Программа дисциплины Лазерные Медицинские системы для учебного плана кафедры бмт-1 по направлению подготовки дипломированного специалиста 653900 «Биомедицинская техника» по специальности

Вид материалаПрограмма дисциплины

Содержание


Лазерные Медицинские системы
Методы управления выходными характеристиками лазерного излучения - - 2 часа.
Лазерные установки для офтальмологической хирургии - - 2 часа
Применение высокоинтенсивных лазеров в эндоскопии - - 2 часа
Аппаратура для лазерной сердечно-сосудистой хирургии - 4 часа
Подобный материал:




Министерство образования Российской федерации







Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
















«Утверждаю»


Первый проректор -

проректор по учебной работе

МГТУ им. Н.Э. Баумана


_______________ Е.Г. Юдин


«___» «___________» 2003 г.









Программа дисциплины








Лазерные Медицинские системы








для учебного плана кафедры БМТ-1


по направлению подготовки дипломированного специалиста

653900 – «Биомедицинская техника» по специальности

190500 Биотехнические и медицинские аппараты и системы





Виды учебных работ

Объём работ, час

Всего

10 семестр

11 семестр

17 недель

13 недель

Выделено на дисциплину

192

153

39

Аудиторная работа

102

102

-

Лекции

68

68

-

Лабораторные работы

34

34

-

Самостоятельная работа

90

51

39

Домашнее задание №1

15

15

-

Домашнее задание №2

15

15




Самостоятельное изучение материала

21

21




Курсовая работа

39

-

39

Сроки выполнения контрольных мероприятий (неделя выдачи – неделя сдачи)




Домашнее задание




(9,15)

-




Рубежный контроль




(10)

-




Курсовая работа 25%




-

4




Курсовая работа 50%




-

8




Курсовая работа 75%




-

12




Курсовая работа 100%




-

15




Контроль знаний




экзамен

зачет


Кафедра Биомедицинские технические системы (БМТ 1)

Факультет «Биомедицинская техника»

Программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального обр0000а0зования в соответствии с требованиями к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы по направлению подготовки дипломированного специалиста 653900 Биомедицинская техника по специальности 190500 Биотехнические и медицинские аппараты и системы.

Раздел 1. Цели и задачи дисциплины.

1.1. Общие цели. .

Подготовка специалистов к участию в создании новых лазерных медицинских приборов, аппаратов и комплексов для хирургии, терапии и диагностики, проектированию, расчету и моделированию основных функциональных узлов, разработке методик и проведению их технических и биомедицинских испытаний.
    1. Приобретаемые профессиональные умения и навыки:

а) вести анализ и разработку структурных и функциональных схем;

б) разрабатывать и обосновывать медико-технические требования к лазерной аппаратуре, базирующиеся на системном биотехническом анализе;

в) выполнять необходимые расчеты, как для характеристик электромагнитного излучения, взаимодействующего с биообъектом, так и для лазерных систем, использующих это взаимодействие для лечебных и диагностических целей;

г) уметь моделировать техническими средствами основные биологические процессы;

д) проектировать основные типы лазерной аппаратуры на современном уровне.
    1. Приобретаемые профессиональные знания.

1. Законы:

а) классической электродинамики с акцентом на распространение излучения в поглощающих и рассеивающих средах;

б) геометрической и физической оптики;

в) статистической механики и радиофизики;

г) квантовой электроники;

д) теплового излучения и других способов передачи тепловой энергии;

е) физической и химической кинетики.

2. Величины, характеризующие:

а) оптические характеристики основных материалов, используемых в лазерных приборах и аппаратах;

б) оптические характеристики биотканей и близких к ним сред;

в) параметры основных лазерных систем широкого применения;

г) параметры органа зрения как оптической и биотехнической системы;

д) параметры основных типов приемников оптического излучения;

е) параметры электронных схем, анализирующих и преобразующих сигналы в радиочастотном диапазоне после их преобразования фотоприемными системами;

ж) параметры информационно-вычислительных систем.

