Orvosi Biofizika. A tudomány küldetése A valóság minél pontosabb megismerése - a tudományos igazságok feltárása. Orvosi Biofizika

HTML
DOWNLOAD

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Orvosi Biofizika. A tudomány küldetése A valóság minél pontosabb megismerése - a tudományos igazságok feltárása. Orvosi Biofizika"

Margit Nóra Kovács
8 évvel ezelőtt
Látták:

A tudomány küldetése A valóság minél pontosabb megismerése - a tudományos igazságok feltárása Orvosi Biofizika Kellermayer Miklós Jó ez? Fontos ez? Igen(!

1 A tudomány küldetése A valóság minél pontosabb megismerése - a tudományos igazságok feltárása Orvosi Biofizika Kellermayer Miklós Jó ez? Fontos ez? Igen(!): Megközelítési módjaink: A valóság sokkal szebb, mint azt bárki elképzelhetné...! Richard P. Feynman (Nobel-díjas) 1. Tudományos lelkület: Rácsodálkozás (kíváncsiság) Kritikus gondolkodás (mások és önmagunk kritikája) Kérdezés és kétkedés 2. Tudományos módszer: Megfigyelés Megfontolás Hipotézisfelállítás Kísérlet bármely tudományos igazság próbaköve a kísérlet Orvosi Biofizika Biológiai jelenség fizikai leírása Módszertana: Az élő folyamatokat 1) egyszerűsíti 2) számszerűsíti Feladatai: 1) Orvosi és biológiai jelenségek, folyamatok fizikai leírása 2) Fizikai alapú orvosi módszerek megértése Kérdések lehetnek például: 1. Mekkora erőt (F) kell kifejteni egy spermatocitának ahhoz, hogy adott (v) sebességgel mozogjon? 2. Hogyan történik mindez (mi a pontos mechanizmus)? Predikciós erejű modell építése.

Szerkezet Dinein karok Biomolekuláris funkcionális modell: In vitro motilitási próba Dinein MT Sejtmembrán Külső mikrotubulus duplex Küllő Belső mikrotubulus duplex Dinein kar F = γv = 6rπηv

2 A spermatocita által érzékelt közegellenállás Mekkora erőt (F) kell kifejteni egy spermatocitának ahhoz, hogy adott (v) sebességgel mozogjon? Spermium modell: kör keresztmetszetű tárgy Stokes törvény: Spermatocita motilitás molekuláris mechanizmusa Hogyan történik mindez (mi a pontos mechanizmus)? Predikciós erejű modell építése. Szerkezet Dinein karok Biomolekuláris funkcionális modell: In vitro motilitási próba Dinein MT Sejtmembrán Külső mikrotubulus duplex Küllő Belső mikrotubulus duplex Dinein kar F = γv = 6rπηv *Megjegyzés: az ábra a kinezint és nem a dineint mutatja! Mikroszkóp fedőlemez Fluoreszcencia videomikroszkópia γ = 6rπη = (m) π 10 3 (Pas) = Ns/m F = γv = Ns/ m m /s = N =1.5 pn Részeg tengerész lépegetési mechanizmus Mikrotubulus mozog a dineinen Dinein mozog a mikrotubuluson Orvosi biofizika: előadástematika I. félév II. félév Biomolekuláris rendszerek méretskálája Termodinamika Atom 1. Bevezető. Az orvostudomány és a biofizika kapcsolata. Sugárzások a medicinában. 2. A fény mint elektromágneses hullám és mint fényrészecske. 3. Orvosi optikai eszközök működése a geometriai optika és a hullámoptika alapján. 4. A látás optikai háttere, színlátás, színkeverés. 5. Anyagszerkezet, anyaghullám, atomi illetve molekuláris kölcsönhatások. 6. Sokatomos rendszerek. Gázok, szilárdtestek, folyadékkristályok, folyadékok. A Boltzmanneloszlás. Fényemisszió, fényforrások, színkép. 7. Az emissziós spektroszkópia alapelvei. Hőmérsékleti. Fény anyaggal való kölcsönhatásai. Az abszorpciós spektroszkópia alapelvei. 8. Lumineszcencia és alkalmazása a diagnosztikában. 9. Lézerek és orvosi alkalmazásuk. 10. Atommag, radioaktivitás, magok. 11. Dozimetria, sugárvédelem. Nukleáris méréstechnika. 12. A nukleáris medicina főbb problémái. A radioaktív az orvosi gyakorlatban. 13. Jelfeldolgozás. A jelek osztályozása, Fourier felbontása, Elektromos alapáramkörök. Félvezető áramköri elemek. Jelátalakítás, jelszelektálás, megjelenítők. 1. Röntgen előállítása és tulajdonságai 2. Röntgendiagnosztikai alapok 3. Az elektromosság orvosi alkalmazásai 4. Termodinamika - egyensúly, változás, főtételek 5. Diffúzió, Brown-mozgás, Ozmózis 6. Folyadékok és gázok áramlása. A véráramlás biofizikája 7. Hang, ultrahang 8. Bioelektromos jelenségek 9. Érzékszervek biofizikája, látás, hallás 10. Az élő anyag építőkövei: víz, makromolekulák, szupramolekuláris rendszerek 11. A biológiai mozgás molekuláris mechanizmusai. Biomechanika, biomolekuláris és szöveti rugalmasság 12. A biomolekuláris szerkezet és dinamika vizsgálómódszerei. Az MRI alapjai 13. A légzés és a szívműködés biofizikája. 14. A fizikális vizsgálat biofizikai alapjai Komplexitás Mezoskála Kvantumkémia Kvantumfizika Poratka Vörösvértest, fehérvérsejt Hangya Emberi hajszál DNS 5 db Si atom Nanoskála Mikroskála Milliskála 1 milliméter Látható spektrum 1 nanométer Atom 10 3 Atom 10 1 Atom 10 0 Atom

yotta Y 10 24 zetta Z 10 21 exa E 10 18 peta P 10 15 tera T 10 12 3 nagyságrendenként Az élő sejt méretskálája Rudolf Virchow (1855): Omnis cellula e cellula giga G 10 9 mega M 10 6 Egyszerűsített

