Біомедична інженерія і технологія

РОЗРОБКА ІНТЕГРОВАНОЇ СИСТЕМИ МОНІТОРИНГУ ТА НЕІНВАЗІЙНОЇ ВАГУСНОЇ СТИМУЛЯЦІЇ ДЛЯ ПАЦІЄНТІВ З ЕПІЛЕПСІЄЮ

Марія Шафоростова, Микола Богомолов — вт, 10 чер 2025 00:00:00 +0300

Стимуляція блукаючого нерва є перспективним методом нейромодуляції, що використовується для лікування епілепсії, депресії, хронічного болю та інших неврологічних розладів. Незважаючи на ефективність імплантованих пристроїв для вагусної стимуляції, їх використання пов’язане зі значними обмеженнями, зокрема необхідністю хірургічного втручання, ризиками післяопераційних ускладнень і відсутністю автоматичної адаптації параметрів стимуляції до поточного стану пацієнта. У цій роботі представлено концепцію автоматизованої системи неінвазійної вагусної стимуляції, що усуває ці недоліки шляхом використання мікропроцесорних технологій та сенсорних систем для моніторингу фізіологічних показників у реальному часі. Запропонована система оцінює стан пацієнта на основі вимірювання мозкового кровотоку в зоні епілептогенної активності за допомогою дифракційно-кореляційної спектроскопії, а також реєстрації частоти серцевих скорочень і рівня насичення крові киснем через пульсоксиметрію. Зібрані дані використовуються для автоматичного коригування параметрів стимуляції, що забезпечує індивідуалізований підхід до лікування, підвищуючи його ефективність і безпеку. Система складається з пульсоксиметра, електродів для транскутанної стимуляції, модуля моніторингу кровотоку та центрального блоку управління. Автоматизація процесу дозволяє зменшити потребу у втручанні медичного персоналу та забезпечує зручність використання для пацієнтів у домашніх умовах. Впровадження цієї технології може суттєво покращити якість життя осіб із фармакорезистентною епілепсією та іншими неврологічними розладами. Крім того, запропонована система може бути адаптована для застосування при інших захворюваннях, які потребують нейромодуляції. Подальші дослідження будуть зосереджені на оптимізації алгоритмів цифрової обробки та підвищенню точності системи моніторингу.

НЕЙРОННА МЕРЕЖА В СЕРЕДОВИЩІ NI LabVIEW ДЛЯ КЛАСИФІКАЦІЇ СИГНАЛІВ ЕЛЕКТРОМІОГРАМ

Андрій Соломін, Роман Борисенко — вт, 10 чер 2025 00:00:00 +0300

В сучасних умовах суттєво зросла потреба у створенні біонічних протезів для покращення якості життя насамперед ветеранів війни з втраченими кінцівками. Складність проблеми пов’язана, головним чином, з розпізнаванням (класифікацією) сигналів електроміограм, які реєструються сенсорами, накладеними на залишкові фрагменти втрачених кінцівок. Для вирішення цієї проблеми найкраще підходять технології, пов’язані із застосуванням нейронних мереж. В роботі показана доцільність використання в цьому плані можливостей програмного середовища NI LabVIEW, де дуже органічно реалізована взаємодія програмних засобів з електронним обладнанням, існують готові рішення для обробки сигналів та роботи з нейронними мережами. З метою оптимізації режимів функціонування нейронної мережі запропоновано оригінальні методи попередньої обробки електроміограм для виділення інформативних ознак. Навчена на реальних зразках електроміограм нейронна мережа продемонструвала високу точність щодо класифікації тестових наборів сигналів

