Кафедра медичної радіофізики – Наукова робота

Наукова робота кафедри зосереджена на дослідженнях процесів взаємодії електромагнітного, зокрема лазерного, випромінювання з речовиною для розробки фізичних основ нових медичних технологій, пошуку нових методів реконструкції зображень у магніторезонансній томографії та ультразвуковій інтроскопії, комп’ютерної обробки медичних зображень. Кафедра виконувала бюджетні науково-дослідні роботи за тематичним планом університету «Фізичні принципи нових медичних технологій, що базуються на застосуванні радіофізичної інтроскопії, спектроскопії, лазерного випромінювання» (1996-2000 рр.) та «Розробка нових радіофізичних методів діагностики та лікування людей» (2001-2005 рр.), підрозділ загальнофакультетської комплексної теми «Розробка фізичних моделей для застосування радіофізичних методів у інформаційних системах медичного призначення» (2005-2009 рр.), «Фізичні та інформаційні процеси у конденсованому середовищі та біологічних системах з великою кількістю зв’язків» (з 2011 р.).

Інші розробки виконувались за державним замовленням: «Розроблення випромінювальної апаратури та термотерапевтичної технології лікування запалень та новоутворень передміхурової залози» (1996 р.), за проектом «Розробка та апробація інтегрованих методів діагностики процесів життєдіяльності клітин та внутрішніх органів на основі лазерної мас-спектрометрії, магніторезонансних та ультразвукових досліджень» (1995-1996 рр.), «Нова технологія та засоби ранньої діагностики захворювань щитовидної залози» (2003-2006 рр.), Державної науково-технічної програми пріоритетного напряму розвитку науки і техніки «Здоров’я людини», угодами про спільну діяльність з науковими установами, «Створення інтерактивного електронного підручника «Біологія для фізиків»» (2006-2008 рр.).

Оскільки використання фізичних та інформаційних технологій для потреб медицини вимагає залучення фахівців різних галузей, багато досліджень викладачами кафедри виконувались разом з НВП «Інтермаг» та в рамках розробок Інституту нейрохірургії ім. академ. А. П. Ромоданова. Серед них: «Створення системи інтегровної діагностики з застосуванням магніторезонансних, рентгенівських та однофотонних емісійних томографічних методів» (2003-2005 рр.), «Розробка сучасних інформаційних технологій та програмних засобів для скринінг-тестування здоров’я населення» (2003-2005 рр.), «Розробка технології та засобів координатного зв’язування системи стереотаксичного інструменту з засобами планування» (2004-2006 рр.), «Розробка та впровадження технології та засобів телерадіологічної консультативної та інформативної служби» (2004-2006 рр.), «Розроблення методики та технології внутрішньочерепної біопсії для функціональної нейрохірургії на основі інтроскопічних зображень різних типів» (2006-2007 рр.).

У 2003-2004 рр. доценти кафедри М. В. Кононов (науковий керівник проекту), О. О. Судаков, С. П. Радченко разом із фахівцями НВП «Інтермаг» та Наукового центру радіаційної медицини виконували проект за грантом УНТЦ «Застосування телемедичних технологій для моніторингу стану щитовидної залози різних груп пацієнтів, що постраждали внаслідок Чорнобильської катастрофи».

У перші роки роботи кафедри основні завдання наукових досліджень кафедри були зосереджені на проблемах ліквідації наслідків аварії на ЧАЕС. Під керівництвом М. К. Новосельця були розгорнуті дослідження захворювань щитовидної залози, зокрема її злоякісних новоутворень. Разом із співробітниками Наукового центру радіаційної медицини науковці кафедри (С. С. Саркісов – зараз проф. університету штату Алабама (США), В. А. Цубін, С. П. Радченко) зібрали унікальний банк комп’ютерних зображень щитовидної залози та базу клінічних ознак її захворювань.

Для впорядкування даних та зручної роботи з ультразвуковими обстеженнями були реалізовані програмні пакети, які використовуються у медичних установах (М. В. Кононов). Дослідження стохастичної текстури ультразвукових зображень щитовидної залози призвели до створення нової технології діагностики її патологічних станів, що була затверджена Міністерством охорони здоров’я України.

Пізніше створено модель формування стохастичної текстури паренхіматозних органів як фізичних систем з розподіленими параметрами зі зворотним нелінійним зв’язком (М. К. Новоселець) та спосіб визначення їх стану, який захищений патентом України (М. К. Новоселець, С. П. Радченко). Ця методика була розвинена А. В. Мисником із застосуванням штучних нейронних мереж. Застосування розробленої методики нелінійного ентропійного аналізу медичних даних за допомогою нейронних мереж продемонструвало високу діагностичну ефективність медико-біологічних досліджень.

