Module also offered within study programmes:
General information:
Name:
Dosimetry of Non-ionizing Radiation
Course of study:
2018/2019
Code:
JFM-2-102-DE-s
Faculty of:
Physics and Applied Computer Science
Study level:
Second-cycle studies
Specialty:
Dozymetria i elektronika w medycynie
Field of study:
Medical Physics
Semester:
1
Profile of education:
Academic (A)
Lecture language:
Polish
Form and type of study:
Full-time studies
Course homepage:
 
Responsible teacher:
dr hab. Matuszak Zenon (Zenon.Matuszak@fis.agh.edu.pl)
Academic teachers:
dr inż. Matusiak Katarzyna (Katarzyna.Matusiak@fis.agh.edu.pl)
dr hab. inż. Jung Aleksandra (Aleksandra.Jung@fis.agh.edu.pl)
dr hab. Matuszak Zenon (Zenon.Matuszak@fis.agh.edu.pl)
Module summary

Celem kursu jest zapoznanie studenta z podstawami teoretycznymi, oddziaływaniem na organizmy żywe oraz podstawowymi zastosowaniami promieniowania niejonizującego w biomedycynie.

Description of learning outcomes for module
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Connections with FLO Method of learning outcomes verification (form of completion)
Social competence
M_K001 Student potrafi konstruktywnie współpracować w zespole wykonującym ćwiczenie laboratoryjne FM2A_K02, FM2A_K01 Activity during classes,
Execution of laboratory classes
M_K002 Student angażuje się w dyskusję w grupie, jak również z prowadzącym, i potrafi dobrze sformułować swoje argumenty. FM2A_K02, FM2A_K01 Activity during classes,
Participation in a discussion,
Execution of a project,
Execution of laboratory classes
Skills
M_U001 Student potrafi posługiwać się aparaturą pomiarową rozumiejąc związek wykonywanych czynności pomiarowych z teorią oraz zastosowaniami. FM2A_U04, FM2A_U01, FM2A_U05 Activity during classes,
Execution of a project,
Execution of laboratory classes
M_U002 Student potrafi prawidłowo opracować dane pomiarowe doświadczenia dozymetrycznego. Samodzielnie wskazać wielkości fizyczne, które należy wyznaczyć by opisać badane zjawisko oddziaływania promieniowania z ośrodkiem. FM2A_U04, FM2A_U02, FM2A_U05 Activity during classes,
Execution of a project,
Execution of laboratory classes
M_U003 Student zna i potrafi stosować podstawowe techniki obliczeniowe dla wielkości dozymetrycznych promieniowania niejonizującego w najprostszych przypadkach FM2A_U04, FM2A_U05 Test,
Execution of a project,
Execution of laboratory classes
Knowledge
M_W001 Student posiada wiedzę o promieniowaniu elektromagnetycznymi, falach ultradźwiękowych i ich oddziaływaniach z organizmami. O sposobach pomiaru podstawowych wielkości fizycznych oraz teoretycznym opisie oddziaływania w/w promieniowań z materią. FM2A_W09, FM2A_W03, FM2A_W01 Test,
Execution of a project,
Execution of laboratory classes
M_W002 Student posiada wiedzę o zastosowaniach biomedycznych w/w promieniowań- w diagnostyce i terapii. Zna podstawy fizyczne oraz biofizyczne norm bezpieczeństwa ustalonych dla ultradźwięków, promieniowania elektromagnetycznego oraz UV-VIS FM2A_W02, FM2A_W09, FM2A_W06, FM2A_W01, FM2A_W07 Test,
Execution of a project,
Execution of laboratory classes
FLO matrix in relation to forms of classes
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Form of classes
Lecture
Audit. classes
Lab. classes
Project classes
Conv. seminar
Seminar classes
Pract. classes
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Others
E-learning
Social competence
M_K001 Student potrafi konstruktywnie współpracować w zespole wykonującym ćwiczenie laboratoryjne - - + - - - - - - - -
M_K002 Student angażuje się w dyskusję w grupie, jak również z prowadzącym, i potrafi dobrze sformułować swoje argumenty. - - + + - - - - - - -
Skills
M_U001 Student potrafi posługiwać się aparaturą pomiarową rozumiejąc związek wykonywanych czynności pomiarowych z teorią oraz zastosowaniami. + - + - - - - - - - -
M_U002 Student potrafi prawidłowo opracować dane pomiarowe doświadczenia dozymetrycznego. Samodzielnie wskazać wielkości fizyczne, które należy wyznaczyć by opisać badane zjawisko oddziaływania promieniowania z ośrodkiem. + - + + - - - - - - -
M_U003 Student zna i potrafi stosować podstawowe techniki obliczeniowe dla wielkości dozymetrycznych promieniowania niejonizującego w najprostszych przypadkach + - + + - - - - - - -
Knowledge
M_W001 Student posiada wiedzę o promieniowaniu elektromagnetycznymi, falach ultradźwiękowych i ich oddziaływaniach z organizmami. O sposobach pomiaru podstawowych wielkości fizycznych oraz teoretycznym opisie oddziaływania w/w promieniowań z materią. + - + + - - - - - - -
M_W002 Student posiada wiedzę o zastosowaniach biomedycznych w/w promieniowań- w diagnostyce i terapii. Zna podstawy fizyczne oraz biofizyczne norm bezpieczeństwa ustalonych dla ultradźwięków, promieniowania elektromagnetycznego oraz UV-VIS + - + + - - - - - - -
Module content
Lectures:

