Fizyczne podstawy wybranych metod obrazowania tkanek i narządów

Fizyka jako nauka ścisła, przyrodnicza i oparta na doświadczeniach, a także obserwacjach ma szerokie zastosowania w naszym codziennym życiu. Warto pamiętać, że fizyka ma realne przełożenie na rozwój technologiczny, a z jej osiągnięć korzysta się w wielu obszarach naszego funkcjonowania, m.in. poprzez wykorzystanie metod obrazowania do diagnozy rozmaitych schorzeń. Jeśli wyobrazimy sobie, że jeszcze kilkaset lat temu lekarze mogli jedynie domyślać się w jakim stanie są narządy wewnętrzne pacjenta, a dziś możemy je zobrazować w czasie rzeczywistym, to zrozumiemy jak ważny jest udział fizyki w rozwoju cywilizacyjnym.  

Zjawiska leżące u podstaw metod obrazowania są zaawansowane, ale możliwe do przystępnego przedstawienia osobom na poziomie szkoły średniej. Omawianie tych metod w czasie zajęć z uczniami pozwala im lepiej zrozumieć działanie powszechnie stosowanych technik, stawiając wiedzę fizyczną w praktycznym kontekście. Warto podkreślić, że wprowadzanie tych treści zwiększy atrakcyjność nauczania fizyki, ukaże jej bezpośrednie zastosowania w nauce i medycynie. 

Grupa docelowa: uczniowie szkół średnich 

Cele lekcji: 

  • Uczeń rozumie zjawiska falowe, elektromagnetyczne i optyczne w praktycznym kontekście. 
  • Uczeń zna zasady działania wybranych urządzeń obrazujących. 
  • Uczeń jest w stanie krytycznie ocenić jakość i ograniczenia różnych metod, a także umie wybrać odpowiednie narzędzie do rozwiązania problemu. 
  • Uczeń potrafi połączyć abstrakcyjne pojęcia z ich rzeczywistymi zastosowaniami. 
  • Uczeń cechuje się świadomym podejściem do badań diagnostycznych, ich celu oraz ograniczeń, a także rozumie zasady bezpieczeństwa związane z promieniowaniem. 

Metody i formy pracy: 

  • Pogadanka 
  • Praca w grupach 
  • Dyskusja 
  • Analiza materiałów 
  • Zadania obliczeniowe 

Materiały dydaktyczne: 

  • Prezentacja multimedialna, 
  • Karty pracy dla uczniów, z tematami do dyskusji, 
  • Zadania dotyczące obliczania dawek. 

Przebieg lekcji: 

Wprowadzenie (5 min):

Cel: uświadomienie uczniom, że fizyka ma praktyczne zastosowanie w technologiach diagnostycznych. 

Nauczyciel przedstawia krótkie wprowadzenie: 

  • fizyka jako nauka ścisła, oparta na doświadczeniach, 
  • znaczenie fizyki w rozwoju technologii, 
  • jak metody obrazowania zmieniły diagnostykę medyczną. 

Pytanie otwierające: 

„Z jakimi metodami obrazowania spotkaliście się w życiu codziennym?” (USG, RTG, TK, MRI). 

Część teoretyczna (15 min):

Cel: przedstawienie uproszczonych zasad działania trzech wybranych metod. 

Proponowany zakres: 

  • RTG – promieniowanie rentgenowskie, zjawisko pochłaniania promieniowania przez tkanki, różnice między tkankami miękkimi a kośćmi. Można poszerzyć o mammografię i tomografię komputerową. 
  • USG – ultrasonografia, fale ultradźwiękowe, zjawisko odbicia i powstawanie echa. 
  • MRI – rezonans magnetyczny, oddziaływanie pola magnetycznego z jądrami wodoru (uproszczenie), powstawanie sygnału i obrazowania przekrojów. 

Wybrane metody można poszerzyć o PET i SPECT, w zależności od zainteresowań uczniów oraz czasu przeznaczonego na realizację tych treści. 

Podczas prezentacji nauczyciel zadaje krótkie pytania aktywizujące, np.: 

  • „Dlaczego kości są jaśniejsze na zdjęciu RTG?” 
  • „Co wpływa na jakość obrazu USG?” 
  • „Dlaczego MRI jest szczególnie dobre do badania mózgu?” 

