Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

1 Zakład Biofizyki CM UJ Seminarium 1 Biofizyczny opis układów biologicznych.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "1 Zakład Biofizyki CM UJ Seminarium 1 Biofizyczny opis układów biologicznych."— Zapis prezentacji:

1 1 Zakład Biofizyki CM UJ Seminarium 1 Biofizyczny opis układów biologicznych

2 2 Zakład Biofizyki CM UJ Prawo rozpadu promieniotwórczego – fizyczny, biologiczny i efektywny czas pół-zaniku. 2,5h 5h 7,5h λ – stała rozpadu prawdopodobieństwo rozpadu jądra w jednostce czasu jest τ – średni czas życia jądra λ = 1/τ Problem 1

3 3 Zakład Biofizyki CM UJ Prawo rozpadu promieniotwórczego N, N 0 - liczba jąder promieniotwórczych t – czas

4 4 Zakład Biofizyki CM UJ Krzywa rozpadu N = N 0 ·exp(-λ·t) N(T 1/2 ) = ½ N 0 T 1/2 =(ln2)/λ = 0.693/λ

5 5 Aktywność źródła promieniotwórczego A – liczba rozpadów w jednostce czasu A(t) = N(t) · λ [A] = 1 Bq = 1 rozpad/s [A] = 1 Ci = 3.7*10 10 rozpadów/s Zakład Biofizyki CM UJ

6 6 Dysponujemy izotopem promieniotwórczym o czasie pół-zaniku 20 dni. Po jakim czasie aktywność tego izotopu zmaleje do ok. 3% aktywności początkowej? Dane: T 1/2 = 20 dni A = 3% A 0 Szukane: t=? Niezbędne wzory: Czas połowicznego zaniku T 1/2 = (ln2)/λ Prawo rozpadu promieniotwórczego Aktywność źródła w chwili t A = N(t) · λ Zadanie Zakład Biofizyki CM UJ

7 7 Fizyczny, biologiczny i efektywny czas pół-zaniku. fizyczny T f - rozpad promieniotwórczy pierwiastka biologiczny T b - eliminacja pierwiastka z ustroju efektywny T e :

8 8 Zakład Biofizyki CM UJ Efektywny czas życia izotopu w ustroju Efektywny czas pół-zaniku T f  T b  T e  T f T b  T f  T e  T b

9 9 Zakład Biofizyki CM UJ Problem 2 Mechanizmy oddziaływania promieniowania jonizującego z materią.

10 10 Zakład Biofizyki CM UJ Promieniowanie EM Promieniowanie  i X  promieniowanie jonizujące  zaniedbujemy efekty powierzchniowe  oddziaływanie głównie z elektronami na powłokach atomowych. Promieniowanie UV / VIS / IR  należy uwzględnić  efekty powierzchniowe oraz oddziaływanie na poziomie molekularnym. Mikrofale, fale radiowe  uwzględniamy  efekty powierzchniowe i kształt obiektów. Uwaga: W oddziaływaniach istotnych jest wiele procesów  ograniczamy się do najbardziej istotnych.

11 11 Zakład Biofizyki CM UJ Oddziaływanie promieniowania z układami biologicznymi Poziom fizyczny Poziom chemiczny Poziom biologiczny

12 12 Zakład Biofizyki CM UJ Poziom fizyczny Opis na poziomie fizycznym sprowadza się do opisu przekazu energii do ośrodka penetrowanego przez promieniowanie.

13 13 Zakład Biofizyki CM UJ Promieniowanie X o energiach mniejszych niż 200 keV (zjawiska podstawowe) Efekt fotoelektryczny. Rozpraszanie niekoherentne (ze zmianą λ) = efekt Comptona. Rozpraszanie koherentne (bez zmiany λ) = efekt Rayleigha.