1. Wprowadzenie do teorii pomiaru (1 godz.)
2. Wprowadzenie do fizyki drgań (2 godz.)
• Oscylator liniowy: swobodny, tłumiony.
• Oscylator harmoniczny tłumiony z wymuszeniem.
• Rezonans, krzywa rezonansowa, współczynnik dobroci, absorpcja i dyspersja.
• Reakcja na impuls. Transformata Fouriera.
• Analogia elektryczno-mechaniczna.

3. Wprowadzenie do fizyki ruchu falowego(3 godz.)
• Oscylatory sprężone. Współrzędne normalne.
• Jednowymiarowe równanie falowe. Pojęcie fali. Rodzaje fal.
• Odbicie i transmisja fali. Impedancja falowa. Energia modów.
4. Fale elektromagnetyczne(2 godz.)
• Podstawy elektrodynamiki. Równania Maxwella.
• Praca i moc w polu elektromagnetycznym. Wektor Poyntinga.
• Równanie falowe. Fala elektromagnetyczna płaska- energia i pęd.
• Fala elektromagnetyczna na granicy ośrodków – odbicie, załamanie, dyspersja.

5. Promieniowanie optyczne (2 godz.)
• Wielkości radiometryczne i fotometryczne.
• Podstawowe źródła promieniowania optycznego i ich charakterystyka. Lasery.
• Detektory promieniowania optycznego: oko, detektory termiczne i fotonowe.
• Wielkości charakteryzujące detektory optyczne. Optyczny tor pomiarowy.
6. Oddziaływanie promieniowania z zakresu UV-VIS z materią (2 godz.)
• Absorpcja, rozproszenie, fluorescencja.
• Równanie transportu promieniowania. Prawo Lamberta-Beera.
7. Oddziaływanie promieniowania z zakresu UV-VIS z tkankami (4 godz.)
• Charakterystyka optyczna komórek i tkanek. Metody pomiarowe.
• Oddziaływanie promieniowania UV-VIS z tkankami
• Podstawowe metody diagnostyczne i terapeutyczne wykorzystujące promieniowanie optyczne.
• Normy prawne i zasady bezpieczeństwa pracy z promieniowaniem UV-VIS.
8. Promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu radioczęstości i mikrofal (4 godz.)
• Źródła i detektory pól elektromagnetycznych wysokich częstości
• Oddziaływanie pól elektromagnetycznych z materią. Przenikalność elektryczna. Relaksacja.
• Własności dielektryczne komórek i tkanek. Bioelektrolity w polach zmiennych.
• Dozymetria pól elektromagnetycznych. Rola własności dielektrycznych i geometrii. SAR.
• Generacja ciepła. Równanie biociepła (bioheat equation)
• Dozymetria pól dalekich i bliskich
• Medyczne zastosowania pól wysokiej częstości – terapia elektromagnetyczna i hypertermia
• Normy prawne i zasady bezpieczeństwa pracy z promieniowaniem elektromagnetycznym wysokich częstości
9. Stałe i wolnozmienne pola elektryczne i magnetyczne (4 godz.)
• Bioelektrochemia. Dielektryki i przewodnictwo elektrolityczne. Polaryzacja i prądy jonowe.
• Elektrody i biosensory elektrochemiczne. Elektroporacja i elektrofuzja.
• Metody rejestracji naturalnych sygnałów bioelektrycznych. Schematy zastępcze dla tkanek
• Elektroterapia: elektroliza, elektroforeza, jontoforeza.
10. Ultradźwięki (4 godz.)
• Fala ultradźwiękowa. Propagacja ultradźwięków w cieczach ciałach stałych. Impedancja akustyczna.
• Wytwarzanie i rejestracja fal ultradźwiękowych. Metody pomiarowe parametrów fali akustycznej.
• Charakterystyka ultradźwiękowa tkanek.
• Efekty biologiczne fal ultradźwiękowych. Kawitacja.
• Zastosowanie medyczne ultradźwięków: obrazowanie akustyczne, metody dopplerowskie.
• Zasady bezpieczeństwa pracy z ultradźwiękami. Normy prawne.

