background image

 

 

BIOFIZYKA

DR JULIAN SKRZYPIEC

jskrzyp@univ.rzeszow.pl

Tel. 017 86-344-62 (domowy)

017 872-1925 (służbowy)

017 872-1920 (sekr.Instytutu)

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

dydaktycznych)

0605953128

BIOFIZYKA

DR JULIAN SKRZYPIEC

jskrzyp@univ.rzeszow.pl

Tel. 017 86-344-62 (domowy)

017 872-1925 (służbowy)

017 872-1920 (sekr.Instytutu)

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

dydaktycznych)

0605953128

background image

 

 

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

background image

 

 

PODSTAWY

BIO + FIZYKA

PODMIOT BADAŃ

(Co badamy)

METODY:

-doświadczalne

-teoretyczne

-symulacje komputerowe

METODOLOGIA

(W jaki sposób 

badamy)

background image

 

 

PODMIOT BADAŃ

PODMIOT BADAŃ:

ORGANIZM ŻYWY

procesy

Transporty materii i energii

Sterowanie i transport

 informacji

oddziaływanie

czynników fizycznych

Biofizyczne podstawy metod 

obrazowania

background image

 

 

UWAGA

• Stosowanie aparatury fizycznej 

(termometr, ciśnieniomierz itp.) oraz 
fizycznych metod pomiarowych 

nie 

jest biofizyką

background image

 

 

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)

background image

 

 

Podział biofizyki

BIOFIZYKA

CZYSTA

(modele mat.procesów

biologicznych)

STOSOWANA

Diagnostyka medyczna

TERAPIA

background image

 

 

Skala badań biofizyki

Skala badań

Mikroskala 

(Poziom kwantowy)

Makroskala

(Poziom klasyczny)

Komórka

Makrocząsteczka

Molekuła

Tkanka

Cały organizm

background image

 

 

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)

background image

 

 

Cechy podmiotu badań

• Wieloskładnikowość
• Niejednorodność

• Nieciągłość

• Nierównowagowość
• Otwartość
• Specyficzność

background image

 

 

Wieloskładnikowość

Różne typy molekuł

 (małe, duże)

Różne typy oddziaływań

 (silne i 

słabe wiązania)

Chaos molekularny cieplnego 

ruchu cząstek

background image

 

 

Niejednorodność

Różne stężenia molekuł 

( np. na 

zewnątrz i wewnątrz komórki)

Różne gęstości 

(np. płuca, tkanka 

kostna, tkanka mięśniowa)

Niestacjonarność stanów, 

nieliniowy opis, osobliwości

background image

 

 

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)

background image

 

 

Nierównowagowość

Nierównowaga

 

termodynamiczna

Transporty

Życie

Entropia 
minimalna

 

Stany 
nieuporządkowane

background image

 

 

Nierównowagowość (cd)

Równowaga

termodynamiczna

Brak

 

transportów

Stan

 

uporządkowany

 

ŚMIERĆ

background image

 

 

Otwartość

Wymiana materii i energii z otoczeniem

Materia:

Oddychanie, odżywianie, wydalanie

Energia:

Przewodnictwo, konwekcja, promieniowanie

Informacja:

????????

background image

 

 

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

background image

 

 

Wpływ czynników fizycznych

na organizm człowieka (1)

1.Mechaniczne

Drgania 

mechaniczne

Fale sprężyste

Przeciążenia,

nieważkość

Niskie i wysokie

ciśnienie

Infradzwięki

Dźwięki 

słyszalne 

(?)

Ultradzwięki

background image

 

 

Wpływ czynników 

fizycznych

na organizm człowieka (2)

2.Cieplne

Transport materii

Temperatura 

niska i wysoka

Wilgotność

Przewodnictwo

Konwekcja

Promieniowanie

background image

 

 

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

background image

 

 

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

background image

 

 

Wpływ czynników fizycznych 

na organizm człowieka (3)

Promieniowanie 

niejonizujące

Podczerwień

Widzialne 

(?)

