Ultrazvuk predstavuje mimoriadne významnú diagnostickú modalitu, ktorá nachádza uplatnenie v širokej škále medicínskych aplikácií. Vďaka svojmu minimálnemu riziku pre pacienta a ľahkej dostupnosti sa táto metóda stala pomerne rozšírenou technikou, ktorá zasahuje do mnohých medicínskych odborov. Diagnostické využitie ultrazvuku je primárne, avšak má tiež nepriamy vzťah ako laboratórny nástroj. Celá oblasť ultrazvukovej diagnostiky je neoddeliteľne prepojená s lekárskou biofyzikou, moderným hraničným odborom, ktorý sa zaoberá nielen špičkovou medicínskou technológiou, ale aj exaktným prístupom k poznaniu biosystémov.
Fyzikálne princípy ultrazvuku a jeho generovanie
Pre diagnostické účely je generovanie ultrazvuku obvykle realizované pomocou piezoelektrického javu. Na pochopenie tohto javu je potrebné vedieť, že v kryštáloch môžu existovať dva typy elektrických nábojov. Jedným typom sú elektrické náboje voľne pohyblivé, ktoré sa nazývajú voľné nosiče náboja. Druhým typom sú náboje pevne viazané v kryštálovej mriežke, známe ako viazané náboje.
Ak dôjde k pružnej deformácii kryštálu, zmení sa jeho kryštálová štruktúra. Táto zmena vedie aj k vzájomnej polohe viazaných nosičov náboja. Vzájomným posuvom nábojov sa od seba môžu oddialiť „ťažiská“ kladných a záporných nábojov. V dôsledku toho sa v kryštáli objavuje nenulové elektrické pole. Toto pole možno následne zmerať na povrchu kryštálu ako elektrické napätie.
Dej môže prebiehať aj opačne, čo je známe ako obrátený piezoelektrický jav alebo elektrostrikčný jav. Ak sa kryštál z vhodného materiálu umiestni do dostatočne intenzívneho elektrického poľa, dôjde k jeho merateľnej deformácii. Ak je vonkajšie elektrické pole časovo premenné, kryštál mení svoj tvar s rovnakou periódou, a tak sa sám stáva zdrojom mechanického vlnenia.
Jeden piezoelektrický prvok, nazývaný ultrazvukový menič, môže byť súčasne zdrojom aj detektorom ultrazvukového vlnenia. U bežných ultrazvukových prístrojov je usporiadanie také, že menič po dobu niekoľkých milisekúnd generuje ultrazvukové vlnenie. Frekvencia tohto vlnenia sa obvykle pohybuje v rozsahu 3 až 10 MHz. Následne sa menič stáva detektorom a zachytáva odrazené vlnenie. Vlastné akustické vlnenie, ktoré je vysielané do tkanív, sa šíri ako pozdĺžne vlnenie. Na rozhraní dvoch prostredí s rozdielnou akustickou impedanciou sa vlnenie čiastočne odráža späť k zdroju a čiastočne prechádza ďalej.
Odrazený signál, označovaný ako echo, je zachytený meničom a prevedený na elektrický signál. Tento signál sa pre svoju vysokú frekvenciu obvykle nazýva rádiofrekvenčný signál. Pretože je známa doba, ktorá uplynula medzi vyslaním akustického signálu do tkaniva a jeho zachytením, možno určiť, v akej hĺbke došlo k odrazu. K tomu je však potrebné poznať rýchlosť šírenia ultrazvuku v tkanivách. Táto rýchlosť sa v mäkkých tkanivách pohybuje okolo 1540 ms-1.
Kľúčové faktory pri ultrazvukovom vyšetrení: Frekvencia a jej vplyv
Frekvencia ultrazvuku je veľmi dôležitým faktorom pri diagnostickom využití. S rastúcou frekvenciou klesá vlnová dĺžka ultrazvuku. Z princípu to znamená, že možno vidieť aj väčšie detaily a získať kvalitnejší obraz. Na druhú stranu, s frekvenciou rastie aj disipácia energie. Z tohto dôvodu pri použití príliš vysokých frekvencií pre vyšetrenie orgánov uložených v hĺbke by dochádzalo k neúmernému ohrevu kože a povrchovo uložených orgánov. Preto sa na vyšetrenie orgánov uložených napríklad v brušnej dutine používajú frekvencie v jednotkách MHz. Na vyšetrenie štítnej žľazy a povrchovo uložených lymfatických uzlín a ciev sa využívajú frekvencie okolo 10 MHz. Ultrazvukové vyšetrenie s frekvenciou vyššou ako 10 MHz je potom skôr necelkom rutinným výkonom, ale v špecifických prípadoch ponúka cenné informácie.
Fenomén, ktorý je pre ultrasonografiu charakteristický, sú takzvané speckle. Ultrazvuková vlna v skutočnosti prestupuje tkanivom pomerne zložitým spôsobom. Dôvodom je, že drobné tkanivové štruktúry majú rozmery porovnateľné s vlnovou dĺžkou prestupujúceho ultrazvuku. Tak dochádza k nezanedbateľnému rozptylu vlnenia. Pretože ide o vlnenie monochromatické, rozptýlené vlny interferujú ako medzi sebou, tak aj s užitočnou vlnou. Prístup k specklím nie je úplne jednoznačný. Na jednej strane znižujú prehľadnosť rezu tkanív pre neškolené oko, na druhej strane nesú aspoň časť informácie o štruktúre tkaniva. V skúsených rukách tak môžu byť indikátorom zmien v tkanive.
