МЕЖФАКУЛЬТЕТСКИЙ КУРС ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕДИЦИНСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА

МЕЖФАКУЛЬТЕТСКИЙ КУРС «ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕДИЦИНСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ» МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА: ЛАЗЕРНО-ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПАНЧЕНКО Владислав Яковлевич профессор, академик РАН МГУ имени М. В. Ломоносова Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН НИЦ «Курчатовский институт» сентябрь 2014 г.

№ Название лекции Лектор 1 ЛАЗЕРНО - ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ БЫСТРОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ ДЛЯ д. ф. -м. н, профессор, БИОМОДЕЛИРОВАНИЯ академик РАН, Технология дистанционного изготовления биомоделей по томографическим данным обследования Председатель Совета пациентов. Лазерная стериолитография. Послойное изготовление трехмерного объекта. Лазерные РФФИ, директор стериолитографы. Свойства фотополимеризующейся композиции (ФПК) на основе акрилатов. Института проблем Изготовление имплантов и их применение в челюстно-лицевой хирургии, хирургии позвоночника, лазерносердечно-сосудистой системы. Дентальная имплантология. информационных ЛАЗЕРНО-ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ БИОМАТЕРИАЛОВ технологий РАН, Селективное лазерное спекание и синтез полимерных матриц для тканевой инженерии. СКФ заведующий кафедрой синтез биоактивных полимерных частиц и композитов. Поверхностно-Селективное Лазерное Спекание. медицинской физики Биорезорбируемые биомодели. Управление и контроль кинетики выхода биоактивных соединений из физического полимерных матриц. Изготовление биоактивных биорезорбируемых полимерных имплантатов факультета МГУ заданного размера, формы и морфологии, не имеющих следов органических растворителей с Панченко Владислав помощью сверхкритического диоксида углерода. Яковлевич 2 ЛАЗЕРНАЯ ХИРУРГИЯ. РЕВАСКУЛЯРИЗАЦИЯ МИОКАРДА к. т. н. , заместитель Трансмиокардиальная лазерная реваскуляризация. Операция на работающем сердце без директора по использования аппарата искусственного кровообращения. Перфорация в режиме мощного одиночного отделению Ульянов лазерного импульса. Синхронизация лазерного импульса с ЭКГ пациента. Динамика изменения канала Валерий Андреевич, в миокарде после лазерного воздействия (ткани животных in vivo, СО 2 лазер). Типичное расположение отделение лазерных каналов на поверхности миокарда. Параметры перфорации миокарда импульсом СО 2 перспективных лазера. Интенсивное формирование сети капилляров вокруг канала лазерного воздействия в лазерных технологий результате «древообразного» теплового повреждение миокарда. Эффекты, сопровождающие ИПЛИТ РАН формирование глубоких лазерных каналов в биотканях. Эффективность лазерной реваскуляризации. Кардиохирургические СО 2 лазеры серии «Перфокор» разработки ИПЛИТ РАН. Принцип организации обратной связи интеллектуальной хирургической установки на основе СО 2 лазера. ТЕХНОЛОГИИ НА ОСНОВЕ ЛАЗЕРНЫХ МЕДИЦИНСКИХ СИСТЕМ Испарение новообразований и диагностика в реальном времени. Метод автодинного детектирования (прием на резонатор лазера) обратно рассеянного излучения. Идентификация типа испаряемой биоткани; звуковая индикация при переходе границы испаряемой биоткани; управление параметрами лазерного излучением в зависимости от особенностей операции; протоколирование лазерной операции в реальном масштабе времени. МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА МФК «Физические основы медицинских технологий» 2

