie naprężenia w krysztale

Drgania powierzchni kryształu

Zmiany

p

i

ρ

otaczającego ośrodka

Fala akustyczna o

częstotliwości ν

porównywalnej

z częstotliwością

wymuszającego pola elektrycznego

Efekt piezoelektryczny

-optymalizacja

Jeżeli częstotliwość zmian pola jest

porównywalna

z

częstotliwością

drgań własnych kryształu to w wyniku

wzbudzenia rezonansowego

pojawią

się drgania kryształu ze znaczą
amplitudą. Drgania te są źródłem
ultradźwiękowej fali akustycznej o
odpowiednio dużej amplitudzie - fale
posiadają wtedy dużą energię

Własności fal

ultradźwiękowych

• Wszystkie zjawiska falowe (odbicie ,

załamanie, pochłanianie ....)

• Mała długość fali np.: ν=1kHz λ=0,33m

ν=100kHz λ=0,0033m

• Znacznie mniejsza grubość warstwy

połowiącej

• Mniejsze wnikanie znacznie

większa

energia pochłaniana przez ośrodek

• Fala podatna na ogniskowanie i formowanie

Diagnostyka ultradźwiękowa

Wykorzystywane

efekty

Echo (odbicie)

Pochłanianie (absorpcja)

Efekt Dopplera – przesunięcie

częstotliwości

Badamy przestrzenny

rozkład warstw

Badamy rozkład

gęstości

Badamy prędkości

i kierunki przepływu

płynów ustrojowych np.

krwi

Diagnostyka - uwarunkowania

Ponieważ kryształ

nie może

równocześnie generować i odbierać fal
ultradźwiękowych konieczne jest
stosowanie techniki

impulsowej

polegającej na

cyklicznych zmianach

generacji i odbioru fal

Stosowanie dwu przetworników

(generacja , odbiór) jest trudne z uwagi na
różne techniczne parametry przetworników

Analiza sygnału – typy

prezentacji

• PREZENTACJA A

- sygnał odebrany

przez głowicę jest kierowany na
przetwornik

(zamienia

sygnał

akustyczny

na

elektryczny)

a

następnie

na

układ

wejściowy

oscylografu. Na ekranie otrzymujemy
zależność amplitudy echa od czasu a
więc odległości badanych warstw od
generatora

Analiza sygnału – typy

prezentacji

• PREZENTACJA B

- przetworzone sygnały

(mechanizm identyczny jak w prezentacji
A) generują na ekranie oscylografu plamki
świetlne o różnym stopniu jasności co
pozwala na określenie granic obiektów oraz
zmian ich gęstości. Jeżeli zastosujemy
liniowy lub rotacyjny układ głowic to
możemy otrzymać dwuwymiarowy obraz.
Typowym przykładem tego typu prezentacji
jest USG stosowany w ginekologii . W
zestawie rolę oscylografu pełni PC (cd –
następny slajd)

Analiza sygnału – Prezentacja B

cd

• Prowadzone są badania w zakresie

konstrukcji

generatorów

i

przetwarzania

sygnałów

umożliwiające

tworzenie

trójwymiarowego obrazowania ( 3D)

Aparatura przechodzi fazę testów.
Prawdopodobnie znacznie zostanie
ograniczona

możliwość

występowania błędów prezentacji
typu A oraz B (obrazowanie 1D i 2D)

Analiza sygnału – typy

prezentacji

• Efekt Dopplera

– Jeżeli obiekt od którego odbija się

fala porusza się z prędkością v to obserwujemy

przesunięcie częstotliwości Δν fali padającej i odbitej.

v =c Δν / (2ν

0

cosφ)

c – prędkość propagacji fali,
Δν – przesunięcie częstotliwości,
ν

0

- częstotliwość fali padającej,

φ – kąt między kierunkiem rozchodzenia się fali a

kierunkiem przepływu

Pomiar przesunięcia częstotliwości pozwala na

obliczenie

prędkości

przepływu

(dokładne

opracowanie – fizyka LO) Metodę stosuje się do

badania pracy serca, przepływu krwi (lokalizacja

pęknięć naczyń, zmian przekroju itp.)

