
ΒΙΟΛ-403ΔΕΜ – Ειδικές Τεχνικές Βιοαπεικόνισης
Στόχος του μαθήματος είναι η εξοικείωση των φοιτητών με εξειδικευμένες σύγχρονες τεχνολογίες και τεχνικές βιοαπεικόνισης οι οποίες χρησιμοποιούνται στις επιστήμες ζωής καθώς και η κατανόηση των πλεονεκτημάτων και περιορισμών τους. Συγκεκριμένα, αναλύονται οι τεχνολογίες της Μικροϋπολογιστικής Τομογραφίας (Micro-computed Tomography), της Τομογραφίας Εκπομπής Ποζιτρονίων (Positron Emission Tomography, PET) καθώς και της απεικόνισης μικρών ζώων με υπερήχους. Μεταξύ άλλων, θα περιγραφθούν σύνθετες απεικονιστικές τεχνολογίες αιχμής όπως η μη γραμμική μικροσκοπία (πολυφωτονικά διεγειρόμενος φθορισμός, παραγωγή 2ης και 3ης αρμονικής συχνότητας), προσεγγίσεις φωτοακουστικής απεικόνισης, η τεχνική μικροσκοπίας φθορισμού «φύλλου φωτός» SPIM, αλλά και οπτικές μέθοδοι μικροσκοπίας υπερ-υψηλής ανάλυσης κάτω από το όριο της περίθλασης όπως η Stimulated Emission Depletion (STED) και Photoactivated Localization Microscopy (PALM).
ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ
ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΕΙΔΙΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΒΙΟΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ
- Μπορεί η απεικόνιση να δώσει απάντηση σε ένα βιολογικό ερώτημα;
- Ποια τεχνική θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί για μια συγκεκριμένη εφαρμογή;
- Πώς ακριβώς λειτουργεί μια συγκεκριμένη τεχνική απεικόνισης και ποιοι είναι οι υποκείμενοι φυσικοί μηχανισμοί που αξιοποιεί;
- Τι είδους πληροφορία μπορεί να δώσει κάθε τεχνική;
- Ποια τα πλεονεκτήματα της κάθε απεικονιστικής τεχνικής και ποιοι οι περιορισμοί της;
- Πως αναλύονται και ερμηνεύονται οι καταγραφόμενες εικόνες;

ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΑ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ
- Τί είναι οι ακτίνες Χ και πώς παράγονται;
- Πώς αλληλεπιδρούν με τον ιστό;
- Πώς λειτουργεί ένας σύγχρονος αξονικός τομογράφος;
- Πώς γίνεται η ανακατασκευή των εικόνων;
- Τί είδους βιολογική πληροφορία μπορούν να μας παρέχουν;
ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΠΟΖΙΤΡΟΝΙΟΥ (PET)
- Τι είναι ραδιενέργεια, πώς προκύπτει και ποιες είναι οι τρεις μορφές της;
- Πως προκύπτει το σήμα σε μια διάταξη PET;
- Ποια είναι τα τυπικά ραδιοϊσότοπα που χρησιμοποιούνται στο PET και τι χαρακτηριστικά έχουν;
- Πώς γίνεται η ανίχνευση της εκπομπής ποζιτρονίου από έναν ραδιενεργό πυρήνα;
- Από ποιους παράγοντες εξαρτάται η χωρική ανάλυση της τεχνικής;
- Πώς γίνεται η ανακατασκευή της εικόνας στο PET;
- Ποιες είναι οι τυπικές εφαρμογές του PET;
ΥΠΕΡΗΧΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ
- Ποια είναι τα πλεονεκτήματα και οι περιορισμοί της υπερηχογραφίας;
- Ποιοι νόμοι διέπουν την ανάκλαση, διάθλαση και εξασθένηση των υπερήχων μέσα στους ιστούς;
- Τι είναι το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο και πώς αυτό σχετίζεται με την παραγωγή και ανίχνευση των υπερήχων;
- Ποιες είναι οι διαφορές της υπερηχογραφίας A-Scan από τη Β-Scan;
- Με ποιους βασικούς τρόπους επιτυγχάνεται η σάρωση της δέσμης για την απόκτηση εικόνας στο B-Scan;
- Από τι εξαρτάται η χωρική ανάλυση και το μέγιστο βάθος απεικόνισης;
- Πώς μπορούμε να μετρήσουμε ταχύτητες ροής μέσω φαινομένου Doppler;
- Ποιες είναι οι βασικές εφαρμογές της υπερηχογραφίας;
ΦΩΤΟΑΚΟΥΣΤΙΚΗ ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΑ
- Τί είναι το φωτοακουστικό φαινόμενο;
- Πώς συνδέεται η φωτοακουστική πίεση με τις παραμέτρους του απορροφητή και του λέιζερ;
- Ποιοι είναι οι ενδογενείς απορροφητές στους ιστούς;
- Τί εξωγενείς παράγοντες αντίθεσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν και ποια πληροφορία μπορούν να δώσουν;
- Πώς λειτουργούν τα φωτοακουστικά τομογραφικά συστήματα;
- Πώς επιτυγχάνεται η ανακατασκευή των φωτοακουστικών εικόνων;
- Τί είδους βιολογική πληροφορία μπορεί να δώσει η φωτοακουστική τομογραφία;

