Современные методы функциональной визуализации

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Физический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по УМР
профессор Е.Г. Елина
___________________________
"__" __________________2011 г.
Рабочая программа дисциплины
Современные методы функциональной визуализации
Направление подготовки
011200 Физика
Профиль подготовки
Биофизика
Квалификация (степень) выпускника
Магистр
Форма обучения
очная
Саратов, 2011
1
1. Цели освоения дисциплины
Цели освоения дисциплины «Современные методы функциональной
визуализации» состоят в обеспечении студентов знаниями и навыками в
области естественно-научных знаний, связанных с одним из основных
направлений современной биофизики- новыми диагностическими методы
функциональной визуализации, в выработке практических навыков решения
физических проблем в области биомедицинская диагностика, в 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 магистратуры
Дисциплина «Современные методы функциональной визуализации» к
профессиональному циклу М2, вариативной части МТД7, читается в 11
семестре. Форма итоговой аттестации — зачет.
Изучение дисциплины
«Современные методы функциональной
визуализации» дополняется дисциплинами «Оптическая диффузионная и
когерентная томография биологических объектов» и «Голография
интерферометрия в биофизическом эксперименте». На лабораторных
занятиях необходимо применять знания, полученные при изучении
дисциплин: «Качественный и количественный спектральный анализ
биообъектов», «Лазеры и волоконно-оптические системы в биофизическом
эксперименте».
При изучении дисциплины «Современные методы функциональной
визуализации» студенты должны иметь теоретическую подготовку: по
разделам и темам основных дисциплин «Оптика» и «Атомная физика»
базовой (общепрофессиональной) части профессионального цикла; по
специальным курсам: «Фотобиофизика», «Введение в биофизику сложных
систем», «Введение в оптическую биофизику», «Введение в биофизическую
химию», «Основы физиологии клетки и организма», «Основы биохимии и
биофизики метаболизма». Студенты должны иметь навыки самостоятельной
работы с учебными пособиями и монографической литературой, в том числе
на английском языке, уметь создавать презентации в редакторе Microsoft
Office PowerPoint.
Полученные в результате освоения данной дисциплины знания и навыки
могут быть непосредственно использованы обучаемым при выполнении
аттестационной работы магистра и в последующей профессиональной
деятельности.
2
3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате
освоения дисциплины «Современные методы функциональной
визуализации»:
В
результате
освоения
дисциплины
«Современные
методы
функциональной визуализации» должны формироваться в определенной
части следующие компетенции:
общекультурные:
- способностью демонстрировать углубленные знания в области математики
и естественных наук (ОК-1);
- 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);
-
способностью порождать новые идеи (креативность) (ОК-5);
-
способностью адаптироваться к изменению научного и научнопроизводственного профиля своей профессиональной деятельности, к
изменению социокультурных и социальных условий деятельности (ОК-7);
-
способностью использовать базовые знания и навыки управления
информацией для решения исследовательских профессиональных задач,
соблюдать основные требования информационной безопасности, в том
числе защиты государственной тайны (ОК-1О).
общепрофессиональные:
- способностью свободно владеть фундаментальными разделами физики,
необходимыми для решения научно-исследовательских задач (в
соответствии со своей магистерской программой) (ПК- 1);
-
способностью использовать знания современных проблем физики,
новейших достижений физики в своей научно-исследовательской
деятельности (ПК-2);
научно-исследовательская деятельность:
-
способностью 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);
-
способностью и готовностью применять на практике навыки составления
и оформления научно-технической документации, научных отчетов,
3
обзоров, докладов и статей (в соответствии с профилем магистерской
программы) (ПК-4);
-
способностью использовать свободное владение профессионально
профилированными знаниями в области информационных технологий,
современных компьютерных сетей, программных продуктов и ресурсов
Интернет для решения задач профессиональной деятельности, в том числе
находящихся за пределами профильной подготовки (ПК-5);
научно-инновационная деятельность:
-
способностью свободно владеть разделами физики, необходимыми для
решения научно-инновационных задач (в соответствии с профилем
подготовки) (ПК-6);
-
способностью свободно владеть профессиональными знаниями для
анализа и синтеза физической информации (в соответствии с профилем
подготовки) (ПК-7);
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
•Знать:
- Принципы и устройства низко-когерентного оптического томографа,
лазерного
конфокального
томографа,
лазерного
рамановского
конфокального томографа.
