Physics with Medical Physics MPhys

The University of Sheffield

Този модул осигурява необходимата математика на първо ниво за учениците, които се обучават по физика и/или астрономия. Ще бъдат разгледани следните теми: основна алгебра (функции, координатни системи, алгебрични манипулации и т.н.), редове на Тейлър и биномни редове, общи функции на една променлива, техники за диференциране и интегриране, основни комплексни числа, диференциални уравнения от първи и втори ред, векторно смятане, свойства и приложения на матриците и елементарна теория на вероятноститеһттр://.

Този модул въвежда концепции и аналитични инструменти за прогнозиране на поведението на комбинации от пасивни елементи на веригата, съпротивление, капацитет и индуктивност, управлявани от идеални източници на напрежение и/или ток, които могат да бъдат източници на променлив или постоянен ток. Застъпените идеи са важни не само от гледна точка на моделирането на реални електронни вериги, но и защото много сложни процеси в биологията, медицината и машиностроенето сами по себе си се моделират от електрически вериги. Идеите за пасивните устройства се разширяват до активните електронни компоненти: диоди, транзистори и операционни усилватели и схемите, в които се използват тези устройства. Обхванати са също трансформатори, магнити и постояннотокови двигатели.

В този модул се въвеждат и прилагат основните понятия за движение и топлина: сила, уравнения на движението, фазово пространство, детерминизъм и свободна воля, симетрия и закони за запазване, вълни и трептения, кохерентност и класическа неопределеност на честотата и времето, закони на термодинамиката, топлинно равновесие, ентропия и стрелата на времето. Ще научите как физичните проблеми са свързани с тези фундаментални понятия и как тези понятия се използват за намиране на решения. Ще прилагате ключовите понятия, за да планирате експерименти за проверка на научни хипотези. Ще развиете уменията си за анализ на данни и комуникация, както и да използвате различни източници на информация в обучението си. Ще работите самостоятелно и като част от група, развивайки разнообразни умения за учене, които ще ви подготвят за останалата част от обучението виһттр://.

Този модул въвежда ключови понятия за полета и кванти: електрично и магнитно поле, поведение на електрични заряди и токове, вектори и плътности, потенциали, квантови състояния и тяхната еволюция, вероятностната природа на основните физични закони и разпадането на класическата физика. В този модул ще научите как физичните проблеми са свързани с тези фундаментални понятия и как тези понятия се използват за конструиране на решения.

Целта е да се въведат биомеханични описания на човешкото тяло. Разглеждаме неговата структура и работата му като физическа машина. Изследват се структурните характеристики на човешките кости и тъкани, както и механичните функции на скелета и мускулатурата. Въвеждат се прости флуидно-динамични характеристики на тялото, включително описание на кръвния поток в артериите и вените и въздушния поток в белите дробове.

Този модул осигурява въведение в медицинската техника, с особен уклон към йонизиращите и нейонизиращите електромагнитни лъчения и тяхната диагностична роля в медицината. Модулът започва с генерирането и поведението на електромагнитните вълни и широтата на технологичното приложение в целия електромагнитен спектър. Той се простира от магнитния резонанс при ниски енергии до високоенергийните фотони в рентгеновите системи. Важността на лъчението в диагностиката се признава чрез обсъждане на теорията на изобразяването и основните методи за изобразяване, като планарна рентгенография и компютърна томография. Терапевтичната роля е разгледана чрез кратко разглеждане на радиотерапиятаһттр://.

В този раздел е направен преглед на важни теми в областта на биомедицинското инструментално оборудване. Модулът е разработен въз основа на потребностите от измервания в болничното наблюдение на критични състояния и по-специално как инженерът по апаратура може да помогне на клинициста да отговори на един специфичен, но жизненоважен въпрос: адекватна ли е доставката на кислород в тъканите? Този централен клиничен сценарий се използва като основа за описание на редица ключови теми в областта на проектирането на преобразуватели и обработката на сигнали. Ключовите теми в областта на електрокардиографията и обработката на сигнали се илюстрират чрез 2 практически лабораторни занятия, чиято текуща оценка съставлява 10 % от общата оценка на модула.

