МЕДИЦИНСКАЯ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ ФИЗИКА

Содержание учебного материала

1. Математическое описание медико-биологических процессов и обработка

медицинских данных

1.1. Основы дифференциального исчисления. Нахождение производных функций. Графики функций

Производная функции как мера скорости процесса. Градиенты. Применение производных для исследования функций на экстремум. Производная и дифференциал функции, их геометрический и физический смысл. Производные высших порядков. Частные производные и полный дифференциал функции многих переменных.

1.2. Дифференциал функции

Состояние организма как функция многих переменных. Приближенные вычисления. Нахождение частных производных и полного дифференциала.

1.3. Основы интегрального исчисления. Методы нахождения неопределенных интегралов. Вычисление определенных интегралов

Первообразная функции и неопределённый интеграл. Определённый интеграл, его применение для вычисления площадей фигур и работы переменной силы. Методы нахождения неопределенных интегралов: приведение к табличному виду и метод замены переменной. Вычисление определенных интегралов, правило Ньютона-Лейбница.

1.4. Решение дифференциальных уравнений

Понятие об обыкновенных дифференциальных уравнениях. Решение дифференциальных уравнений с разделяющимися переменными. Дифференциальные уравнения с разделяющимися переменными. Общие и частные решения.

1.5. Примеры использования дифференциальных уравнений для решения медико-биологических задач

Примеры составления и решения дифференциальных уравнений для медико- биологических задач (размножение бактерий, накопление и выведение лекарственных веществ, радионуклидов и т.п.). Контрольная работа по высшей математике. *

1.6. Элементы теории вероятностей. Случайная величина и ее распределение

Виды случайных событий, теоремы сложения и умножения. Формула Байеса. Виды распределения случайной величины. Принципы вероятностных подходов к задачам диагностики и прогнозирования заболеваний.

/. 7. Расчет вероятностей случайных событий

Вероятностный характер медико-биологических процессов. Вероятность случайного события.

Теоремы сложения и умножения вероятностей, формула Байеса.

1.8 Случайные величины их распределение и числовые характеристики распределения.

Дискретные и непрерывные случайные величины. Их шконы распределения. Числовые параметры случайных величин: математическое ожидание, мода, медиана, дисперсия, средпеквадратическое отклонение. Примеры различных законов распределения случайных величин. Нормальный закон распределения.

1.9. Основы математической статистики. Элементы корреляционного анализа

Генеральная совокупность и выборка. Точечная и интервальная оценка параметров генеральной совокупности по данным выборки. Элементы корреляционного анализа.

1.10. Порядок работы с выборкой. Графическое представление статистического распределения. Установление корреляционной связи между двумя совокупностями случайных величин

Вариационный и интервальный статистические ряды. Полигон частот и гистограмма. Оценка параметров генеральной совокупности по параметрам выборки. Определение корреляционного поля, линии регрессии и расчет коэффициента корреляции.

Обработка результатов непосредственных и косвенных измерений. Методы обработки медицинских данных.

2. Механические колебания и волны. Акустика. УЗИ. Механические свойства твердых тел и биологических тканей

2.1. Основы биомеханики. Механические свойства биологических тканей

Упругие, вязкие и вязкоупрутие среды, их механические характеристики и модели. Механические свойства костной ткани, мышц, сухожилий, сосудов.

2.2. Механические колебания. Резонанс. Разложение колебаний в гармонический спектр. Механические волны

Свободные, затухающие и вынужденные механические колебания. Резонанс. Автоколебания. Гармонические колебания. Энергия гармонических колебаний. Сложение колебаний. Гармонический спектр сложных колебаний, теорема Фурье. Применение гармонического анализа для обработки диагностических данных.

Виды механических волн. Эффект Доплера и его применение для неиивазивного измерения скорости кровотока.

2.3. Механические колебания. Энергия гармонического колебании. Гармонический анализ сложных колебаний, его применение. Энергетические характеристики механической волны

Разложение колебаний в гармонический спектр. Теорема Фчрье. Применение гармонического анализа для обработки диагностических данных. Механическая полна. Энергетические характеристики волны. Уравнение полны.

поток энергии волны, интенсивность (плотность потока энергии). Эффект Доплера и его применение.