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΟΠΤΙΚΗ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΑ
- Τι είδους βιολογικές παρατηρήσεις έγιναν με τα πρώτα μικροσκόπια κατά το 17ο έως 19ο αιώνα;
- Πότε και γιατί ήλθε στο προσκήνιο το σύνθετο οπτικό μικροσκόπιο;
- Ποιοι οι κανόνες του ray-tracing και πως αυτοί εφαρμόζονται στο μικροσκόπιο;
- Ποια είναι τα βασικά είδη των οπτικών μικροσκοπίων;
- Τί είναι περίθλαση και πως συνδέεται η περιγραφή της με την αρχή Huygens;
- Πώς προκύπτει η σχέση Abbe για τη χωρική ανάλυση ενός μικροσκοπίου;
- Τί ειναι ο φωτισμός Köhler και τι πλεονεκτηματα προσφέρει;
- Ποιες είναι οι βασικές οπτικές εκτροπές σε ένα μικροσκόπιο;
- Τι σημαίνουν τα στοιχεία που αναγράφονται σε έναν αντικειμενικό φακό;

ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΑ ΦΘΟΡΙΣΜΟΥ Ι
- Τί είναι φθορισμός και πως αναπαρίσταται σε διάγραμμα Jablonski;
- Πώς λειτουργεί ένα widefield μικροσκόπιο φθορισμού;
- Ποια είναι τα βασικά είδη φίλτρων και διχροϊκών κατόπτρων;
- Ποιες είναι οι δύο τεχνολογίες φίλτρων και τι προσφέρει η κάθε μία;
- Τί είναι η φωτολεύκανση και πως μπορεί να αντιμετωπιστεί;
- Τι δυνατότητες προσφέρει το συνεστιακό μικροσκόπιο σε σχέση με το widefield;
- Ποια είναι η αρχή λειτουργίας της συνεστιακής μικροσκοπίας;
- Από ποιες σχέσεις δίνεται η χωρική ανάλυση ενός μικροσκοπίου φθορισμού λόγω περίθλασης και πως αυτές προκύπτουν;

ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΑ ΦΘΟΡΙΣΜΟΥ ΙΙ
- Ποια είναι η βασική αρχή λειτουργίας της μικροσκοπίας SPIM;
- Ποια είναι τα πλεονεκτήματα του SPIM σε σύγκριση με το confocal / widefield;
- Πως μπορούμε να παράξουμε ένα φύλλο φωτός;
- Ποιες είναι οι βασικές παράμετροι των γκαουσιανών δεσμών και πως σχετίζονται μεταξύ τους;
- Πως συνδέεται το πεδίο θέασης με το πλάτος του φύλλου φωτός;
- Από τι εξαρτάται η πλευρική και αξονική ανάλυση στο SPIM;
- Ποια είναι τα κύρια προβλήματα που παρουσιάζονται στο SPIM με φωτισμό από μία μόνο πλευρά;
- Ποιες είναι οι πέντε κύριες προσεγγίσεις μικροσκοπίας SPIM;
- Ποιες είναι οι σπουδαιότερες εφαρμογές της μικροσκοπίας SPIM;

ΜΗ ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΑ
- Ποιοι είναι οι βασικοί σκεδαστές και απορροφητές εντός των ιστών στην ορατή περιοχή του φάσματος;
- Ποια είναι τα δύο είδη σκέδασης του φωτός εντός του ιστού;
- Τι ονομάζουμε οπτικό παράθυρο του ιστού;
- Τι είναι ο διφωτονικά διεγειρόμενος φθορισμός και σε τι διαφέρει από τη μονοφωτονική περίπτωση;
- Τι είναι η αρχή της απροσδιοριστίας χρόνου – ενέργειας και πως αυτή συνδέεται με τις εικονικές καταστάσεις;
- Ποιες είναι οι τυπικές παράμετροι λέιζερ για την απόκτηση μη γραμμικού σήματος;
- Ποια είναι τα πλεονεκτήματα της μη γραμμικής μικροσκοπίας έναντι του confocal;
- Τι είναι οι οπτικές αρμονικές, πότε παράγονται και τι πληροφορία μπορούν να δώσουν;

ΦΩΤΟΑΚΟΥΣΤΙΚΗ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΑ
- Ποια είναι τα δύο είδη της φωτοακουστικής μικροσκοπίας και ποιες οι διαφορές μεταξύ τους;
- Πώς καθορίζεται η χωρική ανάλυση και το βάθος απεικόνισης σε κάθε περίπτωση;
- Ποια πιστεύετε πως είναι τα πλεονεκτήματα της φωτοακουστικής μικροσκοπίας έναντι των αμιγώς οπτικών τεχνικών μικροσκοπίας;
- Πως λειτουργεί ο γραμμικός φασματικός διαχωρισμός απορροφητών;
- Ποιες ειναι οι κύριες εφαρμογές της φωτοακουστικής μικροσκοπίας στη βασική έρευνα;

ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΑ CARS
- Τι ειναι η αυθόρμητη σκέδαση Raman και σε τι διαφέρει από τη σκέδαση Rayleigh;
- Τι δείχνει ένα φάσμα Raman και ποιες είναι οι πιο σημαντικές κορυφές βιολογικού ενδιαφέροντος;
- Ποια τα πλεονεκτήματα και ποια τα μειονεκτήματα της απόκτησης φασμάτων αυθόρμητης σκέδασης Raman; Γιατί η τεχνική αυτή δεν είναι η πλέον κατάλληλη για απεικόνιση;
- Τι είναι και πως προκύπτουν τα διακροτήματα; Τι ονομάζεται beat frequency;
- Πως προκύπτει το φαινόμενο CARS; Τί είναι το SRG και SRL;
- Ποια είναι τα βασικά πλεονεκτήματα της μικροσκοπίας CARS και ποιες ειναι οι τυπικές εφαρμογές της στη βιολογία;

ΝΑΝΟΣΚΟΠΙΑ
- Τι ειναι η περίθλαση και πως συνδέεται με τη χωρική διακριτική ικανότητα ενός μικροσκοπίου;
- Ποιες είναι οι τρεις διαδικασίες αλληλεπίδρασης ακτινοβολίας – ύλης;
- Πως σχηματίζεται μια δέσμη doughnut;
- Ποια είναι η αρχή λειτουργίας της μικροσκοπίας STED;
- Από τι εξαρτάται η χωρική ανάλυση τη τεχνικής STED και μέχρι τι τιμές μπορεί να φτάσει;