Неинвазивные методы диагностики живых систем

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Физический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор СГУ по учебнометодической работе
____________________Е.Г.Елина
"__" __________________2011 г.
Рабочая программа дисциплины
Неинвазивные методы диагностики живых систем
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 «Неинвазивные методы диагностики живых
систем» является приобретение теоретических знаний и практических
навыков по методам диагностики и регистрации различных характеристик
биологических сред и физиологических параметров организма, расширение и
углубление знаний студентов по вопросам, связанных с применением
методов оптики спеклов в измерениях в области биологии и медицины, что
соответствует основным целям бакалавриата в части 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 бакалавриата
Дисциплина «Неинвазивные методы диагностики живых систем» относится
к дисциплинам по выбору профессионального цикла (Б3) , курс (Б3.ДВ3.1)
читается в 6, 7 и 8 семестарх. Форма итоговой аттестации — экзамен.
Изучаемый в рамках дисциплины теоретической и практический
материал с одной стороны, является естественным продолжением,
биологических (физиологических) дисциплин по профилю подготовки, а с
другой — основан на фундаментальных физических эффектах, имеющих
место при взаимодействии излучений с биотканями. По этой причине,
преподаваемый материал логически взаимосвязан с такими дисциплинами,
как «Основы физиологии клетки и организма», «Основы биохимии»,
«Биофизика неионизирующих излучений», «Оптика», «Оптические
технологии в биофизике», «Цифровая обработка сигналов и изображений».
Для успешного освоения данной дисциплины обучаемый должен
владеть
знаниями о строении и функционировании основных систем
человеческого организма, а также о аппаратных и цифровых методах сбора и
анализа сигналов, что и обеспечивается предварительным освоением
вышеперечисленных дисциплин.
Полученные в результате освоения данной дисциплины знания и
навыки могут быть непосредственно применены обучающимися в их
будущей профессиональной деятельности, а при продолжении ими обучения
в магистратуре являются частью базовых знаний по таким курсам как
«Биомедицинская электроника» и
«Современные методы спектрально
временного
анализа
физиологических
ритмов»,
«Спектроскопия
биологических молекул» и др.
2
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины «Неинвазивные методы диагностики живых систем»
В процессе освоения обучаемым дисциплины «Неинвазивные методы
диагностики живых систем» достигается освоение общекультурных (ОК) и
профессиональных (ПК) компетенций, характеризуемых:
- способностью использовать в познавательной и профессиональной
деятельности базовые знания в области математики и естественных
наук (ОК-1);
- способностью собирать, обрабатывать и интерпретировать с
использованием современных информационных технологий данные,
необходимые для формирования суждений по соответствующим
социальным, научным и этическим проблемам (ОК-4);
- способностью владеть основными методами, способами и
средствами получения, хранения, переработки информации, иметь
навыки работы с компьютером как средством управления
информацией (ОК-12);
- способностью использовать в познавательной и профессиональной
деятельности базовые знания в области информатики и
современных информационных технологий, навыки использования
программных средств и навыков работы в компьютерных сетях;
умение создавать базы данных и использовать ресурсы Интернет
(ОК-17);
- 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);
- способностью
современными
пользоваться
методами
3
обработки,
анализа
и
синтеза
биофизической
информации
(в
соответствии
с
профилем
подготовки) (ПК-6);
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать: принципы формирования спектров автофлуоресценции и диффузного
отражения
биотканей;принципы
формирования
спектральнополяризационных 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
волоконнооптических датчиков для регистрации спектров диффузного отражения света
живыми биотканями. Знать физические процессы и физиологические
механизмы, на диагностику и количественную характеристику которых
нацелены основные аппаратные методы функциональной диагностики,
включая
электрокардиографию,
электроэнцефалографию,
электронейромиографию, фотоплетизмографию, сфигмографию, пульсоксиметрию, когерентно-оптические методы, а также типичные
(нормальные) характеристики процессов, регистрируемых вышеуказанными
методами.
Знать направленность и
границы применимости
вышеперечисленных методов, их сравнительные преимущества и недостатки.
Знать наиболее важные этические и юридические аспекты действий,
связанных с учебным и профессиональным применением средств
функциональной диагностики.
