ПРОГРАММА

ВСТУПИТЕЛЬНОГО ЭКЗАМЕНА В АСПИРАНТУРУ

ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ «БИОФИЗИКА»

1. Оптика биотканей.

Оптические свойства прозрачных биотканей. Оптические модели

тканей глаза. Спектры пропускания и рассеяния тканей глаза.

Поляризационные свойства тканей глаза и других прозрачных биологических

объектов.

Оптические свойства биотканей с сильным (многократным) рассеянием. Распространение непрерывного света в биотканях, рассеяние и поглощение. Теоретическое описание. Моделирование методом Монте Карло. Распространение коротких импульсов в биотканях. Основные принципы и теоретический подход. Импульсная спектроскопия и визуализация биотканей с разрешением во времени. Диффузионные волны фотонной плотности. Принципы формирования и теоретический подход.

Модуляционная спектроскопия и визуализация биотканей. Распространение пространственно-модулированного излучения в биотканях. Основные принципы и теоретический подход. Пространственно-модуляционная спектроскопия и визуализация биотканей.

Распространение поляризованного света в биотканях. Влияние характеристик рассеивающей среды (коэффициента рассеяния, анизотропии рассеяния, коэффициента поглощения) на поляризационные характеристики рассеянного света. Формирование спектрального состава степени остаточной поляризации и разностного поляризационного спектра ко- и кроссполяризованных составляющих обратно рассеянного света. Структура и анизотропия биотканей. Теоретические модели для описания поляризационно-оптических свойств биотканей с анизотропными элементами.

Эффекты когерентности света при взаимодействии лазерного излучения с биотканями и потоками клеток. Формирование спеклов.

Интерференция спекл-полей. Распространение пространственномодулированных лазерных пучков в рассеивающих средах. Динамическое рассеяние света. Конфокальная микроскопия. Оптическая когерентная томография.

Управление оптическими свойствами биотканей. Оптическая иммерсия с помощью экзогенных химических агентов. Оптическое просветление фиброзных тканей. Оптическое просветление кожи. Визуализация клеток и клеточных потоков. Другие методы управления оптическими свойствами биотканей (компрессия и растяжение, температурные эффекты, отбеливание ткани).

Методы и алгоритмы для измерения оптических параметров биотканей.

Метод интегрирующих сфер. Многопотоковые модели. Обратный метод добавления-удвоения. Обратный метод Монте-Карло. Методы с пространственным разрешением. Оптическая когерентная томография.

Прямые измерения фазовой функции рассеяния. Измерение глубины проникновения света в биоткань и дозиметрия излучения. Измерения показателя преломления.

2. Оптическая биомедицинская диагностика Диагностика агрегации эритроцитов в пробах цельной крови методом обратного светорассеяния.

Спектроскопия рассеяния света эпителиальными тканями: принципы и приложения.

Отражательная и флуоресцентная спектроскопия кожи человека in vivo.

Формирование спектров. Модели кожи для спектрального анализа. Цветовое восприятие рассеянного света.

Спектроскопия инфракрасного поглощения и комбинационного рассеяния кожи человека in vivo. Основные принципы.

Флуоресцентные технологии в биомедицинской диагностике.

Физические основы процессов флуоресценции. Аппаратура и методика проведения люминесцентных измерений. Автофлуоресценция эндогенных флуорофоров клеток и тканей. Флуоресцентные метки и зонды.

Использование люминесценции в диагностических целях.

Использование динамики спеклов и эффекта Доплера при исследовании микропотоков лимфы и крови. Теоретические положения и экспериментальная реализация.

Визуализация микроструктуры ткани и кровотока в реальном времени с использованием оптической когерентной томографии (ОКТ). ОКТ в реальном времени. «Цветная» доплеровская ОКТ. Волоконно-оптическая ОКТ. Поляризационная ОКТ. Спектральная 3D ОКТ.

Спекл-корреляционные методы анализа структуры биотканей.

