Біомедична інженерія і технологія

IN SILICO МОДЕЛІ ПРОГНОЗУВАННЯ МУТАГЕННОСТІ ЕЙМСА НА ОСНОВІ ВІДБИТКІВ МОЛЕКУЛЯРНОЇ СТРУКТУРИ КСЕНОБІОТИКІВ

Сергій Кисляк, Олексій Дуган, Денис Романюк, Олена Яловенко — чт, 18 гру 2025 00:00:00 +0200

Одна з основних глобальних проблем, з якою стикається людство у 21ст. пов`язана з забрудненням навколишнього середовища. Урбанізація, активний розвиток промисловості та впровадження сучасних технологій у всіх сферах житєдіяльності людини сприяють експоненційному зростанню кількості хімічник сполук, що потрапляють у довкілля. Достатньо велика кількість ксенобіотиків, що представлені у навколишньому середовищі, через механізми прямого або опосередкованого впливу на генетичний апарат людини можуть індукувати розвиток спадкових та/або онкологічних захворювань. Суттєве збільшення кількості зафіксованих випадків онкологічних захворювань у різних країнах світу є основним стимулом для активізації наукової спільноти з метою ефективного виявлення та обліку всіх факторів навколишнього середовища, що можуть проявляти генотоксичні властивості. З урахуванням першочергового вирішення задачі, що пов`язана з підтримкою та збереженням генетичного здоров`я людської популяції, на сьогоднішній день потребують перегляду та удосконалення базові in vitro in vivo методи оцінки генотоксичності впливу факторів навколишнього середовища. У цьому контексті заслуговують на увагу сучасні in silico підходи до оцінки генетичної безпеки факторів навколишнього середовища, що мають достатньо значний, але не повністю реалізований потенціал. В роботі представлена методика розробки орієнтованих на основні структурні класи in silico моделей оцінки мутагенності Еймса (AMES/QSAR), що в якості предикторів використовують різни типи відбитків молекулярної структури (molecular fingerprint) кcенобіотиків. В основі вирішення задачі бінарної класифікації були обрані два ансамблевих метода машинного навчання: метод випадкового лісу та екстремального градієнтного бустінга. Точність бінарних класифікаторів на рівні 80-85%, які були розроблені відповідно до представленої у роботі методики, відповідає відтворюваності теста Еймса в різних лабораторіях. Показано, що орієнтовані на структурні класи бінарні класифікатори є більш ефективними для прогнозування мутагенності Еймса, у порівнянні з AMES/QSAR моделями, що на етапі навчання використовували частину повного необнорідного набору вхідних даних.

КЛАС-БАЛАНСНИЙ ВІДБІР ІНТЕНСИВНОСТЕЙ У КТ-ЗОБРАЖЕННЯХ ЛЕГЕНЬ

Ілля Давидович, Євген Настенко — чт, 18 гру 2025 00:00:00 +0200

Інформативні ділянки на медичних КТ-зображеннях займають невелику частку, тоді як фон та інші тканини здебільшого домінують та впливають на якість подальшого аналізу й класифікації. Глибокі нейронні мереж здатні самостійно вилучати інформативні ознаки, проте дисбаланс класів, мала вибірка та неоднорідна якість даних ускладнюють навчання та інтерпретацію моделей комп’ютерної діагностики. Рішенням може стати використання класичних методів машинного навчання з ручною процедурою формування ознак, що вимагає певних кроків попередньої обробки даних. Метою роботи є обґрунтування користі етапу попередньої обробки зображень, який концентрує увагу на змістовних частинах зображення, пом’якшує дисбаланс класів і робить дані придатнішими для подальшого текстурного аналізу та побудови моделей. У даній роботі пропонується метод клас-балансного відбору, що узагальнює розподіли яскравості пікселів, шляхом послідовного переходу від рівня окремого зрізу до рівня пацієнта та класу, в результаті чого формується узгоджений профіль поширених значень. Далі відбирається обмежений набір інтервалів яскравості, що покривають заздалегідь визначену частку загальної маси інтенсивностей. Фільтровані зображення зберігаються у вигляді теплової карти частот значень пікселів, зважуючи їх відповідно до типовості в межах набору. Результати показали, що запропонований клас-баланскний фільтр робить інформативні структури компактнішими та виразнішими, а представлення різних класів більш рівномірною. Теплові карти зберігають змістовну частину сигналу при помітному скороченні зайвої інформації, що спрощує побудову інформативних ознак. Ефект зберігається для різних налаштувань відбору та є узгодженим на рівні пацієнта. Клас-збалансований відбір інтервалів яскравості можна розглядати як практичний стартовий крок попередньої обробки для задач аналізу КТ-зображень. Він фокусує обробку на найважливіших ділянках, вирівнює внесок класів і підвищує придатність даних до подальшої інтерпретації та моделювання, особливо в умовах малої вибірки.

