Методы медицинской томографии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Физический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебно-методической
работе, профессор Е.Г. Елина
"__" __________________2011 г.
Рабочая программа дисциплины
Методы медицинской томографии
Направление подготовки
011200 Физика
Профиль подготовки
Медицинская фотоника
Квалификация (степень) выпускника
магистр
Форма обучения
очная
Саратов, 2011
1. Цели освоения дисциплины
Цель освоения дисциплины «Методы медицинской томографии»
заключается в обеспечении магистрантов базовыми знаниями и навыками в
области томографических методов визуализации с использованием
зондирующих излучений различной природы, 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.
В курсе изложены основные принципы получения информации о проекциях
объекта на заданные в пространстве направления при помощи
электромагнитных
полей
в
различных
частотных
диапазонах
электромагнитного спектра (гамма-излучение, рентгеновское излучение,
видимый свет, инфракрасное излучение, радиоволны), и акустических полей
в зондируемой среде.. В курсе также изложены различные подходы,
объединяемые общим принципом – восстановлением трехмерных
изображений объекта по серии двумерных образов равноотстоящих срезов, в
свою очередь восстанавливаемых по набору проекций. Основные положения
курса дают возможность расширить область применения методов расчета
важнейших характеристик основных элементов томографических систем,
использующих принципы абсорбционной, эмиссионной, оптической
когерентной, оптической диффузионной, ЯМР и ультразвуковой томографии,
а также статистического и аналитического моделирования процессов
взаимодействия зондирующих излучений различной природы с веществом..
Цели освоения дисциплины «Методы медицинской томографии»
заключаются также в выработке практических навыков решения физических
проблем в области исследования структуры биологических объектов,
получении высшего профессионально профилированного образования в
области физики, 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 магистерской программы
«Медицинская фотоника»
Дисциплина «Методы медицинской томографии» относится к
профессиональному циклу дисциплин направления (М2), дисциплине
(М2.Р4).
В рамках учебного плана дисциплина «Методы медицинской томографии»
базируется на теоретических представлениях и математико-аналитическом
аппарате таких дисциплин программы «Медицинская фотоника», как:
 Оптика биотканей;
 Математическое моделирование взаимодействия излучений с
биотканями;
Для успешного усвоения дисциплины необходимы знания основ
и методов оптики и физики атомов,
молекул и атомных явлений, основных
представлений
о
классической
и
квантовой теории излучения света
атомами, молекулярной физики.
При освоении дисциплины «Методы медицинской томографии»
студенты должны иметь навыки самостоятельной работы с учебными
пособиями и монографической литературой, в том числе на иностранном
языке, уметь осуществлять поиск в базах данных научной литературы,
формулировать поисковые запросы и фильтрацию результатов поиска.
Студенты должны иметь навыки работы с персональным компьютером
достаточные для самостоятельного освоения пользовательского интерфейса и
функциональных возможностей пакетов программ для научных и
инженерных расчетов и обработки экспериментальных данных (Matlab,
Mathcad, Originlab Origin и др.).
Знания, полученные при освоении дисциплины «Методы
медицинской томографии», необходимы при выполнении студентом
квалификационных работ в течение всего курса обучения по программе
«Медицинская фотоника».
3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате
освоения дисциплины «Методы медицинской томографии».
В результате освоения дисциплины «Методы медицинской
томографии» должны формироваться в определенной части следующие
компетенции:
общекультурные:
- способностью самостоятельно приобретать с помощью информационных
технологий и использовать в практической деятельности новые знания и
умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не
связанных со сферой деятельности, расширять и углублять своё научное
мировоззрение (ОК-З);
общепрофессиональные:
- способность самостоятельно ставить конкретные задачи научных
исследований в области физики (в соответствии с профилем магистерской
программы) и решать их с помощью современной аппаратуры, оборудования,
информационных технологий с использованием новейшего отечественного и
зарубежного опыта (ПК-З);
- способность свободно владеть разделами физики, необходимыми для
решения научно-инновационных задач (в соответствии с профилем
подготовки) (ПК-6);
- способность проводить свою профессиональную деятельности с учетом
социальных, этических и природоохранных аспектов (ПК-8)
В результате освоения дисциплины «Методы медицинской
томографии» обучающийся должен:
•Знать:
 основные принципы реконструкции томографических изображений;
 Генераторы и детекторы ионизирующего излучения;
 механизмы
взаимодействия
рентгеновского
излучения
с
биологическими тканями;
 схемы и принципы функционирования рентгеновских томографов 3 – 5
поколений;
 физические основы позитронной эмиссионной томографии;
 физические принципы ЯМР-томографии.