Диффузионно-волновая спектроскопия для мониторинга биологических сред.

Метод LASCA. Пространственная спекл-коррелометрия в структурной диагностике и визуализации биоткани.

Оптотермические (фототермические) (ОТ/ФТ), оптоакустичекие (фотоакустические) (ОА/ФА) и акустооптические (АО) методы диагностики биотканей. Основные принципы и классификация.

3. Физико-химические основы фотобиологии.

Систематизация фотобиологических процессов с энергетической и биологической точек зрения. Стадии фотобиологических процессов.

Внутримолекулярные фотофизические процессы. Энергетическая диаграмма (диаграмма Яблонского). Излучательные и безызлучательные переходы. Синглетные и триплетные состояния. Интеркомбинационная конверсия.

Люминесценция, ее основные закономерности. Спектр флуоресценции, квантовый выход, время жизни возбужденного состояния.

Миграция энергии. Индуктивно-резонансный механизм, обменнорезонансный механизм.

Основные закономерности протекания фотохимических процессов.

Типы фотохимических реакций. Фотохимический и фотобиологический спектр действия.

Действие ультрафиолетового излучения на нуклеиновые кислоты. УФ повреждение белков. Действие ультрафиолетового излучения на мембранные липиды.

4. Математические методы в биологии и физиологии Методы анализа биомедицинских сигналов. Принципы аналоговоцифрового преобразования. Обработка дискретных временных рядов:

редактирование неправдоподобных значений, рекурсивная и нерекурсивная цифровая фильтрация, статистический, спектральный и спектральновременной анализ дискретных последовательностей данных.

Математическое моделирование процессов в биологии, физиологии и экологии. Динамические системы. Оператор эволюции, фазовое пространство. Понятие устойчивости и бифуркаций. Состояния равновесия динамических систем и их устойчивость.

Биологические триггеры, силовое и параметрическое переключение биологического триггера.

Автоколебания в биологических системах. Предельный цикл как математический образ автоколебаний и их устойчивость. Синхронизация автоколебательных систем. Хаотические автоколебания.

Математические модели кинетики ферментативных реакций.

Ингибирование и активация ферментов. Конкурентное и неконкурентное ингибирование, субстратное ингибирование.

Математические модели электрической активности живой клетки.

Авторегуляция объема клетки. Уровни модельного представления нейрона в нейронауке. Модели типа накопление-сброс. Модельные системы ФитсХьюНагумо, Морис- Лекара, Ходжкина-Хаксли.

Математические модели в системной физиологии: сердечный цикл, пульсовая волна, авторегуляция артериального давления.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. В.В. Тучин. Оптика биологических тканей. Меторды рассеяния света в медицинской диагностике. / Перевод с англ. Под ред. В.В. Тучина. – М.: Физматлит, 2012.

2. В.В. Тучин, Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях, 2-е издание, Физматлит, 2010.

3. Оптическая биомедицинская диагностика. T. 1, 2 / Под ред. Тучина В.В.

Пер. с англ. М., Физматлит, 2007; Handbook on Optical Biomedical Diagnostics. V. PM107 / Ed. by Tuchin V.V. Bellingham, SPIE Press, 2002.

4. Владимиров Ю.А., Потапенко А.Я. Физико-химические основы фотобиологических процессов: учеб. для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Дрофа, 2006.

5. Рубин А.Б. Биофизика: В 2 т.: Учеб. для студентов биол. спец. Вузов. - 3-е изд. Т. 2: Биофизика клеточных процессов. - М.: Изд. Московского университета, 2004. (ЭБС «Библиотех»).

6. Волькенштейн М.В. Биофизика: учеб. пособие. -3-е изд., стер. - СПб.; - М.;

- Краснодар: Лань, 2008.

7. Анищенко В.С., Вадивасова Т.Е. Лекции по нелинейной динамике. Саратов, Изд-во Сарат. Ун-та, 2010.

