Биомедицинская оптика: Программа курса

Министерство образования Российской Федерации Челябинский государственный университет Кафедра теоретической физики

Утверждаю Проректор по учебной работе ____________ А.Ю. Шумаков «___»______________ 2002 г.

Биомедицинская оптика Программа курса

Согласовано Декан физического факультета ______________В.Д. Бучельников «___»__________________ 2002 г.

Челябинск 2002

Утверждена на заседании кафедры теоретической физики Протокол № ____ от «____» __________ ______ г. Зав. кафедрой ________________ А.Е. Дудоров Направление:

Составители:

0510400

Физика

А.В. Лаппа, д. ф.-м. н., проф. А.С. Аникина, ст. преподаватель

Общее количество часов В том числе: Лекции Практические занятия Лабораторные работы Индивидуальная работа Самостоятельная работа

51 – – – 20

Отчётность: Экзамен Зачёт

8 семестр –

Контрольные мероприятия (количество) Контрольные работы Домашние контрольные задания Другие контрольные мероприятия

– – –

Цель и задачи курса Целью курса является изучение механизмов взаимодействия лазерного излучения с биологическими тканями, исследование методами компьютерного моделирования различных эффектов взаимодействия лазерного излучения с биотканями, изучение физических основ действия различных измерительно-диагностические систем в медицине. Основные задачи курса: 1. Знакомство с основными математические модели взаимодействия лазерного излучения с веществом. 2. Знакомство

с

основными

методами

моделирования

взаимодействия

лазерного излучения с веществом. 3. Исследование различных эффектов взаимодействия лазерного излучения с биотканями методами компьютерного моделирования. 4. Изучение основ спектрометрических методов в терапии и диагностике. 5. Знакомство с лазерными медицинскими технологиями.

Список рекомендуемой литературы Основная 1. Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. Саратов, 1998. 2. Кольчужкин А.М., Учайкин В.В. Введение в прохождения частиц через вещество. М., Атомиздат, 1978. 3. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. М., Мир, 1981, Т.1,2. 4. Приезжев А.В., Тучин В.В., Шубочкин Л.П. Лазерная диагностика в биологии и медицине.-М.,Наука,1989. 5. Тучин В.В. Основы взаимодействия низкоинтенсивного лазерного излучения с биотканями: дозиметрический и диагностический аспекты. Изв. РАН. Сер. Физическая, т.59, N 6, с.120-143. 6. Конспекты лекций. Сборник материалов Международных курсов по фундаментальным аспектам лазерной и тиомедицинской оптики (МГУ). Москва, 1995.

Дополнительная Оптические свойства биотканей 1. Тучин В.В. Исследование биотканей методами светорассеяния. Успехи физических наук. Т.167, №5, 1997, с.517-537. 2. Тучин В.В. Оптика биотканей: основы лазерной диагностики и дозиметрии. www.telemedica.ru. Расчет радиационных полей 1. Schweiger M., Arridge S.R., Hiraoka M., Delpy D.T. The finite element method for the propagation of light in scattering media: boundary and source conditions. In: Medical Physics, vol. 22, № 11, 1995, pp. 1779-1792. 2. Arridge S.R., Schweiger M., Hiraoka M., Delpy D.T. A finite element approach for modeling photon transport in tissue. In: Medical Physics, vol. 20, № 2, 1993, pp. 299309. 3. Wang L., Jacques S.L. Hybrid model of Monte Carlo simulation and diffusion theory for light reflectance by turbid media. In: Journal of Opt. Soc. Am. A., vol. 10, № 8, 1993, pp. 1746-1752. 4. Tuchin V.V., Maksimova I.L., Zymnyakov D.A. et. al. Light propagation in tissues with controlled optical properties. In Journal of Biomedical Optics, vol. 2, № 4, 1997, pp. 401-417. Определение оптических характеристик биотканей 1. Kienle A., Patterson M. Determination of the optical properties of turbid media from a single Monte Carlo simulation. Phys. Med. Biol., vol. 41, 1996, p.2221-2227. Эффекты взаимодействия излучения с биотканями и лазерные медицинские технологии 1. Wyman D.R., Whelan W.M. Basic optothermal diffusion theory for interstitial laser photocoagulation. In: Medical Physics, vol. 21, № 11, 1994, pp. 1651-1656. 2. Wyman D.R., Whelan W.M., Wilson B.C. Interstitial laser photocoagulation: Nd:YAG 1064 nm optical fiber source compared to point heat source. In: Lasers in Surgery and Medicine, vol. 12, № 6, 1992, pp. 659-664. 3. Rossacci M.J., DiMarzio C.A., Lindberg S.C. A 3-D model for laser heating of a heterogeneous turbid medium. In: SPIE Proceedings, vol. 2970, 1997, pp. 144-155. 4. Beacco C.M., Mordon S.R., Brunetaud J.M. Development and experimental in vivo validation of mathematical modeling of laser coagulation. In: Lasers in Surgery and Medicine, № 14, 1994, pp. 362-373. 5. Sluzalec A. Finite element model of heat flow in biological tissue undergoing laser irradiation. In: Journal of Biomechanics, vol. 20, № 10, 1987, pp. 937-941. 6. van Leeuwen G.M.J. Numerical modelling of heat transfer in hyperthrmia. Dissertation, 1998, Netherlands. 7. Kotte A. Design of a numerical model for describing the heat transfer due to vascular trees. Dissertation, 1998, Netherlands. 8. Roggan A., Muller G. 2D-computer simulations for real-time irradiation planning of laser induced interstitial thermotherapy (LITT). In: SPIE Proceedings “Medical Applications of Lasers II”, vol. 2327, 1994, pp. 242-252.