•Уметь:
 объяснить характерные особенности томографических изображений;
 работать с приборами и оборудованием современной физической
лаборатории;
 использовать различные методики физических измерений и обработки
экспериментальных данных;
 использовать методики восстановления трехмерных изображений в
целях медицинской диагностики.
•Владеть:
 практическими навыками восстановления трехмерных изображений по
их проекциям;
 навыками обработки и интерпретации результатов экспериментов;
4. Структура и содержание дисциплины «Методы медицинской
томографии»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетных единицы, 72 часа
(18 часов лекций, из них 6 в интерактивной форме, 18 часов практических
занятий, 36 часов самостоятельной работы)
4.1. Структура дисциплины
№
п/
п
Раздел дисциплины
Семестр
1
Фундаментальны 1
е
основы
томографических
методов
Неделя
семестра
Виды учебной работы,
включая самостоятельную
работу студентов и
трудоемкость (в часах)
Лекци Практ. Лабо Са
и
заняти рато
мо
я
рные ст.
раб. Раб
.
1
2
2
4
Формы текущего
контроля
успеваемости (по
неделям семестра)
Формы
промежуточной
аттестации (по
семестрам)
2
3
4
5
6
7
Абсорбционная
проекционная
томография.
Эмиссионная
томография
Физические
основы
и
медицинские
применения ЯМРтомографии
Ультразвуковые
методы
зондирования и
томографии:
физические
основы
и
медицинские
применения
Методы
восстановления
трехмерных
изображений
Контрастировани
е изображений в
томографии
ИТОГО:
1
2-4
2
2
8
1
5-6
2
2
4
1
7-9
4
2
4
1
10-12
4
4
2
1
13-16
2
2
8
1
17-18
2
4
6
18
18
18
36 Экзамен
4.2. Содержание дисциплины
1. Фундаментальные основы томографических методов. Геометрооптические
подходы в томографии и область их применения. Бездифракционная и
дифракционная томография. Физические эффекты, используемые в
различных методах зондирования биологических объектов.
2. Абсорбционная проекционная томография. Рентгеновская томография.
Интервал частот и длин волн электромагнитного излучения,
соответствующий
рентгеновскому
диапазону.
Особенности
взаимодействия рентгеновского излучения с биологическими тканями.
Основные механизмы взаимодействия рентгеновского излучения с
биологическими
тканями:
фотоэлектрическое
поглощение
и
комптоновское рассеяние. Источники рентгеновского излучения для
медицинских применений. Типичная конструкция рентгеновской трубки.
Спектр излучения рентгеновской трубки. Характеристические пики в
рентгеновских спектрах и физический механизм их возникновения.
Детекторы
рентгеновского
излучения.
Сцинцилляционные
и
ионизационные детекторы. Коллиматоры рентгеновского излучения: их
устройство и назначение. Схемы и особенности функционирования
рентгеновских томографов 1 – 5 поколений. Применения рентгеновской
томографии в медицине.
3.
Эмиссионная томография. Физические принципы однофотонной
эмиссионной томографии. Основные радионуклиды, входящие в состав
препаратов для однофотонной эмиссионной томографии, и их
характеристики (период полураспада, энергия квантов). Методы введения
радионуклидных препаратов в организм и меры безопасности при их
применении. Коллиматоры и детекторы излучения в однофотонной
эмиссионной томографии. Типичная схема эмиссионного томографа.
Применение однофотонной эмиссионной томографии в медицине.
Позитронная эмиссионная томография (ПЭТ). Эффект рождения пары
гамма-квантов при аннигиляции пары «электрон-позитрон». Законы
сохранения, определяющие характеристики рождающихся гамма квантов.