Уметь реализовать базовые схемы размещения датчиков и электродов
в соответствии с конкретным методом, уметь пользоваться измерительной
аппаратурой и специализированным программным обеспечением. Уметь
представить результаты измерений в форме, соответствующей области
применения (анализ физических процессов либо медико-биологические и
диагностические приложения).Уметь применить методы оптики спеклов при
проведении биомедицинских исследований. Уметь 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.
4
Владеть
практическими навыками по реализации основных
аппаратных
методик
функциональной
диагностики
и
основами
диагностического применения изучаемых методов, 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.
4. Структура и содержание дисциплины «Неинвазивные методы
диагностики живых систем»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 8 зачетных единиц (288 часов),
включающие 178 часов аудиторных занятий (из них 88 часов лекций и 90
часов лабораторных работ), а также 56 часов на самостоятельную работу.
Из них по семестрам: 6 — 32 часа лекций 32 лабораторных, 7 — 36 часов
лекций 18 лабораторных, 8 — 20 часов лекций 40 часов лабораторных.
4.1. Структура дисциплины
№
Раздел дисциплины
п/п
Формы
текущего
контроля
Неде Виды учебной работы,
успеваемости
Се
ля включая самостоятельную (по неделям
мес
семес работу студентов и
семестра)
тр
тра трудоемкость (в часах)
Формы
промежуточной
аттестации (по
семестрам)
Часть I. Методы функциональной диагностики в физиологии и медицине
1 Введение
6 1 Л(2)
лаб(2)
2
Регистрация спонтанной 6 с 2 Л(20)
электрической
по
активности организма
11
лаб(20)
3
Методы регистрации
6 12,1 Л(10)
механических пульсаций
3,
тела человека
14,1
5,16
лаб(10)
Часть II. Диагностика периферического кровотока
1
Физика и физиология 7 с 1 Л(10)
микроциркуляции крови
по 5
СР УО-1
(11)
СР(3) Семестровый
зачет по
дисциплине
СР(6)
УО-1
5
6, Л(6) лаб(6)
СР(3)
7,
8
3 Когерентно-оптические 7 с 9 Л(20) лаб(12)
СР(6) Экзамен по 1 и
методы диагностики
по
2и частям
18
дисциплины
Часть III. Люминисценция и спектроскопия в диагностике биотканей
1 Применение
8 1,2,3 Л(6) лаб(12) СР(8)
2
2
Фотоплетизмография
пульс-оксиметрия
и 7
люминесцентных методов в
биологии.
Отражательная
и 8
флуоресцентная
спектроскопия биотканей.
с 4 Л(14)
по
10
лаб(28)
СР(21)
Итоговый
экзамен по
дисциплине
4.2. Содержание дисциплины
Часть I. Методы функциональной диагностики в физиологии и
медицине
1. Введение. Историческая справка по диагностическим и измерительным
методам в физиологии.
Электрофизиологические методы исследования функционального
состояния биобъектов (физические и биофизические принципы).
Классификация
по
виду
первичных
сигналов
(биопотенциалы,
электропроводность,
биомеханические
и
акустические
эффекты,
биомагнетизм и др. виды излучений и физических полей). Основные
характеристики свойств и параметров излучений и физических полей
биообъекта (человека). Обобщенная структурная схема медицинского
электронного прибора (комплекса). Краткая характеристика функций,
требований и свойств отдельных компонент медицинского прибора.
Особенности получения, обработки и интерпретации биоинформаци.
Природа и источники артефактов при медико-биологических исследованиях,
практические пути их исключения или ослабления.
2. Регистрация спонтанной электрической активности организма
2.1. Электрокардиография
История открытия метода. Вклад ученых Гальвани, Эрстеда, Matteucci,
Bernstein, Muirhead, Lippmann. Работы Willem Einthoven. Устройство и
принцип действия струнного гальванометра. Сведения по электрофизиологии
сердца. Устройство, работа и функции сердца. Электрическая активность
клеток сердца. Последовательность событий при одиночном сокращении
6
сердца. Основные элементы (пики и временные интервалы) кардиограммы и
их соответствие этапам сокращения сердца.
Физические основы и техника электрокардиографии.
