Оптические методы в нейробиологии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»
Радиофизический факультет
Кафедра общей физики
УТВЕРЖДАЮ
Декан радиофизического факультета
____________________Якимов А.В.
«18» мая 2011 г.
Учебная программа
Дисциплины М2.Р2 «Оптические методы в нейробиологии»
по направлению 011800 «Радиофизика»
магистерская программа «Радиофизические методы в нейробиологии»
Нижний Новгород
2011 г.
1. Цели и задачи дисциплины
Целью изучения спецкурса является краткое ознакомление с современными физическими
методами биомедицинской диагностики и функциональной диагностики мозга, основанными на
использовании электрических и магнитных полей; определение места методов оптической
диагностики, их классификация; изучение физических механизмов взаимодействия оптического
излучения с биологическими тканями и формирования изображений биотканей; исследование
возможностей и особенностей применения оптических методов для изучения функциональной
активности мозга.
2. Место дисциплины в структуре магистерской программы
Дисциплина «Оптические методы в нейробиологии» относится к дисциплинам вариативной
части профессионального цикла основной образовательной программы по направлению 011800
«Радиофизика».
3. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
В результате освоения дисциплины формируются следующие компетенции:
 способностью использовать базовые знания и навыки управления информацией для решения
исследовательских профессиональных задач, соблюдать основные требования информационной
безопасности, защиты государственной тайны (ОК-l0);
 способность к свободному владению знаниями фундаментальных разделов физики и
радиофизики, необходимыми для решения научно-исследовательских задач (в соответствии со
своим профилем подготовки) (ПК-1);
 способность к свободному владению профессионально-профилированными знаниями в
области информационных технологий, использованию современных компьютерных сетей,
программных продуктов и ресурсов Интернет для решения задач профессиональной
деятельности, в том числе находящихся за пределами профильной подготовки (ПК-2);
 способность использовать в своей научно-исследовательской деятельности знание
современных проблем и новейших достижений физики и радиофизики (ПК-3);
 способность самостоятельно ставить научные задачи в области физики и радиофизики (в
соответствии с профилем подготовки) и решать их с использованием современного
оборудования и новейшего отечественного и зарубежного опыта (ПК-4).
В результате изучения дисциплины студенты должны иметь представление:
 об особенностях биологических тканей как сред со случайным пространственнонеоднородным распределением диэлектрической проницаемости;
 об основных спектральных характеристиках биотканей в видимом и ближнем ИК-диапазоне
длин волн;
 об основных физических принципах распространения оптического излучения в
рассеивающей и поглощающей среде, их математическом выражении и границах
применимости;
 о принципах формирования и обработки изображений биотканей;
 об особенностях строения и функционирования мозга, обеспечивающих возможности
оптической диагностики его активности.
4.Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы, 108 часов.
Виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия
Лекции
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Всего часов
108
32
32
0
0
0
Семестры
9
32
32
0
0
0
2
Другие виды аудиторных занятий
Самостоятельная работа
Курсовой проект (работа)
Расчетно-графическая работа
Реферат
Другие виды самостоятельной работы
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)
0
40
0
0
0
0
экзамен (36)
0
40
0
0
0
0
экзамен (36)
5. Содержание дисциплины
5.1. Разделы дисциплины и виды занятий
№п/п
1
Раздел дисциплины
Оптический имиджинг в нейробиологии
Лекции
32
ПЗ (или С)
5.2. Содержание разделов дисциплины
Оптический имиджинг в нейробиологии
1. Обзор современных физических методов диагностики биотканей (компьютерная
томография,
магниторезонансная
томография,
позитрон-эмиссионная
томография,
ультразвуковая диагностика), их характеристики, преимущества и недостатки.
2. Место оптического имиджигна в ряду медицинских методов диагностики биологических
тканей.
3. Биологические ткани как оптически неоднородные среды со случайным изменением
показателя преломления, общие сведения о строении клетки. Виды взаимодействия
оптического излучения с биотканями (упругое и комбинационное рассеяние, деполяризация,
поглощение, флуоресценция). Оптические характеристики биотканей.
4. Статистический подход к описанию распространения оптического излучения в биотканях.
Метод малых возмущений в уравнении Максвелла, интегральное уравнение для однократно
рассеянного поля. Средняя интенсивность однократного рассеяния от единичного объема.
Дифференциальное сечение рассеяния; индикатриса рассеяния (фазовая функция рассеяния);
интегральное сечение рассеяния. Связь индикатрисы с пространственным масштабом
неоднородности и длиной волны. Средний косинус угла рассеяния. Сечение поглощения.
