Curs de Biofizică

Disciplina de Biofizică şi Fizică medicală

1

“A învăţa fără să gândeşti este nefolositor.

A gândi fără să înveţi este dăunător”.

Confucius

N.B. Numerele fiecărui PPT corespund succesiunii subiectelor studiate.

Prof. dr. Cipriana StefănescuSef lucr. dr. Irena Grierosu

Disciplina de Disciplina de BiofiBiofizică şi Fizică medicală:zică şi Fizică medicală:

Prof. dr. Cipriana ŞtefănescuProf. dr. Cipriana ŞtefănescuŞef lucrări dr. Irena GrierosuŞef lucrări dr. Irena GrierosuŞef lucrări dr.Şef lucrări dr. Gratian Naum Gratian NaumŞef lucrări Fiz. dr. Ion HurjuiŞef lucrări Fiz. dr. Ion HurjuiAsist. dr. Mihai GuţuAsist. dr. Mihai GuţuAsist. Fiz. drd. Sorin MironAsist. Fiz. drd. Sorin MironAsist. dr. Bogdan OprişanAsist. dr. Bogdan OprişanAsist. Fiz. drd. Vlad Asist. Fiz. drd. Vlad

GhizdovGhizdovăţăţLLaborant Şutu Eduardaborant Şutu Eduard

Asigurati-va ca aveti la Dvs., la

lp-uri, un calculator de

buzunar

Lucrari – prezentare

video

Particularităţile creierului la adolescenţi

Calităţile necesare unui Calităţile necesare unui viitor medicviitor medic

• MotivaţieMotivaţie• Cunoştinţe - Cunoştinţe -

competenţăcompetenţă• Documentare Documentare

continuă. Lectură continuă. Lectură critică. Medicină critică. Medicină bazată pe dovezi - bazată pe dovezi - Rolul Internetului Rolul Internetului

• Spirit de observaţieSpirit de observaţie• Simţ al umanuluiSimţ al umanului• Conştiinţă – “Ştiinţa Conştiinţă – “Ştiinţa

fără conştiinţă este fără conştiinţă este ruina sufletului” - ruina sufletului” - RabelaisRabelais

• EntuziasmEntuziasm

INAINTE DUPA

I.I. Relaţiile dintre FIZICĂ şi Relaţiile dintre FIZICĂ şi MEDICINĂ; perioada premergătoare MEDICINĂ; perioada premergătoare apariţiei BIOFIZICIIapariţiei BIOFIZICII

II.II. BIOFIZICA – ştiinţă de frontieră; BIOFIZICA – ştiinţă de frontieră; relaţiile cu celelalte ştiinţerelaţiile cu celelalte ştiinţe

III.III. Definirea obiectului BIOFIZICIIDefinirea obiectului BIOFIZICII

IV.IV. Clasificarea domeniilor BIOFIZICIIClasificarea domeniilor BIOFIZICII

V.V. Obiectul şi domeniile Obiectul şi domeniile BIOFIZICIIBIOFIZICII MEDICALEMEDICALE

OBIECTUL ŞI DOMENIILE BIOFIZICII - Biofizica medicală -

De ce Fizica???

I. Relaţiile dintre I. Relaţiile dintre FIZICĂ şi FIZICĂ şi

MEDICINĂMEDICINĂ

FizicaFizica - pr - prima ştiinţăima ştiinţă exp expeerimentalrimentalăă::MMetodeetodeIInstrumentnstrumente şi e şi aparaparateate

Dezvoltarea BIOLOGIEI şi a MEDICINII a depins de

dezvoltarea FIZICII, prin dispozitivele, aparatele şi

metodele de studiu (ex. microscopia pentru cunoaşterea structurilor

microscopice).

EEvoluvoluţiaţia microscop microscopuluiului opti opticc(Nikon )(Nikon )

100 ans

33 aspecte:aspecte:1. Fizica pentru organism:Antichitate: acţiunea terapeutică a unor agenţi fizici (soarele ...). În prezent: dispozitive complexe pentru cercetare, diagnostic şi tratament.

