Управление оптическими свойствами

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
УПРАВЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ БИОТКАНЕЙ
Направление подготовки
011200 Физика
Профиль подготовки
Медицинская фотоника
Квалификация (степень) выпускника
Магистр
Форма обучения
очная
Саратов, 2011 г.
Управление оптическими свойствами биотканей
1. Цели освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины «Управление оптическими свойствами
биотканей» являются:
расширение и углубление знаний студентов по вопросам
взаимодействия света с биологическими тканями;
изучение физических методов управления рассеивающими и
поглощающими свойствами биотканей, транспорта иммерсионных
жидкостей, красителей и лекарственных препаратов в биотканях;
освоение студентами основных навыков работы с биологическими
препаратами, современным оптическим оборудованием высокого класса, и
постановки эксперимента по изучению изменения оптических параметров
биологических тканей физическими методами;
получение высшего профессионально профилированного образования в
области биофизики, 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 «Управление оптическими свойствами биотканей»
относится к профессиональному циклу М2, вариативной части М2.ДВ3,
читается в семестре 3. Форма итоговой аттестации — зачет.
Изучение дисциплины «Управление оптическими свойствами
биотканей» взаимно дополняется дисциплиной «Оптика биотканей»,
читаемой в семестре 3.
При изучении дисциплины «Управление оптическими свойствами
биотканей» студенты должны иметь теоретическую подготовку: по разделам
и темам основных дисциплин «Оптика» и «Атомная физика» базовой
(общепрофессиональной) части профессионального цикла; по специальным
курсам: «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.
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
Управление оптическими свойствами биотканей
3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате
освоения дисциплины «Управление оптическими свойствами биотканей»
В результате освоения дисциплины «Управление оптическими свойствами
биотканей» должны формироваться в определенной части следующие
компетенции:
общекультурные:
способностью демонстрировать углубленные знания в области математики и
естественных наук (ОК-1);
способностью к коммуникации в научной, производственной и социальнообщественной сферах деятельности, свободное владение русским и
иностранным языками как средством делового общения (ОК-8)
общепрофессиональные:
способностью использовать знания современных проблем физики, новейших
достижений физики в своей научно-исследовательской деятельности (ПК-2);
способностью и готовностью применять на практике навыки составления и
оформления научно-технической документации, научных отчетов, обзоров,
докладов и статей (в соответствии с профилем магистерской программы)
(ПК-4).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
•Знать: структуру и оптические параметры основных биологических тканей;
понятие диффузии и методы ее усиления; механизмы и особенности
оптического просветления различных типов тканей; механизмы
взаимодействия различных биосовместимых красителей с биотканями.
•Уметь: применить технику оптического просветления для анализа
диффузии косметических средств и лекарственных препаратов в биотканях;
описывать и критически анализировать основные методы управления
оптическими параметрами биотканей.
•Владеть: навыками безопасной работы с оптическим оборудованием и
техников препарирования биотканей при постановке экспериментов;
навыками самостоятельной подготовки реферата на заданную тему.
4. Структура и содержание дисциплины «Управление оптическими
свойствами биотканей»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетных единицы 72 часа,
включая 12 часов лекций, 24 часа практических занятий и 36 часов на
самостоятельную работу студентов.
3
Управление оптическими свойствами биотканей
4.1. Структура дисциплины
№
п/п
Раздел
дисциплины
Семестр
Неделя
семестра
Виды учебной работы,
включая
самостоятельную работу
студентов и трудоемкость
(в часах)
1
Введение
3
1
Л(2)
2
Транспорт
иммерсионных
жидкостей,
красителей и
лекарственных
препаратов в
биотканях
Управление
рассеивающим
и свойствами
биологических
тканей
Управление
поглощающим
и свойствами
биологических
тканей
Перспективы
применения
оптического
просветления
биотканей
Перспективы
управления
поглощающим
и свойствами
биотканей
Итого
3
2
Л(2)
3
3
3
3
4
5
6
7
Формы текущего
контроля
успеваемости (по
неделям
семестра)
Формы
промежуточной
аттестации (по
семестрам)
ПР
(4)
ПР
(4)
СР
(6)
СР
(6)
Л(2)
ПР
(4)
СР
(6)
Отчет по ПР
4
Л(2)
ПР
(4)
СР
(6)
Отчет по ПР
3
5
Л(2)
ПР
(4)
СР
(6)
Отчет по ПР
3
6
Л(2)
ПР
(4)
СР
(6)
Отчет по ПР,
ПР-4,
УО-3
Л
(12)
ПР
(24)
СР
(36)
Отчет по ПР
4.2. Содержание дисциплины
1. Введение. Структура и оптические параметры биологических тканей
2. Транспорт иммерсионных жидкостей, красителей и лекарственных
препаратов в биотканях. Химические и физические усилители
4
Управление оптическими свойствами биотканей
3.