№ Название лекции Лектор 3 ЛАЗЕРНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ХРЯЩЕВЫЕ ТКАНИ Хрящевая ткань, свойства, особенности. Лазерная коррекция формы перегородки носа. Особенности лазерной процедуры. Контроль степени теплового воздействия по температуре поверхности перегородки. Лазерная реконструкция межпозвонковых дисков. Лазерная регенерация хрящевой ткани. Особенности процедуры лазерной регенерации хрящевой ткани. Контроль степени теплового воздействия по светорассеянию. Особенности лазерной процедуры в офтальмологии. Перспективы развития технологий. д. ф. -м. н, профессор, заведующий лаборатории Соболь Эмиль Наумович, лаборатория биофотоники ИПЛИТ РАН 4 ОПТИКО-ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ОФТАЛЬМОЛОГИИ Лазерная персонализированная коррекция зрения на основе данных аберрометрии. Расчет профиля персонализированной абляции. Аберрометр (МГУ-ИПЛИТ). Эксимерный лазер. Рефракционная хирургия. Развитие персонализированной коррекции с использованием фемтосекундного лазера FLOKS для интрастромальной обработки роговицы. к. ф. м. н. , доцент, Ларичев Андрей Викторович, кафедра медицинской физики физического факультета МГУ; 5 АДАПТИВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Цифровая фундус-камера с адаптивной оптической системой и аберрометром реального времени. Диагностические возможности. Офтальмологические адаптивные системы для ретиноскопии. Сравнение традиционной фундус-камеры и камеры с адаптивной оптической системой. к. ф. м. н. , доцент, Ирошников Никита Георгиевич, кафедра медицинской физики физического факультета МГУ 6 ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Электромагнитные поля и живая природа. Естественные и искусственные источники электромагнитных полей. Реакция биологических систем разного уровня организации на воздействие электромагнитных полей. Организмы – как биосенсоры и биоиндикаторы воздействия ЭМП. Биологические ритмы и их связь с земными и космическими явлениями. Электромагнитные поля как важнейший фактор существования живых систем на Земле. д. б. н. , доцент, Гапочка Михаил Германович, кафедра фотоники и микроволн физического факультета МГУ 7 ТЕРАГЕРЦЫ (ТГц) В МЕДИЦИНСКОЙ ДИАГНОСТИКЕ Терагерцовое излучение. Воздействие на белки крови. Перспективы создания 3 D-сканеров для визуализации поражений кожи. Терагерцовое зондирование ткани роговицы. ТГц мониторинг гидратации. д. ф. -м. н, доцент, Шкуринов Александр Павлович, кафедра общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА МФК «Физические основы медицинских технологий» 3

№ Название лекции 8 СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ (МРТ) Магнитно-резонансная томография (МРТ) и ее место в биомедицинских исследованиях. Физические основы магнитного резонанса. Магнитные моменты ядер и их прецессия в магнитном поле. Резонансное радиочастотное воздействие на поворот вектора намагниченности. Продольная (спин-решеточная) и поперечная (спин-спиновая) релаксация. Принципы формирования МРТ изображений. Основные узлы и блоки томографа. Сверхпроводящий магнит. Принципы медицинской МРТ диагностики. Выявление слабых морфологических изменений живой ткани. Методы подавления фоновых МРТ сигналов нормальных тканей. Магнитно-резонансная томография в сильных и слабых магнитных полях. Низкопольные МРТ сканеры высокого разрешения на постоянных магнитах. Лектор д. ф. -м. н, профессор, Пирогов Юрий Андреевич, физический факультет МГУ 9 ЯМР CПЕКТРОСКОПИЯ И ЕЕ СОЧЕТАНИЕ С ФУНКЦИЯМИ МРТ д. ф. -м. н, профессор, Пирогов Локальная ЯМР спектроскопия в МРТ исследованиях лабораторных животных. Локальные Юрий Андреевич, измерения метаболического портрета живой ткани, температуры внутренних органов, физический факультет МГУ неинвзивная биопсия in vivo. Молекулярная визуализация. Целевая доставка фармпрепаратов в область патологии. Биомаркеры и парамагнитные визуализаторы. Нанокапсулированные препараты, МРТ наблюдение их эффектов при онкологии и ишемии головного мозга. МРТ контроль доставки лекарственных нанобиоконтейнеров и экстракции препарата на мишени под действием физических полей. Магнитная гипертермия. Современное состояние ЯМР устройств и перспективы их развития. Мультиядерная МРТ. 10 ПОЗИТРОННО-ЭМИССИОННАЯ ТОМОГРАФИЯ (ПЭТ) к. ф. м. н. , ст. н. с. , Берловская Принцип работы. Основные узлы и элементы прибора. Циклотрон и производство Елена Евгеньевна короткоживущих радиоизотопов. УКЖР. Биохимическая станция получения меченых соединений. (ответственный лектор), Радиофармпрепараты. Кинетическое сканирование. Интеграция ПЭТ и КТ. Диагностические кафедра медицинской возможности ПЭТ томографии. физики физического факультета МГУ 11 ФИЗИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ В ДИАГНОСТИКЕ. БИОЧИПЫ Новые подходы в диагностике. Биочипы. Технология биочипов. Белки- «ловушки» . МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА к. ф. м. н. , доцент, Бутылин Андрей Александрович, кафедра медицинской физики физического факультета МГУ МФК «Физические основы медицинских технологий» 4

