asyan.org
добавить свой файл
1


Міністерство охорони здоров’я України

Івано-Франківський національний медичний університет

Кафедра медичної інформатики, медичної і біологічної фізики

Методичні матеріали

для забезпечення навчального процесу

з основ біологічної фізики та медичної апаратури

Івано-Франківськ – 2012

1.Робоча програма

Основи біологічної фізики та медичної апаратури

Спеціальності: 5.12010102 – “Сестринська справа”

Факультет: медичний.

Кафедра: медичної інформатики, медичної і біологічної фізики.

Нормативні дані

Форма навчання

Курс

Семестр

Кількість годин

Залік,

диф. залік (семестр)


Іспит

(семестр)


Всього

Аудиторних

С

П

Р

С

Лекції

Практичні заняття

Лабораторні заняття

Семінарські заняття

Денна

ІІ

IV

60

18

14

-

-

28

диф. залік

-

Робочу програму склала доцент, к.ф-м.н. Гамарник А.М.

Робоча програма складена на підставі програми з "Основ біологічної фізики та медичної апаратури" для студентів вищих медичних навчальних закладів освіти І – ІV рівнів акредитації (спеціальності – "Сестринська справа"), 2007 р.

Робочу програму обговорено на засіданні кафедри медичної інформатики, медичної і біологічної фізики “05” січня 2012 року, протокол № 7.

Завідувач кафедри професор М. І. Мойсеєнко

Робочу програму ухвалено на засіданні циклової методичної комісії з медико-біологічних дисциплін “___” ____________ 2012 року, протокол № ___.

Голова циклової комісії професор В. А. Левицький

1.1 Робочий навчальний план

Програма курсу дисципліни "Основи біологічної фізики та медичної апаратури" для вищих навчальних закладів I - IV рівнів акредитації для підготовки фахівців за напрямком 1101- медицина, спеціальності 5.110102 «Сестринська справа» розрахована на 60 годин. Лекційний курс дисципліни супроводжується лабораторним практикумом, який дає студентам додаткові практичні навички в галузі медичної і біологічної фізики, зокрема при використанні сучасної діагностичної та фізіотерапевтичної електронної апаратури, приладів дозиметричного радіаційного контролю, оптичних методів досліджень у медицині тощо.

Опис структурованого навчального плану

з навчальної дисципліни “Основи біологічної фізики та медичної апаратури”

для студентів за спеціальностю 5.110102 «Сестринська справа»

№ розділу

Тема розділу

Розподіл годин за формами проведення занять

Всього

Лекції

Лабораторні і практичні заняття

Самостійна робота

1

Основи біомеханіки, біореології, гемодинаміки, біоакустики.

4

4

4

12

2

Термодинаміка відкритих термодинамічних систем. Біофізика мембран.

-

-

6

6

3

Основи електродинаміки. Електронна медична апаратура.

6

2

4

12

4

Оптичні методи дослідження біологічних систем

2

4

6

12

5

Квантово-механічні методи вивчення медико-біологічних середовищ.

Основи дозиметрії.

6

4

6

16

6

Реферат за обраною темою самостійної роботи.

-

-

2

2

Всього:

18

14

28

60

Підсумковим контролем засвоєння дисципліни є диференційований залік.

1.2. Програма

Біологічна фізика, її предмет та методи досліджень, зв’язок з іншими науками. Основні розділи біофізики.

Медична фізика, її методи. Значення кількісних показників у медицині та специфіка медико-біологічних досліджень.

  1. Основи біомеханіки і біоакустики

Основні поняття механіки поступального та обертального рухів. Рівняння руху, закони збереження.

Елементи біомеханіки. Опорно-руховий апарат людини. Динамічна і статична робота людини при різних видах її діяльності. Ергометрія. Методи і прилади для вимірювання біомеханічних характеристик.

Диференціальні рівняння гармонічних, затухаючих і вимушених коливань та їх розв’язок. Декремент і логарифмічний декремент затухання. Резонанс. Автоколивання. Релаксаційні коливання.

Хвильові процеси та їх характеристики. Рівняння хвилі. Потік енергії. Вектор Умова. Ефект Доплера.