Metódy ultrazvukového zobrazenia
V ultrazvukovej diagnostike existuje niekoľko základných režimov zobrazenia, ktoré sa líšia spôsobom získavania a prezentácie informácií.
A mód (Amplitude)
A mód predstavuje jednorozmerné zobrazenie. Typicky ide o signál iba z jedného meniča. Jednotlivé odrazy registrované ultrazvukovou sondou sú zobrazené na monitore ako impulzy na časovej osi. Amplitúda impulzov odpovedá intenzite odrazených ultrazvukových vĺn. Aby nepôsobil rušivo výraznejší útlm závislý na hĺbke, je rádiofrekvenčný signál zosilnený tzv. zosilnením závislým na čase (Time Gain Compensation - TGC). A mód má v súčasnosti len obmedzené využitie, napríklad pri biometrii oka, kde je potrebné presné meranie vzdialeností.
B mód (Brightness)
B mód je základom tomografických zobrazení a je dnes najrozšírenejšou metódou.Historicky staršie a technicky jednoduchšie bolo statické zobrazenie. Meranie sa vykonávalo pomocou jedného meniča, ktorý bol posúvaný po tele pacienta. Táto technika je však už dlhšiu dobu opustená vďaka dostupnosti modernej elektroniky a výpočtovej techniky.V súčasnosti je rutinne dostupné dynamické zobrazenie. Pri dynamickom zobrazení je v jednej sonde umiestnená rada meničov, ktoré pracujú v súčinnosti. Ich echa sú vyhodnocované tak, že výsledný obraz vidíme ako obraz pořízený v reálnom čase, čo umožňuje sledovať pohybujúce sa štruktúry.
M mód (Motion)
M mód slúži k vyšetreniu pohybu anatomických štruktúr, a to najmä srdca. V princípe nejde o nič iné, než o to, že sa v pravidelných časových intervaloch pořizuje jednorozmerný záznam. Tento záznam potom zobrazuje zmeny polohy štruktúr v čase, čo je kľúčové pre posúdenie funkcie srdca, ako sú pohyby srdcových chlopní alebo stien komôr.
3D a 4D zobrazenie
V oblasti ultrazvuku existujú aj pokročilé techniky pre trojrozmerné a dokonca štvorrozmerné zobrazenie. V princípe sa trojrozmerná sonda nelíši zásadne od bežnej dvojrozmernej sondy, avšak meniče nie sú usporiadané v jednej rade, ale v matici. Takáto sonda potom umožňuje nasnímať dáta z celého objemu v pomerne krátkej dobe. Vďaka tomu je dokonca možné zobrazenie v reálnom čase, ktoré sa niekedy označuje ako 4D zobrazenie (3D obraz v čase). Nevýhodou týchto sond je, že sú pomerne neohrabané a je potrebné zaručiť dobrý kontakt pacientovho tela s pomerne veľkou plochou.
Trojrozmerný obraz možno získať aj matematickým spracovaním snímok pořízených pomocou štandardnej sondy. Prvé pokusy spočívali v tom, že sa sonda pripevnila k rámu s riadeným posunom a všetko spracovanie spočívalo iba v synchronizácii posunu a záznamu obrazov do pamäti. Flexibilnejší bol systém čidiel snímajúcich polohu sondy v priestore. Na základe rady rezov doplnených o informáciu o polohe sondy sa potom dopočítali hodnoty jednotlivých voxelov, čím vznikol kompletný 3D obraz.
3D a 4D ultrazvuk: Kompletný sprievodca objemovým zobrazovaním pre profesionálov
Typy ultrazvukových sond a ich usporiadanie
Pre efektívne ultrazvukové vyšetrenie obvykle nepostačuje, aby na sonde bol iba jeden menič. Preto sú na sondách umiestnené meniče vo väčšom počte. Podľa tvaru sondy a usporiadania meničov rozlišujeme niekoľko typov sond, ktoré sú optimalizované pre rôzne diagnostické aplikácie.
Lineárna sonda
V lineárnej sonde sú meniče usporiadané v jednej rade. Podkladom pre usporiadanie meničov je úsečka. Výsledný obraz, ktorý je touto sondou generovaný, má tvar obdĺžnika. Tieto sondy sú vhodné pre vyšetrenie povrchových štruktúr, ako sú svaly, šľachy, lymfatické uzliny alebo štítna žľaza, kde je potrebná vysoká rozlišovacia schopnosť v blízkom poli.
Konvexná sonda
V konvexnej sonde sú meniče opäť v rade, avšak ich podklad je mierne konvexný. Výsledný obraz má tvar výseče z medzikružia s pomerne malým vrcholovým uhlom. Konvexné sondy sú vďaka svojmu širšiemu zornému poľu a schopnosti prenikať hlbšie do tkanív ideálne pre vyšetrenie orgánov v brušnej dutine, ako sú pečeň, obličky, slezina, alebo pre gynekologické a pôrodnícke vyšetrenia.