3. Понятия:

Спонтанное и вынужденное излучение при взаимодействии вещества с электромагнитным полем; активная среда; показатель усиления; условие самовозбуждения лазера; мягкий и жесткий режим возбуждения; ширина линии рабочего перехода; однородное и неоднородное уширение линии; трехуровневая и четырехуровневая схемы возбуждения; интерферометр Фабри-Перо как спектральный прибор и как резонатор; собственные моды оптических резонаторов; гауссов пучок; теория Когельника; устойчивый и неустойчивый резонаторы; КПД лазера; импульсный и непрерывный режимы работы лазера; свободная генерация; модуляция добротности; синхронизация мод; управление выходными характеристиками лазерного излучения (модуляция, сканирование); генерация оптических гармоник; тепловой, фотохимический и фотоионизационный механизмы взаимодействия лазерного излучения с биотканью; терапевтическое и хирургическое действие лазерного излучения; фотодеструкция; фотоабляция; термодиффузионное разрушение биоткани; дозиметрия лазерного излучения; лазерный скальпель и лазерный перфоратор; стерилизующее действие лазерного излучения; лазерный гемостаз; лазерная эндоскопия; лазерная ангиопластика; лазерная литотрипсия; лазерная биостимуляция; низкоинтенсивная и высокоинтенсивная лазерная терапия; фотодинамический и светокислородный эффекты; фототермия; сочетанные терапевтические воздействия; когерентная и некогерентная диагностика; спекл-интерферометрия; голографическая интерферометрия; спектроскопия оптического смешения; допплеровская флоуметрия; пульс-оксиметрия; спектроскопия комбинационного рассеяния; люминесцентная спектроскопия и микроскопия.

4. Методики:

а) расчета основных характеристик выходного излучения лазеров на базе автоколебательной модели лазера в полуклассическом приближении с учетом возможной нелинейности среды;

б) расчета оптических резонаторов на основе теории гауссовых пучков Когельника;

в) расчета основных характеристик лазерных медицинских систем хирургического назначения на основе модели теплового действия лазерного излучения на биоткань (в термодиффузионном и фотоабляционном режимах);

г) расчета системы доставки лазерного излучения к биообъекту и системы контроля лазерного воздействия на биообъект;

д) оценочного расчета дозы облучения биообъекта при лазерной терапии в предположении о преобладании того или иного механизма действия лазерного излучения;

е) расчета рассеянных случайно-неоднородными средами полей с применением методов статистической радиофизики, в том числе основ современных методов расчета с применением диаграммной техники;

ж) расчета характеристик фототока при оптическом смешении;

з) оценочного расчета возможностей приема и анализа люминесцентного излучения биообъектов;

н) технико-экономического расчета эффективности лазерной и оптической аппаратуры при внедрении ее в медицинскую практику.

5. Приборы и изделия.

- лазерная установка общехирургического назначения на базе СО2 – лазера;

- лазерная эндоскопическая установка на базе Nd:YAG – лазера;
  • лазерные офтальмокоагуляторы на базе полупроводникового лазера и ионного Ar+ - лазера;
  • лазерный корректор кривизны роговицы на базе эксимерного лазера;

- лазерный перфоратор чрескожного действия на базе Еr:YAG – лазера;

- лазерный литотриптор экстракорпорального и интракорпорального типа;

- установка для лазерной ангиопластики;

- лазерные аппараты для низкоинтенсивной терапии на базе газовых и полупроводниковых лазеров;

- матричные фототерапевтические облучатели;

- лазерные установки для фотодинамической терапии;

- лазерный допплеровский флоуметр (измеритель характеристик потоков биожидкостей);

- спекл-анализатор дефектов зрения;

- пульс-оксиметр;

- лазерный люминесцентный спектроанализатор.


Раздел 2. Содержание дисциплины.

2.1. Аудиторная работа 102 часа

2.1.1 Лекции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 час

Тема 1. Физические принципы работы лазеров- 8 часов.

Основные понятия квантовой электроники- - - - - - - - - - 2 часа

Спонтанное и вынужденное излучение. Понятие о коэффициентах Эйнштейна. «Квантовая катастрофа». Инверсия населенностей и понятие показателя усиления активной среды. Понятие об эффектах насыщения и предмете нелинейной оптики. Когерентность вынужденного излучения. Автоколебательная точка зрения на лазер. Условие возбуждения генерации, понятие о балансе амплитуд и фаз. Мягкий и жесткий режимы возбуждения. Оценка выходной мощности лазера в случае больших и малых превышений над порогом генерации.

Ширина линии рабочего перехода - - - - - - - - - - - - 2 часа

Механизмы уширения линии в двухуровневой квантовой системе (радиационное, столкновительное, допплеровское). Однородное и неоднородное уширение. Лоренцева и гауссова форма линии. Сравнение характерных ширин линии для различных типов активных сред. Понятие о фойгтовской форме линии.