№ Название лекции 12 НАНОТЕХНОЛОГИИ В ЛЕЧЕНИИ ОНКОЛОГИЧЕСКИХ ЗАБОЛЕВАНИЙ Основные принципы нанотехнологий. Нанобиотехнология, наноинженерия. Механизмы транспортировки наночастиц с лекарственными препаратами непосредственно в раковые клетки, возможные побочные действия на организм человека, а также реальное применение нанотехнологий в российском здравоохранении. Лектор д. ф. -м. н, профессор, Чувилин Дмитрий Юрьевич, кафедра медицинской физики физического факультета МГУ, директор Центра физико-химических технологий НИЦ «Курчатовский институт» 13 ЦЕЛЕВАЯ ДОСТАВКА ЛЕКАРСТВ к. т. н. , заместитель Направленный транспорт лекарств в очаг развития патологического процесса. Пассивный директора по направленный транспорт и специфическая доставка ( «узнавание» патологической ткани). отделению Ульянов Фосфолипидные частицы, липосомы и фуллерены в качестве контейнеров для доставки препаратов. Валерий Андреевич, Биосовместимые наноматериалы. отделение перспективных лазерных технологий ИПЛИТ РАН 14 ФОТОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕРАПИЯ И ФОТОДИНАМИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА Фотофизические механизмы фотодинамического эффекта. Фотосенсибилизаторы. Аппаратура. Возможности и недостатки метода. Направления развития. Проблемы световой дозиметрии. д. ф. -м. н. , Поликарпов Михаил Алексеевич, заместитель директора ИПЛИТ РАН 15 ПРОБЛЕМЫ СВЕРТЫВАНИЯ КРОВИ Свертывание крови как сложный каскад биохимических реакций с многочисленными обратными связями, работающий в гетерогенных, пространственно-неоднородных условиях. Устройство и регуляция системы свертывания. Критическое значение системы свертывания крови для всех разделов медицины. д. ф. -м. н, профессор, Пантелеев Михаил Александрович, кафедра медицинской физики физического факультета МГУ МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА МФК «Физические основы медицинских технологий» 5

МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 6

История развития лазеров МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 7

50 лет первому лазеру Теодор Мейман 1960 г. Книга Т. Меймана о создании первого лазера, изданная на русском языке в 2010 г. к 50 -летию этого события (при поддержке РФФИ) λ = 694 нм МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 8

Лазерные технологии в медицине © МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 9

Интеллектуальная кардиохирургическая система для трансмиокардиальной лазерной реваскуляризации МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 10

Методика операции лазерной реваскуляризации сердца Манипулятор подводится к открытому сердцу Лазерный луч пробивает сквозной канал Быстрое закрытие каналов коагуляцией МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 11

Кардиохирургические СО 2 лазеры серии «Перфокор» разработки ИПЛИТ РАН МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 12

Интеллектуальные лазерные системы Интеллектуальные лазерные Распределение интенсивности используемого в системе «Перфокор – М» СО 2 лазера TL- 1200. (Мощность – 1380 Вт, расходимость – 1, 57 мрад по уровню мощности 0, 86) МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 13

Интеллектуальные лазерные системы Специализированное программное обеспечение 0. 8 s R R 0. 15 s T P P R Q Q S Plaser t время Электрокардиограмма Синхронизация лазерного импульса (синий) с электрокардиограммой пациента с помощью специального ПО МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 14

Интеллектуальные лазерные системы Динамика изменения канала в миокарде после лазерного воздействия микрокапилляры Ткани животных, in vivo, СО 2 лазер После перфорации Через 24 часа Tpulse, мс Epulse, Дж 30 -50 до 20 фиброзная ткань Через 140 дней Зона обугливания, мкм 30 -40 Зона коагуляции (ср), мкм Давление в канале, атм МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА до 150 -200 до 1, 5 15

