Акустические методы исследования в биологии и медицине

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»
Радиофизический факультет
Кафедра акустики
УТВЕРЖДАЮ
Декан радиофизического факультета
____________________Якимов А.В.
«18» мая 2011 г.
Учебная программа
Дисциплины М2.Р5 «Акустические методы исследований в биологии и медицине»
по направлению 011800 «Радиофизика»
магистерская программа «Радиофизические методы в нейробиологии»
Нижний Новгород
2011 г.
1. Цели и задачи дисциплины
Содержание дисциплины направлено на изучение физических основ распространения и
рассеяния волн на флуктуациях неоднородной непрерывной среды. Основное внимание при
чтении лекций уделяется приближенным методам решения задач распространения и рассеяния
скалярных волн в средах с флуктуирующими параметрами.
2. Место дисциплины в структуре магистерской программы
Дисциплина «Акустические методы исследований в биологии и медицине» относится к
дисциплинам вариативной части профессионального цикла основной образовательной
программы по направлению 011800 «Радиофизика».
3. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
В результате освоения дисциплины формируются следующие компетенции:
 способностью использовать базовые знания и навыки управления информацией для решения
исследовательских профессиональных задач, соблюдать основные требования информационной
безопасности, защиты государственной тайны (ОК-l0);
 способность к свободному владению знаниями фундаментальных разделов физики и
радиофизики, необходимыми для решения научно-исследовательских задач (в соответствии со
своим профилем подготовки) (ПК-1);
 способность к свободному владению профессионально-профилированными знаниями в
области информационных технологий, использованию современных компьютерных сетей,
программных продуктов и ресурсов Интернет для решения задач профессиональной
деятельности, в том числе находящихся за пределами профильной подготовки (ПК-2);
 способность использовать в своей научно-исследовательской деятельности знание
современных проблем и новейших достижений физики и радиофизики (ПК-3);
 способность самостоятельно ставить научные задачи в области физики и радиофизики (в
соответствии с профилем подготовки) и решать их с использованием современного
оборудования и новейшего отечественного и зарубежного опыта (ПК-4).
В результате изучения студенты должны:
знать основные законы распространения акустических волн в неоднородных диссипативных
средах, а именно локальные и структурные акустические неоднородности, их сущность,
математическое описание и методы измерения параметров. Знать физику взаимодействия
акустических колебаний с биологическими тканями и объектами;
уметь применять методы получения, обработки и реконструкции акустических изображений;
принципы построения, алгоритмы и программы медицинских томографических систем, методы
и приборы акустической характеризации биологических сред;
иметь представление об общих характеристиках диагностических и терапевтических
методов, основанных на использовании акустических волн., принципах работы акустических
хирургических инструментов.
4.Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы, 108 часов.
Виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия
Лекции
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Другие виды аудиторных занятий
Самостоятельная работа
Курсовой проект (работа)
Расчетно-графическая работа
Реферат
Всего часов
108
32
32
0
0
0
0
40
0
0
0
Семестры
11
32
32
0
0
0
0
40
0
0
0
Другие виды самостоятельной работы
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)
0
экзамен (36)
0
экзамен (36)
5. Содержание дисциплины
5.1. Разделы дисциплины и виды занятий
№п/п
1
2
3
4
5
Раздел дисциплины
Введение.
Физические основы применения акустических
волн в биологии и медицине.
Биофизика ультразвуковых эффектов
Ультразвуковая визуализация в медицине
(физические принципы и аппаратура)
Применение ультразвука в медицине.
Лекции
4
7
ПЗ (или С)
ЛР
7
7
7
5.2. Содержание разделов дисциплины
I. ВВЕДЕНИЕ.
II. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В БИОЛОГИИ И
МЕДИЦИНЕ.
Краткая сводка свойств акустических волн, основные понятия и представления. Интеграл Рэлея
как основа расчета полей ультразвуковых излучателей. Границы применимости. Связь
акустического поля преобразователя в режиме излучения с пространственным распределением
его чувствительности в режиме приема. Теорема взаимности.
Роль нелинейных акустических эффектов для ультразвуковых полей, применяемых в медицине.
Простейшие источники ультразвука, применяемые в медицине. Круглый и прямоугольный
поршневые излучатели. Ближнее и дальнее поля.
Фокусирующие преобразователи.
Продольный и поперечный размеры фокальной области. Пространственное разрешение.
Антенные решетки.
Диаграмма направленности. Пьезоэлектрические преобразователи,
применяемые в медицине (пьезокерамические, пленочные, пьезокомпозитные, и другие).
Поглощение и рассеяние ультразвука в биологических тканях. Скорость звука в биологических
тканях. Отражение волн на границах раздела сред. Отражение ультразвука от границ раздела
различных видов биологической ткани.
III. БИОФИЗИКА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ЭФФЕКТОВ
Биологическая ткань как упругая среда. Акустические свойства биологической ткани. Клетка
как основа биологической ткани. Основные виды биологических тканей и их акустические
свойства. Вязкоупругие свойства квазитвердых тел.
Поглощение ультразвука в ткани. Процессы релаксации. Основные механизмы поглощения.