Sektorová sonda
Sektorová sonda je uzpôsobená tak, aby aj cez pomerne malé okno (kontaktná plocha sondy s telom pacienta) zobrazila pomerne široký rez tkanív. Obraz zo sektorovej sondy vyzerá podobne ako obraz zo sondy konvexnej, má však oveľa väčší vrcholový uhol. Sektorové sondy sú výborné pre vyšetrenia, kde je prístup obmedzený, napríklad pri kardiologických vyšetreniach alebo cez rebrá, kde je potrebné získať široký pohľad na hlboko uložené orgány. Existujú staršie riešenia v podobe sondy s rotačným meničom a moderné riešenia využívajúce sondu s elektronickým vychyľovaním lúča.
Tužková sonda
Tužková sonda obsahuje jeden jediný menič. Používa sa obvykle ako súčasť prenosného ultrazvukového prietokomeru. Vďaka svojej malej veľkosti a špecifickému zameraniu je určená pre detekciu prietoku, napríklad v cievach, a často pracuje v Dopplerovom režime.
Cirkulárna sonda
V cirkulárnej sonde sú meniče usporiadané tak, aby bol pořízen veľmi široký až kruhový rez tkanív v rovine kolmej na os sondy. Používa sa predovšetkým na transrektálne vyšetrenie prostaty. Môže byť však natoľko malá, že umožňuje vykonávať aj intravaskulárne ultrazvukové vyšetrenie, napríklad vnútri ciev.
Array sonda
Sonda typu array je jednou z ciest, ako získať trojrozmerný (3D) obraz. Usporiadanie meničov v matici namiesto lineárneho radu umožňuje snímanie objemových dát, ktoré sa potom rekonštruujú do 3D obrazu.
Dopplerovské metódy v ultrasonografii
Dopplerovské metódy predstavujú pokročilé techniky v ultrazvukovej diagnostike, ktoré vychádzajú zo vzťahu zmeny frekvencie. Hlavným cieľom týchto metód je meranie rýchlosti pohybujúcich sa štruktúr, predovšetkým toku krvi.
Princíp Dopplerovho javu
Fyzikálnou podstatou Dopplerovho javu je skladanie rýchlosti vlnenia s rýchlosťou vzájomného pohybu zdroja a detektora. Dopplerov jav predstavuje zmenu detekovanej frekvencie vlnenia, ak sú zdroj a detektor vo vzájomnom pohybe. Jev sa uplatňuje pre ľubovoľné vlnenie, teda najmä akustické aj elektromagnetické. Po prvýkrát bol popísaný Christianom Dopplerom ako posuv spektrálnych čiar u rotujúcich dvojhviezd. V tomto kontexte sa spektrum hviezdy pohybujúcej sa smerom k nám posúvalo smerom k modrému koncu a spektrum hviezdy pohybujúcej sa od nás k červenému koncu spektra.
Typickou situáciou použitia v medicíne je stojaci pozorovateľ, teda pevne umiestnený detektor, a pohybujúci sa zdroj, ktorým je v tomto prípade tkanivo odrážajúce naň dopadajúce vlnenie. Základným použitím je zisťovanie toku krvi.
Spojitý Doppler a pulzný Doppler
Pri meraní rýchlosti pohybujúcich sa štruktúr musíme použiť oddeleného vysielača a prijímača ultrazvukového vlnenia. Vysielač s jedným meničom spojite generuje akustický signál a nemožno ho preto prepínať do režimu prijímača. Takéto zariadenia sa nazývajú prietokomery. Prietokomery majú akustický výstup, pretože zmena frekvencie je pre rýchlosti prúdenia krvi v ľudskom tele v počuteľnej oblasti. Prietokomery zobrazujú rýchlosť toku krvi v závislosti na čase. Nevýhodou tejto metódy je, že nemožno zobraziť usporiadanie a umiestnenie sledovaných ciev.
Duplexné a farebné duplexné meranie
Prekonanie nevýhody prietokomerov sa dosahuje kombináciou Dopplerových metód s odrazovými metódami (B mód). V tomto prípade používame sondy, ktoré môžu pracovať v rôznych režimoch, a hovoríme potom o duplexnom meraní. Sledujeme časový aj frekvenčný posun odrazeného vlnenia. Na monitore potom vidíme, akú rýchlosť meriame a kde ju meriame. Duplexná metóda je kombináciou dvojrozmerného dynamického zobrazenia a pulznej dopplerovskej metódy merania rýchlosti. Dvojrozmerné dynamické zobrazenie nám poskytuje informáciu o morfológii sledovanej oblasti (aj o morfológii ciev), zatiaľ čo pulzný Doppler meria rýchlosť prietoku v konkrétnom mieste.
Typické spojenie farebne kódovanej informácie o toku krvi do ultrazvukového snímku v B móde sa nazýva farebná duplexná ultrasonografia alebo duplexné sono. Obraz je zložený z farebnej a čiernobielej časti. Čiernobiela časť poskytuje morfologickú informáciu o odrazivosti tkanív. Farebná časť informuje o pohybe vo sledovanom reze, konkrétne o pohybe toku krvi. Tok krvi smerujúci od sondy je zobrazený modrou farbou, zatiaľ čo tok k sonde je zobrazený červenou farbou. Jas farby potom udáva rýchlosť toku. Treba poznamenať, že čas potrebný na získanie farebného obrazu je väčší než čas potrebný na získanie obrazu čiernobieleho.