2.4. Акустика. Диаграмма слышимости. Ультразвук и его применение в клинике

Физические характеристики звука: частота, интенсивность, спектральный состав звука. Характеристики слухового ощущения и их связь с физическими характеристиками звука. Диаграмма слышимости. Закон Вебера-Фехнера. Уровни интенсивности и уровни громкости, единицы измерения, связь между ними. Фонокардиография. Отражение и поглощение звуковых волн. Акустический импеданс

2.5. Свойства ультразвука. Акустические и ультразвуковые методы исследования и воздействия в медицине

Биофизические основы действия ультразвука на клетки и ткани организма. Принципы ультразвуковой визуализации органов и тканей. Ультразвуковая диагностика. Инфразвук. Биофизические основы действия инфразвука на биологические объекты.

2.6. Биофизические основы формирования слухового ощущения. Аудиометрия

Снятие спектральной характеристики чувствительности уха на пороге слышимости. Диаграмма слышимости. Аудиометрия.

3. Биореологня. Физические основы гемодинамики

3.1. Физические основы гидродинамики идеальной и вязкой жидкости. Методы определения вязкости

Основные понятия гидродинамики. Условие неразрывности струи. Уравнение Бернулли. Течение вязкой жидкости, формулы Ньютона и Пуазейля. Гидродинамическое сопротивление.

3.2. Физические основы гемодинамики

Реологические свойства крови. Факторы, влияющие на вязкость крови в организме. Распределение давления крови по сосудистой системе. Роль эластичности сосудов, пульсовая волна. Работа и мощность сердца.

3.3. Применение уравнения Бернулли, уравнение неразрывности и формулы Пуазейля для анализа течения жидкости и артериального кровотока

Применение уравнения Бернулли для исследования кровотока в крупных артериях и аорте (закупорка артерии, артериальный шум, поведение аневризмы). Распределение скорости кровотока и кровяного давления в большом круге кровообращения. Методы определения давления и скорости крови.

3.4. Определение вязкости жидкостей капиллярным вискозиметром

Методы определения вязкости: Стокса, Оствальда, ротационный метод. Устройство вискозиметра Оствальда. Определение с его помощью вязкости исследуемой жидкости. Исследование зависимости вязкости жидкости от температуры.

3.5. Поверхностное натяжение в жидкости. Капиллярные явления

Сущность физического явления поверхностного натяжения. Коэффициент поверхностного натяжения и методы его определения. Капиллярные явления, их •значение в биологических системах. Газовая эмболия.

4. Термодинамика и явления переноса в биологических системах

4.1. Физические свойства биологических мембран. Транспорт веществ через биологические мембраны

Строение и физические свойства биологических мембран. Пассивный транспорт веществ через биологические мембраны, его виды. Математическое описание пассивного транспорта веществ. Активный транспорт ионов.

4.2. Формирование мембранных потенциалов клетки в покое и при возбуждении

Мембранные потенциалы покоя и их ионная природа. Уравнение Нернста. Уравнение Гольдмана-Ходжкина-Катца для потенциала покоя клетки.

4.3. Механизм генерации потенциалов покоя и действия. Распространение потенциала действия по аксонам

Механизм генерации потенциала действия, его основные фазы. Рефрактерный период. Распространение потенциала действия по безмиелиновым и миелинизированным аксонам.

5. Электрические и магнитные явления в организме, электрические воздействия и методы исследования

5. /. Физические основы электрографии тканей и органов

Электрическое поле и его характеристики. Поле диполя. Диполь в электрическом поле. Основы электрокардиографии, теория Эйнтховена,

5.2. Изучение основ электрокардиографии

Сердце как электрический диполь. Интегральный электрический вектор сердца. Формирование электрокардиограммы, _её вид. Определение амплитудных и временных параметров ЭКГ.

5.3. Различные нагрузки в цепи переменного тока. Импеданс живой ткани переменному току. Физические основы реографии

Переменный ток, его характеристики. Омическое сопротивление, индуктивность и ёмкость в цепи переменного тока. Импеданс цепи. Эквивалентная схема живой ткани. Реография — как диагностический метод.

5.4. Эквивалентная электрическая схема живой ткани. Определение зависимости импеданса живой ткани от частоты переменного тока

Импеданс живой ткани. Его зависимость от частоты переменного тока. Оценка жизнестойкости тканей. Основы импедансной плетизмографии.

