Рабочая программа дисциплины Спектральные методы в медицинской диагностике Направление подготовки 011200 Физика

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебно-методической работе, профессор Е.Г. Елина

"__" __________________2011 г.

Квалификация (степень) выпускника

Форма обучения

Цель освоения дисциплины «Спектральные методы в медицинской диагностике» заключается в обеспечении магистрантов базовыми знаниями и навыками в области профессиональных знаний, связанных со спектроскопией биологических тканей живых объектов, 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 in vivo отражательной и флуоресцентной спектроскопии кожи человека, дающие студентам представление о процессах формирования спектров отражения и флуоресценции кожи человека, о влиянии на спектры отражения и автофлуоресценции происходящих в коже морфо-функциональных изменений, о возможностях комбинированного использования отражательной и флуоресцентной спектроскопии кожи при разработке неинвазивных диагностических методик оценки ее состояния. В курсе также изложены основы отражательной спектроскопии биотканей in vivo при использовании в качестве зондирующего излучения линейно поляризованный свет. Основные положения курса дают возможность расширить область применения методов отражательной и флуоресцентной спектроскопии на другие поверхностные ткани человека.томной и молекулярной физики, физики твердого тела, химии, биологии.

Цели освоения дисциплины «Спектральные методы в медицинской диагностике» заключаются также в выработке практических навыков решения физических проблем в области физической оптики, 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.

Дисциплина «Спектральные методы в медицинской диагностике» относится к общенаучному циклу дисциплин направления (М1), дисциплинам по выбору(М1.В2).

В рамках учебного плана дисциплина «Спектральные методы в медицинской диагностике» базируется на теоретических представлениях и математико-аналитическом аппарате таких дисциплин программы «Медицинская фотоника», как:

• 
  Оптика биотканей;
  
• 
  Математическое моделирование взаимодействия излучений с биотканями;
  

При освоении дисциплины «Спектральные методы в медицинской диагностике» 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 «Спектральные методы в медицинской диагностике», необходимы при выполнении студентом квалификационных работ в течение всего курса обучения по программе «Медицинская фотоника».
3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Спектральные методы в медицинской диагностике».

В результате освоения дисциплины «Спектральные методы в медицинской диагностике» должны формироваться в определенной части следующие компетенции:

- способность демонстрировать углубленные знания в области математики и естественных наук (ОК-1);

- способность свободно владеть фундаментальными разделами физики, необходимыми для решения научно-исследовательских задач (в соответствии со своей магистерской программой) (ПК- 1);

- 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 профессиональными знаниями для анализа и синтеза физической информации (в соответствии с профилем подготовки) (ПК-7);

В результате освоения дисциплины «Спектральные методы в медицинской диагностике» обучающийся должен:

•Знать:

• 
  принципы формирования спектров автофлуоресценции и диффузного отражения биотканей;
  
• 
  принципы формирования спектрально-поляризационных характеристик отраженного биотканями линейно поляризационного света;
  
• 
  принципы извлечения информации о количественном содержании хромофоров в биотканях из спектров отражения и автофлуоресценции живых биотканей;
  
• 
  принципы извлечения информации о структуре поверхностных слоев живых биотканей;
  
• 
  принципы формирования диагностических методик медицинского назначения, основанных на спектроскопических измерениях;
  
• 
  принципы разработки волоконно-оптических датчиков для регистрации спектров диффузного отражения света живыми биотканями.
  

• 
  объяснить характерные особенности спектров автофлуоресценции и диффузного отражения света живыми биотканями с позиций фундаментальных физических взаимодействий света с биотканями;
  

• 
  работать с приборами и оборудованием современной физической спектральной лаборатории;
  

• 
  использовать различные методики физических измерений и обработки экспериментальных данных;
  

• 
  использовать спектрально-поляризационные методики в целях медицинской диагностики.
  

• 
  практическими навыками регистрации спектров автофлуоресценции и диффузного отражения живых биотканей;
  
• 
  навыками обработки и интерпретации результатов спектральных экспериментов;
  
• 
  поляризационно-спектральными методиками диагностики и мониторинга морфо-функционального состояния живых биотканей.
  

Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетных единицы, 108 часов (18 часов лекций, из них 6 в интерактивной форме, 18 часа практических занятий, 72 часа самостоятельной работы)

1. Введение. Место отражательной и флуоресцентой спектроскопии среди диагностических медов в медицине.

2. Кожная ткань как предмет исследования методами отражательной и флуоресцентной спектроскопии. Структура кожи. Кровеносная сосудистая система. Биохимический состав кожи.

3. Формирование спектра диффузного отражения кожи. Влияние рассеяния и поглощения. Основные хромофоры кожи. Влияние техники измерения и конструкции волоконно-оптического датчика на спектр диффузного отражения.

4. Формирование спектра автофлуоресценции кожи. Основные флуорофоры кожи. ЕЕМ-карты.

5. Простые оптические модели кожи. Модель для анализа спектров диффузного отражения кожи. Модель для анализа спектров автофлуоресценции кожи.

6. Комбинированный метод отражательной и флуоресцентной спектроскопии для диагностики живой кожи. Определение индексов эритемы и меланиновой пигментации. Определение степени оксигенации гемоглобина крови. Исследование эффективности фотозащитных композиций. Коррекция спектров флуоресценции на эффекты внутреннего поглощения и рассеяния кожи.

7. Распространение линейно поляризованного света в рассеивающей среде. Влияние рассеивающих свойств среды на поляризационные характеристики рассеянного света. Остаточная поляризация отраженного света. Влияние поглощения многократно рассеивающей среды на степень остаточной поляризации.