4.
5.
6.
диффузии. Влияние рН и температуры растворов на скорость диффузии.
Управление рассеивающими свойствами биологических тканей.
Гиперосмотические жидкости. Влияние pH, осмолярности и ионной силы
раствора на структурные параметры биотканей. Осмотическая
дегидратация биотканей. Набухание и степень гидратации биотканей.
Особенности оптического просветления фиброзных тканей. Особенности
оптического
просветления
эпителиальных
тканей.
Оптическое
просветление крови. Управление рассеивающими параметрами биотканей
за счет введения наночастиц.
Управление поглощающими свойствами биологических тканей.
Красители. Методы окрашивания биологических тканей. Взаимодействие
красителей с биологическими тканями. Способы адресной доставки
красителей в биологические ткани. Коагуляция. Использование
наночастиц с плазмонным резонансом.
Перспективы применения оптического просветления биотканей в
офтальмологии,
дерматологии,
гастроэнтерологии,
оптической
томографии мозга. Визуализация внутрикожных и подкожных
образований. Применение техники оптического просветления для анализа
диффузии косметических средств и лекарственных препаратов в
биотканях. Способы адресной доставки микро- и наночастиц в
биологические ткани. Типы микро- и наночастиц, использующихся для
фототермического воздействия и особенности их взаимодействия с
биообъектами. Компрессия как метод управления оптическими
параметрами биотканей.
Перспективы управления поглощающими свойствами биотканей в
фототерапии. Фототерапия гингивита. Фототерапия и фототермолиз акне.
Фотолиполиз. Красители как средство повышения контраста при
томографии биотканей.
Лабораторные работы
Практическая работа №1 (к разделу 2. Транспорт иммерсионных
жидкостей, красителей и лекарственных препаратов в биотканях)
Влияние растворов этанола на скорость диффузии красителей через роговой
слой эпидермиса кожи.
Практическая работа №2 (к разделу 3. Управление рассеивающими
свойствами биологических тканей)
Исследование набухания и дегидратации биотканей.
Практическая работа №3 (к разделу 3. Управление рассеивающими
свойствами биологических тканей)
Оптическое просветление биотканей.
5
Управление оптическими свойствами биотканей
Практическая работа №4 (к разделу 3. Управление рассеивающими
свойствами биологических тканей)
Повышение контраста изображений при оптической когерентной томографии
биотканей.
Практическая работа №5 (к разделу 3. Управление рассеивающими
свойствами биологических тканей)
Моделирование оптического просветления склеры глаза при поверхостном
нанесении просветляющего агента.
Практическая работа №6 (к разделу 3. Управление рассеивающими
свойствами биологических тканей)
Моделирование оптического просветления кожи человека при поверхостном
нанесении просветляющего агента.
Практическая работа №7 (к разделу 3. Управление рассеивающими
свойствами биологических тканей)
Моделирование оптического просветления кожи человека при подкожном
введении просветляющего агента.
Практическая работа №8 (к разделу 4. Управление поглощающими
свойствами биологических тканей)
Селективное повышение коэффициента поглощения биоткани.
Практическая работа №9 (к разделу 4. Управление поглощающими
свойствами биологических тканей)
Моделирование повышения контраста изображения в оптической
томографии при введении красителей в ткани кожи человека.
Практическая работа №10 (к разделу 4. Управление поглощающими
свойствами биологических тканей)
Моделирование дозы поглощенного излучения при введении красителей в
ткани кожи человека.