Интеллектуальные лазерные системы для медицины МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 16

«Лазерный скальпель» для хирургии Автодинное детектирование Схема метода СО 2 лазер Выделение информационной компоненты автодинного сигнала рассеянного излучения СО 2 лазера Для выделение информационной составляющей находится усредненная форма импульса за время 10 мс и вычитается из каждого импульса исходного сигнала Спектр флуктуации лазерного излучения после выделения доплеровской компоненты. Рассеяние от вращающегося диска (fd = 0, 1 МГц КРТ - приемник Лазерноиндуцированный массоперенос в зоне лазерного воздействия Самоиндуцированная модификация спектр генерации СО 2 лазера обратно рассеянным излучением с доплеровским сдвигом частоты МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА Регистрация и обработка автодинного сигнала 17

Диагностика биоткани при воздействии лазерного излучения Доплеровский спектр, полученный в случае лазерного рассечения различных тканей (in vitro, 15 к. Вт/см 2) Доплеровский спектр, полученный в случае лазерного перфорирования различных тканей (in vitro, 15 к. Вт/см 2) (Квантовая электроника, 1996 г) МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 18

Интеллектуальные лазерные медицинские установки для прецизионного малотравматичного удаления злокачественных новообразований Лазерное удаление новообразований и диагностика их испарения в реальном времени осуществляется одним и тем же лазерным пучком. Это позволяет наиболее полно реализовать медицинские технологии прецизионного, малотравматичного и органосохраняющего удаления новообразований различных видов. Наиболее эффективно применение таких установок в онкологии, нейрохирургии и дерматологии. МНИОИ им. П. А. Герцена МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 19

МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 20

Лазерные технологии в офтальмологии © МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 21

Адаптивные оптические системы для офтальмологии МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 22

Принцип действия адаптивной мультиспектральной офтальмологической системы (АМФК) МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 23

Цифровая фундус-камера с адаптивной оптической системой и аберрометром реального времени Искаженное изображение сетчатки Уникальный офтальмологический диагностический прибор. Позволяет получить изображения глазного дна с высоким разрешением (до 1 мкм) и одновременно производить оптометрические измерения с точностью 0, 02 мкм. Более 1 000 пациентов. Изображение сетчатки с адаптивной компенсацией Применения : точный подбор контактных линз; изучение патологий рефракции; планирование операций лазерной коррекции Совместный проект Физического факультета МГУ, ИПЛИТ РАН, МНТК "Микрохирургия глаза“, Институт глазных болезней РАМН МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 24

Развитие персонализированной коррекции с использованием фемтосекундного лазера FLOKS для интрастромальной обработки роговицы Совместный проект ЦФП ИОФ РАН, Физического факультета МГУ, ИПЛИТ РАН, МНТК "Микрохирургия глаза“, Института глазных болезней РАМН МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА Фильм любезно предоставлен Вартапетовым С. К. 25

Лазерные аддитивные технологии Лазерный стереолитограф LS-120 ИПЛИТ РАН Установка селективного лазерного спекания Персональный лазерный 3 D принтер Начиная с 1990 -х гг. во всем мире развиваются аддитивные технологии на базе лазерно-информационных систем. В это же время такие работы начаты в России. 26

Лазерная стереолитография Быстрое прототипирование для промышленности ЛС-250 ЛС-120 ЛС-350/500 Установки лазерной стереолитографии (ИПЛИТ РАН) Точность изготовления стереолитографической модели – 20 – 100 мкм МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 27

Процесс изготовления Лазерная стереолитографической биомодели МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА ИПЛИТ РАН 28