5.5. Характеристики импульсных токов. Физические основы электростимуляции тканей и органов

Импульсные токи и их характеристики. Электровозбудимость тканей, реобаза, хронаксия. Уравнение Вейса-Лапика, закон Дюбуа-Реймона. Виды электростимуляции сердца.

5.6. Знакомство с аппаратурой для электростимуляции и определение параметров импульсных токов

Определение параметров импульсных токов (длительности импульса, частоты, скважности). Изучение аппарата амплипульс -терапия.

5.7. Воздействие высокочастотных токов и полей на организм

Физические основы методов высокочастотной терапии и электрохирургии.

5.8. Изучение методов и аппаратуры для высокочастотной терапии

Основы диатермии, индуктотермии, УВЧ- и МКВ-терапии. Прогрев диэлектриков и электролитов в поле аппарата УВЧ-терапии. Изучение аппаратуры для местной дарсонвализации.

5.9. Усиление биоэлектрических сигналов. Определение частотных и амплитудных характеристик усилителя

Определение частотной и амплитудной характеристик усилителя, полосы пропускания и динамического диапазона. Дифференциальный усилитель. .

5.10. Термоэлектрические явления, их использование в датчиках температуры. Изучение электрических датчиков температуры

Общие характеристики датчиков температуры. Зависимость сопротивления металлов и полупроводников от температуры. Контактная разность потенциалов. Градуировка термопары, термистора и проволочного терморезистора. 5. / /. Воздействие на организм высокочастотных токов и полей

Знакомство с методами и аппаратами ВЧ-терапии: диатермией, индуктотермией, МКВ_терапией, КВЧ-терапией, местной дарсонвализацией.

Нагревание диэлектриков и электролитов в поле УВЧ.

6. Оптические методы исследования и воздействие излучением оптического диапазона на биологические объекты.

6.1. Электромагнитные волны, их свойства. Поляризация света. Оптическая активность

Общие свойства электромагнитных волн. Естественный и поляризованный свет. Виды поляризации. Методы получения поляризованного света, основанные на явлениях Брюстера, двулучепреломления, дихроизма поглощения. Оптическая активность. Закон Малюса.

6.2. Методы получения поляризованного света. Использование поляризационных методов для исследования биологических объектов

Устройство поляризационных приборов, основанных на двулучепреломлении и дихроизме поглощения. Прохождение света через поляризаторы. Устройство поляриметра. Определение концентрации оптически активных веществ поляриметром.

6.3. Рефрактометрия. Эндоскопия. Определение концентрации растворов с помощью рефрактометра

Законы отражения и преломления света. Устройство рефрактометра. Определение концентрации

растворов с помощью рефрактометра. Явление полного внутреннего отражения света,

принципы волоконной оптики, устройство современных эндоскопов.

6.4. Оптическая микроскопия. Основы электронной и зондовой микроскопии

Ход лучей в микроскопе. Увеличение и предел разрешения оптических микроскопов. Формула Аббе. Основы электронной микроскопии. Длина волны де Бройля. Предел разрешения электронного микроскопа.

Определение цены деления окулярной шкалы и линейных размеров микрообъёктов оптическим микроскопом.

6.5. Тепловое излучение тел. Энергетические характеристики теплового излучения. Тепловидение и термография в медицине

Основные характеристики теплового излучения. Законы Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина. Тепловое излучение тела человека.

Энергетическая светимость, спектральная плотность энергетической светимости, монохроматический коэффициеит поглощения. Абсолютно чёрное, серое и другие тела. Формула Планка. Законы теплового излучения, область их применения. Использование тепловидения и термографии в медицине.

6.6. Излучение и поглощение энергии атомами и молекулами. Основы спектрального анализа. Люминесценция

Теория Бора. Спектр водорода. Основы атомного и молекулярного спектрального анализа. Люминесценция, ее виды и характеристики. Законы Стокса и Вавилова. Фотобиологические процессы, спектр действия.

6.7. Вынужденные излучения. Лазеры. Действие лазерного излучения на биологические ткани

Вынужденное излучение и его свойства. Условия усиления света. Устройство лазеров. Использование лазерного излучения в терапии и хирургии. Фотодинамическая терапия.

6.8. Оптическая система глаза. Биофизические основы зрения

Аккомодация глаза. Недостатки оптической системы глаза и их коррекция. Чувствительность глаза к свету и цвету. Механизм адаптации глаза к различной освещённости. Биофизические основы зрительной рецепции.