Об’єктивні та суб’єктивні характеристики звуку. Інтенсивність, рівень інтенсивності, гучність, їх одиниці вимірювання. Закон Вебера-Фехнера. Біофізичні основи слухового відчуття. Аудіометрія. Фізичні основи звукових методів дослідження в клініці.

Ультразвук та інфразвук. Джерела та приймачі ультразвуку та інфразвуку. Особливості поширення та біофізичні основи дії ультразвуку та інфразвуку на біологічні тканини. Використання ультразвуку в медицині.

  1. Елементи молекулярної біофізики. Основи біореології і гемодинаміки

Міжмолекулярні взаємодії у біополімерах (ковалентна взаємодія, електростатичні і дисперсійні взаємодії, гідрофобні взаємодії, водневі зв’язки). Структурна організація білків і нуклеїнових кислот.

Деформаційні властивості біологічних тканин. Закон Гука. Модуль Юнга і коефіцієнт Пуассона. Текучість і релаксація напруги.

Внутрішнє тертя, в’язкість. Формула Ньютона для сили внутрішнього тертя. Ньютонівські та неньютонівські рідини. Реологічні властивості крові. Методи та прилади для вимірювання в’язкості рідин.

Поверхневий натяг. Коефіцієнт поверхневого натягу та методи його визначення. Газова емболія.

Стаціонарний плин рідини. Лінійна та об’ємна швидкості. Рівняння неперервності і рівняння Бернуллі. Плин в’язкої рідини. Формули Пуазейля і Гагена-Пуазейля. Гідравлічний опір. Ламінарний і турбулентний плин рідини. Число Рейнольдса. Пульсові хвилі. Методи вимірювання тиску крові і швидкості кровообігу.

  1. Термодинаміка відкритих систем

Термодинамічні системи, параметри і процеси. Внутрішня енергія, вільна енергія, ентропія. 1-й і 2-й закони термодинаміки. Термодинамічні потенціали.

Термодинаміка відкритих систем поблизу рівноваги (лінійний закон для потоків і термодинамічних сил, перехресні процеси переносу, співвідношення Онзагера. виробництво ентропії, спряження потоків, стаціонарний стан, теорема Пригожина).

Термодинаміка відкритих систем, далеких від рівноваги ( процеси впорядкування у фізичних, хімічних і медико-біологічних системах, поняття про синергетику).

Значення термодинаміки і синергетики у проблемі охорони навколишнього середовища.

  1. Біофізика мембранних процесів

Структурні елементи біологічних мембран та їх фізико-хімічні властивості. Модельні мембрани. Рідкокристалічний стан біомембран. Динамічні властивості мембран.

Пасивний транспорт речовин крізь мембранні структури. Рівняння Фіка. Коефіцієнт проникливості мембран.

Активний транспорт. Молекулярна організація активного транспорту на прикладі роботи Na+ - K+ - насосу.

Природа мембранного потенціалу спокою (рівноважний потенціал Нернста, дифузійний потенціал, потенціал Доннана, стаціонарний потенціал Гольдмана-Ходжкіна-Катца).

  1. Основи електродинаміки. Електронна медична апаратура

Поняття про електрографію органів і тканин. Фізичні та біофізичні основи електрокардіографії. Перша концепція Ейнтховена про ґенез ЕКГ (серце – електричний диполь, потенціал електричного диполя, система відведень). Друга концепція ЕКГ (серце – струмовий диполь, потенціал струмового диполя).

Електропровідність тканин організму для постійного і змінного струмів. Ємнісні властивості та імпеданс тканин організму. Дисперсія імпедансу. Еквівалентні електричні схеми біологічних тканин. Фізичні основи реографії.

Фізичні та біофізичні процеси, які відбуваються у тканинах організму під дією постійного і змінного електричного поля (струми провідності і зміщення, теплові ефекти). Методи гальванізації, електрофорезу, електростимуляції, діатермії, електротомії, електрокоагуляції тощо.

Фізичні основи магнітобіології. Дія постійного і змінного магнітних полів на тканини організму (первинні механізми, індукційні струми, теплові ефекти). Методи магнітотерапії, індуктотермії тощо).

Електромагнітні коливання і хвилі у біологічних середовищах. Дія електромагнітного поля на тканини організму (первинні механізми, теплові ефекти). Методи УВЧ-терапії, НВЧ-терапії, мікрохвильової резонансної терапії тощо).