Представление электрической активности сердца в виде электрического
диполя. Прямая и обратная проблемы электрокардиографии. Скалярная и
векторная электрокардиограмма.
Электрокардиографические отведения.
СисРаздел отведений Эйнтховена. Индифферентный электрод. Положение
электрической оси сердца. Монополярные отведения aVR, aVL, aVF.
Грудные отведения и их функциональное назначение.
Основы диагностического применения ЭКГ.
Количественные характеристики ЭКГ в норме для различных отведений.
Изменения характеристик ЭКГ при гипертрофии предсердий и желудочков,
при желудочковой тахикардии. Динамика ЭКГ при ифаркте миокарда.
2.2. Электронейромиография
Строение и физиология скелетных мышц. Молекулярные механизмы
сокращения. Модель скользящих нитей. Механика сокращения одиночного
волокна. Роль тропанина, тропомиозина и кальция. Электромеханическое
сопряжение. Последовательность событий при сокращении и расслаблении
мышцы. Нервно-мышечное сопряжение: нервно-мышечный синапс и роль
ацетилхолина.
Сокращение цельной мышцы.
Изометрическое и
изотоническое сокращение. Тетанус. Понятие двигательной единицы.
Энергетический метаболизм мышцы. Типы волокн скелетных мышц и их
свойства.
Управление работой скелетной мускулатуры со стороны нервной
системы. Общая организация управления скелетными мышцами: моторные
нейроны, управляющие схемы на локальном уровне, роль моторной коры.
Локализация моторных нейронов в спинном мозге в зависимости от
иннервируемых мышц. Последовательность вовлечения двигательных
единиц при увеличении силы произвольного сокращения. Гамма-нейроны и
простейшая рефлекторная дуга как цепь отрицательной обратной связи.
Орган Гольджи и его функции в регуляции силы напряжения мышцы.
Сгибательный рефлекс как пример координированной реакции скелетных
мышц на внешний раздражитель.
Физические основы и методика электронейромиографии (ЭМГ).
Связь активности мышечных волокон и накожных потенциалов. Общие
принципы расположения электродов и условия проведения ЭМГисследования.
Функциональные возможности и характеристики
электронейромиографа (на примере
приборов Нейро-МВП фирмы
«Нейрософт»).
Основные методики ЭМГ-исследования
Интерференционная поверхностная ЭМГ, ее типичные параметры при
напряжении и расслаблении мышцы. Четыре типа сигнала ИП ЭМГ.
7
Стимуляционная ЭМГ: методика наложения стимулирующих и
регистрирующих электродов. М-ответ, его физиологическая интерпретация
и
измеряемые параметры параметры в норме. Измерение скорости
распространения возбуждения по нерву. Методика исследования скорости
проведения по сенсорным волокнам.
Поздние ЭМГ-феномены
F-волна: нейрофизиологическая интерпретация, методика регистрации,
измеряемые характеристики, диагностическое применение.
H-рефлекс: нейрофизиологическая интерпретация, методика регистрации.
Сопоставление динамики H-рефлекса и М-ответа при нарастании силы
стимуляции.
А-волна
(аксон-рефлекс):
описание,
условия
наблюдения,
нейрофизиологическая трактовка и диагностическая значимость.
ЭМГ-исследование при ритмической стимуляции
Общая методика исследования надежности нервно-мышечной передачи.
Измеряемые параметры динамики М-ответа. Декремент М-ответа. ЭМГ при
тетанизации в норме и при миастении, феномет врабатывания.
2.3. Электроэнцефалография
История отрытия и разработки метода ЭЭГ
Работы ученых Катона, Бека, Правдич-Неминского. Ханс Бергер - «отец»
метода электроэнцефалографии. Ранние типы электродов. Открытие альфаи бета- ритмов мозговой активности.
Нейрофизиологическая интерпретация происхождения сигнала ЭЭГ
Временные характеристики деятельности нейронов. Интегрирующие
свойства синапсов. Инверсия сигнала ЭЭГ относительно полярности
процессов в мозге.
Методика
регистрации электроэнцефалограммы. Общие условия
проведения ЭЭГ-исследования. Типы электродов и методика их закрепления.