5. Характеристики рассеяния и поглощения для сферической диэлектрической частицы:
приближение Релея, приближение Рэлея-Дебая-Ганса, задача Ми. Оптические характеристики
биологических тканей, методы их измерения. Спектры поглощения и рассеяния мягких
биотканей. Спектры поглощения воды и крови.
6. Виды источников оптического излучения. Источники когерентного излучения
(непрерывные, модулированные по мощности и импульсные лазеры); источники
некогерентного излучения (суперлюминесцентные диоды). Характеристики излучения
(мощность, плотность энергии, интенсивность, яркость, длительность импульса). Виды
фотовоздействия на биоткань. Пределы неинвазивных энергетических характеристик.
7. Математические модели распространения излучения в биологических тканях. Закон
Бугера–Ламберта–Бера, феноменологическое уравнение переноса излучения, диффузионное
приближение. Условия и границы применимости моделей. Численный метод статистического
моделирования (метод Монте-Карло).
8. Основные методы оптической биомедицинской диагностики. Классификация методов в
зависимости от соотношения "разрешение – глубина наблюдения": широкопольная
микроскопия, оптическая когерентная томография, диффузионная томография. Методы
восстановления изображения.
9. Основы флуоресцентного имиджинга биологических тканей. Собственные флуорофоры
биотканей. Органические флуоресцентные красители. Методы флуоресцентного имиджинга:
флуоресцентная микроскопия, лазерная сканирующая и многофотонная микроскопия.
Диффузионная флуоресцентная микроскопия, методы восстановления изображения.
10. Структура и оптические свойства мозга. Методы функциональной оптической диагностики
мозга. Диффузионная томография. фОКТ мозга животных. Конфокальная микроскопия.
3
Многофотонная флуоресцентная микроскопия.
11. Другие
виды
функциональной
диагностики
мозга.
магниторезонансная томография мозга, комбинирование с
функциональной диагностики мозга.
Электроэнцефалография,
оптическими методами
6. Лабораторный практикум.
Лабораторные работы не предусмотрены.
7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
7.1. Рекомендуемая литература.
а) основная литература:
1. С.М. Рытов, Ю.А.Кравцов, В.И.Татарский. Введение в статистическую радиофизику. Том.2.
Случайные поля (М.: Наука, 1978).
2. А. Исимару. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах, Том 1.
(М.: Мир, 1981).
3. Э.П. Зеге, А.П. Иванов, И.Л. Кацев. Перенос изображения в рассеивающей среде. (Минск:
Наука и техника, 1985).
4. В.В. Тучин. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях (Саратов: Изд-во
Саратовского университета, 1998).
5. В.В. Тучин, Оптическая биомедицинская диагностика, Том 1,2 (Москва, Физматлит, 2007).
6. H. Obrig and A. Villringer “Beyond the Visible—Imaging the Human Brain With Light” Journal of
Cerebral Blood Flow and Metabolism, Vol. 23, pp.1-18(2003).
7. E. M. C. Hillman “Optical brain imaging in vivo: techniques and applications from animal to man”
Journal of Biomedical Optics Vol. 12, 051402: 1-49 (2007).
б) дополнительная литература:
Л.А.Апресян, Ю.А. Кравцов, Теория переноса излучения (М.: Наука, 1983).
К.С. Шифрин. Рассеяние света в мутной среде (М.-Ленинград: Гостехиздат, 1951).
W.M. Star, "Diffusion theory of light transport," in Optical-Thermal Response of Laser-Irradiated
Tissue (A.J. Welch and J.C. van Germet eds., New York: Plenum Press, 1995).
4. S.L. Jacques and L.H. Wang, "Monte Carlo modeling of light transport in tissues," in Optical
Thermal Response of Laser Irradiated Tissues (A J Welch and M J C van Gemert eds., New York:
Plenum Press, 1995).
5. Biomedical Photonics Handbook, Editor: T. Vo-Dinh (Bellingham, SPIE Press, 2003)
6. Д.А. Зимняков, В.В. Тучин, "Оптическая томография тканей", Квантовая электроника, 32,
с. 849 -867 (2002).
7. И.П. Гуров "Оптическая когерентная томография", в кн.: Проблемы нелинейной и
когерентной оптики, с. 6-30 (СПб :СПбГУ ИТМО, 2004).
8. W. Denk, J. H. Strickler, and W. W. Webb, "Two-Photon Laser Scanning Fluorescence
Microscopy," Science 248, 73-76 (1990).
9. W.R. Zipfel, R.M. Williams, and W.W. Webb, "Nonlinear magic: multiphoton microscopy in the
biosciences," Nature Biotechnology, 21, 1368-1376 (2003).
10. F. Helmchen, W. Denk, "Deep tisue two-photon microscopy", Nature Methods, 2, 932-940
(2005).
1.
2.
3.
