Optične metode v medicini

2020/2021
Program:
Magistrski študijski program 2. stopnje Medicinska fizika
Letnik:
1 in 2 letnik
Semester:
prvi ali drugi
Vrsta:
izbirni
ECTS:
6
Jezik:
slovenski
Nosilci predmeta:
Ure na teden – 1. ali 2. semester:
Predavanja
2
Seminar
0
Vaje
1
Laboratorij
0
Vsebina

Optika bioloških tkiv: absorpcija (glavni kromofori, optično okno), elastično sipanje (sipalni presek, fazna funkcija, Rayleigh-jev in Mie-jev režim), večkratno sipanje (transportna teorija, difuzijska aproksimacija, Monte Carlo), meritve optičnih lastnosti
Diagnostične tehnike: pretočna citometrija, difuzna refleksija, fluorescenca (nativna, eksogena), Ramanska spektroskopija.
Tehnike globinskega slikanja: optična koherenčna tomografija, difuzijska optična tomografija, optoakustična tomografija, fototermalna radiometrija.
Linearni odziv tkiva na obsevanje: dinamika toplotnega transporta (časovne konstante, perfuzija), termoelastične napetosti.
Fotokoagulacija: kinetika denaturacije proteinov (laserska intersticialna termoterapija), lasersko varjenje in spajkanje, selektivna fototermoliza (terapija žilnih obolenj, senčenje).
Fototermalna laserska ablacija: metrika in hevristični modeli, mikroskopski procesi (fazna eksplozija, vretje v votlini), senčenje v izmetu, primeri kliničnih aplikacij (površinska ablacija v dermatologiji, laserski skalpel, obdelava trdih tkiv)
Fotomehanska ablacija: tvorba plazme in udarnih valov, kavitacija, klinični primeri (litotripsija, okulistika)
Fotoionizacija (laserski keratom).
Fotokemični pojavi: fotokemična ablacija (fotorefraktivna keratektomija), foto-dinamična terapija (onkologija).
Nevarnosti in zaščita pred laserskim sevanjem

Temeljni literatura in viri

• Ashley J. Welch, Martin J.C. van Gemert, eds., Optical-Thermal Response of Laser-Irradiated Tissue, 2nd ed., Springer (Dordrecht, 2011), 958 p. ISBN: 978-90-481-8830-7
• Markof H. Niemz, Laser-Tissue Interactions; Fundamentals and Applications, 3rd ed., Springer-Verlag (Berlin, 2007), 297 p. ISBN: 978-3-540-72191-8
• L.V. Wang, H-I. Wu, Biomedical Optics; Principles and Imaging, Wiley-Interscience (Hoboken, NJ, 2007), 362 p., ISBN: 978-0-471-74304-0

Cilji in kompetence

Študenti pridobijo osnovno razumevanje pomembnejših optičnih metod za medicinsko diagnostiko, terapijo, mikroskopijo in tomografijo.
Predmetno specifične kompetence: Poznavanje in osnovno razumevanje procesov pri interakciji UV, vidne in IR svetlobe z biološkimi tkivi. Poznavanje in razumevanje značilnih procesov pri obsevanju z močno lasersko svetlobo in pomembnejših primerov terapevtskih aplikacij. Seznanitev z naprednimi optičnimi metodami v medicinski diagnostiki, tomografiji in mikroskopiji bioloških vzorcev. Razumevanje specifičnih nevarnosti laserskih izvorov in zaščite pred njimi.

Predvideni študijski rezultati

Znanje in razumevanje:
Študent dobi pregled nad pojavi pri obsevanju bioloških tkiv z neionizirajočo svetlobo in spozna osnovne odvisnosti od parametrov obsevanja.
Spozna in pridobi osnovno razumevanje pomembnejših optičnih metod za medicinsko diagnostiko in terapijo, ter naprednejših tehnik mikroskopije in tomografije. Razume nevarnosti laserskih izvorov in načine za zaščito uporabnikov.
Uporaba:
Uporaba in kombiniranje osnovnih fizikalnih znanj na obravnavanih primerih medicinske diagnostike, terapije in mikroskopije.
Refleksija:
Kritično ovrednotenje matematično- fizikalnih modelov pri uporabi na kompleksnih bioloških sistemih. Kritična refleksija prednosti in slabosti posameznih optičnih metod v klinični praksi.
Prenosljive spretnosti - niso vezane le na en predmet:
Kritično soočanje znanj iz posameznih fizikalnih disciplin v obravnavanih bioloških sistemih in elektrooptičnih napravah. Sposobnost kritične analize mestoma nasprotujočih si trditev v literaturi z mlajših raziskovalnih področij. Seznanjanje s problemi in omejitvami pri medicinskih raziskavah in aplikacijah (npr. etični in statistični vidiki).

Metode poučevanja in učenja

Predavanja, računske vaje, konzultacije.

Načini ocenjevanja

Ustni izpit
(ocene: 5 (negativno), 6-10 (pozitivno), ob upoštevanju Statuta UL)

Reference nosilca
  1. M. Milanič, B. Majaron. Energy deposition profile in human skin upon irradiation with a 1,342 nm Nd:YAP laser. Lasers Surg. Med., vol. 45, 8-14, 2013.
  2. B. Majaron, J.S. Nelson. Laser Treatment of Port Wine Stains. in: Optical-Thermal Response of Laser-Irradiated Tissue, A.J. Welch and M.J.C. van Gemert eds., 2nd ed., Springer, 859–914, 2011.
  3. M. Milanič, W. Jia, J. S. Nelson, B. Majaron, Numerical optimization of sequential cryogen spray cooling and laser irradiation for improved therapy of port wine stain, Laser Surg. Med. 43: 164-175, 2011.
  4. M. Milanič, I. Serša, B. Majaron, A spectrally composite reconstruction approach for improved resolution of pulsed photothermal temperature profiling in water-based tissues, Phys. Med. Biol. 54, 2829–2844, 2009.
  5. U. Ahčan, P. Zorman, D. Recek, S. Ralca, B. Majaron, Port wine stain treatment with a dual-wavelength Nd:YAG laser and cryogen spray cooling: a pilot study, Lasers Surg. Med. 44, 164-167, 2004.
  6. B. Majaron, L.O. Svaasand, G. Aguilar, J.S. Nelson, Intermittent cryogen spray cooling for optimal heat extraction during dermatologic laser treatment, Phys. Med. Biol. 47, 3275-3289, 2002.
  7. B. Majaron, S. M. Srinivas, H.-en L. Huang, J. S. Nelson, Deep coagulation of dermal collagen with repetitive Er:YAG laser irradiation, Lasers Surg. Med. 26, 215-222, 2000.
  8. B. Majaron, P. Plestenjak, M. Lukač, Thermo-mechanical laser ablation of soft biological tissue: modeling the micro explosions, Appl. Phys. B 69, 71-80, 1999.
  9. B. Majaron, D. Šušterčič, M. Lukač, U. Skalerič, N. Funduk, Heat diffusion and debris screening in Er:YAG laser ablation of hard biological tissues, Appl. Phys. B 66, 479-487, 1998.