6.9. Принцип действия лазера. Свойства лазерного излучения. Применение лазеров в медицине

Назначение активной среды, системы накачки и резонатора в лазерах. Схема работы лазера. Свойства лазерного излучения, его использование в медицине.

Дифракция света. Определение длины волны лазера и размеров малых объектов по дифракционной картине.

6.10. Законы поглощения и рассеяния света. Основы фотоколориметрии и спектрофотометрии

Поглощение света. Закон Бугера-Ламберта-Бера. Законы поглощения света веществом. Показатель поглощения вещества, его зависимость от длины волны света и концентрации раствора. Коэффициент пропускания и оптическая плотность, их зависимость от длины волны и концентрации. Устройство ФЭКа. Определение с его помощью концентрации растворов. Определение спектра

поглощения вещества спектрофотометром. Рассеяние света и его виды, закон Релея. Нефелометрия.

6.11. Наблюдение и исследование спектров испускания и поглощения

Градуировка спектроскопа излучением ртутной лампы и исследование спектров поглощения гемоглобина крови.

6.12. Основы электронного парамагнитного резонанса. Ядерный магнитный резонанс

Поведение парамагнитных молекул во внешнем магнитном поле. Электронный парамагнитный резонанс. Магнитные свойства ядер химических элементов, ядерный магнитный резонанс. Химический сдвиг. Основы ЯМР-томографии.

6.13. Применение ЭПР к исследованию свободных радикалов. Использование ЯМР для получения изображений органов и тканей '

Парамагнитные свойства свободных радикалов. Схема установки для наблюдения ЭПР. Идентификация свободных радикалов и определение их концентрации методами ЭПР. Принципы получения изображений органов и тканей в МРТ. 6. 14. Основы люминесцентного анализа

Люминесцентный анализ в медицине. Собственная люминесценция биологических объектов. Люминесцентные метки и зонды.

7. Ионизирующие излучения. Основы дозиметрии

7.1. Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение

Природа тормозного и характеристического рентгеновского излучения, их характеристики и свойства. Виды взаимодействия рентгеновского излучения с веществом. Основы рентгеновской компьютерной томографии.

7.2. Свойства рентгеновского излучения и его использование в медицине

Устройство рентгеновской лампы, спектр тормозного излучения и его регулировка. Характеристическое излучение, Закон Мозли. Закон ослабления рентгеновского излучения веществом, слой половинного ослабления. Линейный и массовый показатели ослабления, их зависимость от жёсткости излучения и свойств вещества. Использование рентгеновского излучения в диагностике и лучевой терапии. Методы защиты от рентгеновского излучения.

7.3. Радиоактивность. Искусственная и естественная радиоактивность

Радиоактивный распад и его виды распада. Энергетические спектры а- и Р-частиц, гамма-излучение. Основной закон радиоактивного распада. Период полураспада.

7.4. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом. Радионуклидные методы диагностики и лучевой терапии

Характеристики взаимодействия ионизирующих излучений с веществом: линейная плотность ионизации, линейные потери энергии, длина пробега излучения.

Активность радионуклидов, единицы её измерения. Связь между ними. Удельная, массовая и поверхностная активности. Изменение активности препарата во времени

7.5. Дозиметрия ионизирующего излучения. Методы регистрации ионизирующих излучений

Поглощенная, экспозиционная, эквивалентная дозы. Связь между ними и единицы их измерения. Эффективная эквивалентная доза, коэффициенты радиационного риска, коллективная доза.

Устройство дозиметров и радиометров. Определение мощности экспозиционной дозы. Естественный радиационный фон. Методы расчёта поглощённой и эквивалентной доз при внешнем облучении.

7.6. Методы расчёта поглощённой и эквивалентной доз полученных в результате однократного поступления радионуклидов в организм

Биологический и эффективный периоды полувыведения радионуклидов из организма. Закон изменения активности радионуклидов в организме. Методы расчёта эквивалентной дозы внутреннего облучения при однократном поступлении радионуклидов в организм.

7.7. Методы расчёта поглощённой и эквивалентной доз. полученных при непрерывном поступлении радионуклидов в организм

Счётчики радиоактивного излучения человека. Методы расчёт-i эквивалентной дозы внутреннего облучения при непрерывном поступлении радионуклидов в организм.