14 14 Zakład Biofizyki CM UJ Efekt fotoelektryczny

15 15 Zakład Biofizyki CM UJ Rozpraszanie comptonowskie

16 16 Zakład Biofizyki CM UJ Oddziaływanie ciężkich cząstek naładowanych z materią  oddziaływanie z elektronami ośrodka  energie elektronów ~keV.  elektrony absorbowane są w niewielkiej odległości od toru cząstki p.  tak więc energia przekazywana jest do niewielkiej objętości (masy) ośrodka.  stopniowe spowalnianie wiązki protonów.

17 17 Zakład Biofizyki CM UJ Oddziaływanie ciężkich cząstek naładowanych z materią Przykładowa zależność liczby ciężkich cząstek naładowanych od długości ich drogi w absorbencie (zasięg średni- R ; zasięg ekstrapolowany- R e ).

18 18 Zakład Biofizyki CM UJ Oddziaływanie ciężkich cząstek naładowanych z materią "Krzywa Bragga"- średnia gęstość jonizacji w funkcji drogi cząstki w ośrodku materialnym (absorbencie). Największa gęstość jonizacji jest w końcowej części toru → terapia hadronowa.

19 19 Zakład Biofizyki CM UJ Oddziaływanie elektronów (cząstek β - ) z materią  oddziaływanie z elektronami ośrodka. możliwy jest przekaz dużej części energii padającego elektronu. energia jest przekazywana do znacznie większej objętości absorbenta, niż w przypadku protonów. w oparciu o wzory empiryczne wyznaczana jest warstwa pochłaniająca 99% elektronów. e Ze e

20 20 Zakład Biofizyki CM UJ Oddziaływanie pozytonu (β + ) z elektronem (β - ) = anihilacja Znikają elektron i pozyton, pojawiają się 2 koincydencyjne fotony (E   MeV), rozbiegające się pod kątem 180 o. Zastosowanie w medycynie: PET. pozyton elektron foton

21 21 Problem 3 Przykłady brachyterapii i teleterapii

22 22 Brachyterapia Zakład Biofizyki CM UJ Radionuklidy stosowane w teleradioterapii i brachyterapii. „Igły” stosowane w brachyterapii raka gruczołu krokowego oraz scyntygrafia kośćca u pacjenta z wieloma przerzutami raka prostaty do kości. Siatkówczak (retinoblastoma)- wewnątrzgałkowy nowotwór złośliwy oka.

23 23 Źródła promieniotwórcze Brachyterapia prostaty Brachyterapia oka 125 I oraz 106 Ru

24 24 Brachyterapia Zakład Biofizyki CM UJ Melanoma; Au-198. Przed terapią Po zakończeniu terapii

25 25 Cyber knife

26 26 Gamma knife

27 27 Problem 4 Prawo absorpcji – obliczanie osłon Zakład Biofizyki CM UJ

28 28 Zakład Biofizyki CM UJ μ → liniowy współczynnik osłabienia → [1/cm] Natężenie wiązki padającej → I 0 Chcemy wyznaczyć natężenie wiązki przechodzącej → I(x), gdzie x oznacza grubość absorbentu.

29 29 Zakład Biofizyki CM UJ µ m = µ/d – masowy współczynnik osłabienia [cm 2 /g] xd – gęstość powierzchniowa [g/cm 2 ]  zależy od Z, (energii)

30 30 Zakład Biofizyki CM UJ Masowe współczynniki osłabienia

31 31 Oblicz przybliżoną grubość osłony ołowianej osłabiającej natężenie promieniowania X 10-krotnie. Liniowy współczynnik osłabienia ołowiu dla promieniowania X o energii 100 keV wynosi w przybliżeniu 600 m -1. Dane: 10  = I 0 Szukane: x = ? E = 100 keV  = 600 m -1 Niezbędne wzory: Zadanie

32 32 Zakład Biofizyki CM UJ Problem 5 Obliczanie dawek dla źródła promieniotwórczego i lampy rentgenowskiej.