Іншим напрямом фундаментальних досліджень є теорія штучних та природних нейронних мереж та розподілених систем. Зокрема, доц. А. О. Пінчук розробив оригінальну модель електрофізіологічної активності клітин. Проведено теоретичний аналіз та виконано математичне моделювання роботи пейсмейкерних клітин. Наведена теорія добре описує електрофізіологічну активність реальних клітин, пояснює появу та причини аритмії роботи пейсмейкерних клітин, що може бути використано для виявлення та класифікації порушень в їх діяльності.

Значна увага на кафедрі приділялась розвитку лазерних медичних технологій. Розроблено методику елементного та ізотопного аналізу елементів навколишнього середовища та організму людей і експериментальних тварин (Г. О. Зиков, М. К. Новоселець). За допомогою методу лазерної мас-спектрометрії встановлено, що постійне і тривале надходження до організму малих доз радіонукліду Cs-137 супроводжується накопиченням його в окремих структурах головного мозку, переважно в його корі. Рівень його накопичення залежить від тривалості терміну надходження радіонукліду до організму. Виявлено зменшення вмісту йоду у тканині пухлиноподібних і пухлинних вузлів щитовидної залози з одночасним збільшенням рівня хлору і фтору, що може бути одним з факторів патогенезу гіперпластичних захворювань. Підвищена концентрація деяких металів (Al, Mg, Sc, Co, Cu, Zn, As, Zr, Ba) в тканині доброякісних вузлів щитовидної залози нині не має чіткого пояснення і потребує подальшого вивчення. Застосування лазерного мас-спектрометричного методу аналізу речовини перспективне для визначення розподілу елементів у живому організмі, діагностики різних захворювань, контролю за ефективністю фармацевтичних препаратів при лікуванні.

Вивчення процесів взаємодії лазерного випромінювання з біологічними тканинами проводились П. А. Коротковим, В. І. Малим, А. І. Іванісіком, А. І. Писанським. Виконано експериментальні дослідження лінійного та нелінійного пропускання твердими біологічними тканинами випромінювання видимого діапазону з довжиною хвилі λ=0.6943 мкм (рубіновий лазер) та тривалістю імпульсу 20 нс у широкому інтервалі потужностей. Показано, що у вибраному режимі опромінення світлом видимого діапазону теплове навантаження не загрожує прилеглим м’яким тканинам, оскільки незворотні зміни в них можуть виникнути при нагріванні на Δt>50 с. Встановлено, що для імпульсів випромінювання тривалістю 20 нс (I≤28 ГВт/см2) у видимому спектральному діапазоні основним механізмом зменшення пропускання світла кістковими тканинами є утворення плазмового ерозійного факела на їх поверхні. Розроблено оптичний спектро-хімічний аналізатор для локального експрес-аналізу біопроб. Розроблено надшвидкісні інтерференційні методики діагностики лазерної плазми з часовою роздільною здатністю 10 нс. З’ясовано кількісні характеристики щодо ефективності очищення зубної емалі під дією лазерних імпульсів. Запропоновано метод диференціального відбиття (зворотного розсіювання) для визначення рівня коагульованості тканин.

Виконувались дослідження нелінійних явищ в оптиці (А. І. Іванісік) з метою їх використання для вивчення властивостей біологічних об’єктів. Отримано суттєво нові експериментальні результати відносно проявів асиметрії ВКР, проведено теоретичні обрахунки відомого, як експериментальний факт, ефекту насичення стоксової компоненти вимушеного комбінаційного розсіяння світла, проведені розрахунки додаткової затримки фази, миттєвої частоти та спектрів для імпульсів наносекундної тривалості, що пройшли через керрівську рідину.

М. К. Новосельцем, М. В. Кононовим, І. В. Палій розроблено модель перебігу теплових процесів у тканинах мозку під дією лазерного випромінювання теплового рівня впливу. Модель і програмні засоби на її основі призначені для розрахунку теплових карт впливу (розподілу температур) при різній конфігурації розсіювачів, різних характеристиках тканин, часових параметрах опромінення, що дозволяє використовувати їх для планування процесу лазерної термодеструкції локальних уражень (пухлин) головного мозку.