Praca z kartą pracy (10 min):

Cel: utrwalenie podstaw działania metod obrazowania. 

Uczniowie pracują w parach. Karta pracy może zawierać: 

  • krótki opis zjawiska i schemat (do podpisania), 
  • proste pytania typu: 
  1. „Która metoda jest najbezpieczniejsza w ciąży i dlaczego?” 
  2. „Dlaczego do zdjęć RTG stosuje się ochronne fartuchy?” 
  3. „W której metodzie wykorzystuje się fale mechaniczne, a w której elektromagnetyczne?” 
  • zadanie łączące: dopasuj metodę do jej zalet i ograniczeń. 

Nauczyciel monitoruje pracę, wyjaśnia wątpliwości. 

  1. Analiza (10 min) – w zależności od kompetencji uczniów nauczyciel wybiera jeden z podpunktów 
  2. Dyskusja 

Cel: rozwijanie kompetencji analitycznych i argumentacji. 

Uczniowie dzielą się na grupy 3–4-osobowe i dyskutują nad pytaniem: „Która z metod obrazowania ma według Was największe znaczenie dla współczesnej medycyny i dlaczego?” 

Wskazówki dla uczniów: oceń bezpieczeństwo, dostępność, jakość obrazów, zastosowania kliniczne. Każda grupa wybiera jednego reprezentanta. Po 5 min pracy grupy prezentują swoją odpowiedź (ok. 1 min każda). 

Zadania rachunkowe:

Cel: rozwijanie kompetencji obliczeniowych, szukanie rozwiązań napotkanych problemów. 

Uczniowie dzielą się na grupy 3–4-osobowe i próbują rozwiązać zadanie rachunkowe, np. Przykładowe zadania: 

ZAD.1.: 

W pracowni rentgenowskiej wykonuje się zdjęcia klatki piersiowej. Lampa rentgenowska pracuje z napięciem 100 kV i prądem 200 mA. Czas ekspozycji jednego zdjęcia wynosi 0,10 s. 

Przyjmij, że: 

  • całkowita energia elektryczna dostarczona do lampy w czasie ekspozycji w 1% zamienia się w energię promieniowania X (reszta w ciepło), 
  • wiązka promieniowania X jest jednorodna i cała trafia w pacjenta, 
  • pacjent ma efektywną masę napromienianej tkanki równą 10 kg, 
  • średni współczynnik pochłoniętej dawki energii w tej tkance wynosi 0,30 (tzn. 30% energii promieniowania X jest pochłaniane w ciele). 

Oblicz: 

  • Całkowitą energię elektryczną dostarczoną do lampy podczas jednej ekspozycji. 
  • Energię promieniowania X wyemitowaną podczas ekspozycji. 
  • Energię pochłoniętą przez tkanki pacjenta. 
  • Dawkę pochłoniętą w grejach (Gy) w napromienionej tkance. 

Przydatne zależności: 

    • Moc elektryczna: P=U⋅I
    • Energia: E=P⋅t
    • Dawka pochłonięta:  D=Epochłonięta/m

ZAD. 2.: 

Głowica ultradźwiękowa emituje impuls o częstotliwości  f=5,0 MHz. Prędkość dźwięku w tkance miękkiej przyjmij jako  c=1540 m/s. Impuls ma 2 pełne cykle. 

a) Oblicz długość fali  λ𝜆 w tkance (w mm). 

b) Oblicz długość przestrzenną impulsu w mm.

 

Podsumowanie (5 min):

Cele: zebranie wniosków i refleksja nad rolą fizyki. 

Podsumowanie kluczowych pojęć: 

  • promieniowanie, 
  • ultradźwięki, 
  • pole magnetyczne, 
  • bezpieczeństwo badań. 

Nauczyciel podkreśla: 

  • fizyka pozwala zrozumieć działanie urządzeń wykorzystywanych w diagnostyce, 
  • wiedza teoretyczna ma realne przełożenie na medycynę i życie codzienne. 

Autor scenariusza: dr Natalia Targosz-Ślęczka