- Принципы и устройства рентгеновского и МР томографа;
-Принципы и устройство ультразвукового сканера;
--Принципы и устройство атомно-силового и туннельного микроскопа.
•Уметь:
- излагать и критически анализировать основные положения теории
оптической временной и пространственной когерентности;
- пользоваться теоретическими основами Фурье-оптики и оптической
спектроскопии для оценки основных параметров томографов, включая
когерентные, спектральные и поляризационные свойства излучения.
•Владеть:
- методами Фурье-оптики для теоретического анализа когерентности
оптических полей и их преобразования оптическими системами;
- методами расчета пространственного разрешения ультразвукового,
рентгеновского сканера и МРТ;
- практическими навыками экспериментальной работы с низко-когерентными
томографами, спектральными ОСТ и умением управления параметрами
томографов и атомно-силового и туннельного микроскопа.
4. Структура и содержание дисциплины «Современные методы
функциональной визуализации»
Общая трудоемкость дисциплины составляет __1_____ зачетных единиц
___36______ часов.
4
4.1. Структура дисциплины
№
п/
п
1
2
3
4
5
6
7
Раздел дисциплины
Низко-когерентный
оптический томограф; 3D
спектральный ОСТ
Лазерный конфокальный
томограф.
Лазерный
Раман
конфокальный томограф
Оптический
диффузионный томограф
УЗИ сканеры
Рентгеновские томографы
МРТ
Итого по всему курсу:
Формы
текущего
контроля
успеваемос
ти (по
Виды учебной работы,
Се
неделям
Неделя
включая
ме
семестра)
семест самостоятельную работу
ст
Формы
ра
студентов и
р
промежуто
трудоемкость (в часах)
чной
аттестаци
и (по
семестрам
)
11
1-3 Л4
СР2
11
3-6 Л2
СР2
11
6-8 Л4
СР2
11
8-11 Л4
СР2
11
11
11
11-13 Л4
13-14 Л2
14-15 Л4
СР2
СР1
СР1
24
12
зачет
4.2. Содержание дисциплины
1.Принцип действия и устройство низко-когерентного оптического
томографа. Основные характеристики и пространственное разрешение.
Пространственная и временная когерентность излучения полупроводниковых
лазеров и суперлюминесцентных диодов и предельное разрешение
когерентных томографов.
2. Принцип действия спектрального низко-когерентного томографа. 3D
оптическая томография. Оптическая биопсия.
3. Лазерный конфокальный томограф. Принцип действия и устройство.
Пространственное разрешение. Применение в офтальмологии.
4. Лазерный Рамановский конфокальный томограф. Принцип действия и
устройство. Пространственное разрешение. Функциональные возможности в
анализе клеток in vivo.
5
5. Оптический диффузионный томограф. Принцип действия и устройство.
Пространственное разрешение. Функциональные возможности в анализе
патологических биотканей in vivo.
6.Атомно-силовая, лазерная дифракционная и туннельная микроскопия,
потенциальные возможности
7. Принцип ультразвуковой визуализации, устройство УЗИ сканеров. 3-D
сканеры, пространственное разрешение, определение скорости потоков.
8.Оптические микроскопические методы определения концентрации
форменных элементов крови в норме и патологии. Проточные лазерные
флуоресцентные методы диагностики клеток крови.
9. Принцип рентгеновской визуализации,
томографа, пространственное разрешение.
устройство
рентгеновского
10. Рентгеноструктурный анализ и возможности диагностики биообъектов.
11. Принцип ядерной магнито-резонансной томографии. Устройство МРТ.