33 33 Zakład Biofizyki CM UJ Wielkości stosowane w ochronie radiologicznej – normy bezpieczeństwa Dawka ekspozycyjna (E) Absorpcja w powietrzu [E] = 1 C/kg [E] = 1 R (rentgen) 1 C/kg = 3876 R

34 34 Zakład Biofizyki CM UJ Dawka pochłonięta (D) Absorpcja w dowolnej substancji. D można mierzyć w fantomach i wyliczać poprzez pomiar dawki ekspozycyjnej i znaną energię jonizacji atomów wchodzących w skład tkanki. → radiometry, dozymetry [D] = 1 J/kg = 1 Gy (grej)

35 35 Zakład Biofizyki CM UJ Moc dawki (P) Dawka pochłonięta w jednostce czasu. P=D/t [P] = 1 Gy/h[P] = 1 Gy/min [P] =1 Gy/rok

36 36 Zakład Biofizyki CM UJ E oraz D opisują jedynie pochłoniętą energię, nie mówiąc o skutkach biologicznych, które zależą od: (1)rodzaju promieniowania (różne mechanizmy oddziaływania), (2)naświetlonego organu H uwzględnia rodzaj promieniowania: H = D · w R w R - współczynnik wagowy promieniowania [H] = 1 Sv (siwert) = 1 J/kg Równoważnik dawki (H)

37 37 Zakład Biofizyki CM UJ Wagowe współczynniki promieniowania Rodzaj promieniowaniawRwR Fotony1 Elektrony1 Protony > 2 MeV5 Ciężkie jony20 Neutrony < 10 keV5 Neutrony ( keV)20 Neutrony > 20 MeV5

38 38 Zakład Biofizyki CM UJ Efektywny równoważnik dawki (H E ) H E uwzględnia rodzaj promieniowania i rodzaj naświetlanego narządu: w T – współczynnik wagowy tkanek [H E ] = 1 Sv Średnia roczna H E w Polsce → 3,3 mSv (od promieniowania naturalnego)

39 39 Zakład Biofizyki CM UJ Tkanka lub narządWTWT Gruczoły płciowe0.20 Szpik kostny0.12 Jelito grube0.12 Płuca0.12 Żołądek0.12 Pęcherz moczowy0.05 Gruczoły sutkowe0.05 Tkanka lub narządWTWT Wątroba0.05 Przełyk0.05 Tarczyca0.05 Skóra0.01 Kości (powierzchnia)0.01 Pozostałe0.05 Razem:1.00 Efektywny równoważnik dawki (H E )

40 40 Zakład Biofizyki CM UJ Dawka progowa Minimalna dawka wywołująca efekt. Organ / tkankaEfektH [Sv] JądraCzasowa niepłodność Trwała niepłodność ÷ 6.0 SoczewkaZmętnienie Katarakta 0.5 ÷ Szpik kostnyOdwracalne zahamowanie funkcji krwiotwórczych 0.5

41 41 Zakład Biofizyki CM UJ Dawka letalna (śmiertelna) LD (H E ) – dawka po dostarczeniu której następuje śmierć połowy populacji w ciągu 30 dni. OrganizmLD [Sv] Wirus5000 Wąż800 Nietoperz150 Szczur8 Człowiek2.5 ÷ 3 Pies2.6

42 42 Zakład Biofizyki CM UJ Limity dawek ZawodowyOgólny H E roczna (<> 5 lat) [mSv]50 (20)1 Rogówka (H) [mSv]15015 Skóra (H) [mSv]50050 Ręce, stopy (H) [mSv]50050