Радионуклиды, входящие в состав препаратов для ПЭТ. Влияние значения
энергии позитронов, рождающихся в процессе распада радионуклидов, на
качество и разрешение томограмм. Детекторы гамма-излучения,
используемые в ПЭТ. Типичная схема позитронного эмиссионного
томографа; использование эффекта парного рождения гамма-квантов в
объеме зондируемой биоткани для локализации акта распада ядра
радионуклида. Диагностические применения ПЭТ.
4. Физические основы и медицинские применения ЯМР-томографии.
Историческая справка. Явление прецессии магнитных моментов ядер во
внешнем магнитном поле. Уравнение Лармора. Ларморова частота.
Гиромагнитное отношение и его значения для различных ядер. Прецессия
намагниченности образца при одновременном воздействии на него
постоянного магнитного поля и циркулярно поляризованной
электромагнитной волны с ларморовой частотой. Сигнал спада свободной
индукции. /2 и -импульсы в ЯМР томографии. Продольная и
поперечная релаксация магнитных моментов ядер. Принцип локализации
зондируемого объема в ЯМР-томографии путем создания ненулевых x, y,
z-составляющих градиента внешнего магнитного поля. Схема ЯМРтомографа и функциональное назначение различных элементов схемы.
Биохимические параметры, определяемые с использованием ЯМРтомографии. Диагностические применения ЯМР-томографии.
5. Ультразвуковые методы зондирования и томографии: физические основы
и медицинские применения. Взаимодействие акустических волн с
биологическими тканями: рассеяние и поглощение. Вклад рассеяния и
поглощения в затухание акустических волн. Скорость распространения
акустических волн в биологических тканях. Частотный диапазон
ультразвуковых колебаний, используемых в ультразвуковой диагностике
и томографии. Типичная схема ультразвукового сканера, работающего по
эхо-импульсному принципу. Необходимость временной автоматической
регулировки усиления для компенсации затухания сигнала и
логарифмического сжатия сигнала по амплитуде при ультразвуковом
сканировании. Режимы сканирования, используемые в ультразвуковой
диагностике.
Многоэлементные ультразвуковые преобразователи и
принцип динамической фокусировки.
6. Методы восстановления трехмерных изображений. Общие принципы
построения томографического изображения трехмерного объекта.
Восстановление двумерного изображения сечения объекта по набору
проекций. Применение численных методов решения обратных задач в
томографии.
7.
Контрастирование
изображений
в
томографии.
Применение
рентгеноконтрастных веществ для повышения качества рентгеновских
изображений. Магнитоактивные вещества для ЯМР томографии.
Резонансные явления и резонансные препараты для контрастирования
изображений при ультразвуковом сканировании.
5. Образовательные технологии
При реализации дисциплины «Методы медицинской томографии»
используются следующие виды учебных занятий: лекции, практические
занятия, консультации, самостоятельные работы.
В рамках лекционных занятий предусмотрены активные формы
учебного процесса: разбор конкретных ситуаций, натурные демонстрации и
обсуждение наблюдаемых явлений и эффектов, компьютерные демонстрации
с использованием современных цифровых систем изобразительной техники.
