Лекции 1-7 Список рекомендуемой литературы



Pdf просмотр
страница1/3
Дата03.10.2017
Размер6.6 Mb.
ТипЛекции
  1   2   3

Доцент кафедры оптики и биофотоники СГУ,
канд. физ.-мат. наук Генина Э.А.
Физические методы в
медицинской диагностике
и терапии
Лекции 1-7

Список рекомендуемой литературы
• Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях / Москва: Физматлит, 2010, 488 с.
• Нолтинг Б. Новейшие методы исследования биосистем - М.:
Техносфера, 2005, 256 с.
• Оптическая биомедицинская диагностика в 2 т. / под ред. В.В.
Тучина - М.: Физматлит, 2007.
• Гладкова Н.Д., Сергеев А.М. Руководство по оптической когерентной томографии – М.: Физматлит, 2007.
• Хилл К., Бэмбер Дж., Хаар Г. Ультразвук в медицине.
Физические основы применения – М.: Физматлит, 2008.
• Biomedical Photonics Handbook, Ed. Tuan Vo-Dinh - CRC Press LLC,
2003.
2

Темы рефератов:
1. Оптическое просветление биологических тканей.
Использование в диагностике, терапии и хирургии
2. Оптическая биопсия
3. Неинвазивные оптические методы измерения глюкозы в крови
4. Ультразвуковые исследования в медицине
5. Компьютерная томография
6. Фотосенсоры
7. Рентгеновское излучение в медицине
8. Как увидеть структуру белка?
9. Использование наночастиц в медицине
10. Компьютерная микроскопия
3

Лекция №1
Введение.
Классификация физических
методов диагностики и терапии
4

1.1. Введение
Физические методы
- ряд современных инструментальных методов, которые разработаны физиками и используются в медицине
5

Характерные признаки физического метода
:
1) осуществляется взаимодействие падающего излучения, потока частиц или какого-либо поля с объектом
2) измеряется результат этого взаимодействия
6

7
Прямая задача физического метода
Обратная задача физического метода
1) Известны свойства объекта
2) Исследуются прошедшее, отраженное или рассеянное объектом излучение
1) Известен результат взаимодействия излучения и объекта
2) Определить свойства объекта
?
?
?
?
?

1.2. Классификация физических методов исследования

Спектроскопические методы
Оптические Магниторезонансные методы методы

колориметрия

флуоресцентные методы

пламенная спектроскопия

УФ-спектроскопия

ИК-спектроскопия

спектроскопия комбинационного рассеяния

колебательная спектроскопия

электронная спектроскопия
8

ядерный магнитный резонанс

электронный парамагнитный резонанс

Исследуется зависимость интенсивности излучения (
I
), прошедшего через вещество или рассеянного веществом, от длины волны или частоты падающего излучения то есть исследуют функцию
I(λ,ν)
9 400 450 500 550 600 650 700 0,18 0,24 0,30 0,36

Коэффициент отражения
Длина волны, нм
Спектр отражения кожи человека
R = 1 – T = 1 – I/I
o
Коэффициент отражения:


Колориметрия и абсорбционная фотометрия
– позволяют определить концентрацию растворенного вещества, зная интенсивность поглощенного раствором света с данной длиной волны

Флуоресцентные методы
– дают информацию об изменении конформации макромолекул под влиянием окружения, либо связывания с другими молекулами

Пламенная спектроскопия позволяет определить концентрацию элемента по интенсивности излучения, индуцированного тепловым возбуждением атомов этого элемента
10

• Значение
УФ-спектроскопии обусловлено тем, что большинство биохимических соединений, не поглощающих свет в видимой области, поглощают ультрафиолет

ИК-спектроскопия позволяет идентифицировать многие биохимические соединения и изучить их свойства по полосам поглощения, находящимся в ИК- области спектра

Спектроскопия комбинационного рассеяния позволяет различить структурные модели молекул. По интенсивности полос можно судить о концентрации вещества
11

• В
колебательной спектроскопии частоты молекулярных колебаний используются для расчета силовых полей молекул, то есть для определения различного типа сил взаимодействия атомов в молекуле