Лазерно-информационные аддитивные технологии Лазерно-информационные технологии дистанционного биомоделирования для биомоделирования и облачный сервис CLOUD БОЛЕЕ 50 КЛИНИК Э К С П Е Р Т Ы SERVICE 5000 ОПЕРАЦИЙ МЕДИЦИНСКИЙ ИЗОБРАЖЕНИЯ ГОТОВЫХ БИО-МОДЕЛЕЙ ИНТЕРНЕТ 1 ИН ТЕ Р НЕТ ЦЕНТР НЕ ТЕР ТОМОГРАФИЯ Т 2 ИН ДИАГНОСТИКА КОМПЬЮТЕРНАЯ БИО-МОДЕЛИ ИН ОПЕРАЦИОННАЯ Т НЕ ТЕР Р ТЕ НЕТ ИН ИНТЕРНЕТ ИНФОРМАЦИОННАЯ БАЗА ИЗОБРАЖЕНИЙ ВИДЕО КОММУНИКАЦИОННЫЙ ЦЕНТР ИНТЕРНЕТ 3 D МОДЕЛИ ИН ИНТЕРНЕТ ТЕ РН ЕТ ИН ТЕ Т РН 4 Е ЕРН ЕТ ИНТ ЦИФРОВЫЕ 3 D МОДЕЛИ БАЗА ТОМОГРАММ 5 ИНТЕРНЕТ http: //www. laser. ru МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 3 ИНТЕРНЕТ ИЗГОТОВЛЕНИЕ 3 D БИО-МОДЕЛЕЙ И ИМПЛАНТОВ ИПЛИТ РАН 29

Основы метода лазерной стереолитографии Зависимость толщины отвержденного слоя (h) от дозы облучения (D) для фоточувствительной композиции ИПЛИТ-1 Мощность излучения P=15 м. Вт 0, 5 h, мм 0, 4 Dp=0, 16 мм Ec=3. 1 м. Дж/см 2 0, 3 1 -2 часа 0, 2 0, 1 0 1 10 100 D, м. Дж/см 2 18 -20 часов МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 30

Создание первой стереолитографической модели Лазерная стереолитография черепа человека Исходная томограмма Компьютерная модель Пластиковая модель Работа выполнена в 1995 году в рамках совместной работы с Центром судебно-медицинской экспертизы Минздрава РФ. Программное обеспечение для обработки томограмм и получения STL-представления модели черепа работало на персональном компьютере с процессором Intel 486 в DOS'е под 640 Кб оперативной памяти. Процесс получения STL-представления занимал несколько часов. МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА ИПЛИТ РАН 31

Лазерная стереолитография для онконейрохирургии МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 32

Изготовление, подгонка и установка биосовместимого имплантата МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА Институт нейрохирургии им. Н. Н. Бурденко 33

Лазерная стереолитография для спинальной хирургии Компьютерная и пластиковая биомодели для изготовления имплантата Фрагменты операции Московская клиническая больница № 31, 2002 г. МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 34

Лазерная стереолитография для онкологической хирургии 3 D – реконструкция до операции Выполнена с помощью ПО томографа Выполнена с помощью ПО 3 DView ИПЛИТ РАН и Онкологический центр им. Блохина МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 35

Трехмерные модели сердечно-сосудистой системы Реконструкция на основе 4 D КТ (временное разрешение 0, 1 с и МРТ данных) Центр сердечно-сосудистой хирургии им. А. Н. Бакулева МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 36

Селективное лазерное спекание Мето Схема изготовления 3 D-биологических моделей методом послойного селективного лазерного спекания порошкообразных материалов МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 37

Поверхностно-селективное лазерное спекание (ПСЛС) Исходная смесь порошков Облучение лазером Смесь после обработки ПСЛС основано на расплаве поверхности полимерных частиц, прозрачных для лазерного излучения, за счет его поглощения наночастицами (углерод, золото), равномерно распределенными по поверхности порошка МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 38

Сверхкритические среды (СКС) Свойства СКС Давление, Ркр Твердое тело СКС Жидкость Критическая точка Низкая вязкость Высокие коэффициенты диффузии Растворяющая способность Пластифицирующая способность Газ Температуры Ткр Критические параметры Преимущества ск-СО 2 Низкотемпературные процессы (< 40 ºC) Удаляет токсичные примеси Экологически безопасен Официально разрешен для биомедицинских применений Дешев и доступен МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 39

Преимущества метода СЛС Возможность использования для формирования сложных трехмерных объектов порошков биосовместимых полимеров уже сертифицированных для биомедицинских применений, а также их комбинаций с минеральными (например, гидроксиапатит) и биоорганическими (протеины, ферменты и др. ) добавками ПЛ + 5 вес. % α-рибонуклеазы ПЛ + 20 вес. % Н+ГАП 5 mm 1 mm Активность энзима после спекания сохранилась на уровне 80% от исходной МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 40

