Спектрально-поляризационная диагностика биотканей

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
Спектрально-поляризационная диагностика
биотканей
Направление подготовки
011200 Физика
Профиль подготовки
Биофизика
Квалификация (степень) выпускника
магистр
Форма обучения
очная
Саратов, 2011
2
1. Цели освоения дисциплины
Цель
освоения
дисциплины
«Спектрально-поляризационная
диагностика биотканей» заключается в обеспечении магистрантов
знаниями и навыками в области профессиональных знаний, связанных со
спектроскопией
биологических
тканей
при
их
зондировании
поляризованным светом, позволяющими 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 закономерности распространения света в
рассеивающих средах с поглощением, закономерности релаксации состояния
поляризации при распространении света в рассеивающей среде,
особенностей формирования поляризационных характеристик обратно
рассеянного света. В курсе также изложены основы отражательной
спектроскопии биотканей in vivo при использовании в качестве
зондирующего излучения линейно поляризованный свет. Особое внимание
уделено влиянию оптической анизотропии рассеивающих сред на
поляризационные характеристики рассеянного света. Освоение курса
позволяет обучающимся овладеть знаниями и практическим опытом
исследования и диагностики биологических тканей современными
поляриметрическими методами.
2.Место дисциплины в структуре ООП магистерской программы
«Биофизика»
Дисциплина
«Спектрально-поляризационная
диагностика
биотканей» относится к дисциплинам по выбору профессионального цикла
дисциплин направления (М2.В6). В рамках учебного плана дисциплина
«Спектрально-поляризационная диагностика биотканей» тесно связана с
теоретическими представлениями дисциплин «Оптика биологических тканей
и клеток», «Спектроскопия биологических тканей и клеток», а также
подкрепляется практически дисциплиной «Спецпрактикум».
Для успешного усвоения дисциплины необходимы знания основ
оптики рассеивающих сред, основ поляризационной оптики, методов
измерения характеристик поляризованного света.
Учебный план по дисциплине «Спектрально-поляризационная
диагностика биотканей» включает курс лекций и лабораторные работы. В
рамках лабораторных занятий студенты изучают современное оборудование
и программное обеспечение, предназначенное для регистрации и обработки
спектров рассеянного биотканями поляризованного света.
При
освоении
дисциплины
«Спектрально-поляризационная
диагностика биотканей» студенты должны иметь навыки самостоятельной
работы с учебными пособиями и монографической литературой, в том числе
3
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.).
Изучение устройств и методов поляризационной спектроскопии
биологических объектов необходимо магистрантам профиля «Биофизика»
для изучения особенностей спектроскопии живых объектов. Знания,
полученные при освоении дисциплины, необходимы для освоения ряда
дисциплин биомедицинской направленности профиля.
3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины «Спектрально-поляризационная диагностика биотканей»
В результате освоения дисциплины
определенной части следующие компетенции:
должны
формироваться
в
общекультурные:
(ОК-1): способность демонстрировать углубленные знания в области
математики и естественных наук;
общепрофессиональные:
ПК-2: способность использовать знания современных проблем физики,
новейших достижений физики в своей научно-исследовательской
деятельности;
ПК-6: способность свободно владеть разделами физики, необходимыми
для решения научно-инновационных задач (в соответствии с профилем
подготовки).
В результате освоения дисциплины «Спектрально-поляризационная
диагностика биотканей» обучающийся должен:
•Знать:
- основные закономерности распространения поляризованного света в
рассеивающих средах с поглощением;
- особенности формирования поляризационных характеристик обратно
рассеянного биотканями света;
- принципы извлечения информации о структуре биоткани из
поляризационных спектров отражения и пропускания биологических
объектов;
- принципы формирования диагностических методик медицинского
назначения, основанных на поляризационно-спектральных измерениях.
• Уметь:
4
- объяснить
характерные
особенности
поляризационных
спектров
пропускания и диффузного отражения света биотканями с позиций
фундаментальных физических взаимодействий света с биотканями;
- работать с приборами и оборудованием современной физической
поляризационно-спектральной лаборатории;
- использовать различные методики физических измерений и обработки
экспериментальных данных;
- использовать
спектрально-поляризационные
методики
в
целях
медицинской диагностики
•Владеть:
- практическими навыками регистрации поляризационных спектров
рассеянного биотканями света;
- навыками обработки и интерпретации результатов поляризационноспектральных экспериментов;
- поляризационно-спектральными методиками диагностики и мониторинга
морфо-функционального состояния живых биотканей.
5
4.
Структура
и
содержание
дисциплины
поляризационная диагностика биотканей»
«Спектрально-
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы, 108
часов, из них 12 часов лекций, 24 часов лабораторных работ и 36 часов
самостоятельной работы)
4.1. Структура дисциплины
№
п/
п
1
2
3
4
5
6
7
8
Раздел дисциплины
Введение.
