Интроскопия в биологии и медицине

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Физический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор СГУ по УМР
_______________ Е. Г. ЕЛИНА
"__" __________________2011 г.
Рабочая программа дисциплины
Интроскопия в биологии и медицине
Направление подготовки
Физика живых систем
Профиль подготовки
Биофизика
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
Саратов, 2011
1
1. Цели освоения дисциплины
Целью освоения дисциплины «Интроскопия в биологии и медицине»
является приобретение теоретических знаний об основах интроскопии
биообъектов как техники использования проникающих излучений для
исследования внутренней структуры организма.
В рамках одной из
основных целей ООП бакалавриата по направлению «Физика живых систем»
изучение данной дисциплины направлено на формирование интереса к
изучению современной физики и пониманию ее важнейшей роли в развитии
различных сфер человеческой деятельности.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина относится к вариативной части профессионального цикла
(Б3.В3).
Освоение
дисциплины
«Интроскопия
в
биологии
и
медицине»
необходимо для приобретения знаний и навыков по неразрушающим
методам визуализации внутренней структуры объектов с целью диагностики
или для других биологических или медицинских применений.
Полученные в результате освоения данной дисциплины знания и навыки
могут быть непосредственно использованы обучаемым при выполнении
аттестационной работы бакалавра и в последующей профессиональной
деятельности, а в случае продолжения образования в направлении
исследования свойств и целенапраленного воздействия на внутреннюю
структуру живых объектов - для изучения дисциплин магистратуры, таких,
как:
«Фототерапия
и
бактерицидное
действие
света»,
«Управление
оптическими свойствами биотканей», «Биофизические основы фототерапии»,
«Методы фототермической и фотодинамической терапии».
2
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины «Интроскопия в биологии и медицине»
В результате освоения данной дисциплины должны формироваться в
определенной части следующие компетенции:
общекультурные:
 Способность использовать в познавательной и профессиональной
деятельности базовые знания в области математики и естественных
наук (ОК-1);
 Способность приобретать новые знания, используя современные
образовательные и информационные технологии (ОК-3);

способностью владеть основными методами, способами и средствами
получения, хранения, переработки информации, иметь навыки работы
с компьютером как средством управления информацией (ОК-12);
общепрофессиональные:

способностью использовать базовые теоретические знания для
решения профессиональных задач (ПК-1);

способностью применять на практике базовые профессиональные
навыки (ПК-2);

способностью эксплуатировать современную физическую аппаратуру и
оборудование, диагностическое и терапевтическое медицинское
оборудование (ПК-3);

способностью использовать специализированные знания в области
физики, химии и биологии для освоения профильных биофизических
дисциплин (в соответствии с профилем подготовки) (ПК-4);

способностью применять на практике базовые общепрофессиональные
знания теории и методов биофизических исследований (в соответствии
с профилем подготовки) (ПК-5);
3