Биосовместимость ПСЛС матриц СЭМ анализ поверхности ПСЛС матрицы из полилактида после 24 часов в культуре овечьих хондроцитов ( ), покрывающих уже около 50% поверхности матрицы Ноттингемский Университет (Великобритания) НИИ трансплантологии и искусственных органов МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 41

In-Vivo анализ реакций костной ткани Имплантат ( ) в дефекте бедренной кости белой мыш a б в г СЭМ образцов из чистого этакрила (а) и этакрил/ГАП композитов (б-г) до обработки (а-в) и после обработки (г) ск - СО 2 через 30 суток после имплантации. Импланты изготовлены методом лазерной стереолитографии J. of Materials Science: Materials in Medicine, 15, 123 -128, 2004 МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 42

In Vivo анализ ПЛСЛ матриц A – Контрольная группа (без ПСЛС матрицы) – полное отсутствие восстановления дефекта. B – Группа с имплантированной ПСЛС матрицей. C – Группа с имплантированной матрицей, содержащей клетки костного мозга человека D - Группа с ПЛСЛ матрицей, содержащей зародышевые клетки берцовой кости человека Рентгенограммы дефекта бедренной кости мыши спустя 4 недели после операции МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА Восстановление целостности кости с дефектом больше критического размера!!! Acta Biomaterialia, 5, 2063 -2071; 2009 43

Аддитивные технологии в реконструктивной медицине МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА ИПЛИТ РАН 44

ТЕХНОЛОГИИ КОГНИТИВНЫЕ Конвергенция наук и технологий НАНОТЕХНОЛОГИИ НБИК+С ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННЫЕ БИОТЕХНОЛОГИИ Ковальчук М. В. Конвергенция наук и технологий – прорыв в будущее. Препринт НИЦ «КИ» №ИАЭ-6638/9, 2010 МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 45

Реконструкция головного мозга шерстистого мамонтенка Юка по данным магниторезонансной и компьютерной томографии Молодая самка мамонта «Юка» была найдена в августе 2010 г. на южном берегу моря Лаптевых в 30 км к западу от устья р. Кондратьево на участке Ойягосского Яра (Якутия), 72° 40´ N 142° 50´ E Возраст образца по углероду 39 440 - 38 850 BP. Предположительный возраст - 11 лет На шкуре мамонта обнаружены довольно глубокие следы от когтей, что свидетельствует о том, что при жизни мамонт подвергался нападению пещерных львов. На теле Юки найдены разрезы искусственного происхождения которые, скорее всего, были нанесены древним человеком. МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 46

Томографические срезы головного мозга шерстистого мамонтенка Юка 26 февраля 2013 сотрудниками отдела изучения мамонтовой фауны АН РС(Я) при участии специалистов Палеонтологического института РАН и Института физиологии человека РАМН была проведена операция по извлечению из черепной коробки практически полностью сохранившегося головного мозга мамонта. МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА НИЦ Курчатовский институт, Курчатовский НБИКС-Центр Институт морфологии человека РАН 47

Реконструкция головного мозга шерстистого мамонтенка Юка, выполненная на лазерном стереолитографе в ИПЛИТ РАН Компьютерная модель головного мозга шерстистого мамонтенка Стереолитографическая копия головного мозга мамонтенка Юка МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 48

Лазерные технологии в медицине © МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 49

Лазерное разделение изотопов для медицины МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 50

Экспериментальная установка для разделения изотопов Урана-235, Неодима-150 и Лютеция-177 по методу AVLIS = Atomic vapor laser isotope separation НИЦ «Курчатовский институт» МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА Первые образцы 3, 5% 235 UO 2 , полученные на установке в 2002 г. 51

Схема установки AVLIS principal scheme по лазерному разделению изотопов МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 52

Целевая доставка лекарств Олигомерная наноконструкция для лечения опухолей Магнетизм в медицине Совместно с ФГУ «МНИОИ им. П. А. Герцена Росмедтехнологий» и Институтом биоорганической химии им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН. МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 53