Типовая блок-схема ЭЭГ-аппарата.
Электроэнцефалографические
отведения: монополярные, биполярные, смешанная схема. Система 10-20.
Помехи и артефакты при регистрации ЭЭГ. Электромагнитные помехи
50(60)Гц, влияние лампы стимулятора. Артефакты движения электродов.
Физиологические источники
артефактов: ЭМГ, окулограмма, ЭКГ,
пульсация сосудов, дыхательные и глотательные движения, кожногальванический рефлекс.
Методика проведения ЭЭГ-обследования. Типовые условия записи.
Особенности регистрации ЭЭГ у детей.
Провоцирующие пробы:
открывание/закрывание
глаз,
фотостимуляция,
гипервентиляция,
фоностимуляция, депривация сна, стимуляция умственной активности,
стимуляция мануальной активности.
Интерпретация
результатов ЭЭГ-обследования. Классификация
ритмических составляющих энцефалограммы. Альфа-, бета- , гамма- ,
8
дельта-, тета- волны,ритмы и активность, мю-активность, эпилептическая
активность. Основы визуального анализа ЭЭГ, спектральный анализ, анализ
на когерентность.
Вызванные потенциалы (ВП) головного мозга. Определение ВП и
методика их регистрации.
Событийно-связанные потенциалы (ССП):
моторные, Е-волна, пропуск ожидаемого стимула. Уровни анализа ВП:
феноменолгический, физиологический, функциональный. ВП как единица
психофизиологического анализа.
Топографическое картирование электрической активности мозга Этапы
ТКЭАМ. Методика регистрации данных.
Временной, частотный,
пространственный анализ. Визуализация: ЭЭГ-карты.
2.4. Измерение электродермальной активности
Историческая справка и основные определения. Понятие кожногальванического рефлекса (КГР). Открытие электродермальной активности:
Дюбуа-Реймон. Методики регистрации по И.Р.Тарханову и по У.Фере.
Применение в психоанализе: К.Г.Юнг. Применение в детекторах лжи:
Бакстер, Мэтисон и др.
Прибор Биометр (СССР): Адаменко и др.
Применение ВКВП в клинической неврологии.
Физиологические основы КГР. Строение кожи. Деятельность потовых
желез. Экспериментальные факты и современные представления о природе
ЭДА.
Электрические параметры кожи в норме. Эмоциональная и
терморегуляторная спонтанная ЭДА. Общая схема управления ЭДА со
стороны нервной системы.
Вызванные кожные вегетативные потенциалы (ВКВП). Методика
наложения регистрирующих электродов. Анализ результатов записи ВКВП.
Показатели ВКВП в норме. Динамика ВКВП при гипертермии.
Основы диагностического применения ВКВП. Интерпретация
показателей ВКВП: латентный период с ладони и сподошвы, амплитуда и
длительность первой фазы. Примеры изменения показателей при патологиях.
3. Методы регистрации механических пульсаций тела человека
3.1. Регистрация ритма дыхания
Физиология дыхания. Типичные параметры дыхательного ритма человека.
Устройство различных типов датчиков. Природа помех при регистрации
сигнала дыхательной активности.
3.2. Измерение параметров тремора
Физиологические механизмы тремора. Тремор в норме. Примеры патологий:
болезнь Паркинсона. Физические принципы акселерометрии. Принцип
9
действия и основне параметры датчиков ускорения. Восстановление
траектории движения по временным реализациям трехканального датчика.
3.3. Пульсовая волна
Механизм возникновения пульсовой волны и скорость ее распространения
(СРПВ). Связь величин СРПВ и упругости сосудистой стенки. Показатели
СРПВ в норме. Методики измерения СРПВ. Сфигмография. Измерение
СРПВ усредненно по крупным сосудам и локально. Использование ЭКГ
сигнала.
Часть II. Диагностика периферического кровотока
1. Физика и физиология микроциркуляции крови
Физиология кровеносных сосудов как часть физиологии кровообращения.
Классификация кровеносных сосудов. Анатомическая схема путей кровотока
в сердечно- сосудистой системе. Строение и классификация сосудов
микроциркуляции.
