|
Радіофізичні методи в медицині
ВСТУП
Місце радіофізичних методів в діагностиці і лікуванні захворювань людини. Принципи взаємодії живого організму з технічними засобами. Організм як складна система. Iєрархічні рівні організму людини. Поняття про діагностику захворювань. Структурна та функціональна діагностика. Корекція порушень діяльності організму на різних ієрархічних рівнях. Консервативне та оперативне лікування. Штучні органи. Методика традиційної і нетрадиційної медицини. Класифікація радіофізичних методів в медицині.
1.Радіофізичні методи структурної діагностики
1.1.Структура органів та медична інтроскопія. Фізичні основи інтроскопії. Класифікація методів інтроскопії. Основний алгоритм реконструкції розподілу параметрів біотканин. Узагальнене поняття реконструйованого зображення. Голографічні методи. Реконструктивна обчислювальна томографія. Емісійна та трансемісійна томографія. Математичні основи реконструкції. Особливості зворотної задачі в медичній інтроскопії. Проективні методи. Зворотне проектування. Фізична реалізація зворотного проектування.
1.2.Рентгенівська інтроскопія.
Фізичні основи взаємодії рентгенівського випромінювання з біологічними тканинами та його моделювання. Проективні рентгенівські системи. Якість зображень. Доза і шум. Безпека застосування рентгенівських систем і їх принципові обмеження. Елементи рентгенівських систем і шляхи їх вдосконалення. Підвищення якості рентгенівських систем. Спеціалізовані системи: ксерорентгенографія, іонографія та інші. Цифрові системи. Рентгенівська ангіографія. Перспективи розвитку рентгенівських систем.
1.3.Рентгенівська трансемісійна комп’ютерна томографія (РТКТ).
Принципи отримання зображень перерізів організму людини засобами РТКТ. Математичні засади реконструкції. Перетворювання Радона і його властивості. Проективні інтеграли і проекції. Теорема про центральний переріз. Реконструкція методом двовимірного перетворення Фур’є. Метод згортки і зворотного проектування. Практична реалізація методів. Прогрес технічних засобів; п’ять поколінь рентгенівських томографів. Доза опромінення і принципові обмеження якості зображень. Фізичні аспекти безпечного застосування діагностичного обстеження. Якість зображень. 3D - реконструкція. Томографія в реальному масштабі часу. Спеціалізовані методи КТ-сканування. Перспективи розвитку РТКТ і її клінічних застосувань.
1.4. Візуалізація зображень за допомогою радіоізотопів.
Фізичні основи отримання зображень. Однофотонні методи. Гама-томографи. Гама-камери. Елементи систем візуалізації та їх граничні можливості. Радіофармпрепарати. Методи отримання радіонуклідів для діагностичних досліджень. Вплив радіофармпрепаратів на організм людини. Доза опромінення та радіаційна безпека. Статична та динамічна сцинтиграфія. Особливості дослідження окремих органів: серце, нирки, печінка, щитовидна залоза. Фізичні основи однофотонної емісійної томографії. Якість зображень. Граничні можливості ОЕТ. Позитронна емісійна томографія. Методи вдосконалення ПЕТ. Фізичні аспекти застосування ПЕТ для діагностики різних систем. Перспективи розвитку ПЕТ.
1.5. Магнітно-резонансна томографія.
Фізичні основи магнітного резонансу. Ядерний магнітний резонанс. Ядерний магнітний резонанс і електронний парамагнітний резонанс. Особливості відтворення зображень за допомогою ЯМР і ЕПР. Моделі магнітного резонансу в біологічних тканинах. Iмпульс послідовності. Спін-граткова і спін-спінова взаємодія; явище релаксації; час релаксації. Релаксаційні вимірювання в медичній діагностиці. Вплив неоднорідностей магнітного поля та його градієнтів на процеси релаксації. Локальні поля. Хімічний зсув. Спінове відлуння та його застосування. Градієнтне відлуння. Фізичні основи побудови зображень. Фазове та частотне кодування. Повний томографічний експеримент. Основні імпульсні послідовності. Обробка даних та алгоритми реконструкції. Якість зображень. Граничні можливості МР-томографії. Проблема контрасту. Особливості МР-сканування для різних клінічних застосувань. Контрастуючі агенти. Сканування рухомих об‘єктів; синхронізація, сканування в реальному масштабі часу. МР-ангіографія. Артефакти зображень. Класифікація магнітнорезонансних систем. Елементи МР-томографів: магнітна система, антени, радіочастотний тракт, система керування та обробки даних. Розвиток методів МР-інтроскопії. МР-мікроскопія, візуалізація імпульсів нервової активності. Локальна спектроскопія і її застосування. Вплив магнітного поля і безпека МР-обстежень.