Медико-биологические применения изотопов углерода Принцип дыхательного теста 1. 2. 3. 4. 5. Углеродный дыхательный тест Исследования метаболизма. Исследования фармакокинетики. Функциональная диагностика. Диагностика с помощью ЯМР-визуализации in vivo. 6. Гиперполяризованые контрастные соединения для ЯМР Дыхательный тест - задачи 1. Получение изотопа С-13 (99%) 2. Синтез соединений. 3. Разработка прибора - анализатора изотопного отношения углерода в выдыхаемом воздухе(0. 1 -1%о) 4. Клинические исследования МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА Меченный препарат Исследуемая метаболическая функция или ферментная система Другие метаболические процессы 13 СО 2 в выдохе Другие метаболиты Преимущества метода - неинвазивность; - высокая чувствительность и специфичность (95 -98%); - безопасность; - быстрота и простота 54

Перспективы применений антистоксовых нанофосфоров для решения задач тераностики Участники работы Достоинства апконвертирующих нанофосфоров для глубокого оптического зондирования биотканей Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН Ø Ø Ø Фотостабильность Высокий коэффициент конверсии (яркость ФЛ) Низкая токсичность Возможность включения НАФ в биокомплекс для адресной доставки Ø Спектр возбуждения (975 нм) и излучение ФЛ лежат в «полосе прозрачности» биоткани. МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 55

Фото-физика НАФ Спектр НАФ, основанного на кристалле Na. YF 4, допированного иттербием и тулием Yb 3+ поглощает фотон на 980 нм 2 F 5/2. Резонансно заселяется 4 I 11/2 (Er 3+) или 3 H 5 (Tm 3+). Два метастабильных возбужденных иона взаимодействуют с заселением верхнего возбужденного уровня (условная апконверсия) Глубина зондирования 15 мм МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА Спектр возбуждения (975 нм) и излучение ФЛ лежат в «полосе прозрачности» биоткани. 56

Метод высококонтрастной биовизуализации с использованием ИК антистоксовой фотолюминесценции НАФ Схематическое изображение эпи-люминесцентных систем визуализации НАФ – маркеров в биотканях: a) детектирование CCD камерой, б) детектирование волоконнооптическим зондом. Распределение интенсивности ФЛ, регистрируемое оптоволоконным зондом (красные точки) и CCD камерой (зеленые точки) при расстоянии между НАФмаркерами x = 5. 1 мм. Точки – эксперимент, сплошные кривые – теория. МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 57

Специализированное оборудование (ИПЛИТ РАН) Апконверсионный оптический микроскоп Оборудование для работы с клетками МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА Система имиджинга малых животных Имиджинговая система с повышенным пространственным разрешением 58

Регистрация одиночного нанофосфора через слой крови Эпи-люменисцентное изображение одиночного НАФ, полученное с использованием иммерсионного объектива для крови (a) Изображение слоя гемолизированной крови между предметным и покровным стеклом; (b) Спектр абсорбции гемолизированной крови и спектр излучения НАФ; (c) Изображения НАФ полученные через окуляр с использованием иммерсионного объектива для воды и крови; (d) Эпи-люменисцентное микроскопическое изображение кластера НАФ и отдельного НАФ при одинаковых параметрах настройки камеры. Цель перед биологами: найти задачи визуализации дискретных биомолекул МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 59

Доставка и глубокая оптическая томография на основе апконвертирующих нанофосфоров Схема и TEM фотографии нанокомплекса на основе Na. YF 4: Yb, Tm со структурой core/shell, покрытых функциональной полимерной оболочкой Спектр ФЛ наночастиц Na. YF 4: Yb, Tm Коэффициент конверсии 5% Стабильные водные коллоиды Na. YF 4: Yb, Er и Na. YF 4: Yb, Tm МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА Доставка наночастиц Na. YF 4: Yb, Tm@Na. YF 4 в раковую опухоль мыши (спонтанная аденокарцинома) за счёт EPR эффекта. Глубина зондирования до 10 мм. 60

Лазеры и лазерные технологии в экономике SPIE, OSA МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 61

Спасибо за внимание ! Голова Давида фрагмент статуи Микеланджело Бонарроти (Академия изящных искусств, Флоренция, Италия) Эта пластиковая копия выполнена на лазерном стереолитографе в Институте проблем лазерноинформационных технологий Российской академии наук МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА 62