Orvosi Fizika 2. Miért tanuljunk fizikát? a fizika szerepe az orvosképzésben és a gyógyításban Bari Ferenc egyetemi tanár SZTE ÁOK-TTIK Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet Szeged, 2011. szeptember 12.
A tantárgy helye és szerepe Az életfolyamatok fizikai háttere (vérkeringés, ideg-ingerület tovaterjedés, légzési gázcsere, látás, hallás stb.) Minden életjelenségben nyomon követhetők a fizikai törvényszerűségek (mechanikajárás, testtartás, optika: látás, akusztika: hallás, elektromosságtan: az idegrendszer működése, a szív működése stb). Aki ismeri a fizikai alaptörvényeket (Ohm törvény, Boyle-Mariotte törvény, Bernoulli egyenlet stb), az meg tudja érteni/tanulni az életfolyamatok mikéntjét Diagnosztikai eljárások/eszközök fizikai háttere Aki ismeri a fizikát-hatékonyabban tudja használni a diagnosztikai eszközöket, érti a működési elvüket, ismeri a korlátait (képalkotó eljárások, izotópdiagnosztika, EKG, ultrahang stb). Együtt tud működni új diagnosztikai eszközök fejlesztésében és tesztelésében Terápiás eszközök-eljárások fizikája Aki ismeri a fizikát, jobban tudja alkalmazni a korszerű terápiás eljárásokat és eszközöket (laser sebészet, sugárterápia, protézisek, pacemaker stb), Aki ismeri a fizikát abból könnyebben lehet jó orvos, (ill. 2. éves orvostanhallgató) 2011.09.12. Fizika 2 2
A kollokvium teszten szerezhető: 40 pont évközi demon szerezhető: 6 pont szemináriumi aktív részvétellel szerezhető: 4pont értékelés: 0-22 pont: elégtelen 23-27 pont: elégséges 28-31 pont: közepes 32-35 pont: jó 36 pont felett: jeles 2011.09.12. Fizika 2 3
Vizsgaeredmények 2010/2011. tanév 2. félév vizsgaeredmények eloszlása 50 45 40 35 30 ÁOK FOK sikeres vizsgákon szerzett jegyek átlaga: 2,7 (%) 25 20 15 10 a hallgatók 96%-a (FOK: 97%-a) sikeres vizsgát tett!! 5 0 0 1 2 3 4 5 nem próbálkozott 2011.09.12. Fizika 2 4
A bonusz-pontok fontossága Vizsgajegyek bonusz-pont nélkül bonusz nélkül bonusszal 5 3 5 4 3 2 4 13 7 szerzett bonuszpontok átlaga: 2,34 3 2 37 36 2 1 73 95 1 122 141 hallgató jegyét nem változtatta meg 245 hallgató 1 jeggyel kapott jobbat 3 hallgató 2 jeggyel kapott jobbat bonusz-pontjainak köszönhetően! 2011.09.12. Fizika 2 5
A tantárgy helye és szerepe Alapozó modul - 1. évfolyam, 1. félév Heti 2+1 óra előadás + heti 2 óra szeminárium/gyakorlat 2 órás (hétfő, 8:00-9:45, TIK) előadás fizika 1 órás (szerda, 11:00-11:45, TIK) statisztika + heti 2 óra biostatisztikai számítások (választható), de módosulhat 2011.09.12. Fizika 2 6
Előadók Dr. Bari Ferenc egyetemi tanár- kurzusvezető Dr. Boda Krisztina egyetemi docens Dr. Maróti Péter egyetemi tanár Dr. Hantos Zoltán egyetemi tanár Dr. Karsai János egyetemi docens Dr. Nagy László egyetemi docens Dr. Varjú Katalin egyetemi docens Miért nem egy oktató- több féle megközelítés- szemlélet mi egyeztetünk- az intézet egésze oktat- ha nem fizikát, vagy statisztikát- majd informatikát 2011.09.12. Fizika 2 7
Követelmények 1. Eredményes vizsga (a vizsgaidőszak december 19-én kezdődik, heti 1-2 vizsganap, de naponta akár 150 fő is vizsgázhat, Tesztvizsga, felelet választós, 2/3 rész fizika, 1/3 statisztika egyik nem helyettesíti a másikat, mind a két részből elégséges kell az átmenő jegyhez (vegyék fel a Biostatisztikai számításokat!!! Van rá az intézetnek kapacitása) Lesz alkalom gyakorolni a teszteket- 2011.09.12. Fizika 2 8