Usporiadanie je v tomto prípade zložitejšie. Vlnenie je vyslané sondou a dopadá na tkanivo, ktoré funguje ako "detektor". V tkanive sa vlnenie odrazí už s posunutou frekvenciou. Ako vlnenie od pohybujúceho sa zdroja sa vracia späť k sonde, ktorá funguje súčasne aj ako detektor. Teda dochádza k dvom posuvom frekvencie - jeden pri dopade na pohybujúci sa objekt a druhý pri odraze a spätnom návrate k sonde.
Lekárska biofyzika: Vzdelávanie a výskum
Lekárska biofyzika je interdisciplinárny vedný odbor využívajúci poznatky biofyziky, lekárskych vied, bioniky a informatiky na štúdium problémov súvisiacich s objasnením príčin fyzikálnej podstaty biologických dejov a fyziologických procesov, ako aj spôsobu diagnostiky a liečenia ochorení u človeka. V teoretickej rovine nadväzuje na biofyziku a lekársku fyziku. Rieši biofyzikálne problémy na úrovni funkcií bunky, tkanív a orgánov, ktoré majú bezprostredný vzťah ku zdraviu a chorobe človeka. Ide najmä o štúdium fyzikálnochemickej podstaty fyziologických a patologických procesov a s nimi súvisiacich princípov diagnostiky a terapie chorôb, ako aj o analýzu pôsobenia fyzikálnych faktorov na ľudský organizmus z hľadiska tvorby a ochrany životného a pracovného prostredia. Spoločným znakom oboch typov štúdií je využívanie moderných biotechnológií a špeciálnej prístrojovej techniky.
V súčasnosti je Lekárska biofyzika jedným zo základných odborov medicínskeho štúdia na mnohých európskych i amerických univerzitách. V českom vysokom školstve má svoje nezastupiteľné miesto aj pri postgraduálnej výchove v rámci biomedicínskeho výskumu. Príkladom univerzít, kde sa vyučuje, sú Univerzita Karlova (3. Lekárska fakulta Praha, LF Hradec Králové), Univerzita Palackého (LF Olomouc) v Českej republike, University of Heidelberg v Nemecku, univerzity v Grazi a Innsbrucku v Rakúsku, University of Ulmea vo Švédsku, University of Aberdeen vo Veľkej Británii, Moskovská štátna univerzita v Rusku, University of Milan v Taliansku, University of Liege v Belgicku, University of Nantes vo Francúzsku a mnohé univerzity v USA ako Indiana University School of Medicine, University of Cincinnati Faculty of Medicine, Rush University v Chicagu, Wayne University Faculty of Medicine v Detroite, Suffolk University Boston, či National Institute of Health, Department of Medicine.
Od roku 1949-1950, kedy začal svoju činnosť Ústav pre lekársku fyziku Lekárskej fakulty Univerzity Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach, sa postupne vývojovo metamorfovala výučba lekárskej fyziky, predovšetkým so zameraním na lekársku prístrojovú techniku, na moderný hraničný odbor lekárska a klinická biofyzika. Ústav sa od roku 1992 nepretržite venuje aj výučbe zahraničných študentov v odbore General Medicine a Dental Medicine. Pritom existuje predpoklad zachovania kontinuity vzdelávania, keďže predmet Lekárska biofyzika je organickou súčasťou výučby poslucháčov Všeobecného lekárstva na lekárskych fakultách v Martine, v Košiciach i v Bratislave.
Avšak na Slovensku Lekárska biofyzika ako študijný odbor vysokoškolského lekárskeho štúdia zatiaľ chýba. V sústave študijných odborov VŠ vzdelávania vydanej MŠ SR v roku 2002 bola dokonca Biofyzika zaradená medzi vedy o neživej prírode. Praktickým dôsledkom bolo, že pri posudzovaní žiadosti Lekárskej fakulty o akreditáciu doktorandského štúdia v 3. stupni tohto odboru, bol záver pracovnej skupiny AK MŠ SR negatívny. A to aj z dôvodu, že riešená problematika a dosiahnuté výsledky žiadateľa zostali nepochopené, keďže členovia pracovnej skupiny AK MŠ SR uprednostňujú pohľad na biofyziku zo zorného uhla vied o neživej prírode. Takto sú lekárske fakulty v procese priznania práva uskutočňovať doktorandské štúdium v odbore Biofyzika znevýhodnené, keďže ich garanti spravidla nie sú len biofyzici (resp. fyzici), ale aj lekári. Je to aj napriek tomu, že ich pracoviská dlhodobo realizujú špičkový medzinárodný výskum v oblasti lekárskej biofyziky a ich pracovníci dlhé roky pôsobia ako profesori a docenti pri výučbe tohto predmetu. Dôležitým aspektom zriadenia odboru Lekárska biofyzika je aj nutnosť zachovať kontinuitu vedeckej výchovy prírodovedne a technicky nadaných lekárov-vedeckých pracovníkov a učiteľov a posilňovať integračné tendencie pri riešení biomedicínskych problémov.