пособностью пользоваться современными методами обработки,
анализа и синтеза биофизической информации (в соответствии с
профилем подготовки) (ПК-6);
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать основные законы теории реконструкций в интроскопии, пути
решения
задач
в
медицинской
интроскопии,
получение
основных
представлений теории интегральной геометрии. Основные физические
законы, лежащие в основе интроскопии и схемы реализации регистрации
структуры объектов.
Уметь
использовать преобразование Радона для трансмиссионной
рентгеновской томографии, использовать интегральные преобразования
такие как Фурье-, Лапласа- и др. для создания алгоритмов и схем
реконструкции физических (и медицинских) параметров исследуемого
объекта
Владеть
методиками использования полученных теоретических
знаний по интроскопии для решения конкретных (курсовых и дипломных
работ) задач с последующим анализом и оценкой полученных результатов
4. Структура и содержание дисциплины «Интроскопия в биологии и
медицине»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетных единици или 72
аудиторных часа, в том числе — 40 часов лекций и 10 часов практических
занятий. Количество часов на самостоятельную работу - 22. Форма итоговой
аттестации — зачет.
4.1. Структура дисциплины
4
№
Раздел дисциплины
п/п
1
2
3
4
Формы
текущего
контроля
Виды учебной работы,
успеваемости
включая
Сем Неделя
(по неделям
самостоятельную
естр семестра
семестра)
работу студентов и
Формы
трудоемкость (в часах)
промежуточной
аттестации (по
семестрам)
Введение
Методы интроскопии с
использованием
ионизирующего
излучения
Контрастные средства в
интроскопии
Основы
систем
технического зрения
8
1
Л(2)
8 с 2 по 5 Л(16) П(4)
8 с 5 по 7 Л(6) П(2)
8
с 7 по Л(16) П(4)
10
СР
(10)
УО-1
СР
(2)
СР
(10)
УО-1
Итоговый
зачет по
дисциплине
4.2. Содержание дисциплины
1. Введение
Определение интроскопии, историческая справка. Методы интроскопии.
Принципы регистрации изображения различными методами. Применение
интроскопии в медицине, дефектоскопии, системах безопасности.
2. Методы
интроскопии
с
использованием
ионизирующего
излучения.
Особенности использования рентгенографии для регистрации структуры
образца. Выбор плоскости регистрации: сагиттальная или фронтальная.
Методы увеличения изображения. Особенности регистрации, связанные с
положением объекта.
Регистрирующие устройства в рентгенографии и их характеристики.
Рентгеновские
пленки.
Использование
усиливающих
экранов.
Запоминающие люминофоры.
Качество рентгеновского изображения и его информативность. Факторы,
влияющие на качество изображения при фоторегистрации. Влияние шумов
прибора. Субъективные факторы, влияющие на информативность
расшифровки полученных изображений.
5
Цифровая рентгенография. Системы регистрации. Физические параметры
детекторных систем: квантовая эффективность, динамический диапазон,
передаточная функция, контрастное разрешение.
Разностная ангиография. Понятия цифровой обработки изображений:
контрастность, яркость, сжатие, выделение контуров, снижение шумов,
фильтрация.
Артефакты, возникающие при рентгенографии. Механические артефакты.
Технические:
вуаль,
пузырьки,
бактериальные
пятна.
Влияние
радиационного воздействия на рентгеновские пленки.
Радиационная безопасность при использовании ионизирующих излучений.
Единицы измерения ионизирующих излучений. Защита пациента. Ежегодные
дозы облучения. Диагностические обследования. Чувствительность и
устойчивость: структурная и функциональная. Параметры, влияющие на
дозу. Защита персонала.
3. Контрастные средства в интроскопии
Контрастные средства в визуализационной диагностике. Области
использования контрастных препаратов. Цель, достигаемая при их
использовании. Негативные и позитивные контрастные средства.
Группы контрастных средств. Рентгеноконтрастные вещества на основе
сернокислого бария. Иодосодержащие вещества. Магниторезонансные
контрастные вещества. Ультразвуковые контрастные вещества. Области их
использования,
необходимые
характеристики.
Токсичность.
Хемотоксичность, осмотоксичность, Ионная несбалансированность.
Мономерные и димерные контрастные средства. Реакции на контрастные
средства и механизмы этих реакций. Взаимодействие контрастных средств с
клеточными мембранами и молекулами.
4. Основы систем технического зрения
Формирование траектории сканирования. Понятие оптимальности
траектории. Построчное сканирование. Сканирование по профилю.
Сканирование по границе изображения.
Выделение границ изображения. Выделение по уровню сигнала. Выделение
по производной. Использование матричного метода. Комбинированные
методы. Погрешности распознавания профиля изображения.
Коррекция погрешности сигнала. Источники шумов и нелинейности.
Качество приемников изображения. Матричный метод устранения
нелинейности. Коррекция изображения.
