Orvosi biofizika. 1 Az orvostudomány és a biofizika kapcsolata. Sugárzások a medicinában. gyakorlatok. 1. félév előadásai

Orvosi biofizika

1. félév: 1,5 óra előadás + 2 óra gyakorlat 2. félév: 2 óra előadás + 2 óra gyakorlat

SE Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet igazgató: Prof. Kellermayer Miklós tanulmányi felelős: Dr. Voszka István http://biofiz.semmelweis.hu/

Fizika az orvostudományban diagnosztika röntgendiagnosztika, UH, optikai tomográfia, MRI, EKG, endoszkópia ... terápia gamma-kés, fototerápia, lézersebészet, defibrillátor, vesekőzúzás .....

Bevezető. Az orvostudomány és a biofizika kapcsolata.  Sugárzások a medicinában

2014.09.10 KAD

1 2 3

1. félév előadásai

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Sugárforrás geometriája Sugárgyengülés (abszorpció) Spektrum Elektromágneses sugárzások tartományai Spektrum és a biológiai hatás

Az orvostudomány és a biofizika kapcsolata. Sugárzások a medicinában A fény mint elektromágneses hullám és mint fényrészecske.  Orvosi optikai eszközök működése a geometriai optika és a hullámoptika  alapján. Refraktometria (anizotrópia), endoszkópia, mikroszkópia  A látás optikai háttere, színlátás, színkeverés. A görbült felületek  leképezése, törőerősség. Akkomodáció, látásélesség és annak korlátai Anyagszerkezet, anyaghullám, atomi illetve molekuláris kölcsönhatások.  Atomi erő mikroszkópia (AFM) és makroszkopikus modellje  Sokatomos rendszerek. Gázok, szilárdtestek, folyadékkristályok,  folyadékok. A Boltzmann‐eloszlás Fényemisszió, fényforrások, színkép. Hőmérsékleti sugárzás. Fénysugárzás  anyaggal való kölcsönhatásai. Fényszóródás, fényabszorpció Lumineszcencia és alkalmazása a diagnosztikában. Lézerek és orvosi alkalmazásuk. A fényerősítés alapja, a lézeroszcillátor és  megvalósításának feltételei Atommag, radioaktivitás, magsugárzások. A magsugárzások anyaggal való  kölcsönhatásai. Radioaktív izotópok, izotópos nyomjelzés technikák Dozimetria, sugárvédelem. Nukleáris méréstechnika A nukleáris medicina főbb problémái. A radioaktív sugárzás az orvosi  gyakorlatban.   Jelfeldolgozás. A jelek osztályozása, Fourier felbontása, elektromos  alapáramkörök. Jelátalakítás, jelszelektálás, megjelenítők

rtg-diffrakció, optikai spektroszkópia, mikroszkópok, tömegspektrometria, ... életfolyamatok diffúzió, áramlások, emelők, hősugárzás, elektromos áramok, ... 2

gyakorlatok

Orvosi biofizika Előadás és gyakorlat program Prefixumok, lin és log skála, eV Modellalkotás Sugárzások: osztályozás, energia, ... Radiometria mennyiségei

orvosi kutatások

gyakorlatok

Prefixumok

Modellalkotás föld sebessége, keringési ideje (Kepler tv-ek) tömegpont nappalok és éjszakák tömegpont merev test árapály jelensége merev test

yotta

Y

1024

zetta

Z

1021

exa

E

1018

peta

P

1015

tera

T

1012

giga

G

109

mega

M

106

kilo

k

103

hekto

h

102

deka

da

101

deci

d

10-1

centi

c

10-2

milli

m

10-3

mikro



10-6

nano

n

10-9

piko

p

10-12

femto

f

10-15

atto

a

10-18

zepto

z

10-21

yocto

y

10-24

3 nagyságrendenként  külön prefixum

minden nagyságrendre  külön prefixum

3 nagyságrendenként  külön prefixum

6

Minden sugárzásban energia terjed energia, E

[E] = J (Joule), néha 1 eV (elektronvolt) = 1,6  10

-19

P

energia-áram= teljesítmény

E t

CV

[P] = W (Watt)

E: a t idő alatt szállított energia energia-áram-sűrűség = teljesítmény sűrűség = intenzitás [J] = W/m2

J

P 1 E  A A t

A: felület (az energia terjedés irányára merőleges)

Kisugárzott felületi teljesítmény

Radiometria mennyiségei Sugárintenzitás

Irányfüggőség/függetlenség

Besugárzott felületi teljesítmény

anizotróp sugárzó

izotróp sugárzó

M

P A

W  m2   

JE 

IE A

W  m2   

  PA

W  m2   

10

Tkv.II.2

Radián, szteradián ívmérték (radián): ívhossz/sugár; teljes kör: 2rr 2

Egységnyi felület által 2 térszögben mekkora a kisugárzott teljesítmény

Egységnyi felületen mekkor teljesítmény áramlik át Tankönyv II.3. és 4.. ábra

Egységnyi felületre eső teljesítmény, ha az minden irányból érkezhet 11

Besugárzott felületi teljesítmény ferdén beeső sugárzás esetén



' 

A A’

térszög (szteradián): felület/sugárnégyzet; teljes térszög: 4r2/r2 = 4

  PA

 '  AP' 

P P  cos    cos  A A 12 cos 

Felületi teljesítmény távolságfüggése különböző geometriáju sugárforrások esetén

Z  Z (t 2 )  Z (t1 )  Z 2  Z1 különbség = differencia, későbbi mínusz korábbi

abszorpció ... sugárzások: fény, röntgen, gamma, hang, ultrahang ...

Tankönyv II.5. ábra

14

Hogyan függ az intenzitás az abszorbens vastagságától? elegendően kicsi (infinitezimálisan kicsi) rétegvastagság x

J

J: belépő intenzitás J+J

  J

A függvényegyenlet megoldása:

 J : az intenzitás megváltozása(<0)

J  J 0e  x

J  J : kilépő intenzitás

J    J x

J x

(levezetés: tankönyv ……)

gyengülési törvény differenciális alakja

ellenőrzés:

 : az abszorbens (az elnyelő közeg) jellemzője

e x  ex x

J x

? J 0e  x   J 0e  x       J 0e  x x

(abszorpciós koefficiens, gyengítési együttható)

  J

a függvény változási gyorsasága arányos magával a függvénnyel 15

e = 2.718... Euler-féle szám

O.K.

16

Eloszlás sűrűségfüggvény

Eloszlás sűrűségfüggvény N h

N h

h: testmagasság

 1     10 cm 

H: kollektív magasság

H h

Spektrum

H h

 1     10 cm 

görbe alatti terület: n

H

görbe alatti terület: H

h 160 170 180 190 200 210

Spektrum mint speciális eloszlás sűrűségfüggvény

Az elektromágneses sugárzások tartományai 

f

cT=

160 170 180 190 200 210

h (cm)

17

Emissziós spektrum: Hogyan oszlik meg a teljes emittált energia az energiaadagok között

h (cm)

18

E 

fotonenergia, 

periódusidő és frekvencia:

A sugárzást jellemző fizikai mennyiség: intenzitás

 T f

J 

J

A hullámhossz használata kényelmesebb, mint a fotonenergiáé

c=f fotonenergia:

 h f 

biológiai hatás (43-as feladat)

2.6  1021  1 eV  2.6  1017  104 eV ? 20