Doktorandské štúdium v odbore Lekárska biofyzika (3. stupeň)
Študijný odbor Lekárska biofyzika na 3. stupni, t.j. doktorandské štúdium (Philosophiae doctor - PhD), pripravuje vedeckých pracovníkov pre výskumné tímy interdisciplinárneho zamerania a v príbuzných, najmä medicínskych, odboroch ako fyziológia, patológia. Absolvent sa uplatní aj ako vedúci výroby zameranej na medicínske biotechnológie a lekársku biokybernetiku. Vedecký pracovník s titulom Philosophiae Doctor (PhD) of Medical Biophysics vedecky báda, ovláda vedecké metódy výskumu Lekárskej biofyziky, princípy moderných medicínskych technológií, konštrukcie lekárskych prístrojov a praktickú aplikáciu informačných technológií.
Absolvent 3. stupňa (doktorandského štúdia) v odbore Lekárska biofyzika dokáže aplikovať základné znalosti zo všeobecnej biofyziky a špeciálnych poznatkov lekárskej biofyziky, biokybernetiky a biotechnológií. Dokáže ich použiť na skúmanie otázok nastolených najmä lekárskymi vedami, pri štúdiu fyzikálnej a fyzikálno-chemickej podstaty fyziologických a patologických procesov prebiehajúcich v ľudskom organizme na úrovni buniek, tkanív, orgánov a orgánových systémov a s nimi súvisiacich princípov diagnostiky a terapie ochorení. Rovnako tak sa vie uplatniť pri štúdiu adaptačných mechanizmov ľudského organizmu vystaveného pôsobeniu fyzikálnych faktorov vonkajšieho prostredia, vrátane interakcií organizmu so špeciálnou lekárskou technikou. Poznatky o stavbe a funkcii ľudského organizmu dokáže aplikovať na tvorbu moderných postupov v oblasti medicínskych biotechnológií, lekárskej biokybernetiky, biomechaniky a informačných technológií.
V závislosti od konkrétneho zamerania a obsahu skúmanej problematiky v danom odbore absolvent ovláda aj ďalšie špeciálne znalosti z oblasti: molekulovej biofyziky bunky, tkanivovej a orgánovej fyziológie, fotobiofyziky a fototerapie, mechaniky dýchania, nervovej a chemickej regulácie dýchania, biofyzikálnych aspektov generovania rytmu a vzoru dýchania, ochranných a obranných reflexov dýchacích ciest, metód štúdia neurónových mechanizmov dýchania a reflexov z dýchacích ciest, bioelektrochémie, metód spracovania a vyhodnocovania elektrického a neelektrického biosignálu, ako aj základy využitia experimentálnych a diagnostických metód - NMR, CT, SPECT, PET, RTG analýzy, optickej spektroskopie, metódy laserovej spektroskopie, biochemickej komunikácie, atď.
Absolvent odboru Lekárska biofyzika si osvojí kompletnú metodológiu vedeckej práce, pozná väzby výskum-vývoj-výroba-použitie, je schopný vedecky definovať problém a stanoviť reálne požiadavky na jeho úspešné vyriešenie. Má dostatočné jazykové predpoklady na prezentovanie výsledkov svojej práce tlačou a prednáškou, a to najmä na zahraničných odborných fórach. Je schopný kriticky posúdiť a zaradiť svoj vedecký prínos do hierarchie poznatkov svetovej vedy. Pozná a dodržuje zásady práce v interdisciplinárnych kolektívoch, zásady tvorby vedeckých projektov, princípy medzinárodnej vedeckej spolupráce, vedecké programy a charakteristiky Európskeho výskumného priestoru, rozvoj študijného odboru a prínos pre prax.
Štruktúra doktorandského štúdia
Doktorandské štúdium pozostáva zo študijnej časti a z vedeckej časti. Nosné témy jadra znalostí 3. stupňa vysokého školstva pre odbor Lekárska biofyzika sú rozsiahle. Pomer študijnej a vedeckej časti študijného programu je 1:2.Študijná časť doktorandského štúdia pozostáva z prednášok, seminárov a individuálneho štúdia odbornej literatúry potrebných z hľadiska zamerania dizertačnej práce. Pri štúdiu odboru Lekárska biofyzika v 3. stupni doktorand absolvuje povinný predmet Všeobecná biofyzika a jeden voliteľný predmet z okruhu uvedených predmetov Lekárskej biofyziky.