2. Fizica în organism:Studiul structurilor şi al proceselor fiziologice şi patologice din corpul uman, folosind metode şi concepte fizice.

3. Fizica împotriva organismului:Studiul efectelor nocive ale unor factori fizici (radiaţii, presiune, temperatură etc.).

De ce Biofizic

a?

1. Fi1. Fizica zica pentrupentru organism: organism:AntichitateAntichitate: acţiune terapeutică : acţiune terapeutică a unor agenţi fizici (soarelea unor agenţi fizici (soarele, , apaapa ...) ...)..

În prezentÎn prezent: dispozitive complexe : dispozitive complexe pentru cercetare, diagnostic şi pentru cercetare, diagnostic şi tratamenttratament..

HelioterapiHelioterapia a (fototerapia)(fototerapia)

Hidroterapia: grafica satirica privind tipuri de

hidroterapie (1800)

440 BC, Hippocrates

2. Fi2. Fizica zica înîn organism: organism:Studiul structurilor şi aStudiul structurilor şi all proceselor proceselor

fiziologice şi patologicefiziologice şi patologice din din corpul corpul uman, folosind metode şi concepte uman, folosind metode şi concepte fizice.fizice.

3. Fi3. Fizica zica împotrivaîmpotriva organismorganismuluiului::

sstudiul efectelor tudiul efectelor nocive ale nocive ale unor unor factori fizici factori fizici (radiaţii, (radiaţii, presiune, presiune, temperaturtemperatură).ă).

Perioada Perioada premergătoare premergătoare

apariţiei apariţiei BIOFIZICIIBIOFIZICII

Primul Congres International de

Biofizica: Stockholm, 1961

Primele Primele măsurători măsurători

simplesimple

Leonardo da Vinci (1452 - 1519) – studii privind locomoţia

Leonardo da Vinci (1452 – 1519)

Santorio Santorio Santorio:Santorio:

(1561-1636)(1561-1636)Medicina bazată pe Medicina bazată pe

date măsurabiledate măsurabilePrPrimulimul experiment experiment

Comparaţie între variaţia Comparaţie între variaţia greutăţii prin ingestia de greutăţii prin ingestia de alimente şi excreţie. alimente şi excreţie. În sec. al XV-lea - al XVI-lea, În sec. al XV-lea - al XVI-lea, pentru prima oară, boala este pentru prima oară, boala este transformată în date transformată în date măsurabile. Mai întâimăsurabile. Mai întâi Nicolaus Nicolaus CusanusCusanus (1401-1464) (1401-1464) susţine susţine ideea măsurării în medicină, ideea măsurării în medicină, iariar Santorio SantorioSantorio Santorio (Capodistria, 1561 - Veneţia, (Capodistria, 1561 - Veneţia, 1636)1636) introduce introduce măsurările măsurările preciseprecise în studiul proceselor în studiul proceselor fiziologice şi patologice.fiziologice şi patologice.

SantorioSantorio a încercat să a încercat să elaboreze o definiţie elaboreze o definiţie cantitativă a fenomenelor cantitativă a fenomenelor vitale şi a devierilor lor vitale şi a devierilor lor patologice, ceea ce mai târziu patologice, ceea ce mai târziu se va numi se va numi metabolismmetabolism (1863).(1863).

Autoexperiment efectuat de Santorio Santorio în 1620: cu

ajutorul unui scaun-balanţă, a studiat modificările greutăţii sale corporale înainte şi după ingestia alimentelor

Medicina bazată pe date Medicina bazată pe date numerice.numerice.