Оптические резонаторы - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 часа

Интерферометр Фабри-Перо как резонатор. Добротность, полоса пропускания, межмодовое расстояние. Пассивный и активный резонаторы Фабри-Перо. Проблема устойчивости пространственной конфигурации поля при учете дифракционных потерь. Понятие о теории Фокса и Ли. Гауссов пучок как фундаментальное распределение поля в пространстве, доставляющее минимум соотношению неопределенностей. Остановленный и распространяющийся волновой пакет. Расчет характеристик основной моды (фундаментального гауссова пучка) на основании теории Когельника. Резонаторы со сферическими зеркалами, реализующие гауссов пучок . Типовые схемы резонаторов со сферическими зеркалами (конфокальный, полуконфокальный, концентрический). Понятие об устойчивости резонаторов и применении неустойчивых резонаторов. Расчет параметров гауссова пучка при прохождении его через оптические системы.

Тема 2. Основные типы лазеров, применяемые в медицине – 20 часов.

Низкоинтенсивные лазеры, применяемые в медицине - - - - 4 часа

Газовые лазеры на нейтральных атомах (на примере Ne-He лазера). Особенности создания инверсии в газовом разряде. Механизмы возбуждения, роль гелия в неон-гелиевой активной среде. Оценка квантовой эффективности Ne-He лазера и расчет КПД. Характерные значения выходной мощности Ne-He лазера, монохроматичность и когерентность излучения лазеров на нейтральных атомах. Использование данного типа лазеров в качестве эталонов длины и частоты.

Полупроводниковые лазеры (на примере GaAs лазера и родственных с ним). Механизм создания инверсии в полупроводниковой активной среде. Излучательная рекомбинация носителей заряда. Уровень и квазиуровни Ферми. Вырождение полупроводника как необходимое условие создания инверсии. Инжекция носителей заряда. Характерные значения КПД полупроводниковых лазеров, причины, ограничивающие их выходную мощность. Лазеры на гетероструктурах. Работа полупроводниковых лазеров в непрерывном и импульсном режимах. Характерные длины волн излучения полупроводниковых лазеров, применяемые в медицине.

Ионные и молекулярные лазеры - - - - - - - - - - - - - 4 часа

Особенности создания инверсии на уровнях ионов (на примере Ar+-лазера). Возможность получения большого энергосъема с единицы объема активной среды в случае заряженных активных частиц. Оценка КПД аргонового лазера и зависимости его выходной мощности от плотности тока разряда. Технологические проблемы разработки ионных лазеров и способы их решения: применение специальных материалов, использование обводного канала в газоразрядной трубке, помещение активной среды в магнитное поле. Конструктивное выполнение ионных лазеров и области применения их в медицине.

Особенности создания инверсии на переходах между молекулярными уровнями (на примере СО2 – лазера). Колебательные и вращательные спектры. Особенности выбора длины волны для молекулярных переходов, возможности повышения КПД. Роль азота и гелия в активной среде СО2 - лазера. Основные проблемы, возникающие в замкнутой активной среде молекулярных лазеров (диссоциация молекул, тепловое заселение нижнего рабочего уровня, электрофорез). Применение прокачки активной среды через разрядный промежуток. Непрерывный, импульсный и суперимпульсный режимы работы СО2- лазера. Характерные уровни выходной мощности СО2- лазеров, применяемых в медицине.

Твердотельные лазеры - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 часа

Принципиальное различие механизмов создания инверсии в полупроводниковых и твердотельных лазерах. Схема рабочих уровней иона Nd+ в кристалле иттрий-алюминиевого граната. Характерный КПД лазера на Nd:YAG. Сравнение характеристик Nd:YAG- лазера с другими типами лазеров, обеспечивающих тот же порядок выходной мощности на тех же длинах волн. Технологические и эксплуатационные преимущества Nd:YAG- лазера, разнообразие режимов работы. Получение коротких импульсов: режимы свободной генерации, модуляции добротности, синхронизации мод.

Лазер на рубине. Схема уровней, особенности возбуждения, невозможность работы в непрерывном режиме. Анализ кинетики трехуровневой и четырехуровневой схем возбуждения. Влияние температуры на работу трехуровневой и четырехуровневой схем.

Современные тенденции развития твердотельных лазеров. Перспективы медицинских применений твердотельных лазеров на самоограниченных переходах редкоземельных элементов и лазеров с диодной накачкой (микрочип-лазеров).

Эксимерные лазеры и лазеры на красителях - - - - - - - 2 часа

Понятие об эксимерах как соединениях, существующих только в возбужденном состоянии. Гарпунная реакция. Особенности создания инверсии в эксимерной активной среде, вытекающие из них выходные характеристики. Уникальность эксимерных лазеров как высокоинтенсивных источников когерентного излучения УФ диапазона. Основные типы эксимерных лазеров на моногалогенидах инертных газов и области их применения в медицине.