Показано достатність зони впливу для лазерної термодеструкції вказаного типу уражень (до 1см при потужності випромінювання 2-6 Вт і часі впливу 10-20 с). Разом з Інститутом нейрохірургії АМН України (акад. Ю. П. Зозуля, проф. В. Д. Розуменко) створено технологію лікування локальних уражень головного мозку, а у співдружності з НВП «Інтермаг» (В.І.Рудиця) та Інститутом фізики НАН України (Г. А. Галич) – програмно-технічні засоби для її забезпечення. Побудовано також модель термотерапії під дією високочастотного електромагнітного випромінювання (М. В. Кононов, М. К. Новоселець), що перспективна для комп’ютерного планування лікування запалень та новоутворень передміхурової залози.

Проф. В. Л. Сігалом та асп. В. М. Бідненком побудовано теорію фізичних процесів, які відбуваються при фотодинамічній терапії, що поєднує мікро- та макрохарактеристики середовища. Показано, що фотодинамічна дія, опосередкована взаємодією молекул фотосенсибілізаторів з киснем, призводить до появи в пухлині тонкого деструктуйованого шару, товщиною приблизно 1мм, який відіграє важливу роль у руйнуванні пухлини.

Під керівництвом П. А. Короткова розроблено принципи оптимізації параметрів КР-лідара для визначення якості атмосфери довкілля. Зокрема, теоретично та експериментально досліджено відносну частотну залежність взаємного ходу вихідної з середовища інтенсивності ліній комбінаційного розсіяння світла та коефіцієнта поглинання речовини в газовій фазі. Встановлено, що робочі частоти збудження спектрів КР при проведенні лідарної діагностики атмосфери треба брати такими, щоб вони знаходились на крилах смуг поглинання полютантів, які визначаються.

Проаналізовано методику отримання інформації з мінімальною похибкою. Показано, що при імпульсному збудженні спектрів КР найефективнішими є фотоелектронні системи, які дозволяють здійснювати підрахунок фотонів у режимі стробування сигналу (ПФС) і синхронного накопичення заряду (СНЗ) фотоелектронних імпульсів ФЕП.

Серед прикладних розробок застосування оптичного випромінювання в медичних технологіях, що розвиваються під керівництвом П. А. Короткова, слід відзначити створення алгоритму діагностики контрастової чутливості зорової системи в офтальмології, спектрофотометричної методики визначення кольоростійкості зубних протезів.

Важливе значення на кафедрі приділяється розробці нових методів та алгоритмів радіофізичної інтроскопії із застосуванням магніторезонансних, променевих та ультразвукових систем. М. К. Новосельцем та О. О. Судаковим розроблено модель магніторезонансної реконструкції в нестаціонарних неоднорідних магнітних полях. Проаналізовано можливості прискореної оптимальної реконструкції для різних фазових траєкторій у двовимірному та тривимірному k-просторі. Запропоновано новий алгоритм реконструкції, що дозволяє в ході магніторезонансного експерименту одночасно знаходити просторовий розподіл протонної густини та часів спін-спінової релаксації, скорочувати час діагностичного дослідження. Показано, що реконструйовані зображення мають підвищену роздільну здатність за рахунок відсутності релаксаційного розширення спектральних ліній.

М. К. Новоселець та С. П. Радченко розробили метод поліхромної реконструкції медичних інтроскопічних зображень. Апробовано його застосування для візуалізації в магніторезонансній томографії та ультразвуковій інтроскопії. Метод продемонстрував високу діагностичну ефективність завдяки відображенню додаткової інформації про фізичні параметри досліджуваних тканин. О. О. Судаковим та М. В. Кононовим запропоновано метод надрозрізнення тривимірного розподілу ядерних спінів, промодульваного двовимірним розподілом функції часів спін-спінової та спін-граткової релаксації. А. В. Нетреба розробив новий метод реконструкції для комп’ютерної томографії, що дозволяє підвищити якість зашумлених зображень у рентгенівських, позитронних та емісійних томографічних системах. Для клінічної практики розроблено програмні засоби сегментації медичних зображень, автоматизованого визначення об’єму пухлин та інших виділених зон, визначення кількісних параметрів зображень (М. В. Кононов, О. О. Судаков).