5. Образовательные технологии
При реализации дисциплины «Управление оптическими свойствами
биотканей» используются следующие виды учебных занятий: лекции,
практические занятия и консультации.
В рамках лекционных занятий предусмотрено использование
мультимедийных средств, дискуссия и обсуждение задаваемых студентами
вопросов.
В рамках практических занятий предусмотрено выполнение
практических работ, анализ и обсуждение результатов, устный отчет и
консультации.
6
Управление оптическими свойствами биотканей
Самостоятельная работа студентов предусматривает поиск информации
в библиотеке и через Интернет для подготовки рефератов на темы,
предложенные для самостоятельного изучения.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы
студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
«Управление оптическими свойствами биотканей»
Самостоятельная работа
студентов
должна
включать:
изучение
теоретического материала по конспектам лекций, рекомендованным учебным
пособиям и монографической литературе, справочным источникам;
самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов программы
курса, не рассмотренных на лекциях и подготовка рефератов на
предложенные темы. Контроль выполнения осуществляется на последнем
занятии.
Темы рефератов:
1. Просветление биотканей как средство повышения информативности
методов оптической диагностики новообразований.
2. Применение техники оптического просветления для анализа диффузии
косметических средств и лекарственных препаратов в биотканях.
3. Оптическое просветление крови.
4. Селективный лазерный термолиз и области его применения.
5. Использование наночастиц с плазмонным резонансом в диагностике и
терапии.
6. Фототерапия и фототермолиз акне.
7. Использование люминесцентных красителей в оптической диагностике.
8. Красители в современной медицине.
Учебно-методическое обеспечение для подготовки рефератов:
1. Оптическая биомедицинская диагностика в 2 т. / под ред. В.В. Тучина,
М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007, С. 506-554
2. Генина Э.А., Башкатов А.Н., Кочубей В.И., Тучин В.В. Оптическое
просветление твердой мозговой оболочки человека // Оптика и
спектроскопия, Т. 98, № 3, С. 515-521, 2005
3. Генина Э.А., Башкатов А.Н., Синичкин Ю.П., Тучин В.В. Оптическое
просветление склеры глаза in vivo под действием глюкозы // Квантовая
Электроника, Т. 36, № 12, С. 1119-1124, 2006
4. Башкатов А.Н., Жестков Д.М., Генина Э.А., Тучин В.В. Иммерсионное
просветление крови человека в видимом и ближнем ИК спектральных
диапазонах // Оптика и спектроскопия, Т. 98, № 4, С. 695-703, 2005
7
Управление оптическими свойствами биотканей
5. Генина Э.А., Башкатов А.Н., Тучин В.В., Альтшулер Г.Б., Ярославский
И.В. Исследование возможности повышения эффективности лазерного
удаления татуировок с помощью оптического просветления кожи //
Квантовая Электроника, Т. 38, № 6, С. 580-587, 2008
6. Мареев О.В., Князев А.Б., Чикина Е.Э., Башкатов А.Н., Генина Э.А.,
Тучин В.В. Механизмы терапевтического действия низкоинтенсивного
лазерного излучения в сочетании с различными красителями // Проблемы
оптической физики: Материалы 8-й Международной молодежной
научной школы по оптике, лазерной физике и биофизике. Саратов, Изд-во
Саратовского ун-та, C. 102-105, 2005
7. Хлебцов Н.Г. Оптика и биофотоника наночастиц с плазмонным
резонансом // Квантовая Электроника, Т. 38, № 6, С. 504-529, 2008
8. Tuchin V.V. Optical clearing of tissues and blood / Bellingham, WA, SPIE
Press, Vol. PM 154, 254 p., 2005
9. Kah J.C.Y., Wan R.C.Y., Wong K.Y., Mhaisalkar S., Sheppard C.J.R., Olivo
M. Combinatorial treatment of photothermal therapy using gold nanoshells
with conventional photodynamic therapy to improve treatment efficacy: an in
vitro study // Lasers Surg. Med., Vol. 40, P. 584-589, 2008
10. Cunliffe W.J., Goulden V. Phototherapy and acne vulgaris // Br. J. Dermatol.,
Vol. 142, P. 855-856, 2000
11. Genina E.A., Bashkatov A.N., Simonenko G.V., Odoevskaya O.D., Tuchin
V.V., Altshuler G.B. Low-intensity indocyanine-green laser phototherapy of
acne vulgaris: pilot study // J. Biomed. Opt., Vol. 9(4), P. 828-834, 2004
12. Ion R.-M., Brezoi D.-V. A study of the photodynamic therapy of
photosensitizer-coated magnetic nanoparticles // J. Optoelectronics and
Advanced Materials, Vol. 9(4), P. 936-939, 2007
13. Larina I.V., Carbajal E.F., Tuchin V.V., Dickinson M.E., Larin K.V. Enhanced
OCT imaging of embryonic tissue with optical clearing // Laser Physics
Letters, Vol. 5(6), P. 476-479, 2008
Вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины:
1. Структура фиброзных тканей.