Този модул осигурява основа за напреднало обучение по физика, като развива интегрирани умения и знания, свързани с основните теми на физиката. Тези теми включват квантова механика, класическа физика, оптика, топлинна физика, електромагнетизъм и свойства на материята. Основните математически методи се преподават заедно с темите по физика. Лабораторните и компютърните умения се прилагат към темите, за да се затвърдят ключовите понятия, да се развият изследователски, експериментални и групови умения за работа и да се развие широк спектър от подходи за решаване на проблеми. Модулът също така помага на учениците да поставят знанията и уменията си по физика в глобален контекст, като предоставя възможности за прилагане на тези качества при решаване на външни проблеми. Тези възможности подпомагат развитието на преносими умения като работа в група, управление на проекти и информационна грамотностһттр://.

Специалната теория на относителността е ключова основа на съвременната физика, особено в контекста на физиката на елементарните частици и астрофизиката, където E = mc2 и релативистичните скорости са ключови понятия. В този модул ще бъдат обяснени основните принципи на специалната теория на относителността, като се наблегне на четиривектора на енергията и момента и приложенията му при сблъсъци и разпади на частици. Приложенията в ядрената физика включват ядрена маса и енергия на свързване, радиоактивно разпадане, ядрени реакции, ядрено делене и термоядрен синтез. Ще разгледаме и структурата на ядрото (модел на течна капка и въведение в модела на обвивката).

Този курс запознава учениците с тъканите на човешкото тяло. Ще бъдат описани основните тъкани, изграждащи тялото, включително клетките, протеините и други извънклетъчни компоненти, които изграждат тъканта. Подробно ще бъде разгледана структурата на тъканта, по-специално как тя е свързана със специфичната ѝ функция в здравия човешки организъм. Ще се изучават основите на анатомията - как тъканите се комбинират, за да създадат органи, и къде в човешкото тяло се намира всеки орган. За демонстриране на структурата на тъканите ще се използват практически занятия по анатомия на човека и хистология. Накрая ще бъде разгледано как увреждането на тъканите води до загуба на функции. Този курс трябва да даде възможност на учениците да разберат достатъчно за човешките тъкани, за да могат да преминат към разбиране на това как инженерните техники се използват за поддържане, наблюдение и възстановяване на увредени човешки тъканиһттр://.

В рамките на модула ще се изучава софтуерът Labview и ще се даде възможност на учениците да експериментират с измервателни уреди и основна електроника. Тези умения ще бъдат полезни през следващите години на обучение, особено по отношение на проектите на ниво 3 и 4. Тези умения са полезни и при бъдеща работа както в академичната, така и в индустриалната наука и инженерство, където умението да се разработва лабораторна апаратура за решаване на експериментални проблеми ще бъде много желателноһттр://.

Този модул обхваща физиката на атомите и лазерите на средно ниво. Курсът започва с решаването на уравнението на Шрьодингер за водородния атом и произтичащите от него атомни вълнови функции. След това се разглеждат правилата за избор на атоми, фината спектрална структура и ефектите на външните полета. Описват се спектрите на избрани многоелектронни атоми. След това се разглежда основното функциониране на лазера, като се въвеждат понятията стимулирано излъчване и инверсия на популацията. Курсът завършва с описание на често срещани лазери и техните приложения.

Целта на проекта по медицинска физика е да даде възможност на учениците да развият и приложат уменията си към изследователски проблем. Предлагат се разнообразни проекти в целия спектър от приложения на физиката и инженерните науки, като много от тях са насочени към актуални медицински или клинични нужди. Студентите се насърчават да работят в групи от двама или трима души, за да развият умения за работа в екип. В допълнение към изготвянето на писмени доклади, учениците ще приключат проекта с вива, включваща официално представяне пред завършилия персонал в градските болници.

Сложността на геометрията и граничните условия на структурите в тялото са такива, че физичните управляващи уравнения рядко имат аналитични решения в затворена форма. Този модул описва някои от числените техники, които могат да се използват за изследване на физични системи, с илюстрации от биомеханиката, механиката на биофлуидите, лечението на болести и процесите на изобразяване. Основната техника, която ще бъде използвана, е методът на крайните елементи и ще бъдат описани фундаменталните концепции зад тази мощна техника. Лекциите ще бъдат подкрепени от лабораторни занятия, в които студентът ще прилага комерсиални кодове, за да изследва проблеми в медицинската сфераһттр://.