В рамках практических лабораторных занятий предусмотрены:
детальный разбор физических основ основных разделов лекционного курса с
решением физических задач по основным разделам содержания дисциплины,
выполнением лабораторных работ и выполнение контрольных работ по всем
разделам.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы
студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
6.1 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы
студентов
Виды самостоятельной работы студента:
- изучение теоретического материала по конспектам лекций и
рекомендованным
учебным
пособиям,
монографической
учебной
литературе;
- самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, выделенных
в программе дисциплины, нерассмотренных на лекциях;
- выполнение комплекса заданий теоретического характера, расчетных и
графических по всем разделам дисциплины;
- выполнение практических заданий по обработке полученных спектров;
Порядок выполнения и контроля самостоятельной работы студентов:
- предусмотрена еженедельная самостоятельная работа обучающихся по
изучению теоретического лекционного материала; контроль выполнения
этой работы предусмотрен на практических занятиях по данной
дисциплине;
- самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, выделенных
в
программе
дисциплины
и
нерассмотренных
на
лекциях
предусматривается по мере изучения соответствующих разделов, в которых
выделены эти вопросы для самостоятельного изучения; контроль
выполнения этой самостоятельной работы предусмотрен в рамках
промежуточного контроля – экзамена по данной дисциплине;
- выполнение и письменное оформление комплекса заданий теоретического
характера, расчетных и графических по основным разделам дисциплины
предусмотрено еженедельно по мере формулировки этих заданий на
лекциях; предусматривается письменное выполнение этой самостоятельной
работы с текстовым, включая формулы, и графическим оформлением;
контроль выполнения этой самостоятельной работы предусмотрен при
завершении изучения дисциплины по представленному в печатном виде
отчету по этому виду самостоятельной работы;
- изучение теоретического материала по методическим руководствам к
специальному физическому практикуму по спектроскопии предусмотрено
еженедельно с отчетом о проделанной работе на практических лабораторных
занятиях.
6.2 Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля:
Исследование влияния содержания крови и меланина в коже человека
на спектр ее диффузного отражения.
1.
Основные принципы реконструкции томографических изображений.
Фундаментальные различия между проекционной (бездифракционной) и
дифракционной томографией.
2.
Генерация рентгеновского излучения для медицинских применений.
Схема и принцип действия рентгеновской трубки. Спектр рентгеновского
излучения.
3.
Детекторы рентгеновского излучения. Сцинцилляционные детекторы.
Ионизационные детекторы. Коллиматоры рентгеновского излучения и их
основное назначение в рентгеновских сканерах и томографах.
4.
Механизмы
взаимодействия
рентгеновского
излучения
с
биологическими тканями. Рентгеноконтрастные вещества и их применение
для улучшения качества рентгеновских изображений.
5.
Схемы и принципы функционирования рентгеновских томографов 3 – 5
поколений. Основные диагностические применения рентгеновской
томографии.
6.
Однофотонная эмиссионная томография. Радионуклидные препараты
для однофотонной эмиссионной томографии. Детекторы излучения.
Типичная схема эмиссионного томографа и особенности реконструкции
томографических изображений.
7.
Физические
основы
позитронной
эмиссионной
томографии.
Радионуклидные препараты для ПЭТ и основные требования к ним.
8.
Схема позитронного эмиссионного томографа. Основные медицинские
применения ПЭТ.
9.
Физические основы ЯМР-томографии. Прецессия магнитных моментов
ядер во внешнем магнитном поле. Уравнение Лармора. Прецессия магнитных
моментов ядер при одновременном воздействии на образец постоянного
магнитного поля и циркулярно поляризованной электромагнитной волны.
10. Физические принципы ЯМР-томографии. Формирование сигнала спада
свободной индукции. Воздействие на объект /2 и -импульсов. Локализация
зондируемого объема в пространственно-неоднородном магнитном поле.
11. Типичная схема ЯМР-томографа и функциональное назначение
различных узлов и блоков. Медицинские применения ЯМР-томографии.
12. Особенности распространения акустических волн в биологических
тканях. Скорость акустических волн и механизмы взаимодействия звука с
биотканями. Диапазон частот ультразвуковых колебаний, используемых в
биомедицинской диагностике.
13. Типичная схема УЗ-сканера, работающего по эхо-импульсному методу,
и основное назначение его узлов и блоков. Временная регулировка усиления
канала приема и логарифмическое сжатие регистрируемого сигнала. Режимы
сканирования в ультразвуковой диагностике.
14. Многоэлементные пьезоэлектрические преобразователи. Сканирование
и динамическая фокусировка УЗ пучка, формируемого многоэлементным
преобразователем. Медицинские применения УЗ сканеров.
6.4 Контрольные вопросы и задания для проведения аттестации по
итогам освоения дисциплины «Методы медицинской томографии»
1.
Фундаментальные различия между проекционной (бездифракционной)
и дифракционной томографией.
2.
Генерация рентгеновского излучения для медицинских применений.