1.6. Термографія.
Формування температурного поля людини. Теплові процеси в організмі людини. Процеси терморегуляції людини; нейрофізіологічні і фізіологічні механізми терморегуляції. Фізичні основи реєстрації термограм: контактна термометрія, зовнішні і внутрішні датчики, рідкокристалічні покриття; реєстрація інфрачервоного випромінювання; ВЧ і НВЧ-термометрія; МР-термометрія, ультразвукова термометрія. Техніка реєстрації термограм, система термографії та їх елементи. Iдентифікація даних. Фізичні основи реконструкції джерел випромінювання. Моделювання нестаціонарних теплових процесів в організмі. Проблеми термотомографії. Динамічна термографія. Фізичні особливості реконструкції і інтерпретації зображень: діагностика щитовидної залозі, контроль мікроциркуляцій крові методом термографії і спекл-інтерферометрії, діагностика головного мозку. Діарамографія. Фізичні основи діарамоскопії і діарамографії. Діарамографія молочної залози. Перспективи обчислювальної термографії.
1.7. Ультразвукова діагностика.
Розповсюдження ультразвукових хвиль і їх взаємодія з біотканинами. Фізичні основи візуалізації зображень. Методи візуалізації зображень. Квазіоптична реконструкція. Радіолокаційний метод, імпульсне відлуння. Доплерівські методи. Ультразвукові системи та їх елементи. Якість зображень. особливості клінічних застосувань ультразвукових систем. Метод синтезованої апертури. Ультразвукова томографія. Ультразвукова мікроскопія.
Кількісний аналіз і визначення характеристик біологічних тканин. Перспективи розвитку ультразвукових систем.
1.8. Iмпедансна діагностика.
Електричні властивості біологічних тканин. Візуалізація розподілу імпедансу біотканин. Томографія прикладених потенціалів та її застосування.
1.9. Оптична структурна діагностика.
Фізичні основи реконструкції оптичних зображень. Скануючі системи. Лазерний скануючий мікроскоп. Поляризаційні методи. Побудова флуоресцентних зображень. Флуоресцентний мікроскоп. Перспективи розвитку оптичних систем медичного застосування.
1.10. Електронна мікроскопія.
Електронна мікроскопія в медико-біологічних дослідженнях. Растрова тунельна мікроскопія. Перспективи розвитку електронномікроскопічних методів.
1.11. Спектроскопічні методи в медичній діагностиці.
1.11.1.Вступ.
Принципи методів спектрального аналізу. Класифікація типів спектрального аналізу. Молекулярний спектральний аналіз. Аналіз структурних елементів складних молекулярних сполук. Спектральні особливості біологічних сполук.
1.11.2. Емісійний спектральний аналіз.
Принципи спектрального аналізу. Апаратура та джерела світла для емісійного аналізу. Якісний, напівкількісний та кількісний емісійний спектральний аналіз.
1.11.3.Загальні відомості про природу коливальних спектрів.
Нормальні коливання молекул та їх властивості.
Характеристичність частот та інтенсивностей коливань в спектрі молекули.
Молекулярний аналіз по інфрачервоним спектрам молекул.
Основи абсорбційної спектрофотометрії. Закони поглинання світла. Техніка інфрачервоної спектроскопії.
Якісний та кількісний аналіз по інфрачервоним спектрам. Використання ІЧ-спектроскопії при дослідженні будови високомолекулярних сполук (аміди, амінокислоти та ін.).
Молекулярний аналіз по спектрам комбінаційного розсіювання світла.
Техніка спектроскопії комбінаційного розсіювання світла. Молекулярний якісний та кількісний аналіз по спектрам комбінаційного розсіювання світла.
1.11.4. Молекулярний аналіз по електронним спектрам поглинання.
Типи електронних переходів. Загальні правила відбору. Дозволені та заборонені переходи. Електронний стан та хімічний зв’язок в двохатомних молекулах. Принцип Франка-Кондона. Класифікація електронних станів двохатомної молекули. Загальна характеристика електронного стану багатоатомних молекул.
Основні характеристики смуг поглинання. Особливості вимірювання параметрів смуг поглинання. Техніка вимірювання смуг поглинання.