Пространственное разрешение. Функциональные возможности.
12.Принцип электронной микроскопии, пространственное разрешение.
Рентгеновская диагностика нанообъектов.
5. Образовательные технологии
При
реализации
дисциплины
«Современные
методы
функциональной визуализации» используются следующие виды учебных
занятий: лекции, консультации, nрактuческие занятия - лабораторные
работы, контрольные работы, самостоятельные работы.
В рамках лекционных занятий предусмотрены активные формы
учебного процесса: разбор конкретных ситуаций, натурные демонстрации и
обсуждение наблюдаемых оптических 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.
Доля аудиторных практических лабораторных занятий составляет 50% всех
аудиторных
занятий
по
дисциплине
«Современные
методы
функциональной визуализации».
6
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Виды самостоятельной работы студента
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;
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;
Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля:
1. Чем определяется разрешающая способность по глубине для низкокогерентного оптического томографа;
2. Чем определяется разрешающая способность по глубине для лазерного
конфокального томографа;
3. В чем физический смысл Раман-эффекта и потенциальные
возможности спектроскопии комбинационного рассеяния;
4. Временная и пространственная когерентность оптических полей;
5. Принцип ультразвуковой диагностики;
7
6. Принцип рентгеновской томографии;
7. МРТ-потенциальные возможности, устройство томографа
8. Электронная микроскопия, пространственное разрешение,
потенциальные возможности;
9. Атомно-силовая микроскопия.
Контрольные вопросы и задания для проведения nромежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины
(перечень экзаменационных вопросов):
1.Когерентные свойства оптических полей. Функция взаимной
когерентности. Теоремы Винера-Хинчина и Ван-Циттерта-Цернике.
2. Временная когерентность света. Теорема Винера-Хинчина. Принципы
Фурье-спектроскопии.
3. Интерференция частично-когерентного света. Метод низко-когерентной
интерферометрии и волоконно-оптический томограф.
4.Пространственная и временная когерентность излучения лазерных
диодов и суперлюминесцентных диодов.
5. Принцип действия спектрального низко-когерентного томографа.
6. Принцип действия лазерного конфокального томографа.
7. Принцип действия лазерного Рамановского конфокального томографа.
8. Оптический диффузионный томограф.
9. УЗИ потенциальные возможности диагностики.
10.Принцип рентгеновской томографии, пространственное разрешение;
11.МРТ-потенциальные возможности, устройство томографа;
12.Электронная микроскопия, возможности элементного анализа
материала.
13.Атомно-силовая микроскопия. Пространственное разрешение.
Сравнение с туннельной микроскопией.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
«Современные методы функциональной визуализации»
а) основная литература:
1.В.В. Тучин, Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях,
2-е издание, Физматлит, 2010.
2. Руководство по оптической когерентной томографии/под ред. Гладковой
Н.Д., Шаховой Н.М., Сергеева А.М.М.:Физматлит. Медицинская книга.2007.
3. Fercher A.F. Optical coherence tomography. J.Biomed.Opt.1996.V.1.P174-179.
4. Зимняков Д.А., Тучин В.В.Оптическая томография тканей//Квантовая
электроника2002,т.32,№4, С.849-867.
8
5. Рябухо В.П., Лякин Д.В. Теорема Винера-Хинчина в теории
пространственной когерентности в курсах статистической оптики и
радиофизики. Физическое образование в вузах. 2005. Т.11 В.3. С. 107-118
6. Ларкин А. И., Юу Ф. Т. С. Когерентная фотоника /А.И.Ларкин, Ф.Т.ЮуМ:Бином лаб.знаний-2007-316[4] c: ил. Библиография в конце главы,ISBN978-5-94774-378-4.
7. Локшин Г.Р. Основы радиооптики: Учебное пособие. – Долгопрудный:
Издательский Дом «Интеллект», 2009. – 344 с.