Követelmények 2. A vizsga anyaga: az előadásokon elhangzottak (minden alkalommal kint lesz az Intézet honlapján http://www.szote.u-szeged.hu/dmi, valamint a gyakorlatok anyagai (ezek is hozzáférhetők elektronikusan) Tankönyv: Damjanovich S. Fidy J. Szöllősi J. (szerk.): Orvosi biofizika Medicina Kiadó, Csak az kell, amiről szó esett! Más könyveket és jegyzeteket is szabad olvasni, forgatni Vizsgára bocsáthatóság: Aktív jelenlét a szemináriumokon (a tananyag folyamatos követése, készülés, a számonkéréseken megfelelő teljesítmény), a 6 gyakorlat teljesítése 2011.09.12. Fizika 2 9
Néhány szó az intézeti honlapról: Felhasználónév: stud Jelszó: zsiraf 2011.09.12. Fizika 2 10
Az orvosi fizika oktatásának célja 1. Az életjelenségek fizikai alapjainak megértése Pl. Bioelektromosság-a sejtek elektromos állapota változó-hiper- és depolarizáló hatások Ingerlékeny szövetek (ideg, izom) 2011.09.12. Fizika 2 11
Az elektrofiziológia úttörői- történeti háttér Luigi Galvani 1737-1798 1781 január 26 Az első dokumentált béka kísérlet ugrik Galvani: Az állatokban különös gép gondoskodik arról, hogy ne legyen egyensúly - ma már tudjuk, hogy ionpumpák (ATP felhasználásával) biztosítják az egyensúlyi állapottól eltérő viszonyokat 2011.09.12. Fizika 2 12
Az elektrofiziológia: ma is az idegrendszer, az izomszövet és az egyéb struktúrák vizsgálatának eszköztára- a megismerést, a mechanizmusok feltárását szolgálja Az elektromos jelenségek törvényszerűségeit a Maxwell egyenletek foglalják össze: pl: Faraday indukció törvénye: Nem kell megijedni, de Ohm, Gauss stb. törvényei érvényesek a bioelektromosság esetében is Science > 1997.okt.17. > Chen et al., pp. 463 46- patkány szagló gumó (bulbus olfactorius)- számunkra akciós potenciál tovaterjedés (változó ingererősség, minden-vagy semmi törvény ) A középiskolában az elektromosságból tanultakat tudni kell!! Fogalmak: töltés, feszültség, áram, ellenállás, (impedancia) 2011.09.12. Fizika 2 13
A sejtmembránok ioncsatornáinak vizsgálata folt zárásos (patch clamp) technikával A regisztrált csatorna-áramok pa nagyságrendűek (piko -10-12 ) Mekkora töltés ez, ha a kapu 2 ms ideig van nyitva? Q=I*t (2 pa*2 ms)=4*10-15 As Egy coulomb (C) az a töltés mennyiség, amely 1 A áramerősség esetén (1 s) alatt átfolyik a vezetőn (csatornán) 1C=6,2 10 18 elemi töltés Egy csatornán tehát ~24*10 3 ~2,4*10 4 töltés áramlott át Ha ez Na + akkor ennyi ion, ha Ca 2+ ez akkor a fele! 2011.09.12. Fizika 2 14
Apropó.. mértékgységek 2011.09.12. Fizika 2 15
2011.09.12. Fizika 2 16
Ezzel szemben az orvoslásban számos tradicionális mértékegységet (Hgmm, liter [L], 2011.09.12. H 2 Ocm stb) megtartottak - sok zavar Fizika forrása 2 - sajnos! NE MINŐSÍTSÜK 17
2011.09.12. Fizika 2 18
Az orvosi fizika oktatásának célja 2. A diagnosztikus eszközök működési elvének megértése (akár új eszközök konstruálása) életjelenségek fizikai alapjainak ismerete révén Diagnózis Pl. hallásvizsgálat eset: 48 éves, 172 cm magas, 85 kg os férfi reggel arra ébred, hogy egy picit szédül és rosszul hall a jobb fülére Egy idő után úgy dönt, hogy orvoshoz fordul 2011.09.12. Fizika 2 19