2. Чем определяются оптические параметры биотканей?
3. Особенности взаимодействия света с биологическими тканями.
4. Химические усилители диффузии.
5. Физические методы усиления диффузии.
6. Каково влияние температуры на диффузию веществ в биотканях?
7. Что такое гиперосмотическия жидкость?
8. Дать понятие рН, осмолярности и ионной силы раствора.
9. От чего зависит гидратация и дегидратация биоткани при ее
взаимодействии с раствором?
10. Особенности оптического просветления фиброзных тканей.
11. Особенности оптического просветления эпителиальных тканей.
8
Управление оптическими свойствами биотканей
12. Как протекает оптическое просветление крови?
13. За счет чего можно повысить контраст изображений?
14. Как происходит взаимодействие красителей с биологическими тканями?
15. Каковы способы адресной доставки красителей в биологические ткани?
16. Что такое плазмонный резонанс?
17. Методы улучшения визуализации внутрикожных и подкожных
образований.
18. Способы адресной доставки микро- и наночастиц в биологические ткани.
19. Типы микро- и наночастиц, использующихся для фототермического
воздействия и особенности их взаимодействия с биообъектами.
20. Что такое компрессия и как ее используют для управления оптическими
параметрами биотканей?
7.
Учебно-методическое
и
информационное
обеспечение
дисциплины «Управление оптическими свойствами биотканей»
а) основная литература:
1. Оптическая биомедицинская диагностика в 2 т. / под ред. В.В. Тучина,
М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007, С. 506-554
б) дополнительная литература:
1. Хлебцов Н.Г. Оптика и биофотоника наночастиц с плазмонным
резонансом // Квантовая Электроника, Т. 38, № 6, С. 504-529, 2008
2. Tuchin V.V. Optical clearing of tissues and blood / Bellingham, WA, SPIE
Press, Vol. PM 154, 254 p., 2005
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы
1. Кафедра оптики и биофотоники. On-line библиотека. Проблемы
оптической физики и биофотоники http://optics.sgu.ru/_media/library/pop/sfm10.pdf
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины «Управление
оптическими свойствами биотканей»:
1. Мультимедиа-проектор
2. Ноутбук
3. Спектрофотометр
4. Микроскоп
5. Цифровая видеокамера
6. Красители (метиленовый синий, бриллиантовый зеленый)
7. Образцы кожи лабораторной крысы
9
Управление оптическими свойствами биотканей
8. Иммерсионные
агенты
полиэтиленгликоль)
(глицерин,
глюкоза,
пропиленгликоль,
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом
рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению и профилю
подготовки _Физика, Медицинская фотоника.
Авторы: доцент кафедры оптики и биофотоники
к.ф.-м.н.
доцент кафедры оптики и биофотоники
к.ф.-м.н.
заведующий кафедры оптики и биофотоники
д.ф.-м.н., проф.
Э.А. Генина
А.Н. Башкатов
В.В. Тучин
Программа одобрена на заседании кафедры оптики и биофотоники СГУ
от _14 января_2011_года, протокол № _1/11_.
Подписи:
Зав. кафедрой
д.ф.-м.н. проф. В.В. Тучин
Декан факультета
(факультет, где разрабатывалась
программа)
д.ф.-м.н., проф. В.А. Аникин
Декан факультета
(факультет, где реализуется
программа)
д.ф.-м.н., проф. В.А. Аникин
10