Электронная спектроскопия используется для изучения кинетики реакций, количественного анализа, изучения строения молекул, исследования таутомерии и других превращений
12

• Метод ядерного магнитного резонанса является структурным методом анализа и основан на взаимодействии магнитного и радиочастотного полей с ядрами, которые имеют отличный от нуля собственный магнитный момент
• Суть явления электронного парамагнитного резонанса заключается в резонансном поглощении электромагнитного излучения неспаренными электронами. ЭПР позволяет изучать объекты, обладающие такими электронами: свободные радикалы и соединения, включающие ионы
13


Дифракционные методы
измеряют зависимость интенсивности рассеянного излучения от угла рассеяния
• рентгенография
• нейтронография
• электронография
14

15 0.1 – 0.25 нм
Рентгеновские лучи: 0.07 – 0.2 нм
Электронные лучи: 0.005 нм
Нейтронные лучи: 0.15 нм

Метод рентгеноструктурного анализа позволяет определять координаты атомов в трехмерном пространстве кристаллической решетки веществ
Применение РСА для установления пространственной структуры белков:
1) Получение высокоочищенного белка
2) Получение кристаллов белка
16

3) Получение дифрактограммы (рентгенограммы)
17
Ренгенограмма от кристалла миоглобина кашалота
http://www.donnu.edu.ua/chem/student/methodic/phys_methods/index.html#0

4) Построение на основе рентгенограммы карты распределения электронной плотности в элементарной ячейке белкового кристалла
18
Карта распределения электронной плотности в миоглобине
http://www.donnu.edu.ua/chem/student/methodic/phys_methods/index.html#0

5) Установление на основе карты электронной плотности координат отдельных атомов белковой молекулы в пространстве элементарной ячейки и размещение молекулы в элементарной ячейке с изображением трехмерной структуры этой молекулы
19
Упаковка молекул миоглобина
в элементарных ячейках
кристаллической решетки
Компьютерные модели
пространственной структуры
молекулы миоглобина
http://www.donnu.edu.ua/chem/student/methodic/phys_methods/index.html#0


Ионизационные методы
в результате взаимодействия какого-либо падающего излучения или потока частиц с объектом, молекулы последнего ионизируются и из них формируется новый поток частиц, который направляется на анализ
• масс-спектрометрия
• рентгеновская электронная спектроскопия (РЭС)
• ультрафиолетовая электронная спектроскопия (ФЭС)
20

21
Принципиальная схема масс-спектрометра
http://www.donnu.edu.ua/chem/student/methodic/phys_methods/index.html#0

• Рентгеновское излучение выбивает электроны с внутренних оболочек. Метод
РЭС позволяет определять энергию связи внутренних электронов с остовами атомов
• Методом ФЭС определяют последовательные потенциалы ионизации, т.е энергию электронов на различных молекулярных орбиталях
22

1.3. Виды терапии
• Консервативное лечение
• Химические методы
• Биологические методы
• Физические методы
• Радиотерапия
• Фотодинамическая терапия
• Электрофорез
• Фонофорез
• Физиотерапия
• Ударно-волновая терапия
• Хирургическое лечение
• Традиционное хирургическое вмешательство
• Лазерная хирургия
• Лазерный скальпель
• Лазерный пиллинг
• Лазерная коррекция зрения
• УЗ хирургия
• УЗ абляция
23

• Радиотерапия, лучевая терапия - лечение ионизирующей радиацией
(рентгеновским, гамма-излучением, бета- излучением, нейтронным излучением, пучками элементарных частиц из медицинского ускорителя). Применяется в основном для лечения злокачественных опухолей
24
Физические методы терапии

• Фотодинамическая терапия - метод лечения онкологических заболеваний, некоторых заболеваний кожи или инфекционных заболеваний, основанный на применении светочувствительных веществ — фотосенсибилизаторов (в том числе красителей), и видимого или
ИК света определённой длины волны
25

• Лекарственный электрофорез (ионофорез) - метод введения лекарственных веществ в организм человека с помощью постоянного гальванического тока
• Фонофорез – использование ультразвука для доставки лекарственных веществ через кожу и слизистые
26