Загальна характеристика і класифікація електронної медичної апаратури. Використання електронної медичної апаратури у діагностиці, електростимуляції та фізіотерапії. Електроди і датчики. Підсилення та генерація сигналів. Правила безпеки при роботі з електронною медичною апаратурою.

  1. Оптичні методи дослідження у біології і медицині

Елементи геометричної оптики. Лінзи, аберації лінз. Центрована оптична система. Оптична мікроскопія. Основні характеристики мікроскопу.

Поляризація світла. Способи поляризації світла. Подвійне променезаломлення. Призма Ніколя. Закон Малюса. Оптично активні речовини. Закон Біо. Концентраційна поляриметрія.

Поглинання світла. Закон Бугера. Поглинання світла розчинами. Закон Бугера-Ламберта-Бера. Концентраційна колориметрія.

Розсіювання світла дисперсним середовищем. Молекулярне розсіювання світла. Закон Релея. Нефелометрія.

Рефрактометрія і волоконна оптика, їх використання в медицині. Дисперсія світла.

  1. Елементи квантової механіки

Основні уявлення квантової механіки: хвильові властивості мікрочастинок, формула де Бройля, співвідношення Гейзенберга, хвильова функція та її фізичний зміст, рівняння Шредінгера. Квантово-механічна модель атома водню. Квантові числа. Принцип Паулі. Енергетичні рівні. Поглинання та випромінювання енергії атомами і молекулами. Спектри поглинання і випромінювання. Спектрофотометрія.

Поняття про електронну мікроскопію.

Теплове випромінювання тіл, його характеристики. Абсолютно чорне та сірі тіла. Закони теплового випромінювання тіл. Теплове випромінювання тіла людини. Поняття про термографію.

Біофізичні основи дії на тканини організму інфрачервоного і ультрафіолетового випромінювань.

Зовнішній та внутрішній фотоефекти та їх використання в медицині.

Люмінесценція: види, основні закономірності, властивості. Застосування люмінесценції в медицині.

Індуковане випромінювання. Рівноважна та інверсійна заселеність енергетичних рівнів. Лазери. Принцип роботи лазера, властивості лазерного випромінювання та його застосування в медицині. Голографія.

Резонансні методи квантової механіки (електронний парамагнітний резонанс, ядерний магнітний резонанс), їх застосування в медицині (ЯМР – томографія тощо).

  1. Іонізуюче випромінювання і дозиметрія

Рентгенівське випромінювання, спектр та характеристики. Первинні механізми взаємодії рентгенівського випромінювання з речовиною. Закон послаблення і захист від рентгенівського випромінювання. Застосування рентгенівського випромінювання в медицині (рентгеноскопія, рентгенографія, флюорографія, рентгенівська комп’ютерна томографія, рентгенівська терапія). Поняття про рентгеноструктурний аналіз речовин.

Радіоактивність, основні види і властивості. Закон радіоактивного розпаду. Період піврозпаду. Активність, одиниці активності. Використання радіонуклідів в медицині.

Іонізуюче випромінювання, властивості і основні механізми взаємодії з біологічними об’єктами. Захист від дії іонізуючого випромінювання.

Дозиметрія іонізуючого випромінювання. Експозиційна та поглинута дози. Коефіцієнт якості випромінювання. Еквівалентна біологічна доза. Потужність доз. Одиниці доз і потужностей доз. Дозиметри іонізуючого випромінювання.

Фізичні та біофізичні проблеми, пов’язані з аварією на Чорнобильській АЕС.

Перспективи застосування досягнень фізики, біофізики, для розв’язування завдань охорони здоров’я населення та здійснення контролю за станом навколишнього середовища.

1.3 тематичні плани

1.3.1 тематичний план лекцій


№ з/п
Тема

Кількість годин

1

Основи біомеханіки та біоакустики.

2

2

Основи біореології та гемодинаміки.

2

3

Електричні властивості біологічних тканин. Основи електрокардіографії та реографії.

2

4

Магнітні властивості біологічних об’єктів. Електромагнітні хвилі в біологічних середовищах. Взаємодія зовнішніх полів з біологічними тканинами.

2

5

Теплове випромінювання біооб’єктів . Термографія.

2

6

Оптичні методи вивчення біологічних обєктів.