De statica medicina, Leipzig, 1670

Termometru bucal - 1625 (utilizat în clinică abia în

1825)

Pulsilogium: dispozitiv pentru

măsurarea pulsului

una din primele descrieri ale una din primele descrieri ale mecanicii clasicemecanicii clasice

bazele astronomiei fizice prin bazele astronomiei fizice prin observaţii cu telescopulobservaţii cu telescopul

revoluţie: consacrarea revoluţie: consacrarea modelului heliocentric al modelului heliocentric al sistemului solar sistemului solar ((Sider menicusSider menicus - Mesagerul - Mesagerul stelar)stelar)

Galileo Galilei(1564 - 1642)

"Cartea naturii este scrisă în limbajul matematicii"

Ştiinţa modernă se defineşte prin metodologia sa, care a fost formulată prin 3 postulate valabile încă şi azi:

Existenta unor legi universale, cu caracter matematic.Descoperirea acestor legi prin experimentul ştiinţific.Reproductibilitatea perfectă a datelor experimentale.

René Descartes (1596-1650):René Descartes (1596-1650):- - teoria om-maşinăteoria om-maşină - -

Legile fizicii şi Legile fizicii şi matematicii explică matematicii explică

fiziologia umană. fiziologia umană. De Homini, 1662De Homini, 1662

A considerat corpul uman ca o maşină complexă.

Giovanni Alfonso Giovanni Alfonso BorelliBorelli (1608 (1608 --

1679)1679)

Studii de biomecanica.Studii de biomecanica.

Prima măsurare a „presiunii rădăcinilor” –Prima măsurare a „presiunii rădăcinilor” – forţa osmotică efectuată deforţa osmotică efectuată de Stephen HalesStephen Hales în 1718în 1718

Luigi Galvani -părintele

bioelectricităţii: a descoperit electricitatea

animală, în 1771, prin experimente

pe broască (model animal).

Luigi Luigi Galvani Galvani (1737-(1737-171798):98):

Teoria Teoria mecanică a mecanică a corpului şi corpului şi funcţionarea sa funcţionarea sa reprezentatăreprezentată

într-un într-un manuscris manuscris evreiesc din evreiesc din secolul al secolul al XVIII-leaXVIII-lea

IIsaacsaac NEWTON NEWTON (1642-1727)(1642-1727)

FigurFiguraa cea mai cea mai influentă din influentă din

istoria ştiinţei istoria ştiinţei occidentaleoccidentale

Cea mai influentă Cea mai influentă personalitate din istoria personalitate din istoria ştiinţei occidentaleştiinţei occidentale

Până la el lumea fizică era Până la el lumea fizică era prost înţeleasă. El a prost înţeleasă. El a demonstrat că aceasta demonstrat că aceasta este guvernată de este guvernată de legi legi matematicematematice de o mare de o mare precizieprecizie

A oferit fizicii moderne A oferit fizicii moderne instrumentele instrumentele intelectuale esenţialeintelectuale esenţiale

Alexander Pope: „Natura şi Legile Naturii stăteau ascunse în Noapte. Dumnezeu a spus, Să fie Newton! şi s-a făcut Lumină”.

Claude BernardClaude Bernard Biolog, Biolog, memeddicic, , fizfiziologiolog şi şi om de ştiinţă om de ştiinţă

francezfrancez

(1813 - 1878)(1813 - 1878)

Fondatorul, “părintele” medicinii experimentale.

1865 - L'Introduction à l'étude de la médecine expérimentale.

Ideea fundamentală a fixităţii mediului intern, ulterior corespunzând homeostaziei. 

LaennecLaennec (Rene Theophile (Rene Theophile Hyacinthe): Hyacinthe): ststeetoscoptoscopulul - -

18171817

Laennec: examenul unui pacient cu tuberculoză prin auscultaţie «mediată», la hôpital Necker, Paris.

În mâna stângă – stetoscopul utilizat pentru «medierea» auscultaţiei.