A diagnosztika fizikai háttere 2. Családorvoshoz megy - aki a beteg panaszai ismeretében vérnyomást mér, Fonendoszkóppal meghallgatja a szívtájékot és a nyaki ereket - enyhén magas vérnyomást észlel (150/95 Hgmm) és bizonytalan zörejeket hall a nyaki ereken.tovább küldi a beteget klinikai kivizsgálásra a vérnyomás csökkentés érdekében a megfelelő protokoll szerint gyógyszert ír fel! 2011.09.12. Fizika 2 20
A diagnosztika fizikai háttere 3. Fül-orr-gégészet: Hangvilla (miért?)vizsgálat-kizárható, hogy középfül gyulladás Audiometria 2011.09.12. Fizika 2 21
A diagnosztika fizikai háttere 4. A mi betegünk Hallásküszöb audiogram készült Különböző frekvenciájú (Hz) hangok- 125 Hz -8000 Hz között (nem lineáris a skála- logaritmus(?)) A hangosság is változtatható- 40-50 db halláskárosodás (mit jelent?) audiológia akusztika (de akusztikai alapismeretek nélkül nem lehet megérteni) Súlyosnak tűnik a baj- Mind a légvezetéses-mind a csontvezetéses hallás károsodott (tehát vagy a szőrsejtek, vagy az idegpályák sérültek) Az alsó audiogramról egy tanult ember azt olvassa le, hogy a hallócsontocskák, vagy a hallójárat nem működik megfelelően Középfül gyulladás audiogramja 2011.09.12. Fizika 2 22
A diagnosztika fizikai háttere 5. Otoakusztikus emisszió a szőrsejtek állapotáról ad felvilágosítást A szőrsejtek működnek- a hallóideg, vagy a távolabbi struktúrák sérültek 2011.09.12. Fizika 2 23
A diagnosztika fizikai háttere 6. Nézzük meg, hol lehet a hiba-agytörzsi kiváltott válaszok (EEG elektródák, erősítés, átlagolás, szűrés stb.) Hangszóró-stimulus (mekkora legyen a hangosság?) Fejbőrről elvezetett jelek (µv nagyságrendűek) A hallópálya az agytörzsben számos alkalommal átkapcsolódik és elágazódik, az információ a hullámok jelenléte és/vagy hiánya - retrocochleáris lézió 2011.09.12. Fizika 2 24
A diagnosztika fizikai háttere 7. Hol, mi és mekkora? Valamilyen képalkotó eljárás kellene- csontos burok bele kellene látni (Röntgen-ultrahang vagy valami más?) Hogyan is keletkeznek a Röntgen sugarak? 1895-ös felfedezésért Röntgen 1901-ben mi látható? elsőként kapta meg a fizikai Nobel-díjat. sajnos,ez alapján nincs válasz 2011.09.12. Fizika 2 25
A diagnosztika fizikai háttere 8. Legyen akkor CT és MRI A komputertomográfia (Computed [Axial] Tomography, CT vagy CAT) a szakirodalomban gyakran számítógépes tomográfia a radiológiai diagnosztika egyik ága. A tomográfia szó a szeletelésre utal. A tomográfiás felvételeken a vizsgálat tárgya képzeletbeli szeletekre bontva látható. 1979-ben Allan M. Cormack és Godfrey N. Hounsfield orvosi Nobeldíjat kaptak a komputertomográfia kifejlesztésért Sík vetületek. A CT elve: a vetületekből Rekonstruálható a mátrix 2011.09.12. Fizika 2 26
A diagnosztika fizikai háttere 9. A finomabb, idegi elváltozások felderítésére még ez sem igazán jó, hívjuk segítségül az MRI-t Az MRI az angol (Nuclear) Magnetic Resonance Imaging rövidítése, melynek jelentése: mágneses magrezonancia képalkotás. A technikát elsősorban az orvosi diagnosztikában használják a test szerkezetének leképezéséhez. Emellett az agyi képalkotás területén is egyre gyakrabban alkalmazzák. Előnye a komputertomográfiához (elterjedtebb angol rövidítéssel CT) képest, hogy jobb a kontrasztfelbontó képessége a lágy szövetek területein. 2011.09.12. Fizika 2 27
A diagnosztika fizikai háttere 10. Gyanútlan páciens Gyanús cső és emberek Nem történik semmi!? A velejéig hatoltunk és látjuk Föld mágneses mezeje kb. 0,5 G (Gauss) erősségű. Az MRI vizsgálat során 10 000-30 000 G (1-3 Tesla) erősségű mágneses teret alkalmaznak- mit is tudunk a mágnesességről? Mekkora áram kelt ilyen teret? szupravezetés - fizika, fizika, fizika!!!! 2011.09.12. Fizika 2 28