2

7

Рентгенівське випромінювання.

2

8

Радіоактивність. Її застосування в медицині. Дозиметрія. Біологічна дія іонізуючого випромінювання.

2

9

Електронна медична апаратура.

2




Всього

18 год



1.3.2 тематичний план практичних занять



з/п

Вид заняття

Тема

Кількість годин

1

лабор.

Аудіометрія. Вивчення межі чутності.

2

2

практ.

Вивчення в’язкості біологічних рідин. Основи дослідження геодинамічних процесів. «Гемодинаміка».

2

3

лабор.

Вивчення роботи електрокардіографа, реографа.

2

4

семінар.

Визначення роботи фізіотерапевтичної апаратури.

2

5

лабор.

Вивчення характеристик оптичного мікроскопа.

2

6

лабор.

Вивчення роботи рефрактометра, поляриметра (сахариметра).

2

7

Диф. залік

Біомеханіка, біоакустика, біореологія. Термодинаміка, електродинаміка. Оптика.


2




Всього

14 год

1.3.3 тематичний план

самостійної позааудиторної роботи



з/п
Тема

Кількість

годин

1

Основи біомеханіки і біоакустики.

2

2

Елементи молекулярної біофізики. Основи гемодинаміки.

2

3

Термодинаміка відкритих систем.

2

4

Біофізика мембранних процесів.

4

5

Основи електродинаміки. Електронна медична апаратура..

4

6

Оптичні методи дослідження у біології і медицині

6

7

Елементи квантової механіки.

2

8

Іонізуюче випромінювання і дозиметрія.

2

9

Написання реферату за обраною темою.

2

10

Підготовка до диференційованого заліку.

2

Разом

28

Разом кількість годин СРС з дисципліни,

28

в тому числі підготовка до диференційованого заліку.

2

1.4 засоби контролю знань студентів

1.4.1 засоби проведення поточного контролю

рівня знань
Поточний контроль здійснюється на кожному практичному занятті відповідно до конктетних цілей теми, під час індивідуальної роботи викладача зі студентом для тих тем, які студент опановує самостійно, і вони не входять до структури практичного заняття. Рекомендується застосовувати види об’єктивного (стандартизованого) контролю теоретичної і практичної підготовки студентів.

Форми поточного контролю:

  • теоретичних знань – тестові завдання, індивідуальне опитування, співбесіда;

  • практичних навичок і вмінь – індивідуальний контроль практичних дій, розв’язання задач.

1.4.2. засоби проведення підсумкового контролю знань і

його форми

Підсумковий контроль здійснюється по завершенню вивчення дисципліни.

До підсумкового контролю допускаються студенти, які виконали всі види робіт, які передбачені навчальною програмою.

Студенту, який не виконав всі види робіт, передбачені навчальною програмою, з поважної причини вносяться корективи до індивідуального навчального плану.

Форма проведення підсумкового контролю має бути стандартизованою і включати контроль теоретичної і практичної підготовки.

Форми підсумкового модульного контролю:

  • теоретичних знань – система запитань, тестові завдання;

  • практичних навичок і вмінь – індивідуальний контроль практичних дій.

перелік питань для підготовки студентів до заліку

  1. Біофізика як наука. Специфіка медико-біологічних досліджень. Значення біофізики, інформатики і медапаратури для медицини.

  2. Основні поняття механіки поступального та обертального рухів. Рівняння руху, закони збереження.

  3. Елементи біомеханіки. Опорно-руховий апарат людини. Динамічна і статична робота людини при різних видах її діяльності. Ергометрія.

  4. Диференціальні рівняння гармонічних, затухаючих і вимушених коливань та їх розв’язок. Декремент і логарифмічний декремент затухання. Резонанс. Автоколивання. Релаксаційні коливання.

  5. Хвильові процеси та їх характеристики. Рівняння хвилі. Потік енергії. Вектор Умова. Ефект Доплера.

  6. Об’єктивні та суб’єктивні характеристики звуку. Інтенсивність, рівень інтенсивності, гучність, їх одиниці вимірювання. Закон Вебера-Фехнера.

  7. Біофізичні основи слухового відчуття. Аудіометрія. Фізичні основи звукових методів дослідження в клініці.