Методы физиотерапии
• УВЧ терапия - воздействие на организм больного высокочастотного магнитного поля с длиной волны 1-10 метров с целью улучшения микроциркуляции, в результате чего ускоряются процессы репарации и регенерации, уменьшается воспаление
27

• Лазеротерапия (лазерная терапия) - метод лечения, состоящий в применении световой энергии лазерного излучения с лечебной целью
• Ультразвуковая терапия - применение ультразвуковых колебаний частотой 800-
1000 кГц с лечебной целью. УЗ оказывает механическое, термическое, физико- химическое воздействие («микромассаж» клеток и тканей)
28

• Массаж
• Лечебная физкультура
• Гидротерапия
• Магнитотерапия
• Многие другие
29

• Ударно-волновая терапия - метод лечения с использованием акустических (ударных) волн. Терапевтические ударные волны могут быть сгенерированы различными источниками. По типу источника методы подразделяются на

электромагнитные

электрогидравлические

пьезоэлектрические

пневматические
30

Хирургические методы
• Лазерная хирургия – метод, использующий лазерное излучение для стерильного и бескровного рассечения и разрушения тканей с возможностью воздействия на отдельные клетки, органы и организм в целом
31

• Лазерная коррекция зрения - фотохимическая абляция (испарение) слоёв роговицы под воздействием излучения эксимерного лазера (УФ диапазон), имеющая следствием изменение кривизны внешней поверхности роговицы и, как следствие, её рефракции
(преломляющей способности), что приводит к фокусированию лучей света на сетчатке, то есть возвращению хорошего зрения
32

УЗ хирургические методы
• Высокоинтенсивная фокусированная ультразвуковая абляция - метод, основанный на локальном разогреве тканей до температуры в 50–90°, вызванном воздействием фокусированного ультразвука высокой интенсивности
• УЗ литотрипсия – разрушение камней в полых органах под действием ударных УЗ волн
33

Физические методы диагностики
• Оптические методы:
• Спектроскопия
• Микроскопия
• Томография
• Лазерные методы:
• Лазерная Допплеровская диагностика
• Спекл-визуализация
• Ультразвуковые методы:
• УЗИ
• УЗ измерение скорости кровотока
• Оптоакустическая томография
34

• Лазерная терапия
• Лазерная хирургия
• УЗ хирургия
35
Физические методы терапии

Лекция №2
2. Оптические методы
исследования биотканей и
биожидкостей
36

37
2.1. Спектрометр
www.techob.ru www.bizator.by www.oceanoptics.com www.spectroservice.kz www.openexpo.ru

Типы спектроскопических измерений:

Поглощение
(методы УФ, видимой и ИК поглощательной спектроскопии)

Упругое рассеяние
(методы упругого рассеяния)

Неупругое рассеяние
(методы комбинационного рассеяния)

Излучение
(методы флуоресцентной и фосфоресцентной спектроскопии)
38

Базовый спектрофотометр в основном состоит из следующих компонентов:

Источник возбуждающего излучения

Дисперсионное устройство
(оптический фильтр, монохроматор или полихроматор)

Образец
(обычно в комплекте с держателем образца)

Фотометрический детектор
(оборудованный устройством считывания информации)
39

Устройство для измерения поглощения
40
источник излучения дисперсионный элемент образец детектор

Устройство для измерения упругого рассеяния
41
источник излучения дисперсионный элемент образец детектор

Устройство для измерения неупругого рассеяния
42
источник излучения дисперсионный элемент образец дисперсионный элемент детектор

Устройство для измерений излучения
43
источник излучения дисперсионный элемент возбуждения дисперсионный элемент излучения образец детектор

Основные классы спектрофотометров:
• Фильтрующие устройства
• Монохроматорные устройства
• Многоканальные устройства
44

Важные особенности спектрометра:
• интенсивность источника излучения
• разрешение и пропускная способность монохроматора
• чувствительность детектора
• надежность электронных компонентов
• повторяемость и точность механизма сканирования
• возможность удаления случайной засветки монохроматора
45