АЛГОРИТМ МЕДИКО-ІНЖЕНЕРНОГО СУПРОВОДУ ПРОЦЕСІВ ПРОТЕЗУВАННЯ ПАЦІЄНТІВ ІЗ ВТРАТОЮ КІНЦІВОК

Ганна Мельник , Ігор Худецький, Євген Сніцар, Олексій Лебедєв, Єгор Январьов — чт, 18 гру 2025 00:00:00 +0200

У статті представлено комплексний підхід до формування алгоритму медико-інженерного супроводу процесів протезування пацієнтів із втратою кінцівок, що охоплює всі ключові етапи – від діагностично-клінічної оцінки до пожиттєвого моніторингу стану пацієнта. Актуальність теми пояснюється значним зростанням кількості осіб з ампутаціями в Україні, підвищеними вимогами до якості та безпечності протезування, а також потребою у стандартизації взаємодії між фізичними терапевтами, ерготерапевтами, інженерами-протезистами та іншими членами мультидисциплінарної команди. У роботі систематизовано нормативно-правові документи, що регламентують реабілітацію та забезпечення технічними засобами, зокрема постанови Кабінету Міністрів України №1268, №1462, Закон України «Про реабілітацію у сфері охорони здоров’я», стандарти ISO 13405 та рекомендації WHO. У статті узагальнено наявні наукові джерела та міжнародні стандарти щодо вибору протезних компонентів, оцінки готовності кукси до навантаження, функціонального стану пацієнта та післяампутаційної реабілітації. Виявлено, що існуючі рішення є роз’єднаними й не забезпечують повноцінного алгоритмічного супроводу процесу протезування. На основі проведеного аналізу запропоновано алгоритм, який інтегрує медичні критерії, інженерно-технологічні вимоги та реабілітаційні стратегії. Алгоритм складається з чотирьох етапів: діагностично-клінічного етапу призначення протеза, підбору та виготовлення протезних виробів, етапу протезної реабілітації та етапу пожиттєвого супроводу. Окрему увагу приділено вибору типів протезних стоп, колінних модулів і систем підвіски залежно від рівня ампутації та K-рівнів активності. Наукову новизну становить формалізація повного циклу протезування у вигляді поетапного алгоритму, що підвищує якість клінічних рішень і забезпечує технічну стандартизацію. Практична цінність алгоритму полягає у можливості застосування у протезно-ортопедичних центрах, реабілітаційних закладах, лікарнях, а також як навчального інструменту для підготовки фахівців у галузі реабілітації та біомедичної інженерії.

ПРОТОТИП ПРИЛАДУ З ІНТЕГРОВАНОЮ АНТЕНОЮ ДЛЯ НЕІНВАЗИВНОГО ВИМІРЮВАННЯ ГЛЮКОЗИ В КРОВІ

Інна Парфило, Микола Богомолов — чт, 18 гру 2025 00:00:00 +0200

У роботі представлено дослідження процесу розроблення неінвазивної системи моніторингу рівня глюкози в крові на основі мікрохвильових технологій. Запропонований підхід ґрунтується на аналізі електромагнітної взаємодії між сенсорною антеною та біологічними тканинами, що дає змогу визначати концентрацію глюкози за змінами діелектричних властивостей середовища. На основі літературного аналізу було здійснено вибір робочої частоти з урахуванням глибини проникнення хвиль у шкіру та особливостей багатошарової структури тканин.
У дослідженні застосовано нерезонансний метод відбиття, що передбачає вимірювання коефіцієнта розсіювання S₁₁ у визначеному частотному діапазоні. Зміна цього параметра прямо корелює зі змінами діелектричної проникності тканини, зумовленими варіаціями рівня глюкози. Розроблений пристрій реалізовано у формі наручного годинника, який забезпечує зручність експлуатації та постійний контакт із тілом користувача.
Система побудована на базі мікроконтролера ESP32-WROOM-32E-N4, що забезпечує обробку даних і бездротову передачу результатів. Сенсорний блок включає антену ACAG1204-433-T, генератор частоти ADF4350BCPZ-RL7, підсилювач PGA-102+, спрямований розгалужувач SYDC-20-62HP+ та двоканальний логарифмічний детектор ADL5519ACPZ-R7. Живлення системи здійснюється від літій-полімерного акумулятора ємністю 800 мА·год .
Запропонована технологія демонструє потенціал для створення портативних біомедичних пристроїв нового покоління, орієнтованих на комфортний і точний неінвазивний контроль глюкози в реальному часі.