Создание инверсии при оптическом возбуждении органических красителей. Возможность широкого выбора органических красителей для работы во всем диапазоне оптических частот. Возможность перестройки частоты генерации лазера на красителе в широком диапазоне. Способы накачки в лазерах на красителях с помощью когерентных и некогерентных источников света. Селекция мод в лазерах на красителях. Сжатие импульса генерации по отношению к импульсу накачки и получение рекордно коротких (фемтосекундных) импульсов. Значение сверхкоротких импульсов для медико-биологических исследований.

Методы управления выходными характеристиками лазерного излучения - - 2 часа.

Постановка задачи об управлении параметрами лазерного излучения. Модуляция и биосинхронизация. Введение обратной связи через биообъект. Способы обеспечения заданной величины плотности мощности на поверхности биооъекта (фокусировка, сканирование). Устройства, обеспечивающие модуляцию и сканирование лазерного излучения (амплитудные, фазовые, частотные модуляторы, электромагнитные, пьезоэлектрические, электро- и магнитооптические сканирующие устройства). Вне- и внутрирезонаторные модуляторы.

Генерация оптических гармоник - - - - - - - - - - - - - 2 часа

Понятие о генерации оптических гармоник как одном из характернейших проявлений нелинейной оптики. Принципы, закладываемые в нелинейные оптические устройства. Разложение поляризации среды по степеням амплитуды электрического поля. Условие возможности генерации второй гармоники в кристаллах. Условие фазового синхронизма. Возможность полного преобразования выходного излучения во вторую гармонику при внутрирезонаторном возбуждении. Примеры реализации нелинейного преобразования частоты генерации лазера для медицинских целей.

Нелинейные явления в биологических средах. . . . . . . . 2 часа

Спектр биологического действия лазерного излучения. Методические проблемы исследования СБД. Многообразие механизмов биологического действия лазерного излучения и наиболее характерные эффекты, наблюдаемые при воздействии лазерного излучения на биообъект (несовпадение воспринимаемой зрительным анализатором длины волны с фактической длиной волны излучения, необходимость перестройки частоты генерации лазера в широких пределах при фотодинамической терапии, аномальные значения порога фотодеструкции биоткани при наличии слоя крови между излучателем и облучаемой поверхностью и др.). Возможные модели резонансного взаимодействия лазерного излучения с биотканью, обеспечивающие наблюдение нелинейных эффектов в существенно более слабых полях, чем в кристаллических средах.

Тема 3. Медицинские применения лазеров – 38 часов.

Классификация медицинских применений лазеров - - - - - - 2 часа

Основные механизмы взаимодействия лазерного излучения с биотканями (тепловой, фотохимический, фотоионизационный). Сопоставление с естественными источниками электромагнитного излучения (в первую очередь, Солнцем). Классификация медицинских применений лазеров, следующая из анализа механизмов взаимодействия (лазерная диагностика, лазерная терапия, лазерная хирургия). Понятие о дозе лазерного облучения и проблеме оптической дозиметрии.

Хирургические применения лазеров - - - - - - - - - - - - 2 часа

Диапазон плотностей мощности, определяющий хирургическое воздействие на биоткань при выбранной длине волны. Процессы, приводящие к деструкции биоткани при преобладании теплового механизма взаимодействия. Условие разрушения мягких тканей в термодиффузионном и фотоабляционном режимах. Сопоставление особенностей обоих режимов, основные сферы их применения. Оценка повреждения прилежащих к зоне облучения тканей.

Лазерные установки общехирургического назначения (лазерные скальпели)- - - - - - - - 2 часа

Особенности взаимодействия с биотканями лазерного излучения ИК диапазона, длина волны излучения которого находится в области высокого поглощения внутритканевой водой. Основные особенности лазерного рассечения тканей с медицинской точки зрения (бесконтактность, гемостатичность, бактерицидность, прецизионность, быстрая репаративность). Конструктивные особенности медицинских хирургических установок на базе СО2 – лазеров на примере лучших промышленных отечественных и зарубежных образцов. Перспективы расширения сферы медицинских применений СО2-лазеров за счет разработок специальных лазерных инструментов и развития сервисных возможностей на базе достижений информатики и вычислительной техники.