Фундаментальные положения механики сплошных сред. Напряжения и
деформации.Законы сохранения и определяющие положения. Модели
реологических свойств. Движения жидкости в трубке. Микрореологические
исследования. Соотношение между давлением и расходом жидкости в
сосудистом русле. Влияние гидростатического давления. Влияние сил,
действующих на сосуды снаружи. Обобщенное описание физических
закономерностей
движения
крови
по
сосудам.
Влияние сосудистого тонуса. Влияние реологических свойств крови.
Соотношение между давлением и реологическими свойствами крови.
Влияние гидростатического давления. Влияние сил, действующих на сосуды
снаружи. Обобщенное описание физических закономерностей движения
крови по сосудам.
2. Фотоплетизмография и пульс-оксиметрия
Техническая реализация метода. Основные сегменты пульсовой волны и их
физиологическое соответствие. Волны первого, второго и третьего порядков.
Измеряемые параметры пульсовой волны и их нормативные значения.
Зависимость результатов от времени года и природных явлений.
Базовая методика применения фотоплетизмографии в медицинской
практике. Окклюзионная фотоплетизмография. Качественные критерии
оценки фотоплетизмограмм при
повышенном и пониженном
периферическом сопротивлении сосудов, при наличии отклонении общей
или локальной гемодинамики. Половые и возрастные особенности
фотоплетизмограмм.
10
3. Когерентно-оптические методы диагностики
3.1. Лазерная допплеровская флоуметрия
Физические основы метода. Схема зондирования подкожного слоя лазерным
излучением. Типичные параметры частоты и интенсивности. Эффект
допплера. Объекты сканирования и схема формирования отраженного
сигнала. Объем и глубина сканирования. Типичные скорости эритроцитов.
Показатель микроциркуляции ПМ. Происхождение и параметры ритмов
сигнала ЛДФ. Основы диагностического применения метода ЛДФ.
3.2. Лазерная спекл-микроскопия потоков крови в микрососудах
Анализ контраста динамических спеклов (LASCA). Взаимодействие
лазерного излучения с биотканями.
Спектроскопия диффузионных волн при малом числе рассеивающих
событий. Применение спектроскопии диффузионных волн в диагностики
микроциркуляции крови.
Часть III. Люминисценция и спектроскопия в диагностике биотканей
1. Применение люминесцентных методов в биологии
Собственная
люминесценция.
Люминесценция
белков,
полосы
люминесценции, температурные зависимости. Диагностика опухолей,
гематопорфирин, тип опухолей. Диагностика заболеваний печени,
билирубин. Люминесценция НАД-Н, диагностика гастроэнтерологическая.
Люминесценция крови. Люминесценция кожи, гематома, эритема, меланома.
Зонды и метки: рак - акридин оранжевый, ранние стадии - гематопорфирин,
акридин оранжевый - атеросклероз, флуоресцеин - циркуляция крови,
тетрациклин - язвенные болезни. Оборудование для регистрации спектров
люминесценции и спектров возбуждения Источники света, фотоприемники.
Фильтрация излучения светофильтрами. Коллинеарная и 90-градусная схема
регистрации люминесценции. Техника обработки спектров. Сглаживание
спектров для уменьшения шумов. Производные спектров. Аппроксимация
спектров гауссовым или лоренцевым контурами. Разложение сложных
спектров на составляющие. Учет фона.
2. Отражательная и флуоресцентная спектроскопия биотканей
2.1. Место отражательной и флуоресцентой спектроскопии среди
диагностических медов в медицине
Кожная ткань как предмет исследования методами отражательной и
флуоресцентной спектроскопии. Структура кожи. Кровеносная сосудистая
система. Биохимический состав кожи.
11
2.2. Формирование спектра диффузного отражения кожи
Влияние рассеяния и поглощения. Основные хромофоры кожи. Влияние
техники измерения и конструкции волоконно-оптического датчика на спектр
диффузного отражения.
2.3. Формирование спектра автофлуоресценции кожи
Основные флуорофоры кожи. ЕЕМ-карты.
2.4. Простые оптические модели кожи
Модель для анализа спектров диффузного отражения кожи. Модель для
анализа спектров автофлуоресценции кожи.
2.5. 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.
2.6. 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.
