Численные методы в биофотонике

Специальность: Прикладная математика и информатика и Фундаментальная информатика и информационные технологии

Цель дисциплины «Численные методы в биофотонике» состоит в формировании компетентности студентов в области научно-исследовательской деятельности, направленной на изучение современных методов биомедицинской оптики.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать: основные понятия, определения и методы биофотоники, а также методы описания и моделирования распространения света в оптически неоднородных средах.
Уметь: пользоваться методами качественного анализа систем оптической биомедицинской диагностики и терапии, проводить моделирование распространения света в неоднородных средах, визуализацию и анализ результатов численных исследований.
Владеть: основными понятиями и методами изучения распространения излучения в биологических и биоподобных средах, а также умением применять полученные теоретические знания и навыки численного анализа при решении конкретных прикладных задач.

Содержание

Введение в биофотонику.
Корпускулярно-волновой дуализм света. Виды взаимодействия оптического излучения с биологическими средами. Оптическая биомедицинская диагностика. Лазерная терапия. Лазерная хирургия.

Раздел 1. Оптические методы в ряду методов диагностики
Сравнение методов оптической диагностики с традиционными. Природа рассеяния света в биологических тканях. Уравнения Максвелла. Характеристики излучения. Интерференция. Основные оптические характеристики биотканей.
Раздел 2. Методы измерения и вычисления оптических характеристик биотканей
Экспериментальное измерение фазовой функции рассеяния. Типы рассеяния в биотканях. Рэлеевское рассеяние. Рассеяние Ми. Фазовые функции сферических рассеивателей. Геометрический предел. Фазовая функция единичной клетки. Эффективная фазовая функция ансамбля рассеивателей. Фазовая функция Хеньи-Гринштейна. Фактор анизотропии. Оптические характеристики ансамбля рассеивателей. Измерение оптических характеристик. Интегрирующая сфера.
Раздел 3. Методы описания распространения оптического излучения в неоднородных средах
Приближение однократного рассеяния. Потоковые модели. Метод «добавления-удвоения». Диффузионное приближение. Метод Монте-Карло.

Раздел 4. Оптическая когерентная томография.
Низкая когерентность. Принципиальная схема ОКТ-системы. Теоретическое описание ОКТ-сигнала. Преимущества и недостатки ОКТ. Области применения ОКТ в медицине. Численные методы в ОКТ. Монте-Карло моделирование сигналов ОКТ. Классификация фотонов. Управление оптическими свойствами сред с помощью наночастиц. Контрастирующий эффект. Обработка ОКТ-изображений. Сегментация. Анализ статистики спеклов.
Раздел 5. Методы диффузионной томографии.
Оптическая диффузионная томография. Диффузионная флуоресцентная томография. Общая постановка задачи диффузионной томографии. Прямая задача. Обратная задача. Области применения методов диффузионной томографии.

Литература

а) основная литература:
1. В.В. Тучин «Оптическая биомедицинская диагностика», в 2х томах, М. Физматлит, 2006.
2. В.В. Тучин «Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях», М. Физматлит, 2010.
б) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
1. Программный комплекс MieTab (http://amiller.nmsu.edu/mtdnload.html)
2. Интернет-ресурс Mie Calculator (http://omlc.org/calc/mie_calc.html)
3. Интернет-ресурс Refractive index database (http://refractiveindex.info/)

Отчетность

Семестр 8: Зач