Лазерные установки для офтальмологической хирургии - - 2 часа

Особенности взаимодействия лазерного излучения с органом зрения, вытекающие из уникальности глаза как оптической системы. Выбор длины волны излучения лазера для воздействия на передние отделы глаза и на глазное дно. Развитие лазерной офтальмологической аппаратуры с точки зрения трансформации ее функциональных возможностей (универсализации и специализации). Расширение диапазона длин волн лазерных офтальмологических установок в УФ и ИК областях. Современные тенденции развития лазерной офтальмологии, связанные с применением эксимерных и твердотельных лазеров. Использование сочетанного действия лазерного излучения с другими факторами (лазерно-ультразвуковое, фотодинамическое) для повышения эффективности лечения особо тяжелых заболеваний органа зрения.

Применение высокоинтенсивных лазеров в эндоскопии - - 2 часа

Развитие лазерной эндоскопии, обусловленное развитием волоконной оптики, с одной стороны, и эндоскопической техники, с другой стороны. Выбор длин волн лазерного излучения для эндоскопических вмешательств и разработка средств и методов доставки излучения к различным органам. Преимущества Nd:YAG-лазера, обуславливающие его применение в лазерной эндоскопии, и основные области медицины, где применяются такие ЛЭУ (гастроэнтерология, урология, бронхоскопия). Блок-схема лазерной эндоскопической установки, основные задачи, подлежащие решению при ее проектировании. Анализ конструктивных особенностей современных отечественных и зарубежных ЛЭУ и пути их совершенствования.

Аппаратура для лазерной сердечно-сосудистой хирургии - 4 часа

Медицинская проблематика, закладываемая в проектирование установок данного типа. Альтернативные способы лечения сердечно-сосудистых заболеваний (терапевтические и хирургические). Шунтирование и протезирование участков сосудов, сопоставление возможностей этих методов лечения с ангиопластическими. Механическая (баллонная и роторная) ангиопластика как альтернатива лазерной ангиопластике. Лазерная реваскуляризация миокарда. Основные проблемы, тормозящие массовое внедрение лазерной ангиопластики в практическую медицину, и пути их решения.

Аппаратура для лазерной литотрипсии - - - - - - - - - 2 часа

Проблематика разрушения конкрементов в желче- и мочевыводящих органах. Рост заболеваемости каменными болезнями в цивилизованных странах. Альтернативные методы лечения (хирургия, терапия). Альтернативные методики литотрипсии (ультразвуковая, электроискровая). Преимущества лазерной литотрипсии. Экстракорпоральная и интракорпоральная литотрипсия. Фотогидродинамический и фотогидростатический режимы разрушения конкрементов. Использование режимов свободной генерации и модулированной добротности для оптимизации воздействия на конкремент. Методы оперативного контроля процесса разрушения конкрементов. Проектирование установок для лазерной литотрипсии и анализ промышленно выпускаемой аппаратуры.

Аппаратура для лазерной терапии - - - - - - 8 часов

Системный взгляд на лазерную терапию как принципиально отличный от хирургии способ лечения (управляющее воздействие на биообъект). Классификация лазерных терапевтических воздействий и соответственно типов терапевтической аппаратуры. Схема БТС при лазерной терапии. Представление об основных механизмах воздействия низкоинтенсивного лазерного излучения на организм на различных уровнях (молекулярном, клеточном, тканевом, организменном). Биостимуляция и противоположные ей эффекты при различных режимах облучения. Проявление нелинейных эффектов при лазерной терапии и влияние их на выбор дозы облучения. Взаимосвязь проблем дозиметрии и определения спектра биологического действия. Выбор длины волны излучения лазерных терапевтических аппаратов. Роль когерентности излучения. Примеры наиболее распространенных в медицинской практике аппаратов для низкоинтенсивной лазерной терапии («Мустанг», «МИЛТА», «Азор-ВЛОК», «Дюна»). Матричные терапевтические облучатели.

Аппаратура для лазерной фотодинамической терапии. Основные требования к излучателю и к блоку управления и обработки информации. Основные проблемы, возникающие при проектировании аппаратуры для ФДТ злокачественных новообразований, и возможные пути их преодоления. Математические модели фотодинамического эффекта и возможности дозиметрического контроля при ФДТ. Тенденции развития ФДТ. Расширение круга заболеваний, для лечения которых применяется ФДТ. Новые возможности в рамках ФДТ (стимуляция иммунных реакций, сочетанное воздействие ФДТ с другими лечебными воздействиями, применение матричных облучателей для ФДТ).

Принципы проектирования лазерных диагностических приборов - - - - - - - - - - - - - 14 часов

Особенности лазерной диагностики в плане ее потенциальных возможностей и степени их реализации на сегодня. Классификация лазерных диагностических методов. Когерентная и некогерентная диагностика.