3 yotta Y zetta Z exa E peta P tera T nagyságrendenként Az élő sejt méretskálája Rudolf Virchow (1855): Omnis cellula e cellula giga G 10 9 mega M 10 6 Egyszerűsített sejtmodell: kocka Prefixumok kilo k 10 3 hekto h 10 2 deka da 10 1 deci d 10-1 centi c 10-2 minden nagyságrendre Aktinmolekula mérete Aktinmolekulák száma Sejt: 20 μm oldalfalú kocka Analógia - Tanterem: 20 m oldalfalú kocka 5 nm 5 mm ~500 ezer ~500 ezer milli m 10-3 mikro μ 10-6 nano n 10-9 piko p femto f nagyságrendenként Aktin átlagos távolsága ~250 nm ~25 cm Kálium ion mérete 0.15 nm 0.15 mm Kálium ionok száma Kálium ionok átlagos távolsága ~10 9 ~10 9 ~20 nm ~2 cm atto a zepto z yocto y Aktin filamentum (d=7 nm) G-aktin (d=5 nm, cc~100 μm) Kálium ion (d=0.15 nm, cc~150 mm) A modell hiányosságai: a koncentrációk lokálisan változnak dinamika: állandó mozgás, ütközés kölcsönhatások, a dinamika miatt sokféle Vizsgálhatók-e a biológiai rendszer legkisebb részletei? Sugárzások: mindenütt Modell Valóság (mérési eredmény) H-atom emissziós spektruma Orion Nebula Globuláris aktin fehérjemolekula szerkezeti modellje szürke - C; piros - O; kék - N; sárga - S 1 nm Oxigén atomok rhodium egykristály felületén (pásztázó tűszondás mikroszkóp felvétel) Forrás Sugárzás Besugárzott test

4 Sugárzások fajtái Minden ban energia terjed Hullámok vagy részecskék formájában. Energia, E: [E] = J (Joule) Nem-ionizáló Ionizáló Energia-áram = : [P] = W (Watt) ΔE: a Δt idő alatt szállított energia Mechanikai Elektromágneses Elektromágneses Részecske Energiaáram-sűrűség = -sűrűség: [J] = W/m 2 Hang Ultrahang Rádió Infrav. Látható Ultraibolya Röntgen Gamma Alfa Beta A: felület (az energiaterjedés irányára merőleges) Kisugárzott felületi A radiometria mennyiségei Sugárintenzitás Besugárzott felületi A irányfüggősége izotróp sugárzó anizotróp sugárzó Radián, szteradián Egységnyi felület által 2ϖ térszögben mekkora a kisugárzott Egységnyi felületen mekkora áramlik át Egységnyi felületre eső, ha az minden irányból érkezhet ívmérték (radián): ívhossz/sugár; teljes kör: 2rϖ/r = 2ϖ térszög (szteradián): felület/sugárnégyzet; teljes térszög: 4r 2 ϖ/r 2 = 4ϖ

Felületi távolságfüggése különböző geometriájú sugárforrások esetén Miközben a áthalad az anyagon, intenzitása csökken (A kilépő gyengébb mint a belépő) Agömb~r 2 Ahenger~r A=konstans Le tudjuk írni

5 Felületi távolságfüggése különböző geometriájú sugárforrások esetén Miközben a áthalad az anyagon, intenzitása csökken (A kilépő gyengébb mint a belépő) Agömb~r 2 Ahenger~r A=konstans Le tudjuk írni ezt a jelenséget egyszerű törvényszerűséggel? Általános sugárgyengítési törvény J0 J J<J0 ΔJ = J - J0 Orvosi jelentőség Belépő intenzitás Áthaladt intenzitás Áthaladt intenzitás Röntgen sugárforrás Röntgen Általánosan elmondható, hogy a gyengülés mértéke függ a belépő intenzitástól, az úthossztól és az anyagi minőségtől: ΔJ~J; ΔJ~Δx; ΔJ~µ A mennyiség (J) és annak változása (ΔJ) egymással arányosak: ΔJ=-µΔxJ Áthaladt intenzitás Vastagság, úthossz µ = sugárgyengítési együttható D = felező rétegvastagság Detektor (film, szenzor, képernyő) Gyengítés (emberi test) Mellkas röntgen felvétel J J-ΔJ Exponenciális függvény: J=J0e -µx Vastagság, úthossz

Hasonló dokumentumok

Orvosi biofizika. 1 Az orvostudomány és a biofizika kapcsolata. Sugárzások a medicinában. gyakorlatok. 1. félév előadásai

Orvosi biofizika. 1 Az orvostudomány és a biofizika kapcsolata. Sugárzások a medicinában. gyakorlatok. 1. félév előadásai Orvosi biofizika 1. félév: 1,5 óra előadás + óra gyakorlat. félév: óra előadás + óra gyakorlat Fizika az orvostudományban SE Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet igazgató: Prof. Kellermayer Miklós tanulmányi