Ograniczenia diagnostyki

• Brak warstwy sprzęgającej (żel)
• Kości na kierunku propagacji fali
• Ośrodek gazowy na kierunku propagacji fali
• Kąt φ bliski π/2
• Zdolność rozdzielcza (teoretyczna rzędu

0,7mm, praktyczna ok. 4mm)

• Efekt zwierciadła – zależy od krzywizny

badanego kształtu

• Efekt powtórzonego echa (dwie bliskie

siebie odbijające powierzchnie równoległe

TERAPIA

• Oddziaływanie ultradźwięków z

materią:

- pochłanianie fali – zamiana energii
- efekt rezonansowy – wzrost

amplitudy

drgań

- zmiana dynamiki przepływów
- zmiana prędkości przebiegu
reakcji chemicznych

SKUTKI

PROPAGACJI

FALI W ORG.

CZŁOWIEKA

CIEPLNE

MECHANICZNE

CHEMICZNE

MECHANIZM SKUTKÓW CIEPLNYCH

PADAJĄCA FALA

DRGANIA CZĄSTECZEK OŚRODKA

TARCIE WEWNĘTRZNE

ENERGIA TERMICZNA

PODWYŻSZENIE TEMPERATURY OŚRODKA

MECHANIZM SKUTKÓW

MECHANICZNYCH (1)

PADAJĄCA FALA

WZROST AMPLITUDY DRGAŃ CZĄSTECZEK

ROZERWANIE WIĄZAŃ (odległość cząsteczek

rzędu λ/2)

NISZCZENIE STRUKTUR

MECHANIZM SKUTKÓW

MECHANICZNYCH (2)

PADAJĄCA FALA

MIKROPRZEPŁYWY I ZAWIROWANIA

PŁYNÓW

NAPRĘŻENIA WEWNĘTRZNE

ODKSZTAŁCANIE I ROZRYWANIE

KOMÓREK I ORGANELLI

KOMÓRKOWYCH

MECHANIZM SKUTKÓW

MECHANICZNYCH (3)

• PADAJĄCA FALA

(PERIODYCZNE ZMIANY CIŚNIENIA)

LOKALNIE p NIŻSZE OD CIŚNIENIA

PARY NASYCONEJ GWAŁTOWNE

PAROWANIE MIKROPĘCHERZYKI

GAZU ŁĄCZENIE SIĘ

MIKROPĘCHERZYKÓW JEŻELI

2R~λ TO REZONANS ZAPADANIE

PĘCHERZYKA UWALNIA SIĘ

ENERGIA

LOKALNY WZROST

CIŚNIENIA

I

TEMPERATURY

(DO

100AT,10000K)

Kawitacja - produkcja

toksyn

• KAWITACJA (zapadanie pęcherzyków)

WZROST TEMPERATURY

DYSOCJACJA H

2

O

WOLNY RODNIK (singletowy tlen)

REAKCJE CHEMICZNE

TOKSYNY

TERAPIA

SKUTKI

BIOLOGICZNE

ZALEŻĄ OD

CZĘSTOTLIWOŚCI

(głębokość wnikania)

NATĘŻENIA

(przekazywana energia)

CZAS DZIAŁANIA

(przekazywana energia)

KIERUNEK

ROZCHODZENIA SIĘ

(Przekazywana energia)

TERAPIA ULTRADŹWIĘKOWA

CZYNNE ZASTOSOWANIA

CHOROBY REUMATYCZNE

CHOROBY NARZĄDÓW RUCHU

NISZCZENIE OGNISK

PATOLOGICZNYCH WEWNĄTRZ TKANEK

NISZCZENIE GRZYBÓW, BAKTERII I WIRUSÓW. STERYLIZACJA LEKARSTW

MIKROMASAŻE

NAGRZE

WANIE

TKANEK

INNE ZASTOSOWANIA

MEDYCZNE ULTRADŹWIĘKÓW

• Usuwanie złogów np. kamień na

zębach

• Litotrypsja – mechanizm, przykłady

zastosowań

Zastosowania techniczne

ultradźwięków

• Rozdrabnianie struktur
• Uzyskiwanie jednorodnych mieszanin
• Wzrost prędkości krystalizacji
• Zwiększenie efektywności filtracji
• Wzrost dyfuzji
• Koagulacja aerozoli
• Lutowanie i spawanie ultradźwiękowe