2.7. In vivo поляризационная отражательная спектроскопия кожи
человека
Поляризационные характеристики отраженного кожей линейно
поляризованного света. Методики поляризационной отражательной
спектроскопии кожи.
5. Образовательные технологии
Лекционные занятия с использованием мультимедийных средств.
Лабораторные занятия выполняются в форме практической реализации
аппаратных методик функциональной диагностики с применением
специализированного оборудования.
12
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;
- изучение некоторых теоретических вопросов, выделенных в программе
дисциплины, не рассмотренных на лекциях;
- выполнение анализа данных, полученных в ходе выполнения
лабораторных работ.
Порядок выполнения и контроля самостоятельной работы студентов:
- предусмотрена еженедельная
сверхкороткая самостоятельная работа
обучающихся по изучению теоретического лекционного материала и
итогам самостоятельной работы; контроль выполнения этой работы
предусмотрен
в начале каждого
лекционного
занятия
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 по данной дисциплине;
- по данной дисциплине предусмотрено выполнение заданий по применению
различных
методов
анализа
самостоятельно
полученных
экспериментальных данных. Предусматривается письменное выполнение
этой работы с текстовым, включая формулы, и графическим оформлением;
13
контроль выполнения
предусмотрен при завершении изучения
дисциплины по представленному в печатном виде отчету.
Список контрольных вопросов по освоению основных понятий и
положений дисциплины
Часть I.
1. Опишите последовательность событий при каждом сокращении сердца.
2. Как соотносятся фазы сокращения сердца и элемены
электрокардиограммы?
3. Дайте определение понятию "электрокардиографическое отведение" и
охарактеризуйте основыные системы отведений.
4. Опишите основные признаки диагностического применения ЭКГ.
Приведите примеры.
5. Разьясните содержание термина "электромеханическое сопряжение" для
скелетных мышц.
6. Что понимается под нервно-мышечным сопряженим?
7. Разьясните понятие двигательной единицы.
8. Что включает общая организация управления скелетными мышцами со
стороны нервной системы?
9. Что является измеряемым сигналом при применении
электронейромиографии?
10. Перечислите и охарактеризуйте основные методики ЭМГ-исследования.
11. Перечислите и охарактеризуйте поздние ЭМГ-феномены.
12. Какова природа электрической активности, регистрируемой методом
электроэнцефалографии?
13. Опишите методику проведения ЭЭГ исследования.
14. Охарактеризуйте систему электроэнцефалографических отведений.
15. Какие помехи и артефакты типичны при проведении ЭЭГ-исследования.
16. Перечислите и опишите пробы, применяемые при ЭЭГ-обследовании.
17. Какова классификация ритмов электроэнцефалограммы?
18. Дайте определение электродермальной активности (ЭДА).
19. Каковы физиологические механизмы ЭДА?
20. Опишите методику реографического исследования
21. Дайте определение пульсовой волны. Каковы показатели скорости
распространения пульсовой волны (СРПВ) в норме?
22. Опишите методики измерения СРПВ.
14
23. Каковы физиологические и физические основы метода пальцевой
фотоплетизмографии?
24. Охарактеризуйте основные методики применения и диагностический
потенциал пальцевой фотоплетизмографии.
25. Каковы физические основы метода лазерной допплеровской флоуметрии
(ЛДФ)?
26. Охарактеризуйте основные регуляторные механизмы микроциркуляции
крови.
27. Дайте классификацию ритмов, регистрируемых при анализе сигнала
ЛДФ.
28. Какие методы диагностического применения ЛДФ и типы проб вам
известны?
29. Каковы физиологические механизмы дыхания?
30. Охарактеризуйте диагностический потенциал акселерометрии.
Части II и III.
1. Чем люминесценция отличается от других видов излучения?
2. Перечислите классификацию люминесценции по
признакам: временному, кинетике, типу возбуждения?
различным
3. Приведите примеры использования люминесцентных методов
диагностики заболеваний. Опишите физические основы приведенных
примеров.
4. Обоснуйте предпочтительность использования 90-градусной схемы
регистрации люминесценции.
5. Опишите основные требования к светофильтрам, используемым при
регистрации люминесценции.