Выделение оптических характеристик биообъекта, несущих диагностическую информацию. Постановка задачи об измерении характеристик биообъекта в отраженном и проходящем излучении как задачи об измерении рассеянного излучения в обобщенном смысле (с точки зрения распространения электромагнитной волны в пространственно-неоднородной среде). Случайные и детерминированные, амплитудные и фазовые неоднородности. Рассеивающий биообъект как фильтр пространственных частот. Применение оптической системы как анализатора рассеянного лазерного излучения. Решение уравнения Гельмгольца методом функций Грина и применение метода Гюйгенса-Френеля. Распределение интенсивности электромагнитного поля в плоскости изображения. Изображение биообъекта как преобразование Фурье в пространственных частотах. Аналогии между пространственными и временными спектрами. Теорема свертки. Аподизация и пространственная фильтрация. Изображение в оптической системе при когерентном и некогерентном освещении. Фурье-преобразование функции когерентности Вольфа. Когерентный и некогерентный пределы для интеграла распределения интенсивности в плоскости изображения. Особенности рассеивающей среды в случае биообъекта (крупные частицы, сильное поглощение). Оценки применимости моделей объемного рассеяния. Рассеяние случайно-неоднородной поверхностью. Продольный и поперечный масштабы случайной поверхностной неоднородности. Условия, при которых возможно аналитическое решение уравнения Гельмгольца для рассеянного поля в приближении однократного рассеяния случайно-неоднородной поверхностью. Формулировка основной проблемы при решении задачи вычисления интенсивности рассеянного поля: сведение интегрирования по случайной поверхности к интегрированию по детерминированной поверхности. Приближение Кирхгофа. Аналогии между результатами расчета в приближении Кирхгофа и эмпирическими соотношениями для фотометрических величин. Значение гауссовости случайных величин, фигурирующих в процессе расчета. Возможность анализа рассеянного биообъектом излучения посредством волоконно-оптических датчиков.

Лазерная спектроскопия оптического смешения. Понятие квазиупругого рассеяния электромагнитных волн на биообъектах. Необходимость извлечения в этом случае не амплитудной, а фазовой информации из рассеянного излучения. Наличие частотных сдвигов между падающим и рассеянным излучением. Методика оптического смешения – возможность переноса анализа спектра из оптического в радиодиапазон. Гомодинные и гетеродинные спектрометры оптического смешения. Принципиально нелинейный характер преобразования сигналов из оптического в радиочастотный диапазон. Характерные компоненты в спектре фототока. Сравнительный анализ возможностей гомодинного и гетеродинного методов оптического смешения. Медицинская аппаратура, работающая на принципе оптического смешения: лазерные анемометры, приборы для анализа гемодинамики, для исследования подвижности клеток, лазерные допплеровские микроскопы. Применение информационных технологий в спектроскопии оптического смешения.

Спекл-интерферометрия в медицинской диагностике. Понятие когерентного объема. Объективная и субъективная спекл-картины. Оценка продольного и поперечного размера спекла. Влияние формы и размера входного зрачка на вид спекл-картины. Спекл-картина от движущейся поверхности. Понятие «замороженной» спекл-картины. Использование методов спекл-интерферометрии в офтальмологии и анализе кровотока в неоднородных биотканях. Границы применимости методов спекл-интерферометрии. Возможность применения спекл-интерферометрии для анализа процессов передачи информации на клеточном и субклеточном уровне.

Голографические методы анализа биообъектов. Ограничения, накладываемые на возможности голографических измерений спецификой биотканей. Применение импульсной голографии. Голографические методы анализа на клеточном уровне. Прецизионные измерения на стыке голографии и спекл-интерферометрии. Понятие о голографической томографии.

Методы люминесцентной диагностики. Спектры люминесценции биотканей при различных патологиях. Аппаратура для люминесцентного анализа (микроскопы, эндоскопы, волоконно-оптические датчики). Люминесцентная диагностика в онкологии. Использование фотосенсибилизаторов для люминесцентной диагностики. Преимущества лазерных источников зондирующего излучения при люминесцентной диагностике.

Анализ возможностей развития методов расчета интенсивности рассеянного биообъектами излучения с учетом многократного рассеяния.

Метод Монте-Карло. Преимущества и недостатки метода (дискретное представление электромагнитного поля как потока фотонов, трудности в определении фазовых соотношений в рассеянном излучении).

Возможность графического представления ряда теории возмущений при вычислении рассеянного поля. Понятие о фейнмановских диаграммах. Уравнение Дайсона. Примеры использования диаграммной техники при анализе рассеяния электромагнитных волн биообъектами.