Този раздел ще предостави практическо въведение в техниките, използвани за моделиране и симулиране на динамични природни системи. Много природни системи могат да бъдат моделирани по подходящ начин с помощта на диференциални уравнения или индивидуално базирани методи. В този раздел учениците ще проучат и разберат двата подхода за моделиране. Те ще придобият познания за предположенията, залегнали в основата на тези модели, за техните ограничения и за начина на тяхното получаване. Учениците ще се научат как да използват MATLAB, за да симулират и изследват динамиката на изчислителните модели, като използват различни примери, взети от двете природни системи. Студентите трябва да знаят, че местата за този курс са ограничениһттр://.

Този полумодул има за цел да даде представа и да подпомогне програмата по физика на ниво 3 като цяло. Лекциите и уроците ще надграждат предишните развити умения, включващи анализ на данни и грешки, търсене на информация и научно писане. Заниманията с проблеми са насочени към предаване на широко, последователно и критично разбиране на основите на физиката. Учениците се насърчават да се опитват да решават непознати задачи, да извличат същественото и така да получават бързи, груби, но обосновани решения. Модулът включва групова работа и се оценява чрез тестове в клас и писмени изпити. Последните имат за цел да проверят основни понятия от физиката и способността им да се прилагат в нерешени ситуацииһттр://.

Статистическата физика е извеждането на топлинните свойства на материята с помощта на лежащите в основата им микроскопични хамилтониани. Целите на този курс са да се въведат техниките на статистическата механика и да се използват за описване на голямо разнообразие от явления от физиката, химията и астрономиятаһттр://.

Това е последният основен модул по физика на твърдото тяло. Той обхваща класификацията на твърдите тела на три вида - проводници, полупроводници и изолатори, модела на свободния електрон, произхода на електронната лентова структура, фундаменталните свойства на проводниците и полупроводниците, статистиката на носителите, експерименталните техники, използвани за изследване на носителите в твърдо тяло, класификацията и физиката на основните видове магнетизъмһттр://.

Този основен модул запознава учениците с вълнуващата област на съвременната физика на елементарните частици. Той им предоставя математическите инструменти на релативистката кинематика, което им позволява да изучават взаимодействията и разпадите и да оценяват форм-факторите на разсейване. Частиците се класифицират като фермиони - съставните части на материята (кварки и лептони), или като бозони - разпространители на полето. Описват се четирите основни взаимодействия. Три от тях се изучават подробно: Въвеждат се диаграмите на Файнман за описание на квантовата електродинамика от по-висок порядък; слабите взаимодействия се разглеждат от бета-разпада до високоенергийното електрослабо обединение; силните взаимодействия, свързващи кварките в адрони, се представят с експерименталните доказателства за "цвят" на квантовото число. Подчертава се ролята на симетрията в съществуващите частици и техните взаимодействияһттр://.

Този полумодулен курс по физика на трето ниво има за цел да обхване общите свойства на ядрата, да разгледа характеристиките на ядрената сила, да представи основните модели на ядрото, да обсъди радиоактивността и взаимодействията с материята, да изучи ядрените реакции, по-специално деленето, синтеза и бомбата, и да развие умения за решаване на проблеми във всички тези области. Мотивът е, че ядрените процеси играят фундаментална роля във физическия свят, в произхода на Вселената, в създаването на химичните елементи, като източник на енергия на звездите и в основните съставки на материята - плюс най-добрият от всички мотиви - любопитствотоһттр://.

Версия на уебсайта: Този проект за студентите по медицинска физика с дуално обучение предоставя възможност за по-задълбочено изучаване на тема от особен интерес. Студентът ще работи самостоятелно или в малък екип под академичен и/или клиничен надзор (студентите се насърчават да бъдат активни при специфицирането на тези проекти в областите на интерес на академичния състав). Работата по проекта ще даде на студентите опит и практически лабораторни/компютърни умения в реална изследователска/клинична среда. Те ще разработят хипотези и идеи, свързани с конкретен изследователски проект, и ще проведат задълбочени експерименти и анализи за проверка на хипотезата, като познават задълбочено специфичната научна литература. Ще се придобие представа за критичните фактори, свързани с разработването на график за научни изследвания, умения за четене, критична оценка и писанеһттр://.

Признава се, че учениците от четвърта година желаят да се запознаят с работната среда, за да подпомогнат избора на професия. Този модул отговаря на тази необходимост, като предоставя възможност за работа с практикуващ физик или инженер в подходяща болнична или индустриална средаһттр://.