2.2. Методы измерения
оптических параметров
биотканей
46

Методы измерения
• Прямые
• Косвенные
47

итерационные • неитерационные

Прямые методы
- в основе лежат базовые понятия и определения
(закон Бугера – Беера, фазовая функция однократного рассеяния, эффективная глубина проникновения света)
Измеряемые параметры: коллимированное пропускание и индикатриса рассеяния или освещенность внутри объемной среды
Достоинство
- простота аналитических выражений:
коэффициент экстинкции из (2.26)
фактор анизотропии рассеяния из (2.30)
длина свободного пробега фотона из (2.27)
Недостаток
– необходимость строгого выполнения условий эксперимента, соответствующих модели
48
( ) (
)
(
)
0 1
exp
t
I z
R I
z
μ
= −

(
)
2 3/ 2 2
1 1
( )
4 1
2 cos
g
p
g
g
θ
π
θ

=
+

1/
ph
t
l
μ
=

Косвенные методы
- решение обратной задачи рассеяния на основе использования той или иной теоретической модели распространения света в среде
49
Неитерационные методы используют уравнения, в которых оптические свойства определяются через параметры, непосредственно связанные с измеряемыми величинами
(Модели Кубелки — Мунка, трех–, четырех–, и семипотоковые)
Достоинство
– нет необходимости в строгом выполнении условий эксперимента, соответствующих модели
Недостаток
– снижение точности за счет использования упрощений в построении теоретической модели

50
В итерационных методах величины, определяющие оптические свойства рассеивающей среды, перебираются до тех пор, пока расчетные значения не будут с заданной точностью совпадать с измеренными
(диффузионная теория, инверсный метод добавления –
удвоения, инверсный метод Монте-Карло)
Достоинство
– возможность использования более сложных оптических моделей, лучше описывающих реальные биоткани
Недостаток
– громоздкость вычислений

Измерения с использованием интегрирующей сферы
Интегрирующей сферой называется полая внутри сфера достаточно большого диаметра, покрытая изнутри веществом с альбедо близким к единице
51

52
Двойная интегрирующая
сфера
Образец
Метод двух интегрирующих сфер в сочетании с измерениями коллимированного пропускания заключается в последовательном или одновременном измерении трех параметров: коллимированного пропускания
Т
с
(2.26), полного пропускания
Т
=
Т
с
+
Т
d
(
T
d
- диффузное пропускание) и диффузного отражения
R
d

Любые три измерения достаточны для определения всех трех оптических параметров (
μ
a
,
μ
s
, g
):
1. полное (или диффузное) пропускание для коллимированного или диффузного облучения,
2. полное (или диффузное) отражение для коллимированного или диффузного облучения,
3. поглощение образца, помещенного внутри интегрирующей сферы,
4. коллимированное пропускание (нерассеянного света),
5. угловое распределение рассеянного образцом излучения.
53

Методы с пространственным разрешением
54
источник источник детектор

Картина распространения фотонов внутри ткани, полученная методом Монте-Карло при запуске 30000 модельных фотонов
55
http://lib.znate.ru/docs/index-216972.html источник детектор

56
источник (s)
детектор (d)
распределение траекторий фотонов внутри биоткани, попадающих в детектор глубина зондирования биоткани r
sd биоткань

57
(
)
(
)
1/ 2 2
2 0
0 3/ 2 2
2 2
2 0
0 1
( )
exp
2
eff
sd
eff
sd
sd
sd
z A
R r
r
z
r
z
r
z
μ
μ
π






=
+

+






+
+


'
0
/
s
z
K
μ
=
(
)
'
3
eff
a
a
s
μ
μ μ
μ
=
+
где ,
K
– безразмерная постоянная, величина которой зависит от параметра анизотропии рассеивающих частиц и коэффициента отражения поверхности,
А
– площадь приёмника,
µ
eff
– определяется равенством
Для полубесконечной среды при условии, что источник и приемник разделены расстоянием r
sd и ориентированы нормально к поверхности образца, отражающая способность дается выражением (
диффузионное приближение
)
Пространственно-разрешенная отражательная способность R
(
r sd
) определяется как отнесенная к единице поверхности мощность рассеянного назад излучения, регистрируемого точечным приемником, расположенном на поверхности биоткани на расстоянии r
sd от точечного источника
(2.1)