9. London R.A., Glinsky M.E., Zimmerman G.B. et. al. Laser-tissue interaction modeling with LATIS. In: Applied Optics, vol. 36, № 34, 1997, 9068-9074. 10. Странадко Е.Ф. Фотодинамическая терапия – новый метод лечения рака и его техническое обеспечение. www.radapharma.ru. 11. Клебанов Г.И., Крейнина М.В. и др. Лазеротерапия: клиническая эффективность и молекулярно-клеточные механизмы. www.health.nsk.ru. 12. Девятков Н.Д., Зубкова С.М., Лапрун И.Б., Макеева Н.С. Физико-химические механизмы биологического действия лазерного излучения. Успехи совр. биол., 1998, № 103, с. 31-43. 13. Скобелкин О.К. Лазеры в хирургии. М., 1989. 14. Лазерные технологии в медицине. Сб. трудов Челябинского государств. инстит. лазерной хирургии, Челябинск, вып. 1 (1998 г.), 2 (1999 г.), 3 (2001 г.). Рабочая программа Темы лекций 1. Введение (1 лекция). 2. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. Основные понятия и характеристики (4 лекции). 2.1.Характеристики радиационных полей лазерного излучения. 2.2.Оптические характеристики биотканей. Зависимость от длины волны излучения и вида биоткани. 2.3.Оптические характеристики различных биотканей (вода, кровь). 3. Математические модели радиационных полей (6 лекций). 3.1. Закон Бэра. Условия и границы применимости модели. 3.2. PN- приближение. Решение в случае однородной бесконечной среды. 3.3. Диффузионное приближение. Условия и границы применимости модели. 3.4. Двух, 4-х, 7-потоковые модели. 3.5. Кинетическая модель. Уравнение переноса излучения. 3.6. Метод Монте-Карло для решения уравнения переноса излучения. 4. Определение оптических характеристик биологических тканей (3 лекции). 4.1.Общая постановка обратных задач. 4.2.Методы коллимированного пропускания для определения оптических характеристик. 4.3.Обзор методов решения обратной задачи в диффузионном приближении. 4.4.Обзор методов решения обратной задачи в кинетическом приближении. 5. Эффекты взаимодействия лазерного излучения с биотканями (6 лекций). 5.1. Тепловой эффект. Виды теплового воздействия (коагуляция, денатурация и т.д.).

5.2. Математическая модель тепловых полей. Численные методы расчета тепловых полей. 5.3. Контактная и неконтактная термометрия. 5.4. Измерение температуры ткани в присутствии лазерного излучения. 5.5. Фотохимический эффект. ФДТ. Расчет концентрации фотосенсибилизатора в ткани. Расчет доз. 5.6. Действие низкоинтенсивного лазерного излучения на вещество. Различные гипотезы о механизме воздействия низкоинтенсивного лазерного излучения на биоткани. 6. Спектрометрические методы в терапии и диагностике (3 лекции). 6.1. Оптические спектрометры реального времени. 6.2. Диагностика различных патологий. 6.3. Фотодинамическая диагностика. Определение концентрации кислорода в тканях. 6.4. Флуоресценция. 6.5. Оптическая когерентная томография. 7. Лазерные медицинские технологии (3 лекции). 7.1.Лазерная резекция. 7.2.Лазеро-индуцированная термотерапия. 7.3.Лазерная абляция. 7.4.Лазерная перфорация и каналирование. 7.5.Фотодинамическая терапия. 7.6.Шлифование. Оценка успеваемости Экзаменационный билет состоит из двух вопросов: первый – «теоретический», посвящен теоретическим основам взаимодействия лазерного излучения с биотканями, второй – связан с практическим применением лазерных технологий в медицине. На экзамене студент получает оценку «отлично» в случае успешного ответа на оба вопроса билета, оценку «хорошо» – в случае успешного вопроса на «теоретический» вопрос, «удовлетворительно» – в случае ответа на второй вопрос билета. Распределение часов курса по темам и видам работ п/п 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Наименование тем и разделов

Всего (часов)

1 2 3 4 5 6 7 ИТОГО:

2 10 18 8 18 8 7 71

Аудиторные занятия (час.) Лекции

Семинары

2 8 12 6 12 6 5 51

– – – – – – –

Самостоятельная работа – 2 6 2 6 2 2 20

Вопросы к экзамену по курсу «Биомедицинская оптика» 1.

Характеристики радиационных полей лазерного излучения.

2.

Оптические характеристики биотканей. Спектр коэффициента поглощения для различных веществ (кровь, вода).

3.

Закон Бэра. Условия и границы применимости модели.

4.

PN- приближение для однородной бесконечной среды.

5.

Диффузионное приближение. Условия и границы применимости модели.

6.

Двух, 4-х, 7-потоковые модели.

7.

Кинетическая модель. Уравнение переноса излучения.

8.

Метод Монте-Карло для решения уравнения переноса излучения.

9.

Общая постановка обратных задач. Метод коллимированного пропускания для определения оптических характеристик.

10. Методы решения обратной задачи в диффузионном приближении. 11. Методы решения обратной задачи в кинетическом приближении. 12. Тепловой эффект воздействия лазерного излучения. Виды теплового воздействия (коагуляция, денатурация и т.д.). Применение высокоинтенсивного лазерного излучения в медицине. 13. Математические модели тепловых полей. 14. Методы контактной термометрии. 15. Методы неконтактной термометрии. 16. Фотохимический эффект. ФДТ. 17. Расчет концентрации фотосенсибилизатора в ткани. 18. Гипотезы о механизме воздействия низкоинтенсивного лазерного излучения на биоткани. 19. Оптические спектрометры. 20. Диагностика различных патологий. 21. Фотодинамическая диагностика. Определение концентрации кислорода в тканях. 22. Флуоресценция. 23. Оптическая когерентная томография.