Laboratory classes:

1. Wyznaczanie prędkości fali ultradźwiękowej w wodzie destylowanej oraz roztworach silnych elektrolitów w zależności od temperatury (4 godz.).
Efekty kształcenia:
• Student zna metody generacji fal ultradźwiękowych oraz pomiaru prędkości fal ultradźwiękowych
• Student potrafi opisać zachowanie fali ultradźwiękowej w cieczy i zinterpretować pomiar
• Potrafi obliczyć liczę hydratacji jonu na podstawie pomiarów

2. Badanie własności magnetostrykcyjnego generatora ultradźwięków oraz efektów fizycznych działania ultradźwięków o dużej amplitudzie (4 godz.).
Efekty kształcenia:
• Student potrafi zmierzyć podstawowe parametry generatora magnetostrykcyjnego i obliczyć częstość rezonansową
• Student potrafi objaśnić rolę impedancji akustycznej w propagacji ultradźwięków.
• Student zna i umie objaśnić efekt kawitacyjny.

3. Moc i skutki termiczne silnych pól mikrofalowych (4 godz.)
Efekty kształcenia:
• Student potrafi obliczyć rozkład pola stojącej elektromagnetycznej w rezonatorze prostopadłościennym
• Student umie zmierzyć rozkład pola elektromagnetycznego w obszarze zamkniętym i porównać z obliczeniami
• Student potrafi opisać działanie podstawowych źródeł i detektorów promieniowania mikrofalowego
• Student potrafi wyznaczyć moc promieniowania absorbowanego w cieczach i zinterpretować wyniki

4. Wyznaczenie elektronowych widm absorpcyjnych barwników naturalnych i syntetycznych. Prawo Lamberta-Beera-Bourgera (4 godz.)
Efekty kształcenia:
• Student potrafi wyznaczać widma absorpcyjne i rozumie rolę wpływu metody pomiarowej (niepewności pomiarowych) na uzyskiwane wyniki.
• Student potrafi interpretować proste widma absorpcyjne różnych związków i wyznaczać ich stężenia.
• Student rozumie rolę podstawowych wielkości optycznych tkanek i jak one wpływają na transport światła w tkankach
5.Badanie widm fluorescencji związków naturalnych, syntetycznych i fotouczulaczy (4 godz.)
• Student potrafi wyznaczyć widma fluorescencyjne związków i rozumie związek pomiędzy ich budową a zdolnością do emisji światła
• Student potrafi określić stężenie związku na podstawie widm fluorescencji
• Student potrafi mierzyć natężenia światła i stosować jednostki radiometryczne do opisu toru optycznego i propagacji światła

6.Badanie widm odbicia stałych substancji barwnych (4 godz.)
• Student potrafi wyznaczać widma odbiciowe i rozumie rolę faktury powierzchni w ich powstawaniu
• Student potrafi wyznaczyć stężenie związku na podstawie pomiarów roztworów stałych oraz roztworów ciekłych nieprzezroczystych. Rozumie rolę rozproszenia w procesach transportu światła w środowiskach nieprzezroczystych.
• Student potrafi obliczyć składowe trójkolorowe i określić kolor próbki
7. Konduktometria i miareczkowanie potencjometryczne ( 4 godz.)
• Student potrafi zmierzyć przewodnictwo elektrolityczne i wyznaczyć na tej podstawie stężenia jonów. Rozumie zjawiska towarzyszące przepływowi jonów w polach stałych i zmiennych.
• Student zapoznał się zasadami pomiaru stałych napięć, potrafi wyznaczać stężenia jonów metodami miareczkowania potencjometrycznego zużyciem elektrod jonoselektywnych.