I/a. Povinný predmet: Všeobecná biofyzikaTento predmet zahŕňa široké spektrum poznatkov. Medzi ne patria základné jednotky SI, biologické funkcie nukleových kyselín, štruktúra a funkcia DNA a RNA. Ďalej sa zameriava na biofyziku bunky, jej štruktúru a funkciu, charakteristiku a veľkosť buniek, bunku ako otvorený systém a bunkové organely. Dôležitou súčasťou je biofyzika membrán a membránový transport, štruktúra a transportné vlastnosti membrán, pasívny a indukovaný transport iónov, difúzia a Fickove zákony, transport neelektrolytov, osmóza, filtrácia, prenos látok cez bielkovinový kanál, aktívny membránový transport, Na+-K+ pumpa, Donnanova rovnováha, Nernstov difúzny potenciál a Goldmanova rovnica.Predmet sa venuje aj biofyzike nervového impulzu, pokojovému potenciálu, činnostnému potenciálu (vznik a šírenie axónom) a synaptickému prenosu. Zahŕňa základy termodynamiky biologických procesov, entropiu a entalpiu, usporiadanosť biologických systémov a termoreguláciu. Pokrýva mechanické vlastnosti tkanív, vzťah medzi štruktúrou a funkciou, štruktúru a vlastnosti svalového a nervového tkaniva. Dôležitá je aj hydrodynamika krvného obehu, energetika srdcovej činnosti, biomechanika dýchania, človek a okolie, tok informácií - biosignály, receptory, zmyslové orgány a prenos informácií v živých systémoch.V rámci ekobiofyziky sa študujú vplyv gravitácie, hyper a hypobarie, klimatické faktory a ionizujúce žiarenie. Radiačná biofyzika zahŕňa rádioaktivitu prirodzenú a umelú, druhy ionizujúceho žiarenia, charakteristiky rôznych druhov ionizujúceho žiarenia, ochranu pred ionizujúcim žiarením a dozimetriu. Neionizujúce žiarenie zahŕňa svetlo a fotobiofyziku (fotometrické jednotky, geometrická optika videnia, regulačné mechanizmy ako adaptácia a akomodácia, energetika procesu videnia), infračervené a ultrafialové žiarenie, rádiové vlny a mikrovlny (vznik, fyzikálne vlastnosti, biologické účinky, ochrana).
I/b. Doplnkové znalosti k povinnému predmetuTáto časť pokrýva organizáciu živých systémov, bunkové organizmy, molekulovú a bunkovú biológiu, nukleové kyseliny a proteíny. Dôležitá je molekulová genetika (genetická informácia, replikácia, transkripcia, translácia, mutácie) a genetické inžinierstvo. Cytológia sa zameriava na bunku ako systém, biologické membrány a cytoskelet. Študuje sa bunkový cyklus, mitóza a ich regulácia, typy reprodukcie a meióza. Súčasťou sú fenotyp a genotyp, dedičnosť a základy ľudskej genetiky, ľudský karyotyp, génové mapovanie a moderné metódy štúdia ľudského genómu. Vzťah genetiky a medicíny, genetické poradenstvo. Základy lekárskeho názvoslovia. Všeobecná anatómia a prehľad tkanív. Skelet. Anatómia svalov, svalová kontrakcia. Tráviace ústrojenstvo a jeho fyziológia. Dýchacie ústrojenstvo a fyziológia dýchania. Močové a pohlavné ústrojenstvo a fyziológia obličiek. Srdce a fyziológia srdcovej činnosti. Anatómia ciev, hlavné tepny tela, prehľad žíl, fyziológia krvi. Prehľad nervov, CNS. Zrakové ústrojenstvo a fyziológia zraku. Sluchové a vestibulárne ústrojenstvo a fyziológia sluchu a rovnováhy.
II. Voliteľné predmety Lekárskej biofyzikyDoktorand si vyberie jeden z uvedených voliteľných predmetov (II/1 - II/10), ktoré poskytujú špecifické zameranie.
- II/2. Bunkové membrány a signalizácia: Bunkové membrány, ich štruktúra a funkcie u človeka, konformačné vlastnosti membrán, signálne dráhy viazané na povrch membrán, mimobunkové signálne molekuly a receptory. Genóm a proteóm, neurotransmitery, úloha druhých poslov, cyklické AMP a cyklické GMP, proteín-kinázy a proteín-fosfatázy, fosforylácia a defosforylácia, G-proteíny ako signálne molekuly, vápnik ako intracelulárna signálna molekula, oxid dusnatý ako signálna molekula, inozitoltrifosfát. Experimentálne metódy, tkanivové preparáty, väzba rádioligandov, použitie fluorescenčných sond.
- II/3. Fotobiofyzika: Slnko ako prirodzený zdroj svetelného žiarenia na Zemi. Umelé zdroje svetelného žiarenia, chromofóry a fluorofóry v nukleových kyselinách, v proteínoch, v lipidoch a v pigmentoch. Biologický účinok a ochrana pred infračerveným a ultrafialovým žiarením, fyziologické fotobiologické procesy, fotochemické reakcie v ľudskom organizme.
- II/4. Biofyzika elektrických procesov: Biofyzika elektrických procesov v ľudskom organizme. Periférny a centrálny nervový systém. Neuróny (membránové potenciály, pokojový a činnostný potenciál, iónové koncentrácie, kanály). Vzťah pokojového potenciálu a priepustnosti membrány pre ióny. Donnanova rovnováha, Goldmanova rovnica, iónová pumpa. Synaptický prenos.
- II/5. Neurobiofyzika a spracovanie signálov: Nervová sústava, ľudský mozog. Neurónové siete, základy merania a spracovania elektrických signálov. Spracovanie signálov v reálnom čase. Elektronické mikro- a nanosenzory v medicíne. EEG a evokované potenciály.
