Оптика биотканей и клеток - Саратовский государственный

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Физический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор СГУ по учебнометодической работе
________________Е.Г. Елина
"__" ________________2011 г.
Рабочая программа дисциплины
Оптика биологических тканей и клеток
Направление подготовки
011200 Физика
Профиль подготовки
Биофизика
Квалификация (степень) выпускника
Магистр
Форма обучения
очная
Саратов, 2011
1
1. Цели освоения дисциплины
Целью освоения дисциплины «Оптика биологических тканей и клеток»
является приобретение теоретических знаний и практических навыков по
изучению и описанию оптических явлений в биотканях и ансамблях клеток и
методам оптической визуализации, что соответствует основным целям
магистратуры
в
части
получении
высшего
профессионально
профилированного образования, позволяющего выпускнику успешно
работать в избранной сфере деятельности в РФ и за рубежом, обладать
универсальными и предметно специализированными компетенциями,
способствующими его социальной мобильности, востребованности на рынке
труда и успешной профессиональной карьере.
2. Место дисциплины в структуре ООП магистратура
Дисциплина
«Оптика биологических тканей и клеток» относится к
общенаучному циклу (М1), курс (М1Р2) читается в семестре В. Форма
итоговой аттестации — зачет.
Изучаемый в рамках дисциплины теоретический и практический
материал является естественным продолжением, с одной стороны,
биологических (физиологических) дисциплин по профилю подготовки
бакалавров, а с другой - курсов по методам биофизического и оптического
эксперимента и анализу данных. Для
успешного
освоения
данной
дисциплины обучаемый должен владеть
знаниями о строении и
функционировании основных систем организма человека, оптических
явлениях в средах, близких по строению к биотканям, а также о методах
оптической спектроскопии, математическому моделированию в биофизике.
Полученные в результате освоения данной дисциплины знания и
навыки могут быть непосредственно применены обучающимися в их
будущей профессиональной деятельности, а при дальнейшем обучении
являются частью базовых знаний по таким курсам, как «Спектроскопия
биологических
тканей
и
клеток»,
«Спектрально-поляризационная
диагностика биотканей» и
«Управление оптическими свойствами
биотканей».
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины «Оптика биологических тканей и клеток»
В результате освоения дисциплины «Оптика биологических тканей и клеток»
должны формироваться в определенной части следующие компетенции:
2
общекультурные:
способность демонстрировать знания в области математики и естественных
наук (ОК-1);
профессиональные:
способность применять на практике базовые профессиональные навыки (ПК2);
способность пользоваться современными методами обработки, анализа и
синтеза физической информации (в соответствии с профилем подготовки)
(ПК-6).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать основные оптические и биофизические явления и процессы в
биологических тканях и их взаимосвязь. Знать направленность и границы
применимости оптических методов исследования биотканей и клеток, их
сравнительные преимущества и недостатки. Знать наиболее важные
этические и юридические аспекты действий, связанных с учебным и
профессиональным применением средств оптической диагностики.
Уметь реализовать базовые схемы расчета и измерения оптических
свойств биологических тканей и клеток, уметь пользоваться измерительной
аппаратурой и специализированным программным обеспечением. Уметь
представить результаты измерений в форме, соответствующей области
применения (анализ оптических процессов либо медико-биологические и
диагностические приложения).
Владеть практическими навыками по реализации основных методик
расчета и измерения оптических параметров биологических тканей и клеток.
4. Структура и содержание дисциплины «Оптика биологических тканей
и клеток»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетные единицы, в том
числе – 12 часов лекций, 12 часов практических занятий и 48 часов
самостоятельной работы.
4.1. Структура дисциплины
№
Раздел дисциплины
п/п
Виды учебной
работы, включая
Сем Неделя
самостоятельную
ест семестр
работу студентов и
р а
трудоемкость (в
часах)
Формы
текущего
контроля
успеваемости
(по неделям
семестра)
3
1
Оптические свойства
В
прозрачных биотканей и
отдельных клеток
1,2
Л(2)
2
Оптические свойства
В
тканей с многократным
рассеянием.