Якісний та кількісний аналіз по електронним смугам поглинання. Використання електронних спектрів для встановлення будови молекул та їх ототожнення.
1.11.5. Люмінесцентний аналіз.
Основні закономірності світіння люмінесценції. Види люмінесцентного аналізу. Якісний та кількісний люмінесцентний аналіз. Люмінесцентний аналіз в біології та медицині.
1.11.6. Радіоспектроскопічний аналіз.
Основи теорії магнітного резонансу. Спін-граткова та спін-спінова взаємодія. Кінетичні релаксаційні рівняння. Статистична та динамічна магнітна сприятливість. Метод Бломбергена. Метод Блоха.
Електронний парамагнітний резонанс (ЕПР). Явище ЕПР. Ширина та форма лінії ЕПР. Техніка проведення спектрального аналізу методом ЕПР.
Ядерний магнітний резонанс (ЯМР). Явище ЯМР. Ядерний резонанс в рідинах та біоречовині. Хімічний зсув. Тонка структура лінії ЯМР. Спектральний аналіз методом ЯМР. Ідентифікація речовини та визначення концентрації методом ЯМР. Визначення партнера по взаємодії. ЯМР-спектроскопія протеінів, нуклеїнових кислот, полісахаридів. Дослідження біологічних мембран.
1.11.7. Аналіз елементного і ізотопного складу засобами лазерної мас-спектроскопії.
Фізичні основи лазерної мас-спектроскопії. Розшифровка мас-спектра. Застосування методу локальної лазерної мас-спектрометрії.
1.12. Тенденції розвитку методів структурної діагностики.
Нові фізичні ідеї та нові напрямки діагностики.
2. ФУНКЦІОНАЛЬНА ДІАГНОСТИКА.
2.1. Принципи функціональної діагностики.
Динамічні процеси в організмі людини. Прямі і зворотні зв’язки. Системи регулювання. Випромінювання організму людини.
2.2. Дослідження функціонування клітин.
Динамічні процеси в клітинах. Електричні вимірювання в клітинах. Техніка зовнішнього електричного збудження. Аналіз сигналів. Динамічна флуоресцентна мікроскопія. Дослідження клітинних мембран. Вимірювання констант кислотно-лужної рівноваги. Методи дослідження процесів метаболізму в клітинах. Генні мутації та їх дослідження. Генна діагностика. Перспективи клітинної та субклітинної діагностики.
2.3. Дослідження елементів нервової системи.
Аксон і нервовий імпульс. Дослідження передачі нервового збудження. Нейротестування. Міографія. Проблема візуалізації нервового збудження. Діагностика нейрона. Нейронні мережі. Діагностика нейронних мереж.
2.4. Діагностика центральної нервової системи.
Електромагнітні процеси в центральній нервовій системі. Електромагнітні випромінювання мозку. Ритми мозку. Синусні коливання. Електронні потенціали скальпу. Електроенцефалографія. Технічні засоби енцефалографії. Дешифрування електроенцефалограм. Динамічне картування мозку за потенціалами скальпу. Карти електричної активності. Технічні та програмні засоби електрокартування. Клінічні застосування електроенцефалографії та електрокартування мозку. Магнітні поля мозку. Магнітоенцефалографія. Техніка магнітоенцефалографії. Надпровідні квантові енцефалографи. Магнітоенцефалографічні комплекси. Дешифрування магнітоенцефалограм. Багатоканальні магнітоенцефалографічні системи. Магнітне картування мозку. Клінічні застосування магнітоенцефалографії та магнітного картування мозку. Теплові процеси мозку. Динамічна термографія відкритого мозку та голови. Діагностика кровопостачання мозку. Доплерографія мозку. Проблема візуалізації розумової діяльності мозку. Динамічні процеси спинного мозку та засоби функціональної діагностики. Діагностика вегетативної нервової системи. Перспективи діагностики в нейрофізіології людини.
2.5. Діагностика серцево-судинної системи.
Біоелектрична активність серця. Електрокардіографія. Методи електрокардіографії. Аналіз аритмії. Дешифрування електрокардіограм. Технічні засоби електрокардіограм. Алгоритми обробки та дешифрування електрокардіограм. Електричне картування серця; картування відкритого серця, картування за зовнішніми потенціалами шкіряного покрову, проблема зворотної задачі електрокартування. Магнітні поля серця. Магнітокардіографія. Техніка магнітокардіографії. Магнітне картування серця. Клінічні застосування електро- та магнітокардіографії, картування серця. Прогнозування ризику раптової серцевої смерті. Діагностика кровоносної системи. Кардіографія звукового відлуння. Пульсометрія. Діагностика функціонування капілярної мережі. Кровоток магістральних судин, візуалізація кровотоку та реконструкція тромбів. Реоплатизмографія. Технічні засоби реоплатизмографії. Динамічні навантаження на серцево-судинну систему. Велоергометрія. Перспективи розвитку діагностичних методів для серцево-судинної системи.
2.6. Функціональна діагностика злоякісних утворювань.
Концепції діагностики злоякісних утворювань. Патологія метаболізму. Ранні стадії злоякісних утворювань. Гістологічний аналіз; автоматизація гістологічного аналізу. Проблеми онкотестування при масових обстеженнях. Радіофізичні методи онкотестування за пробами крові. Міжфазні границі крові: аналіз зображення границі; радіочастотні збудження проб крові та спектральний аналіз. Магніторезонансні методи. Перспективи ранньої діагностики онкологічних захворювань.
2.7. Функціональна діагностика систем організму.
Локальні потенціали та випромінювання організму. Концепції діагностики систем. Метод Фоля та його модифікації. Аналіз електромагнітних випромінювань. Проблема інтерпретації результатів вимірювань. Оптичні випромінювання організму: люмінесценція, ефект Вавілова-Черенкова та ін. Прогноз системної діагностики радіофізичними методами.
3. КОРЕКЦІЯ ДІЯЛЬНОСТІ ОРГАНІЗМУ. РАДІОФІЗИЧНІ МЕТОДИ ЛІКУВАННЯ.
3.1. Фізіотерапевтичні системи.
ВЧ та УВЧ фізіотерапія. Технічні засоби ВЧ та УВЧ терапії. Лазерні фізіотерапевтичні системи. Активізація мікроциркуляцій крові та лімфи. Вібромасаж. Ультразвукові фізіотерапевтичні системи. Огляд класичних фізіотерапевтичних систем та перспектив їх розвитку.
3.2. Малоенергетична терапія.
Концепції малоенергетичної терапії. Методи малоенергетичної терапії. Мікрорезонансна терапія. Клінічні застосування МРТ та перспективи її розвитку. Лазерні малоенергетичні системи. Збудження точок акупунктури. Лазерне опромінення крові та його застосування. Системи внутрішньосудинного опромінення. Некогерентні системи оптичної терапії. Широкополосне збудження. Вплив малоенергетичних збуджень на процеси саморегуляції. Технічні засоби некогерентної малоенергетичної терапії. Магнітотерапія. Засоби статичної та динамічної магнітотерапії. Перспективи малоенергетичної терапії.
3.3. Фотодинамічна терапія онкологічних захворювань.
Концепція фотодинамічної терапії. Фотосенсибілізатори. Взаємодія оптичного випромінювання з біологічними тканинами в присутності фотосенсибілізаторів. Технічні засоби фотодинамічної терапії. Клінічні застосування та перспективи розвитку фотодинамічної терапії.
3.4. Кріо- та гіпертермічні системи.
Концепції кріотермії та гіпертермії. Формування локальних температурних полів. Технічні засоби кріотермії. Методи гіпертермії. Температурні режими гіпертермії. Гіпертермія в онкології. Технічні засоби гіпертермії: електромагнітні ВЧ-системи, лазерне опромінення, ультразвукові системи. Фізичні засади гіпертермії та оптимальне керування термотерапевтичними сеансами. Огляд клінічних застосувань гіпертермії та перспектив її застосування.
3.5. Променева терапія.
Концепція променевої терапії. Моделі впливу жорсткого випромінювання на біологічні клітини. Радіаційна безпека променевої терапії. Технічні засоби променевої терапії. Методи розрахунків оптимальних режимів терапевтичних сеансів. Локальна променева терапія. Гама-ніж. Застосування локальної променевої терапії.
3.6. Радіофізичні хірургічні системи.
Фізичні засади руйнування тканин зовнішнім опроміненням. Методи руйнування тканин: лазерне опромінення, ультразвук, електричний розряд, плазмовий ніж та інші. Технічні засоби лазерної хірургії. Автоматизоване керування хірургічними системами. Мікрохірургічні системи. Електрозварювання судин та нервових волокон. Хірургічні мікророботи. Перспективи радіофізичних хірургічних систем.
3.7. Субклітинна та молекулярна хірургія.