X. Y beteg -20-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 JOBB OLDAL Right side 60 125 250 500 1000 2000 4000 8000-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 BAL OLDAL Left side 60 125 250 500 1000 2000 4000 8000 2011.09.12. Fizika 2 29
Koponya MRI: 10x4x27 mm akusztikus neurinoma Volume measured with Slicer 1097mm 3. (mekkora is ez? 10*10*10 )
Terápia Mit tegyünk-jön a terápia-az ott növöget-vegyük ki - nem lehet- pusztítsuk el (hogyan) sugározzuk be!!! Mivel? A sugárkezelés napjainkban leggyakrabban rosszindulatú daganatok esetében történik. Az ionizáló sugárzás alapvetően az élő sejteket károsítja. A kezelés is a sejtkárosító hatásra épít: daganat esetében a cél a daganatos sejtek elpusztítása. Ionizáló sugárként alkalmazható a nagyobb áthatolóképességű gamma- vagy Röntgen sugárzás elnevezés részint a foton energiáján, illetve a forrásán múlik. 2011.09.12. Fizika 2 32
Gamma kést!!! 2011.09.12. Fizika 2 33
Mit is tanultunk eddig? Ahhoz, hogy az életjelenségeket megértsük, hogy a diagnosztika elveit, műszereit értsük és ismerjük, A terápiás lehetőségeket és módszereket ismerjük és használni tudjuk SOK FIZIKÁT KELL TANULNI (ÉS TUDNI) nosza, kalandra fel!!! 2011.09.12. Fizika 2 34
Tehát az orvosi fizika többek között: Az elektromos és mágneses terek A sugárzás A szupravezetők A lézerek Az akusztika Az optika A mikroelektronika A számítástechnika A jelfeldolgozás tudománya Van olyan ága az orvoslásnak amelyik nem használ fizikát? 2011.09.12. Fizika 2 35
Térjünk vissza! Objektív audiometria- a beteg kooperációját igénylisajnos a kisgyerek nem kooperál- a halláskárosodást korán fel kell ismerni Ismét az otoakusztikus emisszió Hang- stimulus - a szőrsejtek rezegnek- ezt a rezgést (emisszió) kell felfognunk- ha nincsenek szőrsejteklehet-e hallani? Alapvetően nem, mert nincs szenzor 2011.09.12. Fizika 2 36
2011.09.12. Fizika 2 37
Ahhoz, hogy ma megbízhatóan tudjuk gyógyítani a süketséget kellettek a kivételes emberek Hermann von Helmholtz (a csiga olyan mint a zongora) Békésy György Budapest, 1899. jún. 3. Honolulu, 1972. jún.13. 1961-ben a belső fül csigájában létrejövő ingerületek fizikai mechanizmusának felfedezéséért orvosi-élettani Nobel-díjat kapott belsőfülben, a csigában lévő alaphártya ugyanúgy feszítetlen, ahogyan a középfület határoló dobhártya az. Így a hangmagasság érzékelése nem történhet az alaphártya rezgésének rezonanciájával. Bebizonyította, hogy a csigában a hang érzékelésekor nem szabályos állóhullámok alakulnak ki, hanem egy ma úgy mondanánk: nem lineáris hullám halad végig, amelynek amplitúdója a frekvenciától függően a mintegy 30 mm hosszú járat más-más helyén éri el maximumát (a belső fül frekvencia analízist végez)- 2011.09.12. Fizika 2 38
A cochlearis implantáció elve 2011.09.12. Fizika 2 39
Frekvencia felosztás Hallásküszöb, komfortküszöb 2011.09.12. Fizika 2 40
EAS Magas hangok Mély hangok CI Hallókészülék 2011.09.12. Fizika 2 41
Med-El Pulsarci 100 Egy készülék típus, ami beültethető: Orvosok, mérnökök hosszú-hosszú kutató-fejlesztő munkája eredményeként jön létre 2011.09.12. Fizika 2 42
Ezért érdemes tanulni- sok sikert 2011.09.12. Fizika 2 43
2011.09.12. Fizika 2 44