АНАЛІЗ ВПЛИВУ ПОПЕРЕДНЬОЇ ОБРОБКИ ДАНИХ НА ЯКІСТЬ ОЦІНЮВАННЯ ОБ’ЄМУ КРОВІ ЗА ЗВЕДЕНИМИ ПЕРФУЗІЙНИМИ ПАРАМЕТРАМИ

Дмитро Лобунько, Світлана Алхімова — чт, 18 гру 2025 00:00:00 +0200

Хоча зведені перфузійні параметри поступаються в точності методу деконволюції, їхнє широке застосування обумовлене швидкістю та простотою розрахунків. Водночас достовірність цих параметрів безпосередньо залежить від якості вихідних даних та ефективності алгоритмів, задіяних для їх розрахунку. Проблематика полягає у відсутності стандартизації щодо обробки час-інтенсивність та час-концентрація кривих, що ускладнює порівняння результатів між різними дослідженнями та знижує достовірність кількісної оцінки перфузії. Для дослідження впливу попередньої обробки даних на якість розрахунку зведеного перфузійного параметра площа під кривою було проаналізовано фільтрацію вихідних даних та трансформація інтенсивності сигналу у криву зміни концентрації контрастної речовини. Результати кореляційного аналізу показують, що дані час-концентрація кривих забезпечують вищу кореляцію з еталонними перфузійними картами оцінки об’єму крові порівняно з час-інтенсивність кривими незалежно від методу фільтрації. Фільтр Гауса забезпечує кращі результати порівняно із медіанним фільтром та фільтром рухомого середнього. Надмірне збільшення вікна фільтрації призводить до втрати точності, тоді як помірна або відсутня фільтрація забезпечують кращі співвідношення між стабільністю та точністю обчислень. Отримані висновки можуть бути використані для вдосконалення алгоритмів кількісного аналізу перфузії та підвищення відтворюваності результатів у клінічній практиці.

МОДЕЛЮВАННЯ ЕЛЕКТРОФІЗІОЛОГІЧНИХ ЕФЕКТІВ ЛІКАРСЬКИХ ЗАСОБІВ НА ВІДДІЛИ СЕРЦЯ З ВИКОРИСТАННЯМ НЕЙРОННИХ МЕРЕЖ

Ілля Голубєв, Марина Сичик — чт, 18 гру 2025 00:00:00 +0200

Радіочастотна абляція (РЧА) є провідним мінімально інвазивним методом лікування серцевих аритмій, що базується на локальній деструкції патологічних ділянок провідної системи серця. Ефективність процедури значною мірою залежить від розуміння фармакологічних впливів на електрофізіологічні структури серця, оскільки під час інтраопераційних досліджень лікарські засоби застосовуються для провокації аритмій, оцінки функціонального стану провідності та перевірки результатів абляції. У даній роботі систематизовано дію основних фармакологічних агентів – аденозину, β-блокаторів, атропіну та ізопротеренолу – на синоатріальний вузол, атріовентрикулярний вузол, міокард передсердь і шлуночків, а також на пучок Гіса та периферичну провідну систему. Ці дані розглядаються як базові параметри для моделювання фармакологічних ефектів у нейронній мережі, розробленій у межах дослідження, що спрямована на прогнозування реакції серця на лікарські засоби під час РЧА. Створені узагальнені таблиці відображають ключові електрофізіологічні параметри, що змінюються під впливом цих препаратів, і можуть слугувати стандартизованою основою для подальшого математичного моделювання. Представлений підхід поєднує експериментальні та обчислювальні методи, створюючи основу для подальшої автоматизації аналізу електрофізіологічних процесів. У межах дослідження розроблено модуль симуляції ЕКГ, інтегрований із нейронною мережею, яка прогнозує реакції серця на фармакологічні агенти. Апробація моделі на клінічних даних засвідчила її здатність коректно відтворювати типові електрофізіологічні ефекти, зокрема зміни, індуковані атропіном та аденозином. Отримані результати демонструють потенціал застосування машинного навчання для підвищення точності аналізу та автоматизації оцінки ефективності РЧА, відкриваючи перспективи для вдосконалення інтраопераційної діагностики та планування лікування.