Автоматическая фокусировка регистрирующей системы. Погрешности,
связанные с расфокусировкой. Фокусировка по производной сигнала.
Распознавание профиля изображения. Выделение профиля. Х-У развертка
профиля. Задание шаблонов. Нормировка. Определение профиля и размеров
элементов изображений.
6
Цифровые фильтры. Понятие о цифровых фильтрах. Фильтры для
интегрирования и дифференцирования сигнала. Фильтры для устранения
шумов. Методы сглаживания профиля изображения.
5. Образовательные технологии
При реализации дисциплины «Интроскопия в биологии и медицине»
используются следующие виды учебных занятий: лекции, консультации,
лабораторные работы и самостоятельная работа студента.
В
рамках
лекционных
занятий
предусмотрено
использование
мультимедийных средств, а также широкое применение активных форм
учебного процесса: разбор конкретных ситуаций, оценка результатов
применения отдельных моделей, обсуждение данных литературных
источников.
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:
- выполнения рефератов
- изучения теоретического материала по конспектам лекций и
рекомендованным учебным пособиям, монографической учебной
литературе;
- изучения теоретического материала по методическим руководствам к
практическим работам по дисциплине;
Порядок выполнения и контроля самостоятельной работы студентов:
- предусмотрена еженедельная самостоятельная работа обучающихся по
изучению теоретического лекционного материала; контроль выполнения
этой работы предусмотрен на экзамене по данной дисциплине;
7
- изучение ряда вопросов теоретического материала по методическим
руководствам к лабораторным работам по дисциплине на практических
лабораторных занятиях
Список контрольных вопросов по освоению основных понятий и
положений дисциплины
1. Почему интроскопия выделена в отдельный метод регистрации
изображений?
2. Перечислите методы интроскопии, чем они различаются?
3. Почему при регистрации рентгеновского изображения увеличение
достигается только удалением регистрирующего устройства от
объекта?
4. Перечислите выды устройств для регистрации изображения в
рентгеновских лучах. Назовите принципы, на которых оснвана
регистрация.
5. Почему возможна неправильная диагностика по рентгеновскому
изображению? Какие меры необходимо принимать для снижения
количества неправильных диагнозов?
6. Почему запоминающие рентгенолюминофоры являются наиболее
информативными приемными устройствами? В чем состоят их
достоинства?
7. Перечислите основные параметры систем для регистрации
изображений. Объясните, что они означают.
8. Какие артефакты могут возникать при пленочной рентгенографии?
9. Объясните принцип рентгеновской дозиметрии. Какие виды доз
используются в дозиметрии?
10. Печечислите предельно допустииые дозы для персонала и населения?
11. Какие методы используются для защиты от ионизирующего
излучения?
12. На чем основано действие контрастирующих веществ в различных
методах интроскопии?
13. Чем отличаются позитивные и негативные контрастирующие
вещества?
14. Перечислите группы рентгеноконтрастных веществ. Чем они
отличаются?
8
15. Какие контрастные вещества более эффективны, мономерные или
димерные?
16. Перечислите причины токсичного действия рентгеноконтрастных
препаратов.
17. С какой целью необходимо выделение границ объектов не
изображении? Какими методами это достигается?
18. Опишите погрешности, вносимые в изображение приемными
системами и методы их коррекции.
19. Обоснуйте основные принципы распознавания изображения.
20. В чем состоит принцип действия цифровых фильтров?
21. Опишите принципы автоматической фокусировки регистрирующих
систем.
7.
Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
«Интроскопия в биологии и медицине»
а) основная 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. 3367с.
2. А.В. Зубарев, В.Е. Гажонова Диагностический ультразвук.
М:Медицина. 2002. 237с.
б) дополнительная литература:
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.
6. В.В.
Смоленский
Статистические
методы
обработки
экспериментальных данных. – Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский
горный государственный институт им. Н.Г. Плеханова. 2003.
Электронное учебное пособие
7. Г.М. Агаджанян, А.П. Красницкий, В.Н. Корнеев Информатика и
технология. Система технического зрения Пущино. ИБП РАН. 1996.
215с.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
«Интроскопия в биологии и медицине»
9
Мультимедийный проектор, компьютер преподавателя, доступ в Интернет.
Программа составлена в соответствии с требованиями ОС ВПО
направлению Физика живых систем
и
по
ООП по профилю подготовки
Биофизика.
Авторы:
профессор кафедры оптики и биофотоники,
д.ф.-м.н., профессор
В.И.Кочубей
Программа одобрена на заседании кафедры оптики и биофотоники
от 20 мая 2011 года, протокол №6/11.
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
10