Ultrafiolet (?) Laserowe (?)

background image

 

 

Wpływ czynników fizycznych

na organizm człowieka (4)

• Wolne rodniki i antyoksydanty

• Promieniowanie kosmiczne (szybkie 

neutrina)

• Czynniki niekonwencjonalne 

-?????????

background image

 

 

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  

                    

             

background image

 

 

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

background image

 

 

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)

 

background image

 

 

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 

background image

 

 

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

background image

 

 

Infradźwięki – własności, 

działanie

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

dużą przenikalność – 

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)

background image

 

 

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

 

background image

 

 

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

background image

 

 

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

background image

 

 

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

background image

 

 

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

background image

 

 

Źródła ultradźwięków

Źródła

Naturalne

Sztuczne

Nietoperz (echolokacja)

Delfin

Pies

Piszczałki (b.krótkie) 

Wysokoobrotowe turbiny

Drgające powierzchnie

kryształu – odwrotny

 efekt piezoelektryczny

background image

 

 

Efekt piezoelektryczny – 

prosty

(praca własna)

Naprężenia mechaniczne 

 

Zmiana rozkładu ładunków

Niejednorodne pole elektryczne

   Efekt jest obserwowany w 

wybranej

 

klasie kryształów np. kwarc, tytanian 

baru

background image

 

 

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  

background image

 

 

Efekt piezoelektryczny 

-optymalizacja

    Jeżeli  częstotliwość  zmian  pola  jest 

porównywalna 

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 

background image

 

 

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

background image

 

 

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

background image

 

 

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 

 

background image

 

 

Analiza sygnału – typy 

prezentacji

• PREZENTACJA    A

    -  sygnał  odebrany 

przez  głowicę  jest  kierowany  na 
przetwornik 

(zamienia 

sygnał 

akustyczny 

na 

elektryczny) 

następnie 

na 

układ 

wejściowy 

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

background image

 

 

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)   

background image

 

 

Analiza sygnału – Prezentacja B 

cd

• Prowadzone  są  badania  w  zakresie 

konstrukcji 

generatorów 

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)

background image

 

 

Analiza sygnału – typy 

prezentacji

• Efekt Dopplera

 – Jeżeli obiekt od którego odbija się 

fala porusza się z prędkością to obserwujemy 

przesunięcie częstotliwości Δν fali padającej i odbitej.

              =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.)  

background image

 

 

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

background image

 

 

TERAPIA

• Oddziaływanie ultradźwięków z 

materią:

    - pochłanianie fali – zamiana energii
       - efekt rezonansowy – wzrost 

amplitudy      

  drgań

           - zmiana dynamiki przepływów
              -  zmiana prędkości przebiegu   
                  reakcji chemicznych               

   

background image

 

 

SKUTKI 

PROPAGACJI

FALI W ORG.

CZŁOWIEKA

CIEPLNE

MECHANICZNE

CHEMICZNE

background image

 

 

MECHANIZM SKUTKÓW CIEPLNYCH

PADAJĄCA FALA  
    

DRGANIA CZĄSTECZEK OŚRODKA

TARCIE WEWNĘTRZNE
  

ENERGIA TERMICZNA

PODWYŻSZENIE TEMPERATURY OŚRODKA

background image

 

 

MECHANIZM SKUTKÓW 

MECHANICZNYCH (1)

PADAJĄCA FALA

WZROST AMPLITUDY DRGAŃ CZĄSTECZEK

ROZERWANIE WIĄZAŃ (odległość cząsteczek 

rzędu  λ/2)

NISZCZENIE  STRUKTUR

background image

 

 

MECHANIZM SKUTKÓW 

MECHANICZNYCH (2)

PADAJĄCA FALA

MIKROPRZEPŁYWY I ZAWIROWANIA 

PŁYNÓW

NAPRĘŻENIA WEWNĘTRZNE

ODKSZTAŁCANIE I ROZRYWANIE 

KOMÓREK I ORGANELLI 

KOMÓRKOWYCH

background image

 

 

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 

TEMPERATURY 

(DO 

100AT,10000K)

               

background image

 

 

Kawitacja -  produkcja 

toksyn

• KAWITACJA  (zapadanie pęcherzyków)

   WZROST TEMPERATURY

   DYSOCJACJA H

2

O

   WOLNY RODNIK (singletowy tlen)

   REAKCJE CHEMICZNE

   TOKSYNY

background image

 

 

TERAPIA

SKUTKI 

BIOLOGICZNE 

ZALEŻĄ OD

CZĘSTOTLIWOŚCI

(głębokość wnikania)

NATĘŻENIA

(przekazywana energia)

CZAS DZIAŁANIA

(przekazywana energia)

KIERUNEK 

ROZCHODZENIA SIĘ

(Przekazywana energia)

background image

 

 

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

background image

 

 

INNE ZASTOSOWANIA 

MEDYCZNE ULTRADŹWIĘKÓW

• Usuwanie złogów np. kamień na 

zębach

• Litotrypsja – mechanizm, przykłady 

zastosowań

background image

 

 

Zastosowania techniczne 

ultradźwięków

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


Document Outline