Измерения в биологии и медицине

ИЗМЕРЕНИЯ В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ
Программа курса лекций
(3 курс, 6 сем, 32 ч, зачет)
(4 курс, 7 семестр, 36 ч, экзамен)
Доцент, д.ф.-м.н. Мальцев Валерий Павлович
1. Предмет курса «Измерения в биологии и медицине». Физические
поля. Связь между источником поля, объектом исследования и
приемником.
2. Электромагнитное излучение. Характеризация излучения. Основы
фотометрии. Фотометрические понятия. Световая и энергетическая
система единиц. Газоразрядные источники излучения. Виды разрядов в
газах и их основные особенности. Источники сплошного и линейчатого
спектра (разряды в инертных газах, водородные, ртутные, натриевые и
др. лампы), эталонные источники. Основные причины уширения
спектральных линий в газах. Источники излучения на базе электронных
потоков.
3. Поляризационные свойства электромагнитного излучения. Вектор
Стокса. Матрица Мюллера.
4. Матричная оптика.
5. Акустика. Элементы общей акустики. Основные определения и
соотношения линейной акустики. Волновое уравнение. Излучатели
ультразвука. Пьезоэлектрические, магнитострикционные, излучатели,
излучаемая акустическая мощность, КПД.
6. Источники
ИК
излучения.
Сферы
использования
шкалы
электромагнитных волн в медицине. Источники лучистой энергии.
Функции источников излучения. Типы источников (постоянные,
импульсные, различающиеся по спектру, по когерентности). Виды
источников (лампы накаливания, КГМ, глобар, штифт Нернста,
фотометрические лампы, человек как источник ИК излучения),
неоновая и др. газонаполненные лампы). Лазеры, полупроводниковые
лазеры. Тепловое излучение (испускательная способность, коэффициент
поглощения, закон Кирхгофа, абсолютно черное тело, формула Планка,
закон Стефана-Больцмана, закон Вина, коэффициент черноты).
7. Детекторы ИК излучения. Тепловые приемники (болометры,
термопары,
пироэлектрические,
оптико-акустические,
другие).
Фотонные
приемники
(ФЭУ,
фоторезисторы,
p-n-переходы,
фототранзисторы, МДП-структуры в равновесии и в режиме
3
неравновесного обеднения). Шумы в фотоприемниках (собственные
шумы, фотонный шум, понятие о NEP, BLIP-режим, NETD в
тепловизорах, шумы электронного тракта).
8. Тепловизионные камеры. Сферы применения тепловизоров.
Тепловизоры с оптико-механическим сканированием. Матричные
тепловизоры. Внутреннее устройство камеры, ИК объектив, система
охлаждения. Гибридная микросхема – фотодетектор с узкой
спектральной полосой. ТВ в медицине. ТВ в физиологии.
9. Конфокальная микроскопия. Устройство конфокального микроскопа.
Эпи-люминесцентная конфигурация. Пространственное распределение
интенсивности. Числовая апертура и разрешающая способность. 4конфокальный микроскоп. Многофотонные процессы в конфокальной
микроскопии. Предельное разрешение в оптике. Ограничения в
конфокальной микроскопии.
10. Основы ЯМР и ЯМР-томографии. Свойства магнитных ядер, спин
ядра. Взаимодействие спина I=1/2 с магнитным полем, заселенность
спиновых уровней, переходы, чувствительность ЯМР. Вектор
намагниченности для ансамбля спинов, уравнения Блоха (без
релаксации). Квадратурная регистрация сигнала. Уравнения Блоха с
релаксацией, стационарные решения, поглощение и дисперсия.
Извлечение спектральной информации, преобразование Фурье,
фазирование спектра. Оцифровка сигнала, теорема Найквиста, ширина
спектра. Спиновое эхо (эхо Хана). Селективные импульсы, селекция
слоя. Понятие контраста ЯМР изображения, механизмы контраста,
информативность метода ЯМР томографии.
12. Проточная цитометрия. Физические принципы. Гидродинамическая
фокусировка. Светорассеяние и возбуждение флуоресценции
одиночных клеток. Особенности измерения флуоресценции и
светорассеяния от одиночных клеток. Времяразрешенное измерение
флуоресценции.
Сканирующая
проточная
цитометрия.
Поляризационная сканирующая проточная цитометрия. Анализ данных
и особенности представления результатов измерения флуоресценции.
Определение параметров клеток по данным светорассеяния (обратная
задача светорассеяния).
13. Рентгеновские методы. Эмиссионная компьютерная томография.
Особенности формирования пучка излучения в рентгеновских
установках. Дозиметрия. Методы детекции. Законы цифровой записи
сигнала. Теорема Найквиста. Малодозная рентгеновская томография.
14. Физические основы электрофореза.
4
Литература
1. Фриш С.Э., Тиморева А.В., Курс общей физики. Т. III. – Л.: Физматгиз,
1962- 644 с.
2. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 2. Электричество и магнетизм,
волны, оптика. – М.: Наука, 1978. – 480 с.
3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. – М.: Наука, 1980. – 752 с.
4. Лебедева В.В. Техника оптической спектроскопии – М.: Изд-во МГУ,
1986. – 352 с.
5. Королев Ф.А. Теоретическая оптика. – М.: «Высшая школа», 1966. – 554
с.
6. Соболева Н.А., Меламид А.Е. Фотоэлектронные приборы. – М.: Высшая
школа, 1974. – 376 с.
7. E.Collet. Polarized light. Fundamentals and applications. Marcel Dekker, Inc.
NY, 1993
8. К.Борен, Д.Хафмен. Поглощение и рассеяние света малыми частицами.
– М.: Мир, 1986, - 664 с.
9. Л.Д.Ландау, У.М.Лифшиц. Теоретическая физика: Учебное пособие. В
10 т. Т. VI. Электродинамика сплошных сред. – М.:, 1982. – 620 с.
10. Л.Д.Ландау, У.М.Лифшиц. Теоретическая физика: Учебное пособие. В
10 т. Т. I. Теория поля. – М.: Наука, 1973. – 504 с.
11. Р.Фейнман, Р.Лейтон, М.Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Т. 6.
Электродинамика. – М.: 1976. – 496 с.
5