- II/8. Biofyzika dýchania: Vonkajšie a vnútorné dýchanie, ventilácia pľúc a mechanika dýchania, výmena dýchacích plynov, nervová a chemická regulácia dýchania, obranné reflexy dýchacích ciest (kašeľ, kýchanie, aspiračný a exspiračný reflex). Funkcia laryngu počas dýchania a respiračných reflexov. Biofyzikálna podstata vzniku dýchania, klasifikácia respiračných neurónov, oscilačné vlastnosti neurónov, recipročná a rekurentná inhibícia v neurónových sieťach.
- II/10. Biokybernetika: Princípy regulácie a riadenia životných funkcií v ľudskom organizme, homeostáza a funkčná rezerva organizmu, proces rozhodovania, vlastnosti biokybernetických regulačných systémov, systém ako množina subsystémov a ich vzťahov, reálne systémy, stabilita systémov, analýza a modelovanie, formulácia hypotéz, dynamické systémy, lineárne a nelineárne systémy, vzťah medzi vstupom a výstupom.
Znalosti uvedené v jadre majú rozsah 1/3 v študijnej časti a 2/3 vo vedeckej časti. Doktorandské štúdium prebieha podľa individuálneho študijného plánu. Pozostáva z tímovej a individuálnej práce doktoranda, ktorá sa viaže na zvolenú tému dizertačnej práce. Doktorand rieši aktuálny a otvorený vedecký problém pod dohľadom školiteľa. Požaduje sa teoretické spracovanie aktuálneho stavu témy doktorandskej práce v medzinárodnom kontexte. Doktorand si osvojí kompletnú metodológiu vedeckej práce - zvládne experimentálne metódy a metodiky potrebné k získaniu experimentálnych údajov a metódy štatistického vyhodnotenia experimentálnych údajov. Spracováva výsledky do formy pôvodných vedeckých prác. Prednáša doma i v zahraničí. Spolupracuje pri príprave vedeckých projektov a participuje na ich príprave. Celkový počet kreditov, ktorých získanie je podmienkou riadneho ukončenia štúdia, sa riadi Vyhláškou č. 614 MŠ SR z roku 2002 o kreditovom systéme a na Univerzite Komenského Smernicou rektora č. 6/2004. Obhajoba dizertačnej práce je záverečnou fázou štúdia.
Praktické aspekty výučby Lekárskej biofyziky
Predmet Lekárska biofyzika je veľmi zaujímavý a predstavuje jedno-semestrálny predmet, ktorý začína hneď v zimnom semestri. Počas praktických cvičení sa študenti stretnú s rôznymi meraniami a experimentmi. Budú odoberať periférnu krv a merať absorbanciu, merať tlak krvi, používať LASER, EKG, EMG/EEG. Okrem toho si prepočítajú aj pár príkladov. Tieto príklady sa v pozmenenej forme objavia aj na zápočtovom teste, čo zdôrazňuje ich dôležitosť. Priebežná kontrola v predmete Lekárska biofyzika sa môže uskutočniť napríklad v 8. výučbovom týždni, v čase prednášky alebo počas praktických cvičení.
Povinné cvičenia vyžadujú, aby študenti mali vypracovaný protokol z predchádzajúceho cvičenia. Ak si ho však zabudnú, nič sa nedeje a môžu ho doniesť na ďalšie cvičenie. Nepovinné prednášky sa oplatí navštevovať už len z toho dôvodu, že sú zaujímavé a veľa sa na nich dozviete. Na získanie zápočtu úplne stačia poznámky z prezentácií, pokiaľ ste na ne chodili.
Zápočtové testy sa každý rok menia, takže sa netreba spoliehať, že aj v nasledujúcom roku budú rovnaké. Test obvykle obsahuje asi 20 otázok, pričom z toho sú približne 3 príklady, ktoré boli prepočítané na cvičeniach. Otázky sú postavené na štyroch odpovediach, pričom môže nastať situácia, že všetky odpovede sú správne alebo žiadna. Hodnotenie je "jedna/nula", to znamená, že celá otázka dobre sa rovná 1 bodu, zatiaľ čo chýbajúca časť odpovede znamená 0 bodov. Dávať si pozor je dôležité hlavne na prevody jednotiek (napr. V, mV). Body, ktoré získate z testu, idú s vami na skúšku. Čím viac bodov získate, tým lepšiu známku môžete dostať. Aj keď test nevyjde podľa predstáv, ale na skúške odpoviete výborne, šanca na lepšiu známku tam samozrejme je. Avšak, ak napíšete test napríklad na 3 body, asi nebudete očakávať A-čko. Celkový počet bodov pre zápočet je zvyčajne okolo 30. Zápočet je zriedkakedy problémom.
Na skúšku je potrebné sa prihlásiť cez akademický informačný systém (napr. MAIS). Celkový počet otázok na skúške býva 55, z ktorých si študenti ťahajú 2 otázky. Čas na prípravu je dostatočný, takže sa netreba báť, že si ich nestihnete pripraviť. Skúška môže prebiehať v miestnosti, kde sa konajú aj cvičenia, pričom študenti sa pripravujú a postupne odpovedajú. Známky sú často zapísané hneď po skúške. Je to veľmi zaujímavý predmet, ktorý pomáha aj pri štúdiu iných predmetov, hlavne lekárskej chémie, ale aj biológie a humánnej genetiky. Odporúčaná literatúra zahŕňa diela ako HRAZDIRA, Ivo a Vojtěch MORNSTEIN: „Lékařská biofyzika a přístrojová technika“ a ŠAJTER Vít a kol.: „Biofyzika, biochémia a rádiológia“.