Поляризационные
свойства биотканей
Феноменологическая
модель релаксации
поляризации в
рассеивающей среде
Особенности
формирования
поляризационных
характеристик обратно
рассеянного света
Основы
поляризационной
отражательной
спектроскопии
Оптическая
анизотропия биотканей
Теоретические модели
для описания
поляризационнооптических свойств
биотканей с
анизотропными
компонентами
Особенности
поляризационных
экспериментов по
измерению
характеристик
отраженного света
Влияние оптической
анизотропии на
поляризационные
Семе
стр
Неделя
семестр
а
Виды учебной работы,
включая самостоятельную
работу студентов и
трудоемкость (в часах)
Лекции Практ. Лабор Сам
занятия аторн ост.
ые
Раб.
раб.
3
1
1
3
3
1-2
2
6
3
2
1
3
3
3
1
3
3
1
3
3
4
2
6
3
5
1
3
5
1
6
3
Формы текущего
контроля
успеваемости (по
неделям семестра)
Формы
промежуточной
аттестации (по
семестрам)
Отчет по лаб.
работе
3
6
3
Отчет по
работе
лаб.
6
характеристики
прошедшего света
9 Влияние оптической
анизотропии на
поляризационные
характеристики
отраженного света
10 Микроскопическое
поляризационное
картографирование
двулучепреломляющих
биотканей
ИТОГО:
3
6
1
6
3
3
6
1
6
3
12
24
36
Отчет по
работе
лаб.
Экзамен
4.2. Содержание дисциплины
1. Введение. Поляризационные свойства биотканей.
2. Феноменологическая модель релаксации поляризации в рассеивающей
среде. Длина деполяризации. Влияние характеристик рассеивающей среды
(коэффициента
рассеяния,
анизотропии
рассеяния,
коэффициента
поглощения) на поляризационные характеристики проходящего света.
3. Особенности формирования поляризационных характеристик обратно
рассеянного света. Степень остаточной поляризации. Влияние характеристик
рассеивающей среды (коэффициента рассеяния, анизотропии рассеяния,
коэффициента поглощения) на степень остаточной поляризации.
4. Основы поляризационной отражательной спектроскопии. Спектральный
состав степени остаточной поляризации и разностного поляризационного
спектра.
5. Оптическая анизотропия биотканей.
6. Теоретические модели для описания поляризационно-оптических свойств
биотканей с анизотропными элементами. Простейшая модель оптически
анизотропной биоткани: среда, состоящая из однородных доменов.
Микроскопическая модель. Макроскопическая модель. Общая модель.
Матрицы Мюллера и вращательные инварианты. Адаптация к реальным
экспериментальным условиям. Приведенные коэффициенты передачи.
Физический смысл коэффициентов Bi .
7. Особенности поляризационных экспериментов по измерению
характеристик отраженного света.
8. Влияние оптической анизотропии рассеивающих сред на поляризационные
характеристики прошедшего света. Методики определения оптической
анизотропии рассеивающих сред. Модельные измерения. Модельная среда
без рассеяния (лента скотч). Политетрафлюроэтиленоые (PTFE) пленки.
Ориентированные модельные среды (стеклянные и полипропиленовые
цилиндрические волокна). Измерения на образцах кожи in vitro.
9. Влияние оптической анизотропии рассеивающих сред на поляризационные
характеристики отраженного света. Общая модель эксперимента. Случай
7
детектирования света, рассеянного строго назад. Случай детектирования
света, рассеянного под углом. Измерения модельных образцов. Методики
исследования поляризационных характеристик обратного рассеяния света
анизотропными средами при фиксированных поляризаторе и анализаторе.
10.
Микроскопическое
поляризационное
картографирование
двулучепреломляющих биотканей. Теория метода. Адиабатический режим
распространения поляризованного света в двулучепреломляющей среде.
Техническая реализация и методика измерений. Демонстрационные
примеры.
5. Образовательные технологии
При реализации дисциплины «Спектрально-поляризационная
диагностика биотканей» используются следующие виды учебных занятий:
лекции, практические занятия – лабораторные работы, консультации,
самостоятельная работа.
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
выполнением лабораторных работ.
Перечень лабораторных работ
Лабораторная работа №1. In vivo поляризационная отражательная
спектроскопия кожи человека.
Лабораторная работа №2. Влияние оптической анизотропии рассеивающих
сред на поляризационные характеристики прошедшего света.
Лабораторная работа №3. Влияние оптической анизотропии рассеивающих
сред на поляризационные характеристики отраженного света.
Лабораторная
работа
№4.
Микроскопическое
поляризационное
картографирование двулучепреломляющих биотканей.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные
средства
для
текущего
контроля
успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
6.1 Виды самостоятельной работы студентов:
- изучение теоретического материала по конспектам лекций и
рекомендованным учебным пособиям, монографической учебной
литературе;
8
- самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, выделенных
в программе дисциплины, не рассмотренных на лекциях;
- изучение теоретического материала по иетодическим руководствам к
лабораторным работам.
6.2. Порядок
студентов:
выполнения
и
контроля
самостоятельной
работы
- 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 не рассмотренных 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;
- изучение теоретического материала по методическим руководствам к
лабораторным работам; контроль предусмотрен еженедельно с отчетом о
проделанной работе на практических лабораторных занятиях.
6.3. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего
контроля:
In vivo поляризационная отражательная спектроскопия кожи человека.