Тема 4. Общие вопросы проектирования и эксплуатации лазерных приборов и аппаратов - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 часа

Техника безопасности при работе с лазерами. Санитарные нормы и правила. Классы опасности лазерных установок. Предельно допустимые уровни облучения для кожи и органов зрения. Меры защиты. Метрологическое обеспечение лазерной аппаратуры. Особенности составления МТТ на разработку оптических и лазерных приборов и аппаратов. Основные этапы НИР и ОКР. Внедрение разработок в серийное производство и медицинскую практику.

2.9. Лабораторные работы - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 34 часа

Лабораторная работа № 1. Изучение характеристик лазерной медицинской терапевтической аппаратуры на базе неон-гелиевых лазеров (8 часов)

Лабораторная работа № 2. Изучение характеристик лазерной медицинской терапевтической аппаратуры на базе полупроводниковых лазеров (8 часов)

Лабораторная работа № 3. Изучение матричных фототерапевтических облучателей (9 часов)

Лабораторная работа № 4. Применение методов спекл-интерферометрии в медицинской диагностике (9 часов).

2.2. Самостоятельная работа. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51 час.

2.2.1. Решение домашнего задания №1 объемом 20-25 задач по темам 1 и 2 (физические принципы работы лазеров, основные типы лазеров, применяемые в медицине). Выдача задания - 1 учебная неделя, сдача – 9 учебная неделя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 часов

2.2.2. Решение домашнего задания №2 объемом 20-25 задач по теме 3 (медицинские применения лазеров). Выдача задания - 9 учебная неделя, сдача – 15 учебная неделя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 часов

2.2.3. Самостоятельное изучение материала в соответствии с требованиями, установленными в домашних заданиях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 час.

2.3. Курсовая работа. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39 час.

2.3.1. Цель курсовой работы: практическое освоение методов расчета и проектирования лазерной медицинской аппаратуры.

Основные задачи, подлежащие решению в ходе выполнения курсовой работы:

- проведение анализа биообъекта с медико-биологической точки зрения для формулировки медицинских требований к аппаратуре;

- проведение анализа существующих технических решений выбранной или близкой к ней задачи с учетом возможного формулирования медико-технических требований;

- проведение численных расчетов или моделирования с применением ЭВМ;

- ознакомление с экспериментальными методиками исследования биообъектов с помощью лазерной аппаратуры.

2.3.2. Требования к курсовым работам.

Студентам предлагаются три возможных направления работ: реферативные, расчетно-конструкторские, поисковые.

В первом случае предполагается проведение аналитического обзора литературы по выбранной теме с привлечением современного материала (временная глубина периодики не более 5 лет, монографий – не более 10 лет, за исключением основополагающих работ, за указанное время не переиздававшихся). Обзор должен содержать постановочную часть, отражающую интерес автора к выбранной теме в виде проблемной постановки вопроса и выяснения принятой в большинстве имеющихся работ точки зрения. Обсуждение проблематики должно обозначить точку зрения автора на выбранную проблему, обоснованию и точной формулировке которой должна быть посвящена основная часть работы. В качестве обоснований могут приводиться экспериментальные результаты, не вызывающие сомнений расчеты либо факты освоения в медицинской практике соответствующих приборов и аппаратов. Анализ и обобщение используемых аргументов должны быть подытожены в заключении, оформляющем точку зрения автора в возможно более краткой форме в виде выводов и рекомендаций. Объем реферативной работы: 30 страниц машинописного текста (1,8-2 тыс. знаков на странице) с использованием не менее 20 источников. Иллюстративный материал допускается в произвольной форме, удобной для представления во время доклада при защите работы (таблицы, графики, плакаты и др.)

Во втором случае студент рассчитывает самостоятельно выбранную лазерную систему медицинского назначения, либо в рамках рекомендованных задач, либо за таковыми, в соответствии со своими склонностями. Расчет предваряется постановочной частью, содержащей краткий анализ состояния имеющейся в медицинской практике аппаратуры и обоснование проводимого расчета, улучшающего какие-либо ее параметры. В ходе расчета студент использует полученные знания информатики и вычислительной техники применительно к выполнению требований, сформулированных в задании. Расчет иллюстрируется эскизным материалом, выполненным в соответствии с требованиями ГОСТ на эскизы, принятыми в ЕСКД и ЕСТД. Количество эскизов не устанавливается жестко, но оценивается при защите с точки зрения соответствия проведенному расчету. Эскизы выносятся на листы формата А2-А3 для доступности восприятия комиссией. Текстовой материал в этом случае оформляется в виде пояснительной записки к графическому материалу. Объем расчетной работы: 20 машинописных страниц с обязательными выводами и рекомендациями. Приложение текста программ, использованных при расчете, не обязательно, но желательно для повышения оценки (в случае, если эти программы не входят в стандартный пакет программ ЭВМ).