Projekty a spolupráca v oblasti lekárskej biofyziky
Cieľom mnohých projektov v oblasti lekárskej biofyziky je podpora spolupráce medzi lekárskymi fakultami a fakultou biomedicínskeho inžinierstva. Tieto projekty sú často zamerané na rozvoj vzdelávacích a školiacich aktivít.
Kľúčová aktivita 1: Podpora vzdelávacích a školiacich aktivít
Podpora vzdelávacích a školiacich aktivít, vedúcich k zvýšeniu vzájomnej spolupráce medzi jednotlivými vzdelávacími inštitúciami, je realizovaná predovšetkým ústavmi lekárskej biofyziky na lekárskych fakultách, napríklad v Českej republike, prostredníctvom stáží. Počas riešenia projektov môže byť realizovaných napríklad 30 týždenných stáží akademických pracovníkov a postgraduálnych študentov na vybraných pracoviskách partnerských lekárskych fakúlt a na fakulte biomedicínskeho inžinierstva.
Pracoviská, ktoré sa na takýchto stážach podieľajú, sú rôznorodé a špecializované. Na Ústave lekárskej biofyziky LF UP v Olomouci môžu prebiehať stáže v laboratóriách výučby lekárskej biofyziky a v laboratóriu mikroskopických metód, na pracovisku biometrie a v laboratóriu pre výskum a využitie ultrazvuku v medicíne. Biofyzikálny ústav Lekárskej fakulty v Plzni pripravuje a realizuje stáže a odborné praxe s aplikáciami hyperbarickej komory, endoskopie, termovízie a nových výukových metód pre výučbu zubného lekárstva. Ústav lekárskej biofyziky v Hradci Králové sa podieľa na príprave a realizácii stáží pre pracovníkov partnerov na pracovisku merania mechanických vlastností nových materiálov využívaných v medicíne. Na pracoviskách FBMI (Fakulty biomedicínskeho inžinierstva) prebiehajú odborné stáže a praxe na experimentálnom pracovisku s umelým pacientom a na nanotechnologickom pracovisku.
Kľúčová aktivita 2: Konferencia "Dni lekárskej biofyziky" s medzinárodnou účasťou
Ďalšou dôležitou aktivitou je každoročné usporiadanie trojdňovej konferencie "Dni lekárskej biofyziky" s medzinárodnou účasťou. Cieľovú skupinu tvoria pedagogickí a výskumní pracovníci vysokých škôl, postgraduálni študenti a odborníci zo spolupracujúcich firiem, aplikačnej a výskumnej sféry. Celkový počet účastníkov môže byť napríklad 150 z Českej republiky, s výnimkou Prahy. Organizácia konferencie rotuje medzi partnerskými inštitúciami; napríklad v roku 2011 bol hlavným organizátorom Biofyzikálny ústav Lekárskej fakulty v Plzni, v roku 2012 Ústav lekárskej biofyziky LF UP v Olomouci a v roku 2013 Ústav lekárskej biofyziky v Hradci Králové. Na príprave konferencie a odbornom programe sa vždy podieľajú všetky partnerské pracoviská a predovšetkým ústavy lekárskej biofyziky. Účastníci konferencie sú oboznámení s novinkami v odbore prostredníctvom prezentácií, prednášok, posterov a demonštrácií špičkovej lekárskej prístrojovej techniky. Publikujú sa abstrakty a informačné materiály na webových stránkach.
Kľúčová aktivita 3: Odborný časopis "Lékař a technika"
Každý rok prebieha príprava a edičná činnosť pre štyri čísla odborného časopisu "Lékař a technika". V tomto časopise sú publikované pôvodné odborné články akademických a vedeckých pracovníkov, účastníkov stáží a predovšetkým konferencií s medzinárodnou účasťou "Dni lekárskej biofyziky". Všetky príspevky sú recenzované, čím je zaručená ich odborná kvalita. Publikáciu článkov v odbornom časopise "Lékař a technika" realizuje fakulta biomedicínskeho inžinierstva.
Kľúčová aktivita 4: Spolupráca s Českou spoločnosťou lekárskej fyziky
Odborná úroveň všetkých kľúčových aktivít je garantovaná spoluprácou s Českou spoločnosťou lekárskej fyziky pri Českej lekárskej spoločnosti J. E. Purkyně. Táto spoločnosť vznikla v roku 2010 a jej výbor tvoria poprední odborníci z odborov lekárskej biofyziky a lekárskej prístrojovej techniky, ktorí sú často aj členmi projektového tímu. Hlavnou formou činnosti spoločnosti je práca v odborných sekciách, ako sú edukačná, doktorandská, zobrazovacích metód, laboratórnych metód, informačných technológií a mechanických vlastností tkanív. Zabezpečuje sa aj spolupráca s aplikačnou sférou, napríklad s medicínskymi inštitúciami a výrobcami zdravotníckej techniky.
tags: #ultrazvuk #lekarska #biofyzika