8.Ахманов С.А., Дьяков Ю.Е., Чиркин А.С. Статистическая радиофизика и
оптика. Случайные колебания и волны в линейных системах. Москва,
ФИЗМАТЛИТ, 2010. 428 стр.
б) дополнительная литература:
1. Горелик Г. С. Колебания и волны Учебное пособие /Г.С. Горелик, под
редакцией
С.М.
Рытова,
ред.
совет:Н.Н.
Кудрявцев
3е изданиеМ:ФИЗМАТЛИТ 2008-655[1] c: рис. Библиография с 649.
Предметный
указатель:
с
650-655
ISBN: 978-5-9221-0776-1
2. Ермаков О. Прикладная оптоэлектроника Руководство/ О.Н. ЕрмаковМ:Техносфера 2004-414 [2] с рис.- (Мир электроники); Библиография в
конце главы, ISBN: 5-94836-0237
3.Полупроводниковые инжекционные лазеры. Динамика, модуляция,
спектры.М: Радио и связь .1980.
4.Манцызов Б.И. Когерентная и нелинейная оптика фотонных кристаллов.
Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2009. 208 стр.
5. Демтредер В. Лазерная спектроскопия. Основные принципы и техника
эксперимента.; Demtröder W. Laser Spectroscopy V. 1: Basic Principles; V. 2:
Experimental Techniques/ 4th edition. Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag, 2008/
Пер. с англ.; под ред. Мельникова Л.А. М.: Интеллект, 2011.
6. Желтиков А.М. Да будет белый свет: генерация суперконтинуума
сверхкороткими лазерными импульсами // Успехи физ. наук 2006. Т. 176,
№6. С. 623–649.
в) Интернет-ресурсы
Кафедра оптики и биофотоники. On-line библиотека. Проблемы оптической
физики и биофотоники http://optics.sgu.ru/_media/library/pop/sfm-10.pdf
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
«Современные методы функциональной визуализации»
8.1. Лекционное материально-техническое обеспечение:
Кодоскоп для демонстраций оптического эксперимента, компьютер,
мультимедийный проектор, видеокамера и ПЗС-камера.
Специальный оптический практикум:
9
Лабораторная работа № 1. Спектр излучения полупроводникового лазера и
суперлюминесцентного диода в зависимости от параметра превышения
усиления над потерями.
Лабораторная работа № 2.Временная когерентность лазерного диода в
одночастотном и многочастотном режиме.
Лабораторная работа № 3. Пространственная когерентность газовых и
твердотельных лазеров и лазерных диодов в интерференционной схеме
Юнга.
Лабораторная работа № 4. Измерение основных характеристик низкокогерентного оптического томографа.
Лабораторная работа № 5. Измерение параметров кожи in vivo с помощью
характеристик низко-когерентного оптического томографа.
Лабораторная работа № 6. Измерение эффектов просветления при
исследовании параметров кожи in vivo с помощью характеристик низкокогерентного оптического томографа.
Лабораторная работа № 7. Устройство и принцип работа атомно-силового
микроскопа.
Лабораторная работа № 8. Измерение концентрации плазмонно-резонансных
наночастиц с помощью ОСТ.
Лабораторная работа № 9. Измерение пространственной неоднородности
магнито-управляемых микрокапсул методами ОСТ.
Лабораторная
работа
№10.
Измерение
показателя
преломления
биологических жидкостей с помощью низко-когерентного томографа.
Лабораторная работа № 11. Измерение основных оптических параметров
глаза с помощью 3 D ОСТ.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом
рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению 011200 Физика и
профилю подготовки Биофизика.
Автор:
Доцент кафедры оптики и биофотоники,
к.ф.-м.н., с.н.с.
Г.Г.Акчурин
Программа одобрена на заседании кафедры оптики и биофотоники
от 14 января 2011_года, протокол № _1/11.
Подписи:
Зав. кафедрой
В.В. Тучин
10
Декан физического факультета
(факультет, где разработана программа)
В.М. Аникин
Декан физического факультета
(факультет, где реализуется программа)
В.М. Аникин
11