В третьем случае студент проводит самостоятельное поисковое исследование в рамках предложенной тематики (оригинальный расчет с моделированием на ЭВМ, эксперимент с ориентировкой на научную новизну, испытания новой техники по оригинальной программе). Основное требование к поисковой работе: проявление самостоятельности в исследованиях и умение довести работу до научного результата. При оформлении результатов студент должен продемонстрировать владение современными методами расчета и умение доказать корректность проведенного теоретического исследования, в том числе возможность его экспериментальной проверки (в случае оригинального расчета); владение методикой эксперимента в плане грамотного использования аппаратуры, метрологического обоснования и корректности представления результатов измерений с указанием реализованной точности и воспроизводимости, а также с сопоставлением полученных результатов с имеющимися теоретическими моделями и опытными данными из литературы (в случае экспериментального исследования); знакомство со стандартными методиками испытаний аппаратуры, соответствующими ГОСТ, грамотное сопоставление предлагаемой методики испытаний со стандартными и обоснование ее преимуществ, облегчающих получение соответствующих сертификатов( в случае проведения испытаний по новой методике). Объем представляемого отчета о проведенной работе в данном случае жестко не устанавливается при условии отражения в нем выполнения указанных требований.

2.3.3. Темы курсовых работ предлагаются преподавателем в индивидуальном порядке для каждого студента в соответствии с его склонностями и общей концепцией курса.

2.4. Научная работа (НИРС) – по отдельной программе в индивидуальном порядке.

Раздел 3. Текущий и итоговый контроль.

3.1. Рубежный контроль.

10 нед. 10 сем., темы 1-2.

3.3. Итоговый контроль.

3.3.1. Экзамен - сессия 10 сем., темы 1-4.

3.3.2. Зачет по курсовой работе – 13 нед. 11 сем.


Раздел 4. Учебно-методические материалы по дисциплине.

3.1. Основная литература.

1. Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. Наука, М., 1988.

2. Плетнев С.Д. (ред.) Лазеры в клинической медицине. Медицина, М., 1996.

3. Рытов С.М., Кравцов Ю.А., Татарский С.И. Введение в статистическую радиофизику, ч. 2. Случайные поля. Наука, М., 1980.

3.2. Дополнительная литература.

1. Звелто О. Принципы лазеров. Мир, М., 1990.

2. Крылов К.И. и др. Основы лазерной техники. Машиностроение, М., 1990.

3. Новиков В.М., Змиевской Г.Н. Лазерная и оптическая техника и технология. Уч. пособие. Изд. КГУ, Курск, 1997.

4. Росс М. Лазерные приемники. Мир., М., 1969.

5. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. Наука, М., 1973.

6. Приезжев А.В. и др. Лазерная диагностика в биологии и медицине. Наука, М., 1989.

7. Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. Изд. СГУ, Саратов, 1998.

8. Скобелкин О.К. (ред.) Лазерная хирургия. Медицина, М., 1989.

9. Чирешкин Д.Г. (ред.) Лазерная эндоскопическая хирургия верхних дыхательных путей. Медицина, М., 1990.

10. Рабкин И.Х. и др. Рентгеноэндоваскулярная хирургия. Медицина, М., 1987.

11. Клименко И.С. Голография сфокусированных изображений и спекл-интерферометрия. Наука, М., 1985.

12. Протопопов В.В., Устинов Н.Д. Лазерное гетеродинирование. Наука, М., !985.

13. Х.-П. Берлиен, Г.Й. Мюллер (ред.). Прикладная лазерная медицина. Учебное и справочное пособие. Пер. с нем., Интерэксперт, М., 1997.

14. С.В. Москвин, В.А. Буйлин (ред.) Низкоинтенсивная лазерная терапия. Сб., ТОО «Фирма «Техника», М., 2000.


Программа составлена:

Змиевской Г.Н., доцент, к.ф.м.н. ________________


Программа обсуждена и одобрена на заседании кафедры “Биомедицинские технические системы” (БМТ-1)


Заведующий кафедрой БМТ-1

Спиридонов И.Н. ________________________

«___» «____________» 2002 г.


Программа рассмотрена и одобрена методической комиссией факультета БМТ


Председатель методической комиссии факультета БМТ

Квашнин С.Е.________________

«___» «____________» 2002 г.


Декан факультета БМТ

Щукин С.И.________________

«___» «____________» 2002 г.


Начальник методического отдела

____________________

«___» «____________» 2002 г.