43 43 Zakład Biofizyki CM UJ Maksymalna moc równoważnika dawki promieniowania X wytwarzanego przez lampę rentgenowską w miejscu, gdzie stoi pacjent podczas wykonywania zdjęcia rentgenowskiego płuc (25 cm od lampy) wynosi 1,8 Sv/h. Lampa pracuje impulsowo, każda emisja trwa 1 s i może być powtarzana co 10 min. Oblicz: (a) Całkowitą dawkę pochłoniętą przez pacjenta w trakcie badania (jedno zdjęcie), (b) średnią moc równoważnika dawki, w trakcie 1 h pracy, jaką otrzymałby technik- radiolog stojąc bez dodatkowych zabezpieczeń w odległości 1 m od lampy, jeśli zdjęcia są wykonywane co 10 min, (c) dopuszczalny czas pracy radiologa, po którym zaabsorbowałby on roczną dawkę przewidzianą dla osób związanych zawodowo z promieniowaniem jonizującym. Dane: P = 1,8 Sv/h Szukane: D 1 = ? r 1 = 25 cm P śr = ?  t 1  s t dop = ?  t 2 = 1 h r 2 = 1 m H E = 50 mSv w R = 1, W T = 1 Zadanie

44 44 Zakład Biofizyki CM UJ Problem 6 Densytometria tkanki kostnej

45 45 Zakład Biofizyki CM UJ Aparat składa się z lampy RTG emitującej dobrze skolimowaną wiązkę promieniowania X, tzw. pencil beam. Wiązka przechodzi przez ciało pacjenta i jest rejestrowana przez detektor półprzewodnikowy. Osłabienie wiązki zależy od gęstości kości i jej grubości jak wynika z prawa osłabienia. Nie można wyznaczyć gęstości fizycznej kości w g/cm 3 a jedynie gęstość powierzchniową w g/cm 2, bo nie znamy geometrii i gęstości. Badanie ma sens, jeśli wynik pacjenta porównany zostanie z rozbudowaną bazą danych. Porównuje się go ze średnią w danej populacji.

46 46 Zakład Biofizyki CM UJ 46 xr – gęstość powierzchniowa m/r – masowy współczynnik osłabienia

47 47 Zakład Biofizyki CM UJ 47 Za mało danych!

48 48 Zakład Biofizyki CM UJ 48 Niedobór danych w równaniu na osłabienie wiązki można częściowo wyeliminować poprzez zastosowanie badania dla dwóch różnych energii wiązki i stosowanie dodatkowych filtrów na drodze wiązki. Mimo tego nie można badać gęstości fizycznej, a jedynie gęstość powierzchniową. Badania przeprowadza się dla konkretnych, dobrze zdefiniowanych lokalizacji na ciele pacjenta. Wynik porównuje się z bazą danych i określa się odchylenie wyniku od średniej dla populacji.

49 49 Zakład Biofizyki CM UJ

50 50 Zakład Biofizyki CM UJ 50

51 51 Zakład Biofizyki CM UJ Problem 7 Zasada działania glukometru i alkomatu.

52 52 Zakład Biofizyki CM UJ Glukometr kolorymetryczny 1. Plastikowa płytka 2. Otwór na krew 3. Związek chemiczny reagujący z krwią 4. Powierzchnia pomiarów Enzym  oksydaza glukozowa C 6 H 12 O 6 + H 2 O  C 6 H 12 O 5 + H 2 O 2 Glukoza  nadtlenek wodoru KI  K + + I - Enzym  peroksydaza H 2 O 2 + 2*I - + 2*H +  I 2 + 2*H 2 O Zmiana koloru  I 2 - brązowy Glukoza  (75  115) mg/dL = (4.2  6.4) mmol/L

53 53 Zakład Biofizyki CM UJ Glukometr elektrochemiczny Electrode Elektroda Elektroda referencyjnaStyki

54 54 Zakład Biofizyki CM UJ Alkomat 1.Półprzewodnikowe

55 55 Zakład Biofizyki CM UJ 2. Elektrochemiczne

56 56 Zakład Biofizyki CM UJ Problem 8 Metody oznaczania tkanki tłuszczowej w organizmie.