Hôpital Necker Paris

I.I. Relaţiile dintre FIZICĂ şi Relaţiile dintre FIZICĂ şi MEDICINĂ; perioada premergătoare MEDICINĂ; perioada premergătoare apariţiei BIOFIZICIIapariţiei BIOFIZICII

II.II. BIOFIZICA – ştiinţă de frontieră;BIOFIZICA – ştiinţă de frontieră; relaţiile cu celelalte ştiinţerelaţiile cu celelalte ştiinţe

III.III. Definirea obiectului BIOFIZICIIDefinirea obiectului BIOFIZICII

IV.IV. Clasificarea domeniilor BIOFIZICIIClasificarea domeniilor BIOFIZICII

V.V. Obiectul şi domeniile Obiectul şi domeniile BIOFIZICIIBIOFIZICII MEDICALEMEDICALE

OBIECTUL ŞI DOMENIILE BIOFIZICII - Biofizica medicală -

Va rugam ganditi!

II. II. BIOFIZICABIOFIZICA -- ştiinţă ştiinţă de frontierăde frontieră

Relaţiile cu celelalte Relaţiile cu celelalte ştiinţe,ştiinţe,

Relaţiile cu biochimia şi Relaţiile cu biochimia şi fiziologiafiziologia

RelaRelaţiileţiile altoraltor

domdomeenniiii cu cu BioBiofizicafizica

Tehnică

Cibernetică

FIZICĂ

Chi

mie

Matematică

Biologie

MedecinăBIOFIZICĂ Biochimie

Cibernetică tehnică

Biocibernetică

B IONICĂ

B IOMEDICINĂ

Biomatematică

Fizică teoretică

BIOTEHNOLOGIE

I.I. Relaţiile dintre FIZICĂ şi Relaţiile dintre FIZICĂ şi MEDICINĂ; perioada premergătoare MEDICINĂ; perioada premergătoare apariţiei BIOFIZICIIapariţiei BIOFIZICII

II.II. BIOFIZICA – ştiinţă de frontieră; BIOFIZICA – ştiinţă de frontieră; relaţiile cu celelalte ştiinţerelaţiile cu celelalte ştiinţe

III.III. Definirea obiectului BIOFIZICIIDefinirea obiectului BIOFIZICII

IV.IV. Clasificarea domeniilor BIOFIZICIIClasificarea domeniilor BIOFIZICII

V.V. Obiectul şi domeniile Obiectul şi domeniile BIOFIZICIIBIOFIZICII MEDICALEMEDICALE

OBIECTUL ŞI DOMENIILE BIOFIZICII - Biofizica medicală -

Ce esteBiofizica?

III. III. Definirea Definirea obiectului obiectului

BIOFIZICIIBIOFIZICII

BioBiofizica este o ştiinţă de fizica este o ştiinţă de frontierăfrontieră care are drept care are drept

obiectiveobiective:: Studiul fenomenelor fizice şi biofizice Studiul fenomenelor fizice şi biofizice

din structurile vii, utilizând:din structurile vii, utilizând:

Studiul efectelor factorilor fizici Studiul efectelor factorilor fizici asupra organismelor viiasupra organismelor vii::RaRadiaţii ionizante şi neionizante,temperatură, diaţii ionizante şi neionizante,temperatură, ultrasunete, electricitate, câmp magnetic, ultrasunete, electricitate, câmp magnetic, gravitaţie gravitaţie ……

ale fizicii- metode- metode- tehni- tehnicici- l- legiegi

33 ob obiiectiectiveve important importantee şi şi exempleexemple::

1. Studiul unor aspecte biofizice la 1. Studiul unor aspecte biofizice la nivelul nivelul biosistemelor: biosistemelor:

ex.: ex.: fenomenulfenomenul de visc de viscozitateozitate-- macroscopimacroscopicc - fluide d - fluide dinin organism organism- microscopi- microscopicc - microvisco - microviscozitateazitatea

c ciitoplasmetoplasmeii şi aşi a biomembranebiomembraneii (fluidit (fluiditateate))

ex.: ex.: fenomenefenomene bioelectri bioelectricece- bio- bioeelectrogenlectrogenezăeză- biopoten- biopotenţialeţiale- m- meetode dtode de înregistrare pee înregistrare pe: cel: celuleule, ,

ţesuturiţesuturi şişi organorganee..