РЕКОНСТРУКЦІЯ ТРИВИМІРНИХ СПЕКЛОВИХ ЗОБРАЖЕНЬ БІОЛОГІЧНИХ СЕРЕДОВИЩ

Денис Яницький, Микола Богомолов — вт, 10 чер 2025 00:00:00 +0300

Анотація – У статті представлено новий підхід до реконструкції тривимірних зображень біологічних середовищ на основі аналізу спекл-структур, що виникають внаслідок інтерференції когерентного світла, розсіяного від шорстких поверхонь. Основну складність у формуванні точного тривимірного зображення становить саме інтерференційна природа спеклів, яка зумовлює появу випадкових розподілів інтенсивності без прямого зв’язку із рельєфом досліджуваної поверхні. Для подолання цього ефекту запропоновано спеціальний фільтр-обмежувач інтерференції, конструкція якого дозволяє зменшити кількість світлових променів, здатних інтерферувати, завдяки селекції напрямків поширення. Особливістю конструкції фільтру є поєднання геометричних параметрів і оптичних властивостей матеріалів, що забезпечують просторове сортування променів ще до їх потрапляння на детектор. Фільтр складається з системи отворів, заповнених матеріалом з високим коефіцієнтом заломлення, що пропускає світло лише в межах певного діапазону кутів. Детально описано принцип дії фільтру, розрахунки граничного кута пропуску променів, геометричні параметри конструкції та їх вплив на зменшення зони потенційного перетину когерентних хвиль. Залежно від особливостей досліджуваного об’єкта, фільтр може бути модифікований для роботи з різними діапазонами кутів падіння та оптичними конфігураціями. Розроблено концепцію оптичної системи. Метод відкриває нові можливості для формування тривимірних оптичних зображень зі зниженим рівнем інтерференційних спотворень. Потенційні сфери застосування включають біомедичну діагностику, зокрема візуалізацію тканин, а також матеріалознавство, оптичну мікроскопію та нанотехнології. Перспективними напрямами подальших досліджень є удосконалення конструкції фільтру, збільшення кількості доступних кутових проекцій, а також впровадження алгоритмів машинного навчання для підвищення якості реконструкції зображень.

АЛГОРИТМ СЕГМЕНТАЦІЇ ТЕПЛОВИХ ЗОБРАЖЕНЬ ЛЕГЕНЬ

Владислав Шликов, Ярослав Забіло — вт, 10 чер 2025 00:00:00 +0300

У роботі розглянуто алгоритм сегментації теплових зображень, який базується на пошуку термографічного порогу між тепловими зонами з суттєвим градієнтом температур від 1°C, які визначаються на термографічних зображеннях легень з ознаками запального процесу. Зокрема, пропонується застосування у алгоритмі сегментації теплових зображень модернізованого алгоритму вододілу (Watershed) із бібліотеки комп’ютерного зору OpenCV (Open Source Computer Vision Library) на мові Python. Оскільки основною проблемою при такому підході є надмірна сегментація через завади, що обумовлені неоднорідністю теплового поля на зображеннях легень, у модернізованому алгоритмі пропонується попередня фільтрація завад з використанням морфологічних операцій (Morphological Gradient) та поділ зображення на області фону і переднього плану з використанням маркерів (Simple Thresholding). Для розмежування областей кольорового зображення, які мають наближені напівтони, використовується порогова бінаризація Нобуюки Отсу (Otsu's method), що дає можливість розмежувати на термографічному зображені теплові зони з градієнтом температур від 0,5°C. Для апробації алгоритму сегментації було проведено доклінічні дослідження щодо оброблення термографічних знімків легень з ознаками запального процесу, що дистанційно реєструвалися тепловізором FLIR ThermaCAM E300, який забезпечує передачу 16000 кольорів і дає можливість визначати градієнт температур від 0,5°C з точністю ±0,1°C у діапазоні температур від 20°C до 50°C. Отже, алгоритм сегментації теплових зображень, що пропонується, дає можливість визначити тепловий поріг (термопоріг), який лежить між двома максимумами або мінімумами температур у однорідних теплових зонах з заданим градієнтом температур.

СУЧАСНІ ПІДХОДИ ДО МОДЕЛЮВАННЯ МЕТАБОЛІЧНИХ ШЛЯХІВ ПРОКАРІОТИЧНИХ ОРГАНІЗМІВ

Діана Пономаренко, Олександр Бесараб, Олена Беспалова, Олександр Галкін — вт, 17 чер 2025 00:00:00 +0300

Моделювання у масштабі геному (genome-scale metabolic modeling, GEM) виступає ключовим інструментом для системного аналізу метаболізму прокаріотичних організмів. Воно дозволяє охопити весь спектр біохімічних реакцій, пов’язаних із функціонуванням клітини, та ефективно прогнозувати її поведінку за різних умов. Особливу роль у цьому процесі відіграє аналіз балансу потоків (Flux Balance Analysis, FBA), який базується на побудові стехіометричних моделей і дає змогу розрахувати розподіл потоків метаболітів у мережі з урахуванням заданої цільової функції. Водночас, чутливість FBA до вибору мети моделювання є критичним обмеженням, яке знижує універсальність методу, особливо у випадку складних або гетерогенних середовищ.