6. Опишите основные методы обработки экспериментально полученных
спектров люминесценции.
7. Формирование спектра диффузного отражения кожи человека. Влияние
рассеяния и поглощения. Основные хромофоры кожи.
8. Влияние техники измерения и конструкции волоконно-оптического
датчика на спектр диффузного отражения.
9. Влияние крови и пигмента меланина на спектр диффузного отражения
кожи.
10.Эффективная оптическая плотность рассеивающей среды.
11.Понятие индексов пигментации. Индекс эритемы и индекс меланина.
12.Простые оптические модели кожи. Модель для анализа спектров
диффузного отражения кожи. Модель для анализа спектров
автофлуоресценции кожи.
15
13.Методики определения индексов эритемы и меланина.
14.Трехволновая методика определения индексов эритемы и меланина.
15.Методика определения биодозы УФ излучения.
16.Влияние оксигенации гемоглобина крови на спектр диффузного
отражения кожи человека.
17.Степень оксигенации гемоглобина крови.
18.Методики определения степени оксигенации гемоглобина по спектрам
диффузного отражения кожи в видимом диапазоне спектра.
19.Автофлуоресценция кожи. Основные флуорофоры кожи. ЕЕМ-карты.
20.Формирование спектра УФ-возбужденной автофлуоресценции кожи.
21.Коррекция спектров флуоресценции на эффекты внутреннего
поглощения и рассеяния кожи.
22.Основные принципы получения данных о поглощающих свойствах
кожи из спектров ее автофлуоресценции.
23.Флуоресцентные методики оценки содержания крови и меланина в
коже человека.
24.Фотозащитные композиции. Солнцезащитный фактор.
25.Флуоресцентная методика определения свойств фотозащитных
препаратов.
26.Распространение линейно поляризованного света в рассеивающей
среде. Влияние рассеивающих свойств среды на поляризационные
характеристики рассеянного света.
27.Особенности формирования поляризационных характеристик обратно
рассеянного света.
28.Остаточная поляризация отраженного света. Влияние поглощения
многократно рассеивающей среды на степень остаточной поляризации.
29.Формирование спектрального состава степени остаточной поляризации
и разностного поляризационного спектра ко- и кросс-поляризованных
составляющих обратно рассеянного света.
Контрольные вопросы и задания для проведения nромежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины:
Исследование влияния содержания крови и меланина в коже человека
на спектр ее диффузного отражения.
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.
16
Эритема-меланинометр- прибор для определения индексов эритемы и
меланина кожи человека.
3. Трехволновая методика определения индексов эритемы и меланина.
4. Принцип действия и конструкция прибора.
5. Методика определения биодозы УФ излучения.
Определение степени оксигенации гемоглобина крови по спектрам
диффузного отражения кожи человека.
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.
Исследование влияния содержания крови и меланина в коже человека
на спектр ее автофлуоресценции.
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.
Исследование эффективности фотозащитных композиций комбинированным
методом флуоресцентной и отражательной спектроскопии.
1. Для чего нужны фотозащитные композиции?
2. Что такое солнцезащитный фактор?
3. Флуоресцентная методика определения свойств фотозащитных
препаратов.
In vivo поляризационная отражательная спектроскопия кожи человека.
4. Особенности формирования поляризационных характеристик обратно
рассеянного света.
5. Формирование спектрального состава степени остаточной поляризации
и разностного поляризационного спектра ко- и кросс-поляризованных
составляющих обратно рассеянного света.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
«Неинвазивные методы диагностики живых систем»
а) основная литература:
1. Оптическая биомедицинская диагностика: учеб. пособие: в 2 т./ пер. с англ.
под ред. В.В. Тучина. М.: Физматлит, 2007.
2. В.В. Тучин, Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях,
2-е издание, Физматлит, 2010.
17
3. Синичкин Ю.П., Утц С.Р. In vivo отражательная и флуоресцентная
спектроскопия кожи человека. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2001.
4. 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.
б) дополнительная литература:
1. Фундаментальная и клиническая физиология: Учебник для студ. высш.
учебн. заведений / Под ред. А. Г. Камкина и А. А. Каменского. - М.:
Издательский центр «Академия», 2004. - 1072 с.