2. 2. Studiul efectelor Studiul efectelor factorilor fizici factorilor fizici asupra asupra organismuluiorganismului::

ex.: radiaex.: radiaţiiţii ioniionizantezante

3. 3. MeMetode, tehnitode, tehnicici, , instrumentinstrumentee ......

ex.: imagex.: imagisticaistica mmeedicaldicalăă

Imagistica PET-Imagistica PET-CTCT

I.I. Relaţiile dintre FIZICĂ şi Relaţiile dintre FIZICĂ şi MEDICINĂ; perioada premergătoare MEDICINĂ; perioada premergătoare apariţiei BIOFIZICIIapariţiei BIOFIZICII

II.II. BIOFIZICA – ştiinţă de frontieră; BIOFIZICA – ştiinţă de frontieră; relaţiile cu celelalte ştiinţerelaţiile cu celelalte ştiinţe

III.III. Definirea obiectului BIOFIZICIIDefinirea obiectului BIOFIZICII

IV.IV. Clasificarea domeniilor BIOFIZICIIClasificarea domeniilor BIOFIZICII

V.V. Obiectul şi domeniile Obiectul şi domeniile BIOFIZICIIBIOFIZICII MEDICALEMEDICALE

OBIECTUL ŞI DOMENIILE BIOFIZICII - Biofizica medicală -

Va rugam ganditi!

IV. IV. Clasificarea Clasificarea domeniilor domeniilor BIOFIZICIIBIOFIZICII

22 crit criteriierii::

1. 1. Domeniile fizicii Domeniile fizicii clasiceclasice

2. 2. Nivelul de organizare Nivelul de organizare aall biosistemelor biosistemelor

1. 1. Domeniile fizicii clasiceDomeniile fizicii clasice

BIOFIZICA1)Biomecanica (locomoţia

animală, motilitate celulară...)

2) Termodinamică biologică, bioenergetică

3) Bioreologie, hemoreologie, hemodinamică

4) Fotobiofizică, optică fiziologică, bioluminescenţă

5) Bioelectricitate, neurobiofizică

6) Radiobiologie, radiobiofizică, medicină nucleară

FIZICA

• Mecanica

• Fizica moleculara si termodinamica

• Fizica starii lichide

• Optica

• Electricitate si magnetism

• Fizica atomica si nucleara

2.2. Nivelul de organizare al Nivelul de organizare al biosistemelorbiosistemelor

A) BioA) Biofizicafizica Electroni Electronicăcă (quanti(quanticăcă))

B)B) BioBiofizicafizica Mol Moleecularcularăă: studiul : studiul structuristructurilorlor şi a proprietăţilor şi a proprietăţilor moleculemoleculelorlor biologice. biologice.

Exemple de subiecte importante:Exemple de subiecte importante: SStructurtructuraa conforma conformaţionalăţională aa

protproteineloreinelor – – DDifracifracţiaţia cu raze Xcu raze X

C)C) BioBiofizicafizica celular celularăă : : studiul studiul celulelor individuale (limfocite, celulelor individuale (limfocite, neuroni, eritrocte, celule neuroni, eritrocte, celule musculare, receptorimusculare, receptori etc.)etc.)

SuSubiectebiecte importantimportantee : :- Bioelectrogen- Bioelectrogenezăeză- Interac- Interacţii ţii specificspecificee

intercelulareintercelulare- Transmi- Transmitereaterea stimu stimulilorlilor

sensenzzorioriaallii- - BBiomecaniiomecanicaca celular celularăă..