Взаимодействие
В
лазерного излучения с
биотканями и потоками
клеток
Методы и устройства
В
медицинской
оптической диагностики
Спектроскопия и
В
визуализация биотканей
и клеток с временным
разрешением
Когерентно-оптические В
методы и устройства для
биомедицинской
диагностики
3,4
Л(2)
5,6
Л(2)
7,8
Л(2)
9,10
Л(2)
11,12
Л(2)
3
4
5
6
Формы
промежуточн
ой аттестации
(по
семестрам)
ПЗ(2) СР(8) Задание на
проект по
практическим
занятиям (1
нед.)
ПЗ(2) СР(8) Отчет по
проекту (4
нед.)
ПЗ(2) СР(8) Отчет по
проекту (6
нед.)
ПЗ(2) СР(8) Отчет по
проекту (8
нед.)
ПЗ(2) СР(8) Отчет по
проекту
(10нед.)
ПЗ(2) СР(8) Защита
проекта (12
нед.)
4.2. Содержание дисциплины
1. Оптические свойства прозрачных биотканей и отдельных клеток
Оптические модели тканей глаза. Спектры пропускания и рассеяния тканей
глаза. Поляризационные свойства тканей глаза и других прозрачных
биологических объектов, включая отдельные клетки.
2. Оптические свойства тканей с многократным рассеянием
Распространение света в биотканях, основные принципы, рассеяние света и
наиболее важные поглотители. Теоретическое описание, Метод Монте
Карло. Распространение коротких импульсов в биотканях. Основные
принципы и теоретический подход. Принципы оптической визуализации с
временным разрешением. Диффузионные волны фотонной плотности.
Основные принципы и теоретический подход. Принципы оптической
4
модуляционной визуализации биотканей. Распространение поляризованного
света в биотканях.
3. Взаимодействие лазерного излучения с биотканями и потоками
клеток
Формирование спеклов при рассеянии света в клеточных структурах.
Интерференция спекл-полей. Динамическое рассеяние света.
4. Методы и устройства медицинской оптической диагностики
Спектрофотометрия, методы и устройства для in vivo спектроскопии и
получения изображений биотканей. Примеры систем для получения
изображений. Примеры спектроскопических систем.
5. Спектроскопия и визуализация биотканей и клеток с временным
разрешением
Импульсные
системы.
Модуляционные
(фазовые)
системы.
Интерференционные системы (волны фотонной плотности). In vivo
измерения, пределы детектирования и примеры клинического применения.
6. Когерентно-оптические методы и устройства для биомедицинской
диагностики
Фотон-корреляционная спектроскопия прозрачных биотканей и потоков
клеток. Диффузионно-волновая спектроскопия и интерферометрия –
измерение скорости микроциркуляции крови в биотканях. Оптическая
спекл-топография и томография биотканей. Методы когерентной
микроскопии (конфокальная микроскопия). Интерферометрия и томография
с использованием частично-когерентных источников света. Методы
оптического просветления биотканей.
5. Образовательные технологии
Лекционные занятия с использованием мультимедийных средств.
Практические занятия выполняются в форме подготовки проекта по
реализации методик исследования оптических явлений в биотканях с
применением специализированного спектрального и микроскопического
оборудования.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Наполнение объема часов самостоятельной работы предусмотрено в
виде подготовки проекта по одной из тем курса, а также чтении
дополнительной литературы по курсу.
5
При выполнении самостоятельной работы студент должен ознакомиться с
периодической и монографической литературой по следующим темам:
1) Когерентно-оптические методы и устройства для биомедицинской
диагностики и визуализации.
2) Фотон-корреляционная спектроскопия прозрачных биотканей и
потоков клеток.
3) Дифузионно-волновая спектроскопия и интерферометрия – измерение
скорости микроциркуляции крови в биотканях.
4) Оптическая спекл-топография и томография биотканей.
5) Методы когерентной микроскопии (конфокальная микроскопия).
6) Интерферометрия и томография с использованием частичнокогерентных источников света.
7) Методы оптического просветления биотканей.
В качестве периодических изданий рекомендуются следующие российские
академические и зарубежные издания:
1) Квантовая электроника
2) Оптика и спектроскопия
3) Письма в журнал технической физики
4) Оптический журнал
5) J. Biomedical Optics
6) J. Biophotonics
7) J. Innovative Optical Health Sciences
8) Applied Optics
9) J. Opt. Soc. Am.