Огляд методів субклітинної та молекулярної хірургії. Ван-дер-Ваальсовський тунельний мікроскоп. Корекція генетичного коду та генна хірургія. Перспективи субклітинної хірургії.
3.8. Штучні органи та системи.
Концепція створення штучних органів. Допоміжні штучні системи: кардіостимулятори, водії серцевого ритму, стимулятори каротидного
синуса інсулінові насоси, слухові апарати та інші. Штучні органи. Досягнення в створенні штучних органів. Штучна нирка. Штучні легені. Штучне серце та штучні елементи природного серця. Імплантанти. Проблема сумісності імплантантів. Огляд основних видів імплантантів: імплантанти в офтальмології, отоларингології, урології та інші. Перспективи створення штучних органів і систем.
ЗАКЛЮЧЕННЯ.
Проблеми інтеграції технічних систем в організм людини. Концепції збереження здоров'я та корекції патології діяльності організму. Тенденції розвитку охорони здоров'я. Основні фізичні проблеми створення нових медичних технологій. Екологічна і соціальна ефективність медичної техніки.
ЛІТЕРАТУРА
1. Новосельцев В.Н. Организм в мире техники:кибернетический аспект.-М.:Наука,1989.-240с.
2. Физика визуализации изображений в медицине:в 2-х томах.Пер.с англ./Под ред.С.Уэбба.-М.:Мир, 1991.-814с.
3. Руководство по ядерной медицине: Учебное пособие/ Т.П.Сивоченко и др.- К.Вища школа,1991.-535с.
4. Введение в современную томографию/ К.С.Тернова и др.-К.:Наукова думка, 1983.-231с.
5. Хауссер К.Х.,Кальбитцер Х.Р. ЯМР в медицине и биологии: структура молекул, томография, спектроскопия in-vivo/Перевод с нем. К.:Наукова думка,1993.-259с.
6. Волькенштейн М.В. Биофизика М.: Наука, 1986 - 618с.
7. Драгун В.Л.,Филатов С.А. Вычислительная термография: применение в медицине.-Минск: Навука i тэхнiка,1992-232с.
8. Теплофизические модели гипертермии опухолей/ Гусев А.Н. и др.-К. Наукова думка, 1989,176с.
9. Р.Плонси, Р.Барр. Биоэлектричество. Количественный подход. М.Мир,1992.
10. Н.Девятков, М.Б.Голант, О.В.Бецкий. Миллиметровые волны и их роль в процессах жизнедеятельности. М. Радио и связь, 1992, 162с.
11. В.П. Горев. Электродермография в эксперименте и в клинике.К., Здоровье, 1967, 86с.
12. М.Н.Жадин. Биофизические механизмы формирования электроэнцефалограммы. М., Наука, 1984.
13. В.Л.Веденский, Ожогин. Сверхчувствительная магнитометрия и биомагнетизм. М., Наука, 1988.
14. П.П.Слынько. Основы низкочастотной кондуктометрии в биологии. М., Медицина, 1972.
15. Г.Ф.Плеханов. Основные закономерности низкочастотной электро-магнито-биологии. Томск, изд-во ТГУ, 1990.
16. А.М.Демецкий, А.Г.Алексеев. Искусственные поля в медицине. М., Медицина, 1981.
17. Н.А.Темурьянц, Б.М.Владимирский, О.Г.Тишкин. Сверхнизкочастотные электромагнитные сигналы в биологическом мире. К., Наукова думка, 1992.
18. С.А.Павлович. Магнитная восприимчивость организмов. Минск, Наука и техника, 1985, 110с.
19. Г.Ф.Плеханов. Введение в электромагнитную биологию. Томск, изд-во ТГУ, 1978, 121с.
20. Г.Ф.Колесников. Электростимуляция нервно-мышечного аппарата. Л., Здоровье, 1977, 254с.
21. Кардиомониторы. Аппаратура непрерывного контроля ЭКГ /Боряновский А.Л. и др. / -М., Радио и связь, 1993, 248с.
22. М.А.Ельяшевич. Атомная и молекулярная спектроскопия.
23. Е.С.Боровик, А.С.Мальнер, В.В.Еременко. Лекции по магнетизму.
24. А.А.Казицина, Н.Б.Куплетская. Применение УФ, ИК, ЯМР- и масс-спектроскопии в органической химии.
25. Р.Сильверстейн, Г.Басслер, Т.Моррил. Спектрометрическая идентификация органических соединений.
|