Project classes:

Przewidziana jest realizacja dwu krótkich projektów, które winien zrealizować każdy student.
Projekt pierwszy jest projektem o charakterze rachunkowym lub symulacyjnym i ma na celu uzyskanie sprawności w obliczeniach podstawowych wielkości dozymetrycznych charakteryzujących omawiane rodzaje promieniowania.
Efekt kształcenia: student potrafi samodzielnie obliczyć podstawowe wielkości dozymetryczne

Projekt drugi, w którym student dokładniej opracuje wybraną metodę dozymetryczną posługując się danymi literaturowymi podającymi parametry tkanek właściwe dla opracowywanej w projekcie metody diagnostycznej lub terapeutycznej.
Efekt kształcenia: student potrafi obliczyć podstawowe wielkości fizyczne dla konkretnej metody posługując się danymi literaturowymi.

Student workload (ECTS credits balance)
Student activity form Student workload
Summary student workload 144 h
Module ECTS credits 5 ECTS
Participation in lectures 30 h
Participation in laboratory classes 30 h
Completion of a project 14 h
Realization of independently performed tasks 28 h
Preparation for classes 28 h
Contact hours 14 h
Additional information
Method of calculating the final grade:

Oceny z ćwiczeń laboratoryjnych (L), projektu (P) oraz ocena opanowania materiału wykładu w formie kolokwium zaliczeniowego(Z) obliczane są następująco: procent uzyskanych punktów przeliczany jest na ocenę zgodnie z Regulaminem Studiów AGH.
Ocena końcowa (OK) obliczana jest jako średnia ważona ocen z zaliczenia (Z), z ćwiczeń laboratoryjnych (L) oraz projektu (P):
OK = 0.4 x Z + 0.4 x L + 0.2 x P

Uzyskanie pozytywnej oceny końcowej (OK) wymaga uzyskania pozytywnej oceny z ćwiczeń projektowych (P), kolokwium zaliczeniowego (Z)i ćwiczeń laboratoryjnych (L).
Ocena C,L lub Z uzyskana w drugim terminie nie może być wyższa niż 4.0.
Ocena C,L lub Z uzyskana w trzecim terminie nie może być wyższa niż 3.0.

Prerequisites and additional requirements:

Prerequisites and additional requirements not specified

Recommended literature and teaching resources:

• A. Śliwiński, Ultradźwięki i ich zastosowanie, WNT, W-wa, 1993
• A. Juszkiewicz, J. Antosiewicz, Spektroskopia ultradźwiękowa w biofizyce molekularnej, w. Biospektroskopia, p. red. J. Twardowskiego., PWN, W-wa, 1990.
• A.S. Presman, Pola elektromagnetyczne a żywa przyroda, PWN, W-wa.,1971
• M. Zahn, Pole elektromagnetyczne, PWN, W-wa, 1989
• R. Litwin, R. Suski, Technika mikrofalowa, WNT, W-wa, 1972
• S. Paszyc, Podstawy Fotochemii, PWN, W-wa, 1992
• Z. Bielecki, A. Rogalski, Detekcja sygnałów optycznych, WNT, W-wa, 2001
• H. Podbielska, A. Sieroń, W. Stręk, Diagnostyka i terapia fotodynamiczna. Wrocław, Elsevier & Partner, 2004.
• Red. M. Nałęcz, Fizyka medyczna, tom 8, Biocybernetyka i Inżynieria Biomedyczna 2000, , Akademicka Oficyna Wydawnicza Exit, W-wa 2002.
• B.H. Brown et al, Medical Physics and Biomedical Engineering, Bristol and Philadelphia, Institute of Physics Publishing, 1999
• Red. F.Jaroszyk, Biofizyka., Wydawnictwo Lekarskie PZWL, W-wa, 2001.
• A.V. Vorst, A. Rosen, Y. Kotsuka, RF/Microwave interaction with biological tissues. Hoboken, IEEE Press, Wiley Interscience, 2006.
• Nowicki, Wstęp do ultrasonografii-podstawy fizyczne i instrumentacja., Medipage, W-wa 2003.
• A. Nowicki, Diagnostyka ultradźwiękowa-Podstawy fizyczne ultrasonografii i metod dopplerowskich., MAKMed, W-wa 2000.
• K. Meyer-Waareden , Wprowadzenie do biologicznej i medycznej techniki pomiarowej, WKŁ, W-wa, 1980.
• J.Koryta, J. Dvořák, V. Boháčková, Elektrochemia, PWN, W-awa 1980.