10)
Laser Physics
11)
Laser Physics Letters
Студент должен показать умение работать с периодической и
монографической литературой, продемонстрировать навыки поиска
материала, используя библиотечные поисковые системы и Интернет.
Тестовые задания для оценки остаточных знаний по дисциплине
1. Чем определяется высокая прозрачность роговицы и хрусталика глаза
человека и животных в видимой области?
Однородностью биологической ткани?
Следствием высокой степени регулярности (организованности) структуры
ткани?
Только отсутствием сильно поглощающих хромофоров в ткани?
Значительным содержанием воды?
2. Оптические свойства мутных тканей определяются:
Только многократным рассеянием фотонов?
Многократным рассеянием и поглощением фотонов?
Только поглощением фотонов?
6
Однократным рассеянием фотонов?
3. Оптическая иммерсия сильно рассеивающей биологической ткани
увеличивает:
Коэффициент отражения?
Коэффициент пропускания?
Коэффициент поглощения?
Полный гемоглобин?
4. Оптическая иммерсия сильно рассеивающей биологической ткани
уменьшает:
Коэффициент отражения?
Коэффициент пропускания?
Коэффициент поглощения?
Полный гемоглобин?
5. Оптическая иммерсия сильно рассеивающей биологической ткани
уменьшает:
Коэффициент пропускания?
Коэффициент поглощения?
Полный гемоглобин?
Коэффициент рассеяния?
6. Оптическая иммерсия сильно рассеивающей биологической ткани
увеличивает:
Коэффициент отражения?
Параметр анизотропии рассеяния?
Коэффициент поглощения?
Степень насыщения гемоглобина кислородом?
7. При оптической иммерсии сильно рассеивающей ткани
гиперосмотическими агентами ее оптические свойства меняются за
счет:
Охлаждения?
Нагрева?
Дегидратации?
Коагуляции белков?
8. Распространение коротких импульсов света в биологических тканях
описывается:
Уравнением Шредингера?
Временным уравнением теории переноса излучения?
Уравнением теплопроводности?
Уравнением Навье-Стокса?
9. Какие фотоны несут более достоверную информацию об оптической
неоднородности (опухоли) в ткани:
Баллистические?
С зигзагообразными траекториями (змеевидные)?
Диффузионные?
7
Рассеянные под углом 90?
10.Какие фотоны могут быть реально использованы при получении
информации об оптической неоднородности (опухоли) в толстых
тканях (мозг, молочная железа):
Баллистические?
С зигзагообразными траекториями (змеевидные)?
Диффузные?
Рассеянные под углом 90?
11.Может ли импульсная спектроскопия получать одновременную
информацию о:
Параметре анизотропии рассеяния и гематокрите?
Приведенном коэффициенте рассеяния и коэффициенте поглощения?
Альбедо и показателе преломления?
О скорости распространения света в ткани и содержании воды ?
12.Какие частоты модуляции используются при исследовании типичных
биологических тканей с помощью возбуждения диффузионных волн
фотонной плотности:
Инфранизкие (герцовый диапазон)?
Низкие (килогерцовый диапазон)?
Высокие (мегагерцовый диапазон)?
Сверхвысокие (терагерцовый диапазон)?
13.Может ли модуляционная спектроскопия на основе волн фотонной
плотности получать одновременную информацию о:
Параметре анизотропии рассеяния и гематокрите?
Приведенном коэффициенте рассеяния и коэффициенте поглощения?
Альбедо и показателе преломления?
О скорости распространения света в ткани и содержании воды?
14.Распространение поляризованного света в биотканях описывается
Уравнением Шредингера?
Векторным уравнением теории переноса излучения?
Уравнением теплопроводности?
Уравнением Навье-Стокса?
15.Что измеряет измеритель матрицы рассеяния (матрицы Мюллера)
Матрицу Мюллера?
Вектор Стокса рассеянного света?
Матрицу Джонса?
Интенсивность рассеянного света?
16.Какой эффект обусловлен когерентностью света при взаимодействии
лазерного излучения с биотканями и потоками клеток
Уменьшение интенсивности рассеянного света?
Образование спеклов?
Увеличение интенсивности прошедшего света?
Увеличение размеров лазерного пучка?
17.Пространственно-модулированные лазерные пучки формируются с
8
помощью:
Специальных масок (экранов)?
Интерферометров?
