Исследования
Комплекс виртуальных открытых хирургических операций
Исполнители: Кугуракова В.В., Султанова Р., Хафизов М.Р., Шараева Р.
Научный консультант: к.ф.-м.н. Цивильский И.В.
Аспиранты: Шигапов М.
Актуальность: Хирургическое обучение – это комплексная интеграция медицинских и анатомических знаний в сочетании с моторной функцией. Для обучения моторным навыкам, применяется трехэтапная методика (когнитивная, интегративная, автономная). Получение опыта в этих видах деятельности напрямую связаны со временем, затраченным на обучение практическим навыкам. Во время хирургической подготовки возможности самостоятельной тренировки крайне редки. Поэтому большинство хирургических учебных программ используют различные инструменты для облегчения процесса обучения этих методов, включая модели, живых животных, и человеческие трупы, чтобы имитировать человеческую ткань и анатомию, а также симуляторы и компьютерные программы. Человеческие трупы и животные наиболее приближены к реальности, однако, являются дорогостоящим и ограниченным ресурсом. Поэтому в странах, с высоким уровнем оказания медицинской помощи, применяют симуляционные обучающие технологии.
Цель проекта: Создание инновационной методики обучения хирургическим навыкам с использованием технологии виртуальной реальности, технологии фиксации движения рук, с получением обратной связи, в формате высокореалистичного геймифицированного 3D тренажера.
Направления работы:
Задачи:
Текущие результаты: Разработан фреймворк для манипуляций со структурой полигональной сетки, обеспечивающий реалистичную имитацию мягких тканей человеческого организма.
Ближайшие планы:
Аппаратно-программные комплексы для реабилитации неврологических пациентов
Исполнители: Кугуракова В.В., Селезнёва Н.Э.
Магистры: Манахов Н.Р., Бакиров А.
Актуальность: Церебральный инсульт является одной из основных причин инвалидизации. Существующие методы восстановления недостаточно эффективны, что делает актуальным дальнейшие поиски путей оптимизации восстановительной терапии. Исходами инсульта помимо двигательного дефицита являются когнитивные нарушения. Применение дополненной или виртуальной реальности мало изучены, но первичные исследования показывают, что их применение может значительно помочь пациентам. Более того, нарушения баланса и вестибулярные нарушения также являются частыми последствиями инсульта. Коррекция нарушений равновесия является важной частью реабилитации постинсультных пациентов, что, безусловно, способствует восстановлению двигательной функции. По большей части всё зависит от пациента. Введение игровых и соревновательных элементов могут так же сделать реабилитацию интересной и не скучной, что будет мотивировать пациентов на выполнение задач.
Цель проекта: Используя устройства Microsoft Kinect (One и 360), создать несколько реабилитационных игр, направленных на решение нескольких задач:
Основным направлением разрабатываемых игр является постинсультная реабилитация.
Направления работы: Выбор концепций:
Задачи: Только комплексный подход к проведению реабилитации постинсультных больных с учетом коррекции когнитивно-эмоциональных нарушений позволяет достичь лучших результатов в возвращении пациентов к полноценной жизни и дает им возможность не воспринимать инсульт как приговор.
Результаты: Разработано 5 реабилитационных игр.
Планы:
- Тестирование на статистически обоснованном объёме пациентов.
- Адаптация подходов для спортивной медицины.
Комплексы обучения биотехнологическим основам
Исполнители: Кугуракова В.В., Абрамов В.Д., Лушников А.Ю., Евстафьев М.Е., Абрамский М.М.
Магистры: Манахов Н.Р.
Научный консультант: проф. Ризванов А.А.
Актуальность: Симулятор виртуальных биотехнологических лабораторий является комплексным методом обучения студентов. Благодаря интерактивному подходу увеличивается погружение в процесс обучения, а также происходит получение важного "долабораторного опыта". С помощью систем виртуальной и дополненной реальности обучающийся сможет приобрести мышечную память, что впоследствии даст ему возможность без труда пользоваться реальным лабораторным оборудованием. В разработанном симуляторе студент может изучить основные методы анализа, применяемые в сфере биотехнологий.
Цель проекта: Создание нового подхода к подготовке специалистов биотехнологической направленности. Ускорение процесса обучения, подача материалов интерактивно, выработка мышечной памяти, сокращение расходов учебного заведения, персонифицированные подход к студенту, возможность поработать с дорогим и редким оборудованием.
Направления работы:
Задачи: Провести сбор статистики с обучающихся для обоснования гипотезы эффективности использования виртуальных лабораторий в процессе обучения.
