F7PMLBAS - Biomedicínské aplikace světla

Přehled o principech a aplikacích v interdisciplinární oblasti spojující poznatky fyziky, optiky a biologie. Zaměření na interakci záření s látkou, interakce záření s tkání, základy biologie, fotobiologie, biozobrazování, základní principy laserů a vlastnosti laserového záření, bezpečnost práce s lasery, optické biosenzory, fotodynamická terapie, optická manipulace s buňkami, nanotechnologie pro biofotoniku, biomateriály pro fotoniku.

Forma ověření studijních výsledků:

Požadavky zápočet:

• účast na laboratorních a naměření všech laboratorních úloh;

• úspěšné zvládnutí a odevzdání protokolů ze všech úloh.

Požadavky zkouška:

• zapsaný zápočet v systému KOS;

• zkouška se skládá z teoretických a praktických otázek pokrývající probranou látku;

• zkouška je písemná a je doplněna ústní dozkoušením;

• zkouška je hodnocena dohromady 100 body;

• výsledné známkování je standardní podle dosažených bodů A-F;

• důraz je kladen na porozumění dané problematice a souvislosti.

Požadavky na studenta:

• znalost biomedicínských aplikací světla.

1. Základy světla a hmoty: vlna, fotony, podstata světla, duální charakter světla, vlnová a paprsková optika, elmg. spektrum, index lomu, šíření světla, lineární a kruhová polarizace, fázová a grupová rychlost, difrakce, interference, koherence, Michalsonův interferometr, interference, Youngův pokus, difrakce.

2. Lasery: koherentní a nekoherentní zdroje, Bohrův model, energetické hladiny, spontánní a stimulovaná emise, buzení laseru, 3 hladinový model, princip činnosti laseru, z čeho se skládá laser, rezonátor, elektrická a magnetická vlna, polarizace, Brewsterův úhel, dělení laserů.

3. Aplikace laserů v medicíně – chirurgie, oftalmologie, dermatologie, urologie, ...

4. Interakce I: Snellovy zákony, reflektance, odraz na různých rozhraních, lom, kritický úhel, totální odraz, Fressnelovy vzorce. Transmise, rozptyl, transmitance různých optických materiálů. Absorpce, Lambertův zákon, absorpční koeficient, absorbance, extinkce, transmitance x absorbance, stanovení abs. konstanty z transmisních měření, fluorescence, Jablonského diagram, rozptyl Mie, Rayleigh, Brillouen.

5. Interakce II: Interakce záření s tkání – abs. koeficient, absorbance DNA, hloubka průniku, dynamické vlastnosti tkání, mechanismy interakce záření s tkání.

6. Tenké vrstvy a senzory, optické biosenzory, definice, QWLS, SERS, SPR, EWF, interferometrické, mřížkové, rez. zrcadlo, rezonance povrchového plazmou, TIRF, aplikace biosenzorů.

7. Detektory optického záření.

8. Tweezery-optická manipulace s buňkami, PDT, tomografie. Cytometrie.

9. Nanomateriály a nanomedicína, bionanofotonika, nanočástice, nanosondy.

10. Fototerapie, Vedení tepla v látce a v tkáni.

11. Radiometrie, fotometrie, dozimetrie, svítivost, světelný tok, zářivý tok.

12. Závěr.

1. Interakce optického záření s tkání.

2. Měření ablačních prahů tkání.

3. Spektrofotometrické stanovení koncentrace látek v tělních tekutinách.

4. Měření propustnosti optických filtrů, tenkých vrstev a čoček

5. Měření indexu lomu a tloušťky vrstev metodou módové spektroskopie (m-line), vlnovodné vlastnosti.

6. Interferometry a vlastnosti laserového záření.

Odevzdání laboratorních protokolů, vyhodnocení, diskuse výsledků.

Povinná literatura:

• POPESCU, Gabriel. Principles of Biophotonics. IOP Publishing Ltd. c2018. ISBN: 978-0-7503-1639-2.

• YEH, Yeh a Krish KRISHNAN. Biophotonics: Science and Technology. Eorld Scientific. 2018. ISBN: 978-981-3235-68-7.

• JELÍNEK, Miroslav. Biofotonika. V Praze: ČVUT, 2015. ISBN 978-80-01-05709-4.

• TUAN VO – DINH (Ed.) Biomedical Photonics Handbook: Fundamentals, Devices, and Techniques. Taylor&Francis Group, 2nd Edition, 2014. ISBN 978-0429139208. (http://library.nuft.edu.ua/ebook/file/Vo-Dinh2003.pdf)

Doporučená literatura:

• PRASAD, Paras N. Introduction to biophotonics. Hoboken: Wiley, c2003. ISBN 0-471-28770-9.

• SALEH, Bahaa E. A. a Malvin Carl TEICH. Základy fotoniky 1. Praha: Matfyzpress, 1994. ISBN 80-85863-01-4.

• SALEH, Bahaa E. A. a Malvin Carl TEICH. Základy fotoniky 2. Praha: Matfyzpress, 1994. ISBN 80-85863-02-2.

• SALEH, Bahaa E. A. a Malvin Carl TEICH. Základy fotoniky 3. ISBN 80-85863-00-6.

• SALEH, Bahaa E. A. a Malvin Carl TEICH. Základy fotoniky 4. Praha: Matfyzpress, 1996. ISBN 80-85863-12-X.

• PRASAD, Paras N. Nanophotonics. Hoboken, NJ: Wiley, 2004. ISBN 0471649880.

• NIEMZ, Markolf H. Laser-tissue interactions: fundamentals and applications. 3rd. ed. Springer, c2004. ISBN 978-3-662-04717-0

• VOGEL, Alfred, VENUGONALAN, Vasan: Mechanism of Pulsed laser Ablation of Biological Tissue, Chem. Rev. 2003, 103(2):577–644. DOI: 10.1021/cr010379n.

• Navazující magisterský studijní program Biomedicínské laboratorní metody (povinný předmět)