Виброметров?
Электро-оптических модуляторов?
18.Динамическое рассеяние света обусловлено:
Движением рассеивателей?
Интерференцией рассеянных волн?
Взаимодействием рассеивателей?
Изменением размеров рассеивателей?
19.Какой из перечисленных методов не позволяет регистрировать
скорость микроциркуляции крови:
Спектрофотометрия?
Фотон-корреляционная спектроскопия?
Диффузионно-волновая спектроскопия?
Оптическая когерентная томография?
Список контрольных вопросов по освоению основных понятий и
положений дисциплины
1. Строение и оптические свойства прозрачных биотканей.
2. Спектры пропускания и рассеяния тканей глаза.
3. Оптические свойства тканей с сильным (многократным) рассеянием.
4. Распространение света в биотканях, основные принципы распространения
света и наиболее важные поглотители.
5. Метод Монте Карло.
6. Методы измерения оптических параметров биотканей, основные
принципы, методы и результаты.
7. Прямые измерения фазовой функции рассеяния. Измерения показателя
преломления.
8. Методы управления оптическими параметрами биотканей.
9. Распространение коротких импульсов в биотканях. Основные принципы и
теоретический подход.
10. Принципы спектроскопии и визуализации с временным разрешением.
11. Диффузионные волны фотонной плотности. Основные принципы и
теоретический подход.
12. Принципы модуляционной спектроскопии и томографии биотканей.
13. Распространение поляризованного света в биотканях.
14. Эффекты когерентности света при взаимодействии лазерного излучения с
биотканями и потоками клеток.
15. Распространение пространственно-модулированных лазерных пучков в
рассеивающих средах.
16. Динамическое рассеяние света
17. Методы и устройства медицинской оптической диагностики.
9
18. Спектрофотометрия, методы и устройства для in vivo спектроскопии и
получения изображений биотканей.
19. Спектроскопия и томография биотканей с временным разрешением.
Импульсные системы.
20. Модуляционные (фазовые) системы.
21. In vivo измерения, пределы детектирования и примеры клинического
применения.
22. Когерентные методы и устройства для биомедицинской диагностики и
томографии.
23. Фотон-корреляционная спектроскопия прозрачных биотканей и потоков
клеток.
24. Диффузионно-волновая спектроскопия и интерферометрия – измерение
скорости микроциркуляции крови в биотканях.
25. Оптическая спекл-топография и томография биотканей.
26. Интерферометрия и томография с использованием частично-когерентных
источников света.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
«Оптика биологических тканей и клеток»
а) основная литература:
1. В.В. Тучин, Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских
исследованиях, 2-е издание, Физматлит, 2010.
2. Оптическая биомедицинская диагностика. T.1, 2 / Под ред. Тучина В.В.
Пер. с англ. М., Физматлит, 2007; Handbook on Optical Biomedical
Diagnostics. V. PM107 / Ed. by Tuchin V.V. Bellingham, SPIE Press, 2002.
3. Пушкарева А.Е. Методы математического моделирования в оптике
биоткани. Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. – 103 с.
4. Tuchin V.V. Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for
Medical Diagnosis, 2nd edition. Bellingham, WA, SPIE Press, 2007. V. PM
166.
5. Лопатин В.Н., Приезжев А.В., Апонасенко А.Д., Шепелевич Н.В.,
Пожиленкова П.В., Простакова И.В. Методы светорассеяния в анализе
дисперсных биологических сред. М., Физматлит, 2006.
6. Лазерная инженерия хрящей / Под ред. Баграташвили В.Н., Соболя
Э.Н., Шехтера А.Б. М., Физматлит, 2006.
7. Гладкова Н.Д. Оптическая когерентная томография в ряду методов
медицинской визуализации, Н. Новгород: Институт прикладной
физики РАН, 2005.
8. Руководство по оптической когерентной томографии/Под ред.
Гладковой Н.Д., Шаховой Н.М., Сергеева А.М. М., Физматлит,
Медицинская книга, 2007.
10
9. Жорина Л.В., Змиевской Г.Н. Основы взаимодействия физических
полей с биологическими объектами. М., Изд-во МГТУ им. Н.Э.
Баумана, 2006.
10.Tuchin V.V. Dictionary of Biomedical Optics and Biophotonics.