8. Кузнецов А.П., Кузнецов С.П., Рыскин Н.Ю. Нелинейные колебания:

Учеб. пособие для вузов. – М.: Физматлит., 2002.

9. Павлов А.Н. Методы анализа сложных сигналов, учебное пособие, Саратов, Изд-во Научная книга, 2008 (электронная версия доступна на сайте http://chaos.sgu.ru).

10. Хованова Н.А., Хованов И.А. Методы анализа временных рядов. – Саратов: Изд-во ГосУНЦ «Колледж», 2001 (электронная версия доступна на сайте http://chaos.sgu.ru).

ВОПРОСЫ

ВСТУПИТЕЛЬНОГО ЭКЗАМЕНА В АСПИРАНТУРУ

ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ «БИОФИЗИКА»

Оптика биотканей.

1. Строение и оптические свойства прозрачных биотканей.

2. Спектры пропускания и рассеяния тканей глаза.

3. Оптические свойства тканей с сильным (многократным) рассеянием.

4. Распространение света в биотканях, основные принципы распространения света и наиболее важные поглотители.

5. Метод Монте Карло.

6. Методы измерения оптических параметров биотканей, основные принципы, методы и результаты.

7. Прямые измерения фазовой функции рассеяния. Измерения показателя преломления.

8. Методы управления оптическими параметрами биотканей.

9. Распространение коротких импульсов в биотканях. Основные принципы и теоретический подход.

10. Принципы спектроскопии и томографии с временным разрешением.

11. Диффузионные волны фотонной плотности. Основные принципы и теоретический подход.

12. Принципы модуляционной спектроскопии и томографии биотканей.

13. Распространение поляризованного света в биотканях.

14. Эффекты когерентности света при взаимодействии лазерного излучения с биотканями и потоками клеток.

15. Распространение пространственно-модулированных лазерных пучков в рассеивающих средах.

16. Динамическое рассеяние света 17. Конфокальная микроскопия.

18. Оптическая когерентная томография.

Оптическая биомедицинская диагностика.

1. Спектроскопия рассеяния света эпителиальными тканями: принципы и приложения.

2. Отражательная и флуоресцентная спектроскопия биотканей in vivo.

Основные принципы.

3. Спектроскопия инфракрасного поглощения и комбинационного рассеяния биотканей in vivo. Основные принципы.

4. Флуоресцентные технологии в биомедицинской диагностике.

5. Спектроскопия и томография биотканей с временным разрешением.

Импульсные системы.

6. Когерентные методы и устройства для биомедицинской диагностики и томографии.

7. Фотон-корреляционная спектроскопия прозрачных биотканей и потоков клеток.

8. Диффузионно-волновая спектроскопия и интерферометрия – измерение скорости микроциркуляции крови в биотканях.

9. Оптическая спекл-топография и томография биотканей.

10. Интерферометрия и томография с использованием частично-когерентных источников света.

11. Оптотермические, оптоакустичекие и акустооптические методы диагностики биотканей. Основные принципы и классификация.

Физико-химические основы фотобиологии.

1. Систематизация фотобиологических процессов с энергетической и биологической точек зрения. Стадии фотобиологических процессов.

2. Внутримолекулярные фотофизические процессы.

3. Люминесценция, ее основные закономерности.

4. Миграция энергии. Механизмы миграции.

5. Основные закономерности протекания фотохимических процессов.

6. Действие ультрафиолетового излучения на нуклеиновые кислоты.

Математические методы в биологии и физиологии 1. Методы анализа биомедицинских сигналов.

2. Математическое моделирование процессов в биологии, физиологии и экологии.

3. Биологические триггеры, силовое и параметрическое переключение биологического триггера.

4. Автоколебания в биологических системах.

5. Математические модели кинетики ферментативных реакций.

6. Математические модели электрической активности живой клетки.

7. Математические модели в системной физиологии.