Линейная волоконно-оптическая система:
один световод для освещения, семь –
для приёма излучения
58
Расстояние ρ
Измерение
Отражение
R(
ρ
)

59
Круговая волоконно-оптическая система:
центральный световод для приёма излучения, шесть – для освещения r
sd

Отражение
R(
λ)
Длина волны λ

Метод ОКТ
60

61
Z
X-Y
Z
А - скан
В - скан

Определение оптических параметров с помощью ОКТ
62
В ОКТ измерениях интенсивность отраженного света как функция глубины и поперечного направления сканирования образца определяется как амплитуда сигнала в интерференционных полосах
Результат определяет зависимость коэффициента обратного рассеяния (или коэффициента отражения)
R
(
z
, x
) от расстояния вдоль оси z
(глубины) и поперечной оси x
(направление сканирования)
Коэффициент отражения зависит от оптических свойств биоткани, т.е. коэффициентов поглощения и рассеяния

Типы рассеивающих взаимодействий света с биотканью
63 1
– баллистические фотоны (проходящие без рассеяния),
2
– рассеяние под большими углами,
3
– однократное рассеяние назад,
4
– отражение строго назад, при котором происходит искажение фазового фронта волны за счет перепада показателя преломления среды,
5
– рассеяние под малыми углами

Модель однократного рассеяния
64
Модель однократного рассеяния основана на предположении, что только свет, испытавший однократное рассеяние, сохраняет когерентные свойства и вносит свой вклад в формирование ОКТ- сигнала
ОКТ-сигнал в данном случае определяется как:
(
)
( )
(
)
1/ 2 1/ 2 1/ 2 2
2 0
( )
exp( 2
)
t
i z
i
z
μ


(2.2)
где i
(
z
) – ОКТ-сигнал, z
– глубина в ткани

65
Известно, что результатом ОКТ исследования является измерение зависимости интенсивности
ОКТ-сигнала исследуемой ткани
(
)
1/ 2 2
( )
( )
R z
i z

от глубины z
:
(
)
( ) exp
t
R z
z
μ


(2.3)

66
Интенсивность ОКТ-сигнала зависит от отражательной способности биоткани на заданной глубине
α
(
z
) и полного коэффициента ослабления биоткани
В соответствии с моделью однократного рассеяния отраженную оптическую мощность можно записать в виде
t
a
s
μ
μ
μ
=
+
( )
(
)
0
( )
exp
t
R z
I
z
z
α
μ
=

Здесь
I
0
– оптическая мощность, вводимая в биоткань
(2.4)

67
В простейшем случае измерение сигнала ОКТ для двух глубин z
1
и z
2
позволяет оценить коэффициент ослабления
μ
t при условии, что локальная отражательная способность
α
(
z
) не зависит от глубины для однородного слоя биоткани:
( )
( )
(
)
( )
( )
1 1
2 2
1 2
exp или
1
ln
t
t
R z
z
z
R z
R z
z
R z
μ
μ









=




Δ


(2.5)
где ∆
z
= |
z
1

z
2
|

68

Каталог: media -> library -> education
media -> Моя жизнь в искусстве
media -> Пояснительная записка к профессиональному стандарту «Плавильщик цветных металлов и сплавов»
media -> Стрептококки. Симптомы Резкая и сильная, иногда не резкая и умеренная, боль в горле
media -> Оценка функции сердечно-сосудистой системы Kровообращение
media -> Монография Самара Издательство «Универс групп» 2007
media -> Приложение Предложения по внесению изменений и дополнений в действующие нормативные правовые акты, регулирующие вопросы оформления профессиональных заболеваний в сфере гражданской авиации
media -> Отчет ново нордиск 2010 Информационная, просветительская и благотворительная деятельность в России
education -> Лабораторная работа №1 тепловое излучение. Измерение яркостной температуры


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3


База данных защищена авторским правом ©zodorov.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница