Biofizica Medicala: Definitia Si Obiectul De Studiu Al Biofizicii

BIOFIZICA MEDICALA Definitia si obiectul de studiu al biofizicii

BIBLIOGRAFIE SELECTIVA • Antonescu Elisabeta, Elefterescu R., - Curs de Biofizică medicală pentru colegiile universitare de medicină, Editura Alma Mater, Sibiu, 2003 • Antonescu Elisabeta, Nagy I.I., Elefterescu R., Biofizică medicală, Editura Eurobit, Timişoara 2002 • Dimoftache C., Herman Sonia – Biofizică Medicală, Editura Cerma, Bucureşti 1993 • Margineanu D.G., Isac M.I., Tarba C.- Biofizică, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1980

BIOFIZICA • studiaza natura vie precum si relaţiile complexe din natura • ştiinţă interdisciplinară • s-a dezvoltat la graniţa dintre fizică si biologie datorită conlucrării dintre aceste doua discipline. • cerceteaza structura şi însuşirile fizico-chimice ale materiei vii.

BIOFIZICA

• • • • •

Studiaza cu ajutorul metodelor fizicii teoretice si experimentale STRUCTURA sistemelor biologice PROPRIETATILE subsistemelor componente FENOMENELE FIZICE intalnite in structurile vii FUNCTIONAREA organismelor vii in ansamblu INTERCTIA FACTORILOR FIZICI cu natura vie

BIOFIZICA MEDICALA • Studiaza MECANISMELE FIZICE care sunt implicate in FUNCTIONAREA NORMALA si PATOLOGICA a diferitelor tesuturi si organe ale organismului uman • elaboreaza TEHNICI si STRATEGII de diagnostic, terapie, monitorizare si prognoza a diferitelor boli

EXEMPLU !!!!

 Indicele SAR -"rata specifica de absorbtie“ = unitatea de masura pentru cantitatea de energie (radio frecventa) absorbita de catre organism, atunci cand se utilizeaza un telefon mobil.  "Comisia Internationala de Protectie Impotriva Radiatiilor Neionizante" a hotarat: • rata specifica de absorbtie pentru mediul inconjurator, impanzit de antene fixe, este limitata la 0,08 wati / kilogram. • indicele SAR maxim admis pentru zona capului si a trupului sa fie limitat la 2 wati / kilogram. OBS>>>Pe continentul american nivelul maxim al indicelui SAR este mai mic, el fiind limitat la 1,6 wati / kilogram !!??!!

 Samsung Galaxy A5 Valoarea SAR pentru Samsung Galaxy A5 este: 0.23 W/kg (cap) 0.40 W/kg (corp)

  LG G Pro 2 Valoarea SAR pentru LG G Pro 2 este: 0.30 W/kg (cap) 0.33 W/kg (corp)

  Samsung Galaxy Note 4 Valoarea SAR pentru Samsung Galaxy Note 4 este: 0.37 W/kg (cap) 0.38 W/kg (corp)

 HTC One M8 Valoarea SAR pentru HTC One M8 este: 0.42 W/kg (cap) 0.22 W/kg (corp)

  Nexus 5 Valoarea SAR pentru Nexus S este: 0.49 W/kg (cap) 0.48 W/kg (corp)

CLASIFICARE - I In functie de nivelul de organizare al sistemului biologic studiat • Biofizica electronica • Biofizica moleculara • Biofizica celulara • Biofizica sistemelor complexe

CLASIFICARE - I • Biofizica electronica ( cuantica ) - utilizeaza mecanica cuantica pentru studiu -urmareste aspecte ale transferului intrasi intermolecular de sarcina electrica si energie

CLASIFICARE - I • Biofizica moleculara - se ocupa cu studiul structurii si proprietatilor biomoleculelor Ex: - structura tridimensionala a macromoleculelor (proteine si acizi nucleici) prin difractia razelor X pe structura acestora - structura dinamica a macromoleculelor in solutie (determinarea debitului sanguin) - determina interactiunile moleculare in timpul unor functii biologice(recunoastere enzimatica) - etc.

CLASIFICARE - I • Biofizica celulara - studiaza proprietatile fizice ale celulelor individuale si a fenomenelor fizice, electrice, mecanice, termice care se petrec la nivel celular. • Ex. - generarea si propagarea influxului nervos - cuplajul excitatie-contractie - mecanismele de traducere a stimulilor la nivelul celulelor receptoare

CLASIFICARE - I • Biofizica sistemelor complexe – studiaza structura si functionarea ansamblurilor celulare • Ex. - bioelectrogeneza tesuturilor si organelor - functionarea operatorilor biologici - organizarea retelelor neuronale si functionarea lor

CLASIFICARE - II • In functie de fenomenele biofizice care se studiaza - biomecanica - biotermodinamoca - bioelectricitatea - biooptica - biocibernetica

CLASIFICARE - II

• Biomecanica studiaza

- diferitele tipuri de locomotie - motilitatea celulara - proprietatile mecanice ale constituientilor celulari (organitelor celulare). - bioacustica - unde sonore - circulatia sangelui – echilibrul de presiuni

CLASIFICARE - II

• Bioelectricitatea studiaza

– ansamblul fenomenelor electrice din lumea vie, de la nivel celular, tisular si de organ, – fenomene care exprima functionalitatea structurilor biologice – metode de investigatii clinice. (de exemplu, electrocardiografia, electroencefalografia etc).

CLASIFICARE - II • Biotermodinamica si Bioenergetica se ocupa cu – utilizarea si conversiile de energie care au loc la nivel celular si de organism Ex.contractia musculara – problemele energetice ale marilor sisteme biologice

CLASIFICARE - II • Biocibernetica studiaza principiile si mecanismele concrete ale comenzii, reglarii, conservarii, prelucrarii si transmiterii de informatii in sistemele biologice.

CLASIFICARE - II Bionica -stiinta aplicarii modelelor naturale in tehnica

CLASIFICARE - II Bioingineria -stiinta aplicarii unor procedee ingineresti pentru obtinerea modificarilor dorite de om ale organismelor

CLASIFICARE – III Dupa actiunea factorilor fizici externi asupra biosistemelor 1. FOTOTERAPIA – 1. ELECTROBIOLOGIA – actiunea interactiunea dintre radiatiile campurilor electromg. asupra neionizante si materia vie viului

2. RADIOBIOLOGIA – interact. radiatiilor ionizante asupra 2. Actiunea ULTRASUNETELOR organismului asupra organismului

METODE DE CERCETARE • OBSERVATIA - metoda de studiu fundamentala • Observatia stiintifica : exacta, riguroasa, sistematica, completata reala • Observatia stiintifica cantitativ calitativ. • Observatia stiintifica foloseste instrumente si aparate de masura care permit o observare cat mai obiectiva.

METODE DE CERCETARE • Experimentul stiintific - consta in supunerea ideilor la controlul faptelor. - realizeaza reproducerea fenomenelor naturale in conditii de laborator bine definite care pot fi modificate intr-un mod sistematic cu scopul de a descoperi legile carora se supun fenomenele respective. -permite intelegerea mecanismelor functionale si explicarea lor in conditii controlate.

METODE DE CERCETARE • Metoda matematica - este un instrument de lucru teoretic, care se utilizeaza in biofizica pentru: - exprimarea numerica a rezultatelor observatiei si experimentului stiintific; - prelucrarea statistica a datelor de observatie si de experiment; - gasirea explicatiilor pentru diversele fenomene, apreciate statistic. - descrierea cantitativa a fenomenelor biologice.

METODE DE CERCETARE • Metoda modelarii - crearea unor dispozitive (modele) pe care se studiaza procesele analoge celor care se petrec in lumea vie. - anumite procese biologice pot fi studiate pe modele electronice Ex. modelul electronic al neuronului, modele electronice ale anumitor mecanisme cerebrale etc

TEHNICI DE CERCETARE Tehnici de separare a organitelor celulare sau chiar a unor biomolecule - ultracentrifugarea - centrifugarea in gradient de concentratie - cromatografia - electroforeza

TEHNICI DE CERCETARE Tehnici de studiere a ultrastructurii Cercetarea ultrastructurii celulare se realizeaza in mare masura cu ajutorul microscopului. microscopul optic microscopul electronic

TEHNICI DE CERCETARE Tehnici spectrale • citospectro-fotometria prin care se poate urmari absorbtia spectrala in diferite puncte ale unei celule. • Spectroscopia in raze X (Röntgen) permite studiul dispunerii spatiale a atomilor si permite determinarea geometriei spatiale a moleculelor si biomoleculelor. • Spectroscopia in infrarosu (IR;  > 0,76 m) permite determinarea structurii spatiale dar si a compozitiei chimice. • Spectroscopia de rezonanta magnetica nucleara (RMN) si spectroscopia de rezonanta electronica de spin (RES).

TEHNICI DE CERCETARE Tehnici bazate pe utilizarea izotopilor radioactivi (trasori) • Cu ajutorul trasorilor s-a putut urmari dinamica diferitilor compusi in organismele vii, a fluxurilor de substante prin diferite membrane biologice, respectiv depozitarea si localizarea unor compusi in diferite locuri din organism. • Ex. absorbtia vitaminelor, metabolismul proteinelor, digestia si absorbtia intestinala, se determina volumul sangelui circulant, durata de viata a hematiilor, leucocitelor etc.

MASURAREA • Descrierea si explicarea fenomenelor fizice: – Descrierea calitativa→subiectiva – Descrierea cantitativa→masurare ↔ proces fundamental in fizica A masura o marime = a stabili de cate ori se cuprinde in ea o alta marime de acceasi natura, bine definita si aleasa prin conventie drept unitate de masura

MASURAREA • In S.I. →7 marimi fundamentale + 7 unitati fundamentale • Lungime • • • • • • • • • • • • •

–m Masa – kg Timp –s Temperatura – Grad Cantitatea de substanta – mol Intensitatea curentului electric –A Intensitatea luminoasa - Candela

MASURAREA • Marimi si unitati derivate – legate de cele fundamentale prin legile fizicii • Ex: v = d/t ( m/s) F = m x a ( kg x m/s² = N )

MASURAREA • Masurare directa • Masurarea indirecta – marimea fizica de interes se obtine prin calcul plecand de la rezultattul masurarii directe si aplican d formula

MASURAREA INDIRECTA • Principiul omogenitatii dimensionale a formulelor in fizica -nu se pot aduna decat marimi fizice de acceasi natura -formula sa fie omogena d.p.d.v. dimensional -ambii membri ai unei egalitati cat si fiecare termen al unei sume trebuie sa aiba acceasi dimensiune fizica si aceleasi unitati de masura

ERORI DE MASURARE • Insotesc orice fel de masurare • Diferenta dintre rezultatul masurarii si valoarea adevarata a marimii masurate

ERORI DE MASURARE • 1. Erori de măsură (erori inevitabile). Acestea se datorează imperfecţiunii simţurilor şi a aparatelor. Valorile citite sunt doar mai mult sau mai puţin apropiate de valoarea exactă, evident necunoscută, a mărimii măsurate.

• Nu putem cunoaşte exact eroarea de citire, dar putem totdeauna evalua eroarea maximă de citire, care nu poate depăşi precizia aparatului folosit.

ERORI DE MASURARE • 2. Erori de rotunjire. În calcule pot interveni numere iraţionale, având un număr mare de zecimale (radicali, , …, logaritmi, funcţii trigonometrice, exponenţiale). • Suntem nevoiţi să păstrăm în calcule un număr limitat de zecimale. • Eroare comisă se poate neglija dacă păstrăm un număr suficient de zecimale.

ERORI DE MASURARE • 3. Erori de metodă. Foarte des suntem nevoiţi să înlocuim problema propusă cu alta mai simplă (aproximativă) → o anumită eroare chiar dacă datele iniţiale ar fi cunoscute exact şi calculele ar fi făcute exact.

ERORI DE MASURARE A.

Erori sistematice. Aceste erori se pot caracteriza prin faptul că se produc totdeauna în acelaşi sens.

a)erori instrumentale, datorită defecţiunii aparatelor, de exemplu etalonarea defectuoasă a aparatului de măsură, deplasarea scalei, etc.; b) erori personale, datorate unor lipsuri în deprinderile şi dexteritatea experimentatorului; c) erori teoretice, datorate neglijării unor factori fizici sau unor acţiuni exterioare permanente sau datorate formulei de calcul imprecise sau greşite. Erorile sistematice pot fi reduse, introducând corecţii adecvate.

ERORI DE MASURARE B. Erori accidentale (întâmplătoare, aleatorii). Aceste erori se caracterizează prin faptul că se produc atât într-un sens cât şi în celălalt şi se datorează unor factori variabili sau nedeterminaţi, care nu pot fi controlaţi de experimentator, adică se datorează întâmplării.

ERORI DE MASURARE Observatie Erorile accidentale se bucură de două proprietăţi importante: a) Valorile experimentale sunt împrăştiate simetric (în cazul unui număr suficient de măsurători (N = 10  15) în jurul valorii reale x0. b) Erorile mari în modul sunt puţin numeroase (sunt rare). Ex. Clopotul lui Gauss

ERORI DE MASURARE

Abscisa X - valorile erorilor masurate Ordonata Y - frecvenţa erorilor masurate

ERORI DE MASURARE C. Erori grosolane Aceste erori sunt mult mai mari decât erorile obişnuite şi apar datorită neatenţiei experimentatorului: citire greşită la un aparat, notaţie greşită a rezultatului, confuzie, omisiuni. Aceste erori pot fi recunoscute relativ uşor şi eliminate ulterior din calcule.

CALCULUL ERORILOR Măsurând o anumită mărime fizică X găsim o anumită valoare numerică x, apropiată mai mult sau mai puţin de valoarea exactă x0 (evident necunoscută) a mărimii măsurate. • Eroare absolută = modulul diferenţei (abaterea) x = x0 - x dintre valoarea exactă şi valoarea măsurată. Eroarea absolută se măsoară în aceleaşi unităţi ca şi mărime însăşi Necunoscându-l pe x0, nu putem cunoaşte exact nici diferenţa x0 - x, dar putem totdeauna evalua marginea superioară a erorilor absolute prin eroarea relativa • Eroare relativa= x/ x0 = (x0 – x)/ x0

CALCULUL ERORILOR De obicei erorile relative sunt mici x x0 , x  x0, astfel încât practic se foloseşte • Eroarea relativă aparentă = x / x, unde x este valoarea măsurată Eroarea relativă n-are dimensiuni şi se exprimă adesea în procente. Observatie!!! Eroarea relativă caracterizează mai bine precizia unei măsurători şi, fiind adimensională, permite compararea preciziei de măsurare a mărimilor de naturi diferite. 

CALCULUL ERORILOR •

Se poate arăta că pentru un şir de N măsurători de egală precizie, valoarea cea mai probabilă sau cea mai bună a mărimii măsurate este media aritmetică a rezultatelor obţinute: N

1 x N

x

i

i 1



xx

• Eroarea mediei aritmetice este mai mică de Nori (dacă N  10) decât eroarea unei măsurători individuale (izolate). • O măsură a erorii mediei aritmetice (pentru N  10) este dată de N cu  eroarea pătratică medie1 notată 2  

( x x )  N ( N  1) i 1

i

CALCULUL ERORILOR • Rezultatul final al unui sir de masuratori este:

_

x  x 

CALCULUL ERORILOR Semnificaţia erorii pătratice a mediei aritmetice: • Eroarea pătratică a mediei aritmetice caracterizează precizia măsurătorilor şi este legată de numărul de măsurători necesare de efectuat. • Eroarea pătratică a mediei aritmetice arată câte zecimale se menţin pentru valoarea mediei aritmetice în exprimarea rezultatului.

CUPRINS 1. Noţiuni introductive 2. Termodinamică 3. Noţiuni de biocibernetică 4. Apa în sisteme biologice 5. Fenomene de suprafaţă 6. Fenomene de transport în soluţii de interes biologic 7. Structura internă a cristalelor 8. Membrane biologice şi fenomene de transport 9. Bioelectrogeneza. Activitatea electrică a celulei

10. Biofizica sistemelor complexe. Contracţia musculară 11. Biofizica analizorilor 12. Efectele factorilor fizici asupra sistemelor biologice 12.3. Radiaţia electromagnetică neionizantă (IR, VIZ., UV) 12.4. Influenţa factorilor fizici asupra sistemelor vii 12.5. Ultrasunetele 12.6. Radiaţii ionizante 13. Laseri şi utilizarea lor 14 Procedee terapeutice bazate pe factori fizici