Scientific publications of module course instructors related to the topic of the module:

1. Podgorska E., Drzal A., Matuszak Z., Swakon J., Slominski A., Elas M., Urbanska K., Calcitriol and calcidiol can sensitize melanoma cells to low-let proton beam irradiation // International Journal of Molecular Sciences, ISSN 1422-0067. — 2018 vol. 19 iss. 8 art. no. 2236, s. 1–15. — Wymagania systemowe: Adobe Reader. — Bibliogr. s. 11–15.
2. M. Szczygieł, B. Boroń, D. Szczygieł, M. Szafraniec, A. Susz, Z. Matuszak, K. Urbanska, L. Fiedor
Real-time Non-invasive Transdermal Monitoring of Photosensitizer Level in vivo for Pharmacokinetic Studies and Optimization of Photodynamic Therapy Protocol, J Analytical & Bioanalytical Techniques, 5/6 (2014) 1-9 .
3. Z. Matuszak, Fractional Bloch’s Equations Approach to Magnetic Relaxation, Current Topics in Biophysics, 37 (2014) 9-22.
4. Z. Matuszak, C. F. Chignell , K. J. Reszka, The acid-catalyzed interaction of melanin with nitrite ions. An EPR investigation. Nukleonika, 2015;60(3):475481, doi: 10.1515/nuka-2015-0084
5.Matuszak Z., Photodynamic therapy of melanoma. Monte Carlo modeling of light transport in human pigmented skin, Bio-Algorithms and Med-Systems, 2011,7(2), 85-93.
6. Urbanska K., B. Romanowska-Dixon, Z. Matuszak, J. Oszajca, P. Nowak-Sliwinska and G. Stochel, Indocyanine green as a prospective sensitizer for photodynamic therapy of melanomas, Acta Biochim.Polon. 49(2), 387-391, 2002.
7. Matuszak, Z., K.J. Reszka, and C.F. Chignell. Reaction of melatonin and related indoles with hydroxyl radicals. EPR and spin trapping investigations. Free Rad. Biol. & Med., 23, 3, 367-372,1997.

Additional information:

I – Sposób i tryb wyrównania zaległości powstałych wskutek nieobecności studenta na zajęciach:
Ćwiczenia projektowe:
Nieobecność na jednych ćwiczeniach zajęciach wymaga od studenta samodzielnego opanowania przerabianego na tych zajęciach materiału. Nieobecność na więcej niż jednych zajęciach wymaga od studenta samodzielnego opanowania przerabianego na tych zajęciach materiału i jego zaliczenia w formie pisemnej w wyznaczonym przez prowadzącego terminie lecz nie później jak w ostatnim tygodniu trwania zajęć. Student który bez usprawiedliwienia opuścił więcej niż 20% zajęć i jego cząstkowe wyniki w nauce były negatywne może zostać pozbawiony, przez prowadzącego zajęcia, możliwości wyrównania zaległości.
Ćwiczenia laboratoryjne:
Pod koniec semestru przewidziany jest dodatkowy termin ćwiczeń (ogłaszany 2 tygodnie wcześniej na tablicy ogłoszeń i przez prowadzących), w którym można wykonać pomiary, których student z przyczyn losowych nie mógł wykonać w pierwotnym terminie. Studenci mogą wówczas odrabiać ćwiczenia po uprzednim uzyskaniu zgody prowadzącego zajęcia w jego grupie oraz odpowiedzi z części teoretycznej, potwierdzonej wpisem do protokołu.

Obecność na wykładzie: zgodnie z Regulaminem Studiów AGH.