Bellingham, WA, SPIE Press, 2011.
11.Башкатов А.Н., Генина Э.А., Долотов Л.Е., Правдин А.Б., Тучин В.В.
Общий биофизический практикум. Саратов: Изд-во Саратовского
университета, 2011.
б) дополнительная литература:
1. V.V. Tuchin, Optical Clearing of Tissues and Blood, Vol. PM 154, SPIE
Press, 2006.
2. Valery V. Tuchin, Lihong Wang, and Dmitry Zimnyakov, Optical
Polarization in Biomedical Applications, Springer-Verlag, 2006.
3. Wang L.V., Wu H.-I. Biomedical Optics: Principles and Imaging. Hoboken,
N.J., Wiley-Interscience, 2007.
4. Optical Coherence Tomography: Technology and Applications / Ed. by
Drexler W., Fujimoto J.G. Berlin, Springer, 2008.
5. Handbook of Optical Sensing of Glucose in Biological Fluids and Tissues /
Ed. by Tuchin V.V. London, CRC Press, Taylor & Francis Group, 2009.
6. Light Based Systems for Cosmetic Application / Ed. by Ahluwalia G.
Norwich, William Andrew, 2009.
7. Photonics in Dentistry. Series of Biomaterials and Bioengineering / Ed. by
Kishen A., Asundi A. London, Imperial College Press, 2006.
8. Splinter R., Hooper B.A. An Introduction to Biomedical Optics. N.Y.,
London, Taylor and Francis Publishers, 2007.
9. Light-Based Therapies for Skin of Color/ Ed. by Baron E. N.Y., Springer,
2009.
10.Tuchin V.V. Optical spectroscopy of biological materials, Chapter 16, in
Encyclopedia of Applied Spectroscopy/Ed. by Andrews D.L. Weinheim,
Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2009.
11.Handbook of Photonics for Biomedical Science/Ed. by Tuchin V.V.
London, CRC Press, Taylor & Francis Group, 2010.
12.Valery V. Tuchin, Rebekah Drezek, Shuming Nie, and Vladimir P. Zharov
(Guest Editors) Special section on Nanophotonics for Diagnostics,
Protection and Treatment of Cancer and Inflammatory Diseases, J. Biomed.
Opt., March/April 2009, Vol. 14 (2), 020901; 021001-021017. 90 p.
13.Valery V. Tuchin, Attila Tarnok, and Vladimir P. Zharov (Guest Editors),
Towards in vivo flow cytometry, J. Biophoton. 2, No. 8–9, pp. 457–458
(2009) / DOI 10.1002/jbio.200910546.
14.Elina A. Genina, Kirill V. Larin, and Valery V. Tuchin (Guest Editors),
Special Issue: Optical Technologies in the Study of Tissues and Biological
Fluids, Journal of Innovative Optical Health Sciences, 2, No. 3, 2009 – 215287 http://www.worldscinet.com/jiohs/02/0203/S17935458090203.html
11
15.Башкатов А.Н., Любимов В.В., Тучин В.В. Специальный выпуск по
оптике и спектроскопии в биомедицине// Оптика и спектроскопия,
2009, том 107, № 6 (ISSN: 0030-4034) – С. 883-884; 885-1000.
16.Valery V. Tuchin, Anna N. Yaroslavsky, Steven L. Jacques, and Rox
Anderson, (Guest Editors), Biophotonics for Dermatology: Science and
Applications, J. Biophoton. 3, No. 1/2 (2010).
в) Интернет-ресурсы
http://www.worldscinet.com/jiohs/02/0203/S17935458090203.html
http://optics.sgu.ru/library/education/lowcohmt
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
«Оптика биологических тканей и клеток»
Мультимедийный проектор, компьютер преподавателя, доступ в Интернет.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом
рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению 011200 Физика и
профилю подготовки магистров Биофизика.
Автор:
профессор кафедры оптики и биофотоники,
д.ф.-м.н., профессор
В.В. Тучин
Программа одобрена на заседании кафедры оптики и биофотоники
от 14 января 2011 года, протокол №1/11.
Подписи:
Зав. кафедрой
В.В. Тучин
Декан физического факультета
(факультет, где разработана программа)
В.М. Аникин
Декан физического факультета
(факультет, где реализуется программа)
В.М. Аникин
12