Результаты: Разработан первый демонстрационный прототип, в котором студенту предстоит обучится методу проведения иммуноферментного анализа на пример выявления шанса заболевание системной красной волчанкой. Разработан визуальный (node-based) редактор для быстрого создания конкретных виртуальных симуляторов.
Планы: Создание комплекса виртуальных симуляторов, в которых студенту предстоит обучиться основным методам анализов, применяемых в биотехнологических лабораториях.
Cимуляция динамики растущего мозга на игровых и физических движках
с масштабированием в облако
Исполнители: Кугуракова В.В., Абрамов В.Д.
Научный консультант: Таланов М.О., к.т.н.
Актуальность: Компьютерное моделирование служит очень мощным инструментом для моделирования и помогает понять динамику в рамках сложных биологических систем. Оно позволяет разработку моделей, гипотез, проведение вычислительных экспериментов. Этот проект назван BioDynaMo, локальной задачей нашей группы в рамках этого проекта является визуализация симуляции динамики растущего мозга как на открытых, так и на доступных бесплатных игровых и физических движках.
В Консорциум по развитию этого проекта входят:
Цель проекта:
Проект BioDynaMo направлен на разработку общей платформы для компьютерного моделирования динамики биологических тканей, таких как развитие мозга. Так как эти научные исследования требуют обширных компьютерных ресурсов, эта платформа должна быть исполняемой на гибридных облачных вычислительных системах, что требует для эффективного использования самых современных вычислительных технологий.
Задачи:
- Анализ реализуемости симуляции динамики растущего мозга на игровых и физических движках.
- Визуализация динамики растущего мозга на открытых игровых движках.
- Масштабирование в гибридные облачные вычислительные системы.
Исполнители: Кугуракова В.В., Ржанова И.В.
Научный консультант: Таланов М.О., к.т.н.
Студенты: Комаров В., Пудов А., Игтисамов Т.
Актуальность: Мозг представляет собой сложнейший объект исследования, состоящий из миллиардов клеток, одним из типов клеток мозга являются нейроны, которые генерируют и передают электрические импульсы и способны образовывать сети посредством контактов, именуемых синапсами. Существуют и другие типы клеток в мозге, – например, глиальные клетки, которые выполняют такие важные дополнительные функции, как питание нейронов, поддержка гомеостаза, модулирование процессов передачи сигнала и др. Существующие экспериментальные методы исследования активности нейронных сетей мозга, направленные на изучение принципиально сетевых эффектов, во-первых, обладают рядом технических ограничений, связанных со сложностью объекта исследования, а во-вторых, являются крайне дорогостоящими. Для преодоления данного препятствия широко применяется подход, связанный с математическим и компьютерным моделированием изучаемых процессов. Моделирование подобных систем, сложных по топологии внутренних связей и состоящих из большого количества элементов, с помощью современных персональных компьютеров представляет серьёзную проблему, ввиду большой вычислительной нагрузки, требуемой для расчёта получаемых моделей. Однако использование суперкомпьютерных технологий и параллельных вычислений устраняет эту преграду и позволяет применять большее многообразие методов моделирования.
Цель работы: Целью проекта является исследование фундаментальных механизмов, лежащих в основе структурной организации сетей нейрональных клеток мозга и изучение влияния морфологии клеточной сети на динамические процессы передачи информационных сигналов.
Задачи:
- Реализация и валидация реалистичных натриевых и калиевых токов.
- Реализация на NEST моделей нейронов и исследование параметров для их нейробиологического соответствия.
- Проектирование реалистичных структур гиппокампа на базе нейробиологического симулятора NEST.
- Исследование изменения роли медиатора GABA в растущем гиппокампе.
- Разработка и реализация модели возникновения и деградации синаптических контактов между нейронами виртуальных сетей.
- Нейроморфная архитектура сети биоэлектрической активности.
- Паралелльное вычисление на вычислительном кластере.
Исполнители: Кугуракова В.В., Dr. Omar Correa Madrigal
Студенты: над проектом работает кубинская группа под руководством Dr. Omar Correa Madrigal
Актуальность: Интенсивное использование томографов стимулировало развитие трехмерной цифровой медицины. Однако, эффективность применения новых технологий диагностики и лечения зависит сегодня уже не только от возможностей медицинского оборудования, но и от организации обработки генерируемых огромных потоков данных.
Цель работы: Разработка архитектуры аппаратно-программного комплекса для трёхмерного моделирования анатомических структур, функций органов и тканей человека по данным медицинских изображений, функциональных и лабораторных исследований для диагностики, планирования и контроля хирургического лечения.