Схема и принцип действия рентгеновской трубки. Спектр рентгеновского
излучения.
3.
Детекторы рентгеновского излучения. Сцинцилляционные детекторы.
Ионизационные детекторы. Коллиматоры рентгеновского излучения и их
основное назначение в рентгеновских сканерах и томографах.
4.
Механизмы
взаимодействия
рентгеновского
излучения
с
биологическими тканями. Рентгеноконтрастные вещества и их применение
для улучшения качества рентгеновских изображений.
5.
Схемы и принципы функционирования рентгеновских томографов 3 – 5
поколений. Основные диагностические применения рентгеновской
томографии.
6.
Однофотонная эмиссионная томография. Радионуклидные препараты
для однофотонной эмиссионной томографии. Детекторы излучения.
Типичная схема эмиссионного томографа и особенности реконструкции
томографических изображений.
7.
Физические
основы
позитронной
эмиссионной
томографии.
Радионуклидные препараты для ПЭТ и основные требования к ним.
8.
Схема позитронного эмиссионного томографа. Основные медицинские
применения ПЭТ.
9.
Физические основы ЯМР-томографии. Прецессия магнитных моментов
ядер во внешнем магнитном поле. Уравнение Лармора. Прецессия магнитных
моментов ядер при одновременном воздействии на образец постоянного
магнитного поля и циркулярно поляризованной электромагнитной волны.
10. Физические принципы ЯМР-томографии. Формирование сигнала спада
свободной индукции. Воздействие на объект /2 и -импульсов. Локализация
зондируемого объема в пространственно-неоднородном магнитном поле.
11. Типичная схема ЯМР-томографа и функциональное назначение
различных узлов и блоков. Медицинские применения ЯМР-томографии.
12. Особенности распространения акустических волн в биологических
тканях. Скорость акустических волн и механизмы взаимодействия звука с
биотканями. Диапазон частот ультразвуковых колебаний, используемых в
биомедицинской диагностике.
13. Типичная схема УЗ-сканера, работающего по эхо-импульсному методу,
и основное назначение его узлов и блоков. Временная регулировка усиления
канала приема и логарифмическое сжатие регистрируемого сигнала. Режимы
сканирования в ультразвуковой диагностике.
14. Многоэлементные пьезоэлектрические преобразователи. Сканирование
и динамическая фокусировка УЗ пучка, формируемого многоэлементным
преобразователем. Медицинские применения УЗ сканеров.
7.
Учебно-методическое
и
информационное
дисциплины «Методы медицинской томографии»
обеспечение
а) основная литература:
1. Оптическая биомедицинская диагностика: учеб. пособие: в 2 т./ пер. с
англ. под ред. В.В. Тучина. М.: Физматлит, 2007.
2. В.В. Тучин, Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских
исследованиях, 2-е издание, Физматлит, 2010.
б) дополнительная литература:
1. Л. Д. Линденбратен, И. П. Королюк Медицинская радиология (основы
лучевой диагностики и лучевой терапии) . Учебная литература для
студентов медицинских вузов. М:Медицина 2000. 367с.
2. А.В. Зубарев, В.Е. Гажонова Диагностический ультразвук.
М:Медицина. 2002. 237с
3. . Сойфер В.А. Компьютерная обработка изображений, Ч.1// Соровский
образовательный журнал, № 2, 1996, с. 118-124.
4. Сойфер В.А. Компьютерная обработка изображений Ч.2 //Соровский
образовательный журнал, № 3, 1996 , c. 110-121.
5. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. М.: Мир, т.1,2. 1982.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
Учебно-методические материалы практикума, размещенные на сайте
кафедры оптики и биофотоники Саратовского государственного
университета им. Н.Г. Чернышевского http://optics.sgu.ru/library/education
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
«Молекулярная спектроскопия в биофизике»
Мультимедийный проектор, компьютер преподавателя, доступ в Интернет,
лабораторный практикум.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом
рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению 011200 Физика
магистерской программы «Медицинская фотоника».
Автор:
профессор кафедры оптики и биофотоники,
д.ф.-м.н., профессор
В.И. Кочубей
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