1. Особенности формирования поляризационных характеристик обратно
рассеянного света.
2. Формирование спектрального состава степени остаточной поляризации
и разностного поляризационного спектра ко- и кросс-поляризованных
составляющих обратно рассеянного света.
Влияние оптической анизотропии рассеивающих сред на
поляризационные характеристики прошедшего света.
1. Теоретические модели для описания поляризационно-оптических
свойств биотканей с анизотропными элементами.
2. Простейшая модель оптически анизотропной биоткани: среда,
состоящая из однородных доменов.
3. Микроскопическая и макроскопическая модели.
4. Общая модель. Матрицы Мюллера и вращательные инварианты.
5. Приведенные
коэффициенты
передачи.
Физический
смысл
коэффициентов Bi .
6. Методики определения оптической анизотропии рассеивающих сред.
9
Влияние оптической анизотропии рассеивающих сред на
поляризационные характеристики отраженного света.
1. Теоретические модели для описания поляризационно-оптических
свойств биотканей с анизотропными элементами.
2. Общая модель. Матрицы Мюллера и вращательные инварианты.
3. Приведенные
коэффициенты
передачи.
Физический
смысл
коэффициентов Bi .
4.
5.
6.
7.
Общая модель эксперимента.
Случай детектирования света, рассеянного строго назад.
Случай детектирования света, рассеянного под углом.
Методики исследования поляризационных характеристик обратного
рассеяния света анизотропными средами при фиксированных
поляризаторе и анализаторе.
Микроскопическое поляризационное картографирование
двулучепреломляющих биотканей.
1. Теория метода.
2. Адиабатический режим распространения поляризованного света в
двулучепреломляющей среде.
3. Техническая реализация метода и методика измерений.
6.4 Контрольные вопросы и задания для проведения промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины «Спектральнополяризационная диагностика биотканей» (перечень экзаменационных
вопросов):
1. Распространение поляризованного света в рассеивающей среде. Длина
деполяризации. Влияние характеристик рассеивающей среды
(коэффициента рассеяния, анизотропии рассеяния, коэффициента
поглощения) на поляризационные характеристики рассеянного света.
2. Особенности формирования поляризационных характеристик обратно
рассеянного света.
3. Остаточная поляризация отраженного света. Влияние поглощения
многократно рассеивающей среды на степень остаточной поляризации.
4. Формирование спектрального состава степени остаточной поляризации
и разностного поляризационного спектра ко- и кросс-поляризованных
составляющих обратно рассеянного света.
5. Теоретические модели для описания поляризационно-оптических
свойств биотканей с анизотропными элементами.
6. Деполяризация при рассеянии света. Вектор Стокса, матрица Мюллера.
Физический смысл элементов вектора Стокса. Определение степени
поляризации через параметры Стокса. Примеры матриц Мюллера для
различных оптических элементов: линейного поляризатора, фазовой
пластинки, идеального деполяризатора, малой сферической частицы.
10
7. Матрицы Мюллера и вращательные инварианты.
8. Влияние
оптической
анизотропии
рассеивающих
сред
на
поляризационные характеристики прошедшего света. Методики
определения оптической анизотропии рассеивающих сред.
9. Влияние
оптической
анизотропии
рассеивающих
сред
на
поляризационные характеристики отраженного света.
10.Случай детектирования света, рассеянного строго назад.
11.Случай детектирования света, рассеянного под углом.
12.Микроскопическое
поляризационное
картографирование
двулучепреломляющих биотканей.
13.Адиабатический режим распространения поляризованного света в
двулучепреломляющей среде. Техническая реализация метода и
методика измерений.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
«Спектрально-поляризационная диагностика биотканей»
а) основная литература:
1. Синичкин Ю.П., Утц С.Р. In vivo отражательная и флуоресцентная
спектроскопия кожи человека. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2001.
2. Специальный практикум по оптической биофизике. In vivo отражательная
и флуоресцентная спектроскопия кожи человека: Учеб. пособие для
студентов вузов / Ю.ПР. Синичкин, Л.Е. Долотов, Д.А. Зимняков и др. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2003.
3. Оптическая биомедицинская диагностика: Учеб. пособие: в 2 томах / пер.
с англ. под ред. В.В. Тучина. – М.: Физматлит, 2007.
б) дополнительная литература:
1. Кожа (строение, функция, общая патология, терапия) / Под ред. А.М.
Чернуха, Е.П. Фролова. – М.: Медицина, 1982.
2. Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских
исследованиях. 2-е издание. – М.: Физматлит, 2010.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
Учебно-методические руководства к лабораторным работам, размещенные на
сайте кафедры оптики и биофотоники Саратовского государственного
университета им. Н.Г. Чернышевского http://optics.sgu.ru.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины «Спектральнополяризационная диагностика биотканей»
Лекционное обеспечение: Компьютер, мультимедийный проектор.
Лабораторное обеспечение: Лабораторное оборудование специального
практикума.
11
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом
рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению 011200 Физика
магистерской программы «Биофизика».
Автор:
профессор кафедры оптики и биофотоники,
д.ф.-м.н., профессор
Ю.П. Синичкин
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