ВИКОРИСТАННЯ ТЕРМОГРАФІЇ ДЛЯ ОЦІНКИ СТАНУ КРОВООБІГУ ТА ЗАПАЛЕННЯ В КУКСІ: СУЧАСНИЙ СТАН, ДІАГНОСТИЧНІ МОЖЛИВОСТІ ТА ПЕРСПЕКТИВИ (ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ)

Владислав Шликов, Лариса Калашнікова, Олексій Лебедєв — чт, 18 гру 2025 00:00:00 +0200

У даній роботі розглядається можливість застосування систем інфрачервоної термографії високого дозволу в протезуванні з метою оцінки стану кровообігу та запалення в куксі. Термографія є неінвазивним методом візуалізації інфрачервоного випромінювання, який дозволяє оцінювати зміни поверхневої температури тіла. Іншими словами термографія – це графічний запис теплового випромінювання об’єкта. Термографія слугує допоміжним методом діагностики й повинна оцінюватися разом із клінічними, лабораторними та анамнестичними даними. Основними перевагами методу термографії вважають такі особливості як: повна безпечність, швидкість, висока точність, придатність для вагітних і дітей, оглядовість.

Даний систематичний огляд спрямований на оцінку клінічного застосування інфрачервона термографії (ІЧТ) в протезуванні, у якому особливу увагу приділено її потенціалу як неінвазивного, економічно ефективного та достовірного інструменту діагностики, моніторингу та лікування для покращення результатів лікування пацієнтів. Запалення в куксі характеризуються порушенням кровообігу, яке супроводжується змінами локальної температури тканин і порушеннями мікроциркуляції. Термографія, як високочутливий метод реєстрації інфрачервоного випромінювання, здатна виявляти мінімальні температурні коливання (до 0,1 °C) і тому є цінним інструментом для аналізу запальних процесів. На відміну від рентгенологічних методів або МРТ, термографія не супроводжується опроміненням, не потребує фізичного контакту й дозволяє оцінювати великі зони тіла одномоментно. Наприклад, у ревматології цей метод використовується для виявлення запальних процесів у суглобах і м’яких тканинах, аналізу мікроциркуляції та моніторингу ефективності лікування при різних захворюваннях. Огляд узагальнює сучасні дані щодо застосування термографії в протезуванні, а також під час системних захворюваннях сполучної тканини. Розглянуто переваги та обмеження методу термографії.

Метою даного огляду є аналіз сучасного стану застосування термографії в протезуванні під час ампутації та після неї, що допомагає хірургам визначити оптимальну лінію ампутації, перевірити життєздатність тканин, а також наділі контролювати загоєння та підготовку до протезування. В статті проаналізовано можливість застосування інфрачервоної термографії для виявлення ділянки з порушеним кровообігом чи інфекцією, системні захворювання сполучної тканини за змінами температури шкіри і м’яких тканинах.

Висновок: метод ІЧТ продемонстрував значний потенціал у якості неінвазивного інструменту діагностики, моніторингу та оцінки стану кровообігу та запалення в куксі. Хоча її ефективність змінювалася в залежності від життєздатності тканин, що залишаються після ампутації, ІЧТ дає можливість виявляти ознаки запалення (гіпертермія) або, навпаки, недостатнього кровопостачання (гіпотермія) у ранньому періоді після операції під час загоєння кукси. Під час довгострокового моніторингу формування кукси ІЧТ дає можливість виявляти проблемні ділянки, що потребують додаткового догляду або втручання, і підготовки до протезування. Однак, необхідні подальші дослідження для стандартизації протоколів і підтвердження клінічної достовірності ІЧТ.