D)D) Bio Biofizicafizica s siiststeememelorlor complexe. complexe.

I.I. Relaţiile dintre FIZICĂ şi Relaţiile dintre FIZICĂ şi MEDICINĂ; perioada premergătoare MEDICINĂ; perioada premergătoare apariţiei BIOFIZICIIapariţiei BIOFIZICII

II.II. BIOFIZICA – ştiinţă de frontieră; BIOFIZICA – ştiinţă de frontieră; relaţiile cu celelalte ştiinţerelaţiile cu celelalte ştiinţe

III.III. Definirea obiectului BIOFIZICIIDefinirea obiectului BIOFIZICII

IV.IV. Clasificarea domeniilor BIOFIZICIIClasificarea domeniilor BIOFIZICII

V.V. Obiectul şi domeniile Obiectul şi domeniile BIOFIZICIIBIOFIZICII MEDICALEMEDICALE

OBIECTUL ŞI DOMENIILE BIOFIZICII - Biofizica medicală -

Cursulde dataviitoare

V. V. Obiectul şi Obiectul şi domeniile domeniile BIOFIZICII BIOFIZICII MEDICALEMEDICALE

33 OBOBIIECTIECTIVEVE IMPORTANTEIMPORTANTE:: AA)) Să Să înţeleagă structurilînţeleagă structurilee şi şi

fenomene fizice ale corpului uman fenomene fizice ale corpului uman (normale si patologice), folosind (normale si patologice), folosind metode şi concepte fizice.metode şi concepte fizice. exex.: .: Rolul biofizicii în cunoaşterea unei Rolul biofizicii în cunoaşterea unei boli:boli:

drepanocitozadrepanocitoza

B)B) Să cSă contribuiontribuiee cu tehnici fizice şi cu tehnici fizice şi dispozitive dispozitive lala diagnostic, tratament diagnostic, tratament şi şi ccercetareercetareaa mmedicalăedicală..ex.ex.: : Bazele fizice ale Bazele fizice ale imagisticii medicaleimagisticii medicale

C)C) StudiStudiulul acţiun acţiuniiii factorilor fizic factorilor fizici din i din mediumediu..exex.: .: Accidentul de la Cernobil si Accidentul de la Cernobil si FukushimaFukushima

Va rugam

exersati !

Bibliografie selectivă

Aurengo A., Grémy F., Petitclerc T. - Biophysique, Médecine-Sciences Flammarion, Paris, 1998.

Bordenave Laurence, Jaques de Certaines, Yvon Grall, Ilana Idy- Peretté, Biophysique pour les sciences de la vie et de la santé, 2007.

Dimoftache C., Herman S. – Principii de Biofizică umană, Ed. Universitară “Carol Davila”, Bucureşti, 2003.

Durand A., Escanyé J-M., Naoun A. La biophysique en 1001 QCM, Ed. Ellipses, 2004.

Goldfarb D. Biophysics DeMYSTiFieD. McGraw-Hill Companies, 2011. Hoppe W, Lohmann W, Markl H, Ziegler H, Biophysics, Springer-Verlag,

Berlin Heidelberg, 1982. Rusu V., Baran T., Brănişteanu D. D. - Biomembrane şi patologie, vol. I,

Ed. Medicală, Bucureşti, 1988, 63-92, 286-292. Rusu V. Note de curs. 2010. Rusu V. – Nobel – Retrospectivă 1905 – 1995 – Laureaţii premiului

pentru fiziologie şi medicină, Ed. Omnia, Iaşi, 1996. Rusu V si colab. Lucrări practice şi demonstraţii de Biofizică şi Fizică

Medicală, Ed. „Gr. T. Popa” Iaşi, 2003. Rusu V. – Dicţionar medical, Ed. Medicală, Bucureşti, ed. IV, 2011. Ştefănescu C, Rusu V. Biophysics and Medical Physics: An Introduction,

Ed. Tehnopress, 2008.