Поєднання FBA з методами генної інженерії суттєво розширює його можливості: шляхом модифікацій генотипу можна цілеспрямовано перенаправляти метаболічні потоки, що дозволяє підвищити біосинтетичний потенціал мікроорганізмів. Це особливо актуально для промислової біотехнології, де ведуться розробки нових штамів-продуцентів біопрепаратів, ферментів, біопалива та інших цінних метаболітів.
Протягом останнього десятиліття розвиток технологій секвенування та функціональної анотації геномів значно розширив базу для побудови високоточної метаболічної реконструкції. Сучасні підходи поєднують геномні, транскриптомні, метаболомні та протеомні дані з потужними алгоритмами обробки, що дозволяє створювати контекстозалежні, верифіковані експериментально моделі метаболізму. Такі моделі використовуються не лише в базових наукових дослідженнях, а й у клінічній практиці – наприклад, для персоналізованої медицини, прогнозування дії антибіотиків або розробки мікробних консорціумів для терапевтичного застосування.
У цьому контексті особливу актуальність набуває систематичний аналіз сучасних методологічних підходів до моделювання метаболічних шляхів прокаріотичних організмів із залученням відповідних інструментів, баз даних та платформ, що забезпечують надійність, масштабованість і практичну придатність створюваних моделей

ДНК-МАРКЕРИ ДЛЯ ДЕТЕКЦІЇ ПОЛІМОРФІЗМУ ГЕНІВ БІОГЕНЕЗУ ПРОДИХІВ EPF1, EPF2 ТА MUTE ПШЕНИЦІ

Юлія Римар, Ольга Лахнеко — ср, 18 чер 2025 00:00:00 +0300

ДНК-маркери є інформативним молекулярним методом для відбору генотипів й значно пришвидшують селекційний процес. Через це розробка молекулярних маркерів є важливим етапом створення селекційних ліній сортів з важливими агрономічними ознаками. Однією з таких ознак є посухостійкість, яка безпосередньо пов'язана із випаровуванням вологи рослиною. Зважаючи на те, що продихова транспірація займає найбільший відсоток від загальних витрат вологи рослиною, в дослідженні особлива увага приділяється генам біогенезу продихів. Метою цієї роботи було розробити ДНК-маркери на виявлення поліморфізму в промоторних і кодуючих послідовностях генів біогенезу продихів EPF1, EPF2 та MUTE й провести скринінг колекції пшениці для пошуку цінних алелей генів. В результаті роботи розроблено 12 відтворювальних ДНК-маркерів, а саме 5 ДНК-маркерів на визначення поліморфізму в промоторній області генів EPF1, EPF2 та 7 ДНК-маркерів на визначення поліморфізму в кодуючих ділянках генів EPF1, EPF2 та MUTE. За допомогою розроблених маркерів проведений скринінг вибірки зразків пшениці м'якої міжнародної колекції CIMMYT. У такий спосіб визначено, що найчастіше зустрічалися дві SNP (в позиції -1223 A→G; в позиції -1221 A→C) в промоторній ділянці гена EPF1 з субгеному А серед досліджуваних зразків. Низьку частоту поширення серед вибраних зразків CIMMYT мала описана інсерція в промоторній частині гена EPF1 з субгеному В. Також часто детектувалася серед досліджуваних зразків 4-пн делеція (в позиції -9) гена EPF1-D1, а однонуклеотидний поліморфізм T на G в положенні +274 гена EPF1-A1 мав низьку частоту поширення. Крім того, 297-пн інсерція в промоторі гена EPF2 субгеному В, яка описана для українських сортів, зовсім не виявлена серед міжнародної колекції. Так, створені системи ДНК-маркерів доцільно використовувати як у фундаментальних дослідженнях генетичного різноманіття сортів пшениці, так і в питаннях захисту прав інтелектуальної власності та молекулярної паспортизації