2. НОВЫЕ МЕТОДЫ ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИИ Под редакцией:
С.В.Грачева, Г.Г.Иванова, А.Л.Сыркина
Издательство ТЕХНОСФЕРА
Москва 2007 г. 550 стр
3. Крупаткин А.И., Сидоров В.В. - Лазерная допплеровская флоуметрия
микроциркуляции крови. М Медицина (2005).
4. Зудбинов Ю. И. Азбука ЭКГ. Изд. 3-е. Ростов-на-Дону: изд-во «Фе-никс»,
2003. — 160с.
5. Гудмен Дж. Статистическая оптика, Москва, Мир, 1985, 527 с.
6. Ринкевичюс Б. С. Лазерная диагностика потоков, Москва, Издательство
МЭИ, 1990, 288с.
7. Физиология кровообращения. Физиология сосудистой системы. Под.
Редакцией Б.И.Ткаченко. Ленинград, Наука, 1984 г., 652 с.
8. Мчедлишвили Г. И. Капиллярное кровообращение. Тбилиси: Изд. АН
ГрузССР, 1958г. 110 с.
9. Чернух A.M., Александров П.Н., Алексеев О. В. Микроциркуляция.
Москва, Медицина, 1975 г.,153 с.
10. Mathematical Physiology. James Keener, James Sneyd. - Springer-Verlag New
York, Inc. 1998.
11. Физиология человека: В 3-х томах. Пер. с англ./ Под ред. Р.Шмидта и Г.
Тевса.- М.: Мир, 1996.- 323с., ил.
12. Biological Psychology: Mark R. Rosenzweig, Arnold L. Leiman, S. Marc
Breedlove. Sinauer Associates, Publishers, Sunderland, Massachusetts, 1996.
13. А.Б. Рубин. Биофизика. В 2-х кн. - М.: Высш.шк., 1987.
14. А.Б. Рубин. Лекции по биофизике. - М.: Изд-во МГУ, 1994. - 160 с.
15. Ульянов С.С. Что такое спеклы? // Соросовский Образовательный
Журнал. 1999.N5.C.112-116.
16. Конради Г. П. Регуляция, сосудистого тонуса. Л.: Наука, 1973. 325 с.
17. Левтов В. А., Регирер С. А., Шадрина Н. X. Реология крови. М.:
Медицина, 1982. 270 с.
18. Регирер С. А. Лекции по биологической механике. М.: Изд-во МГУ, 1980,
ч. 1. 144 с.
19. Седов Л. И. Механика сплошной среды. Изд. 3-е. М.: Наука, 1976, т. 1,
492 с, т. 2, 568 с. Изд. 4-е. М.: Наука, 1984.
18
20. Хаютин В. М. Сосудодвигательные рефлексы. М.: Наука, 1964. 376 с.
21. Кожа (строение, функция, общая патология, терапия) / Под ред. А.М.
Чернуха, Е.П. Фролова. – М.: Медицина, 1982.
22. Лакович Дж. Основы флуоресцентной спектроскопии / Пер. с англ. – М.:
Мир, 1986.
23. Владимиров Ю.А., Потапенко А.Я. Физико-химические основы
фотобиологических процессов. – М.: Высш. шк., 1989.
в) Интернет-ресурсы
http://optics.sgu.ru
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
«Неинвазивные методы диагностики живых систем»
Мультимедийный проектор, компьютер преподавателя, доступ в Интернет,
специализированное программное обеспечение для демонстрационных
вычислительных экспериментов.
Лабораторное оборудование специального практикума.
Программа составлена в соответствии с требованиями ОС ВПО по
направлению Физика живых систем и ООП по профилю подготовки
Биофизика.
Авторы:
профессор кафедры оптики и биофотоники,
д.ф.-м.м., профессор
Профессор кафедры оптики и биофотоники,
д.ф.-м.н., профессор
профессор кафедры оптики и биофотоники,
д.ф.-м.н., профессор
Д.Э. Постнов
C.C. Ульянов
Ю.П. Синичкин
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
19
(факультет, где разработана программа)
В.М. Аникин
Декан физического факультета
(факультет, где реализуется программа)
В.М. Аникин
20