8. Вопросы для контроля
1. Оптические методы диагностики: общая характеристика. Значения энергии фотона и
соответствующие резонансные процессы в биомолекулах. Виды взаимодействия
оптического излучения с биотканями (упругое и комбинационное рассеяние, поглощение,
флуоресценция).
2. Особенности распространения светового излучения в биологических тканях. Природа
поглощения и рассеяния светового излучения в биологических тканях. Характерные
значения размеров рассеивателей в биологической клетке и их показателей преломления.
Оптическое окно прозрачности.
3. Биоткани как среды со случайно-неоднородным распределением диэлектрической
4
проницаемости. Понятие дифференциального и интегрального сечений рассеяния,
индикатрисы рассеяния, сечения поглощения, среднего косинуса угла рассеяния. Формула
для дифференциального сечения поглощения в приближении однократного рассеяния.
4. Характеристики однократного рассеяния сферической частицы в различных приближениях.
Качественная зависимость сечения рассеяния от размера рассеивателя. Понятие показателя
рассеяния и показателя поглощения. Закон Бугера-Ламберта-Бера.
5. Оптические характеристики биологических тканей. Типичные значения показателей
поглощения, рассеяния и фактора анизотропии рассеяния и их зависимость от длины волны.
Спектр крови и его характерные точки. Индикатриса рассеяния Хеньи-Гринштейна.
6. Методы теоретического и численного анализа многократного рассеяния. Точное решение
волнового уравнения в виде ряда по кратностям рассеяния (ряда Неймана), уравнение
переноса излучения, метод статистического моделирования Монте-Карло.
7. Методы оптической биомедицинской диагностики с высоким пространственным
разрешением: микроскопия, оптическая когерентная томография (максимально достижимые
глубины, характерные разрешения, принципы селекции полезного сигнала).
8. Методы оптической биомедицинской диагностики с низким пространственным
разрешением: диффузионная оптическая томография, флуоресцентная томография
(максимально достижимые глубины, характерные разрешения, принципы обработки
сигнала).
9. Энергетические особенности методов оптического биоимиджинга. Понятие неинвазивности,
значения неинвазивных энергетических характеристик. Виды источников оптического
излучения
(некогерентные,
низкокогерентные,
когерентные;
направленные
и
ненаправленные).
10. Особенности функциональной оптической диагностики мозга: степень инвазивности,
характерные пространственно-временные масштабы, размеры визуализируемой области.
Признанные методы функционального исследования мозга. Преимущества и недостатки
оптических методов наблюдения.
11. Структура и оптические свойства мозга. Особенности оптических методов
функционального имиджинга: природа контраста, связь оптических параметров с
функциональным состоянием мозга. Методы диффузионной диагностики (2D-имиджинг,
3D-оптическая томография мозга), возможные области применения.
12. Методы функционального нейроимиджинга с высоким разрешением (фОКТ, конфокальная
микроскопия, многофотонная флуоресцентная микроскопия). Типичные объекты
исследования, природа контраста. Возможные области применения.
9. Критерии оценок
Превосходно
Отлично
Очень хорошо
Хорошо
Удовлетворительно
Оценку заслуживает студент, обнаруживший правильное
понимание принципов оптической биомедицинской диагностики
биологических тканей и мозга, основных законов и теорий и
проявивший творческие способности в понимании и изложении
программного материала. Студент должен освоить основную и быть
знакомым с дополнительной литературой.
Оценку заслуживает студент, обнаруживший полное знание учебнопрограммного материала, усвоивший основную литературу и
показавший способность к самостоятельному пополнению и
обновлению знаний в ходе дальнейшей учебы.
Оценку заслуживает студент, обнаруживший знание основных
принципов, правильное понимание физических явлений, знакомый с
основной литературой, рекомендованной программой.
Оценку заслуживает студент, обнаруживший знание основных
принципов, допустивший непринципиальные ошибки в трактовке
изученного материала.
Оценка выставляется студенту, обнаружившему пробелы в
понимании основ биомедицинской оптики, знании законов.
5
Неудовлетворительно
Плохо
Оценка выставляется студенту, обнаружившему большие пробелы в
знании учебно-программного материала.
Оценка выставляется студенту, обнаружившему полное незнание и
непонимание учебно-программного материала.
10. Примерная тематика курсовых работ и критерии их оценки
Курсовые работы не предусмотрены.
6
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом по
направлению 011800 «Радиофизика».
Автор программы _________________ Сергеева Е.А.
Программа рассмотрена на заседании кафедры 29 марта 2011 года
протокол № 04-10/11
Заведующий кафедрой ___________________ Бакунов М.И.
Программа одобрена методической комиссией факультета 11 апреля 2011 года
протокол № 05/10
Председатель методической комиссии _________________ Мануилов В.Н.
7