57 57 Zakład Biofizyki CM UJ Metody oznaczania tkanki tłuszczowej w organizmie Naczynie o kształcie walca wypełnione w części objętości tłuszczem (nieprzewodzącym prądu o częstotliwości 50 kHz) i w pozostałej części przewodzącym elektrolitem. Impedancja substancji przewodzącej zależy od oporu właściwego oraz geometrii części przewodzącej.

58 58 Zakład Biofizyki CM UJ Oznaczenia w pomiarach BIA MB (Mass of the Body) – całkowita masa ciała FFM (Fat-Free Mass) – masa części nie zawierającej tłuszczu FM (Fat Mass) – masa tłuszczu TBW (Total Body Water) – całkowita masa wody (parametr związany z objętością modelowego walca, którego impedancja jest mierzona) VP (Visceral Protein) – masa białek BM (Bone Mineral) – masa minerału kostnego

59 59 Zakład Biofizyki CM UJ MB = FFM + FM = TBW + VP + BM + FM Empiryczna formuła stosowana do wyliczenia całkowitej masy wody (TBW): TBW = 0,372*(S 2 /R) + 3,05*(płeć) + 0,142*MB – 0,069*A gdzie: S – wysokość ciała w centymetrach R – oporność (50 kHz) MB – masa ciała w kg płeć – 1 dla mężczyzn, 0 dla kobi et A – wiek (w latach)

60 60 Zakład Biofizyki CM UJ Tzw. współczynnik (stała) hydratacji dla masy ciała nie zawierającej tłuszczu wynosi 0,73 - co pozwala łatwo wyliczyć masę części nie zawierającej tłuszczu (FFM): FFM = TBW/0,73 FM = MB – FFM procentowa zawartość tłuszczu w organizmie : %FM (% Body Fat) = (FM/MB)*100 Przykładowe badanie: mężczyzna, 25 lat S = 170 cm MB = 65 kg R = 382  Wyniki analizy: TBW = 38,7 kg FFM = 53,01 kg FM = 11,99 kg %Body Fat = 18,5 %

61 61 Zakład Biofizyki CM UJ Czteroelektrodowy pomiar impedancji

62 62 Zakład Biofizyki CM UJ Problem 9 Lepkości i napięcie powierzchniowe cieczy w organizmie człowieka.

63 63 Zakład Biofizyki CM UJ Miarą napięcia powierzchniowego jest praca, jaką trzeba wykonać, by utworzyć jednostkową powierzchnię cieczy, co można wyrazić wzorem: gdzie: σ - napięcie powierzchniowe W - praca potrzebna do utworzenia powierzchni A A - pole powierzchni. Jednostka w układzie SI: J/m 2 = N/m l. Napięcie powierzchniowe l ΔxΔx F

64 64 Zakład Biofizyki CM UJ Napięcie powierzchniowe woda – 73 · N/m eter - 16 · N/m żółć - 48 · N/m mocz - 60 · N/m T↑ > σ↓

65 65 Zakład Biofizyki CM UJ Prawo Laplace’a Surfaktanty w pęcherzykach płucnych

66 66 Zakład Biofizyki CM UJ Lepkość woda 1·10 -3 Pa·s = 1 cpuaz komórki 1 – 200 cpuaz gliceryna ~ 1000 cpuaz krew ~ 4 cpuaz osocze ~ 1.2 cpuaz Powietrze ~ cpuaz T↑ η↓ Jednostka: = 10 puaz S F V x

67 67 Wpływ hematokrytu na lepkość krwi

68 68 Zakład Biofizyki CM UJ Problem 10 Straty wody wskutek oddychania.

69 69 Straty wody wskutek oddychania. Utrata wody przez płuca zależy również od temperatury własnej ciała i otoczenia oraz od wilgotności powietrza. W warunkach przeciętnych człowiek traci w ten sposób około 300 ml wody na dobę. Zakład Biofizyki CM UJ


Pobierz ppt "1 Zakład Biofizyki CM UJ Seminarium 1 Biofizyczny opis układów biologicznych."

Podobne prezentacje


Reklamy Google