8. In vivo поляризационная отражательная спектроскопия кожи человека. Поляризационные характеристики отраженного кожей линейно поляризованного света. Методики поляризационной отражательной спектроскопии кожи.

При реализации дисциплины «Спектральные методы в медицинской диагностике» 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.

- 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;

1. 
   Формирование спектра диффузного отражения кожи человека.
   
2. 
   Влияние крови и пигмента меланина на спектр диффузного отражения кожи.
   
3. 
   Эффективная оптическая плотность рассеивающей среды.
   
4. 
   Понятие индексов пигментации. Индекс эритемы и индекс меланина.
   
5. 
   Методики определения индексов эритемы и меланина.
   

1. 
   Трехволновая методика определения индексов эритемы и меланина.
   
2. 
   Принцип действия и конструкция прибора.
   
3. 
   Методика определения биодозы УФ излучения.
   

1. 
   Влияние оксигенации гемоглобина крови на спектр диффузного отражения кожи человека.
   
2. 
   Степень оксигенации гемоглобина крови.
   
3. 
   Методики определения степени оксигенации гемоглобина по спектрам диффузного отражения кожи в видимом диапазоне спектра.
   

1. 
   Формирование спектра УФ-возбужденной автофлуоресценции кожи.
   
2. 
   Основные принципы получения данных о поглощающих свойствах кожи из спектров ее автофлуоресценции.
   
3. 
   Флуоресцентные методики оценки содержания крови и меланина в коже человека.
   

1. 
   Для чего нужны фотозащитные композиции?
   
2. 
   Что такое солнцезащитный фактор?
   
3. 
   Флуоресцентная методика определения свойств фотозащитных препаратов.
   

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.
   

1. 
   Формирование спектра диффузного отражения кожи человека. Влияние рассеяния и поглощения. Основные хромофоры кожи.
   
2. 
   Влияние техники измерения и конструкции волоконно-оптического датчика на спектр диффузного отражения.
   
3. 
   Влияние крови и пигмента меланина на спектр диффузного отражения кожи.
   
4. 
   Эффективная оптическая плотность рассеивающей среды.
   
5. 
   Понятие индексов пигментации. Индекс эритемы и индекс меланина.
   
6. 
   Простые оптические модели кожи. Модель для анализа спектров диффузного отражения кожи. Модель для анализа спектров автофлуоресценции кожи.
   
7. 
   Методики определения индексов эритемы и меланина.
   
8. 
   Трехволновая методика определения индексов эритемы и меланина.
   
9. 
   Методика определения биодозы УФ излучения.
   
10. 
    Влияние оксигенации гемоглобина крови на спектр диффузного отражения кожи человека.
    
11. 
    Степень оксигенации гемоглобина крови.
    
12. 
    Методики определения степени оксигенации гемоглобина по спектрам диффузного отражения кожи в видимом диапазоне спектра.
    
13. 
    Автофлуоресценция кожи. Основные флуорофоры кожи. ЕЕМ-карты.
    
14. 
    Формирование спектра УФ-возбужденной автофлуоресценции кожи.
    
15. 
    Коррекция спектров флуоресценции на эффекты внутреннего поглощения и рассеяния кожи.
    
16. 
    Основные принципы получения данных о поглощающих свойствах кожи из спектров ее автофлуоресценции.
    
17. 
    Флуоресцентные методики оценки содержания крови и меланина в коже человека.
    
18. 
    Фотозащитные композиции. Солнцезащитный фактор.
    
19. 
    Флуоресцентная методика определения свойств фотозащитных препаратов.
    
20. 
    Распространение линейно поляризованного света в рассеивающей среде. Влияние рассеивающих свойств среды на поляризационные характеристики рассеянного света.
    
21. 
    Особенности формирования поляризационных характеристик обратно рассеянного света.
    
22. 
    Остаточная поляризация отраженного света. Влияние поглощения многократно рассеивающей среды на степень остаточной поляризации.
    
23. 
    Формирование спектрального состава степени остаточной поляризации и разностного поляризационного спектра ко- и кросс-поляризованных составляющих обратно рассеянного света.
    

1. 
   Специальный практикум по оптической биофизике. In vivo отражательная и флуоресцентная спектроскопия кожи человека: Учеб. пособие для студентов вузов / Ю.П. Синичкин, Л.Д. Долотов, Д.А. Зимняков и др. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2003.
   
2. 
   Оптическая биомедицинская диагностика: учеб. пособие: в 2 т./ пер. с англ. под ред. В.В. Тучина. М.: Физматлит, 2007.
   
3. 
   Учебно-методические руководства к лабораторным работам в спецпрактикуме, http://optics.sgu.ru, 2008.
   

1. 
   Кожа (строение, функция, общая патология, терапия) / Под ред. А.М. Чернуха, Е.П. Фролова. – М.: Медицина, 1982.
   
2. 
   Лакович Дж. Основы флуоресцентной спектроскопии / Пер. с англ. – М.: Мир, 1986.
   
3. 
   Владимиров Ю.А., Потапенко А.Я. Физико-химические основы фотобиологических процессов. – М.: Высш. шк., 1989.
   
4. 
   Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1998.
   

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»

- спектрофлуориметр;

- спектрофотометр CARY2415;

- спектрофотометр двухлучевой двухволновой для биологических исследований;

- интегрирующая сфера.

- лабораторное оборудование и материалы практикума.

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.

(факультет, где разработана программа) В.М. Аникин