  8.  Ультразвук. Джерела та приймачі ультразвуку. Основні властивості й особливості поширення ультразвуку. Дія ультразвуку на біологічні тканини. Використання ультразвуку в медицині.

  9. Інфразвук. Джерела інфразвуку. Біологічна дія інфразвуку на організм людини.

  10. Міжмолекулярні взаємодії у біополімерах (ковалентна взаємодія, електростатичні і дисперсійні взаємодії, гідрофобні взаємодії, водневі зв’язки). Структурна організація білків і нуклеїнових кислот.

  11. Деформації, види деформацій. Пружність та пластичність. Закон Гука. Модуль Юнга. Коефіцієнт Пуассона. Механічні властивості біологічних тканин.

  12. Поверхневий натяг рідин. Коефіцієнт поверхневого натягу та методи його визначення. Газова емболія.

  13. Внутрішнє тертя, в’язкість рідин. Ньютонівські неньютонівські рідини. Реологічні властивості крові. Методи вимірювання в’язкості.

  14. Стаціонарний плин рідини. Лінійна та об’ємна швидкості. Рівняння неперервності і рівняння Бернуллі.

  15. Ламінарний і турбулентний плин рідин. Число Рейнольдса. Плин в’язкої рідини. Формула Пуазейля і Пуазейля-Гагена. Гідравлічний опір. Градієнт тиску.

  16. Методи вимірювання тиску крові і швидкості кровообігу.

  17. Основні положення рівноважної термодинаміки. Закони термодинаміки, ентропія, термодинамічні потенціали.

  18. Основні положення нерівноважної термодинаміки відкритих систем. Стаціонарний стан відкритих систем. Теорема Пригожина.

  19. Структурна організація біологічних мембран. Модельні мембрани.

  20. Пасивний транспорт речовин крізь мембранні структури. Рівняння Фіка. Коефіцієнт проникливості мембран.

  21. Активний транспорт. Молекулярна організація активного транспорту на прикладі роботи Na+ - K+ - насосу.

  22. Природа біологічних потенціалів. Потенціал спокою біологічних мембран. Генерація і поширення потенціалу дії.

  23. Поняття про електрографію тканин і органів. Фізичні основи електрографії. Електричний диполь.

  24. Електропровідність біологічних тканин і рідин для постійного та змінного струму. Імпеданс біологічних тканин. Еквівалентні електричні схеми біологічних тканин. Фізичні основи реографії.

  25. Дія постійного електричного струму на тканини організму: гальванізація, електрофорез.

  26. Дія змінних електричних струмів на тканини організму: електростимуляція, дарсонвалізація, електрохірургія.

  27. Дія електромагнітних полів на тканини організму: індуктотермія, УВЧ-терапія, мікрохвильова терапія.

  28. Загальна характеристика електронної медичної апаратури. Електроди і датчики. Підсилення та генерація електричних сигналів. Використання електронної медичної апаратури в діагностиці та фізіотерапії.

  29. Елементи геометричної оптики. Лінзи, аберації лінз. Центрована оптична система. Оптична мікроскопія. Основні характеристики мікроскопу.

  30. Поглинання світла. Закон Бугера-Ламберта-Бера. Концентраційна колориметрія.

  31. Поляризація світла. Оптично активні речовини. Поляриметрія.

  32. Розсіювання світла на дисперсних частинках. Молекулярне розсіювання. Закон Релея. Нефелометрія.

  33. Рефрактометрія і волоконна оптика, їх використання в медицині. Дисперсія світла.

  34. Основні уявлення квантової механіки.

  35. Поглинання та випромінювання світла атомами та молекулами. Спектри поглинання і випромінювання. Спектрофотометрія.

  36. Теплове випромінювання тіл і його характеристики. Закони теплового випромінювання.

  37. Теплове випромінювання тіла людини. Поняття про термографію.

  38. Інфрачервоне та ультрафіолетове випромінювання. Їх властивості та застосування в медицині.

  39. Люмінесценція: види й основні закономірності застосування люмінісценції в медицині. Застосування люмінесценції в медицині.

  40. Індуковане випромінювання. Принцип роботи лазера. Застосування лазерного випромінювання в медицині. Голографія.

  41. Електронний парамагнітний резонанс. Використання ЕПР в медико-біологічних дослідженнях.