Рассеяние ультразвука в различных биологических тканях. Сечения взаимодействия
акустической волны с тканью. Методы измерений и количественные значения скорости звука и
коэффициентов поглощения и рассеяния в различных видах тканей.
Ультразвуковые частоты, используемые в медицинском ультразвуке, их выбор. Тепловые
эффекты, вызываемые ультразвуком. Физиологические основы ультразвуковой терапии.
Хирургия с помощью сфокусированного ультразвука. Ультразвук при лечении рака.
Кавитация как причина повреждения биологической ткани. Виды кавитации. Пороги
кавитации. Ударноволновое разрушение почечных и желчных камней. Механизмы разрушения.
IV. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ В МЕДИЦИНЕ (ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ И
АППАРАТУРА)
Принципы ультразвуковой визуализации. Сравнительный анализ рентгеновского и
ультразвукового методов визуализации. Акустическая визуализация в режиме А.
Ультразвуковая визуализация в режиме В. Механические и электронные В-сканнеры.
Ультразвуковая визуализация в режиме М. Ультразвуковая визуализация в режиме С.
Физические основы эффекта Доплера. Доплерография и доплеровские шумы.
Принципы доплеровского измерения скорости кровотока. Доплеровский прибор непрерывного
излучения. Импульсно-доплеровский измеритель скорости кровотока.
Локальные и структурные акустические неоднородности, их сущность, математическое
описание и методы измерения параметров. Основы получения, обработки и реконструкции
акустических изображений; принципы построения, алгоритмы и программы медицинских
томографических систем; измерение и отображение потоков крови. Дифракционная
томография. Акустическая голография. Акустическая микроскопия.
V. ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА В МЕДИЦИНЕ.
Тепловое воздействие ультразвука. Применения в терапии и хирургии. Устройство и
использование
акустических
терапевтических
приборов.
Хирургия
с
помощью
фокусированного ультразвука. Кавитация, вызываемая ультразвуком. Пороги кавитации.
Радиационное давление, акустические течения, сдвиговые напряжения и другие нетепловые
механизмы. Применение ультразвука в стоматологии.
Ударноволновые источники: электромагнитные, электроразрядные, пьезоэлектрические,
лазерные. Принцип экстракорпоральной литотрипсии. Устройство и параметры современных
литотриптеров.
6. Лабораторный практикум
Не предусмотрен.
7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
7.1 Рекомендуемая литература.
а) основная литература:
1. Применение ультразвука в медицине: Физические основы: Пер. С англ. / Под ред. К.Хилла.М.: Мир, 1989.
2. Ультразвук: Маленькая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1979. - 400 с.
3. Акопян Б.В., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими
объектами: Ультразвук в медицине, ветеринарии и экспериментальной биологии. – М.: Изд.
МГТУ им Н.Э.Баумана, 2005, 224 с.
4. Физика визуализаций изображений в медицине. / Под ред. С.Уэбба. - М.: Мир, 1991.
б) дополнительная литература:
1. ТИИЭР, т.67, № 4 , апрель 1979.
2. Ультразвуковые преобразователи /под ред. Е.Кикучи: Пер.с англ. - М.: Мир. 1972. - 424 с.
8. Вопросы для контроля
1. Применение ультразвука в биологии
2. Физические характеристики биологических тканей и сосудов.
3. Биологическое действие ультразвука.
4. Физические механизмы взаимодействия ультразвука с биологическими системами.
5. Ультразвуковая диагностика в медицине.
6. Применение ультразвука в терапии.
7. Устройство и использование акустических терапевтических приборов
8. Применение ультразвука в хирургии.
9. Хирургия с помощью фокусированного ультразвука.
10. Принципы и методы литотрипсии.
11. Применение ультразвука в стоматологии.
12. Физические основы эффекта Доплера. Доплерография и доплеровские шумы.
13. Основные методы получения информации с применением ультразвука.
14. Ультразвуковая визуализация в медицине (физические принципы и аппаратура)
15. Регистрация отраженного ультразвукового сигнала: А-режим, В-режим, М-режим.
16. Формирование 2-D изображения; формирования 3-D изображения
9. Критерии оценок
Превосходно
Отлично
Очень хорошо
Хорошо
Удовлетворительно
Неудовлетворительно
Плохо
Превосходная подготовка с очень незначительными
погрешностями
Подготовка, уровень которой существенно выше среднего с
некоторыми ошибками
В целом хорошая подготовка с рядом заметных ошибок
Хорошая подготовка, но со значительными ошибками
Подготовка, удовлетворяющая минимальным требованиям
Необходима дополнительная подготовка для успешного
прохождения испытания
Подготовка совершенно недостаточная
10. Примерная тематика курсовых работ и критерии их оценки
Курсовые работы не предусмотрены
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом по
направлению 011800 «Радиофизика».
Автор программы _________________ Демин И.Ю.
Программа рассмотрена на заседании кафедры 22 марта 2011 года протокол № 2010-2011/5.
Заведующий кафедрой ___________________ Гурбатов С.Н.
Программа одобрена методической комиссией факультета 11 апреля 2011 года
протокол № 05/10
Председатель методической комиссии_________________ Мануилов В.Н.