  42. Ядерний магнітний резонанс. Використання ЯМР в медико-біологічних дослідженнях.

  43. Рентгенівське випромінювання, спектри і характеристики. Поняття про рентгеноструктурний аналіз речовин.

  44. Первинні механізми взаємодії рентгенівського випромінювання з речовиною. Закон послаблення і захист від рентгенівського випромінювання. Застосування рентгенівського випромінювання в медицині.

  45. Радіоактивність. Закон радіоактивного розпаду, період піврозпаду, активність. Використання радіонуклідів у медицині.

  46. Іонізуюче випромінювання, властивості і основні механізми взаємодії з біологічними об’єктами. Захист від дії іонізуючого випромінювання.

  47. Дозиметрія іонізуючого випромінювання. Експозиційна та поглинута дози. Коефіцієнт якості випромінювання. Еквівалентна біологічна доза. Потужність доз. Одиниці доз і потужностей доз.

1.5. перелік навчально-методичної літератури

1.5.1. основна література


  1. «Медична і біологічна фізика» (під редакцією проф. О.В. Чалого), К., 1999.

  2. О.В. Чалий, В.А. Дяков, І.Й. Хаїмзон. «Основи інформатики», К., Вища школа, 1993.

  3. Б.Т. Агапов, Г.В. Максютин, П.И. Островерхов. «Лабораторный практикум по физике», М., Высшая школа, 1982.

  4. П.Г. Костюк, Д.М. Гродзинский, В.Л. Зима, И.С. Могура, Е.П. Сидорик, М.Ф. Шуба. «Биофизика», К., Высшая школа, 1988.

  5. А.Н. Ремизов. “Медицинская и биологическая физика”, М., Высшая школа, 1992.

  6. И.Л. Эссаулова, М.Е. Блохина, Л.Д. Гонцов. “Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике”, М., Высшая школа, 1987.

  7. А.Н. Ремизов, Н.Х. Исакова, Л.Г. Максина. “Сборник задач по медицинской и биологической физике”, М., Высшая школа, 1987.

  8. Ю.А. Владимиров, Д.И. Рощупкин, А.Я. Потапенко, А.И. Деев. “Биофизика”, М., Медицина, 1983.

  9. Н.М. Ливенцев. “Курс физики” (в 2-х томах), М., Высшая школа, 1978.

  10. Свердан П.Л. Вища математика. Аналіз інформації у фармації та медицині. – Львів: Світ, 1998. – 332 с.

  11. Лобоцкая Н.Л., Морозов Ю.В., Дунаев А.А. Высшая математика. – Минск: Вышэйшая школа, 1987. – 319 с.

1.5.2. додаткова література


  1. В.О. Самойлов. “Медицинская биофизика”, Л-д, Изд-во Военно-медицинской академии, 1986.

  2. Н.И. Губанов, А.А. Утепбергенов. “Медицинская биофизика”, М., Медицина, 1978.

  3. А.Р. Ливенсон. “Электромедицинская аппаратура”, М., Медицина, 1981.

  4. “Лабораторный и лекционный эксперимент по медицинской и биологической физике” (под редакцией Д.С. Кройтора, А.Н. Ремизова, В.О. Самойлова), Кишинев, Лумина, 1983.

  5. А.Б. Рубин. “Биофизика” (в 2-х томах), М., Высшая школа, 1987.

  6. М.В. Волькенштейн. “Биофизика”, М., Высшая школа, 1987.

  7. А.В. Чалый. “Неравновесные процессы в физике и биологии”, К., Наукова думка, 1997.

  8. Минцер О.П., Угаров Б.Н., Власов В.В. Методы обработки медицинской информации. – К.: Вища школа, 1991. – 270 с.

  9. В.Э. Фигурнов. IBM PC для пользователя.- М.: ИНФРА-М, 1998.

  10. І.І. Хаїмзон, В.Т. Желіба. Основи медичної інформатики.-К.: Вища шк.,1998.

  11. В.Д. Руденко, О.М. Макарчук, М.О. Патланжоглу. Практичний курс інфор-матики. - К.: Фенікс, 1997.

  12. О.В. Чалий, В.А. Дяков, І.І. Хаїмзон. Основи інформатики. - К.: Вища шк., 1993.