Новим напрямом досліджень стала розробка фізичних моделей для інтерпретації статистичних властивостей відгуку біологічних середовищ, що становлять суттєву проблему в теорії і практичному застосуванні ЯМР томографії і УЗ інтроскопії. На основі моделі м’яких біологічних тканин як набору частинок, фізичні параметри яких змінюються випадковим чином, розроблено (С. П. Радченко, аспірантки З. М. Скрипаченко і Г. В. Айдоян) методику визначення характеристик середовища при зондуванні та розпізнавання патологічних станів тканин. Розроблено методику ранньої діагностики захворювань щитоподібної залози, яка у складі програмно-технічного комплексу для аналізу та обробки первинної діагностичної інформації встановлена для дослідної експлуатації у відділі радіоіндукованої загальної та ендокринної патології Інституту клінічної радіології Наукового центру радіаційної медицини АМН України. Програмно-технічний комплекс дозволяє підвищити діагностичні можливості ультразвукових досліджень шляхом отримання кількісних характеристик тканин щитоподібної залози, тобто забезпечує виявлення та розпізнавання виду патології, що дозволяє застосовувати його для ранньої діагностики патологічних процесів у тканинах щитоподібної залози.

Ще одним важливим напрямом є моделювання молекулярних структур. Зокрема, реалізовано програмні засоби для оптимізації процесу комп’ютерної розробки лікарських препаратів, спільно з Інститутом молекулярної біології та генетики НАН України розроблено методику оцінки параметрів ЯМР релаксометрії за результатами моделювання молекулярної динаміки, методами квантової хімії та молекулярної динаміки проведено дослідження ряду білогічно-активних сполук, білків, нуклеїнових кислот.

Розробка нових інформаційних технологій та програмних засобів є одним з пріоритетних напрямів наукової роботи кафедри з часу її заснування. На основі результатів наукових досліджень (М. К. Новоселець, М. В. Кононов, С. П. Радченко, О. О. Судаков) під керівництвом М. К. Новосельця та М. В. Кононова у співдружності з НВП «Інтермаг» було розроблено програмно-технічні комплекси («Тиреоскан», «Нейроплан», «Телемаг»), що демонструвались на міжнародних виставках «Інтергоспіталь-97», «Інтергоспіталь-98» у м. Гановер, Німеччина.

Розроблено алгоритм комп’ютерного моделювання хірургічних втручань при лікуванні захворювань головного мозку, що дозволяє засобами нейронавігації вибрати оптимальну траєкторію проникнення спеціального інструменту до зони оперативного впливу, забезпечити настроювання хірургічної системи. За даними магніторезонансного сканування конкретного пацієнта, оригінальними алгоритмами та засобами нейронавігації забезпечується точність наведення інструменту до внутрішніх структур мозку не гірше 1-2 мм. Для термодеструкції внутрішньомозкових пухлин ці засоби дозволяють проводити моделювання процесу термодеструкції з урахуванням характеристик лазерного дифузора, теплофізичних властивостей мозкових тканин, кровотоку. Було розроблено програмні засоби для роботи в галузі комп’ютерної та магніторезонансної томографії (М. В. Кононов, О. О. Судаков), які використовуються у клінічних умовах.

За ініціативою кафедри в Україні розгорнуто розробки телемедичних технологій та засобів їх забезпечення. Разом з НВП «Інтермаг» за фінансової підтримки Йельського Університету (США) створено Інформаційний центр телемедицини, розроблено оригінальні програмно-технічні засоби телемедичної допомоги, інформаційного забезпечення для інтегрованої діагностики в радіології. Активно досліджуються методи оптимізації накопичення, класифікації та передачі даних для потреб телемедицини (М. В. Кононов, О. О. Судаков).

За час існування на кафедрі медичної радіофізики захищено 1 докторську дисертацію (Г. С. Фелінський) та 5 кандидатських дисертацій (С. П. Радченко, О. О. Судаков, А. В. Нетреба, А. В. Мисник, Б. Б. Сусь). Дві кандидатські дисертації (С. М. Гальченко, О. В. Закорчений) підготовлені до захисту.

Видавнича діяльність кафедри:

  1. Григорук В.І., Коротков П.А., Хижняк А.І. Лазерна фізика. перше видання. – К.:, МП «Леся», 1997. – 478 с. (друге видання – К.: МП «Леся», 1999. – 528 с.).
  2. Коротков П.А., Новоселець М.К., Сигаловський Д.Ю. Радіаційна безпека життєдіяльності. Житомир, «ІТІ», 2002. – 309 с.
  3. Кононов М.В., Новоселець М.К., Судаков О.О. Телемедицина. – К.:, ВПЦ »Київський університет», 2003. – 178 с.
  4. Коротков П.А. Вступ до загальної екології. ВПЦ «Київський університет». – 2003. – 133 с.
  5. Іванісік А.І., Коротков П.А. Сучасні фотоприймачі слабких оптичних сигналів. – К.: ВПЦ »Київський університет», 2003. – 133 с.
  6. Григорук В.І., Іванісік А.І., Коротков П.А. Експериментальна лазерна фізика. – К.: «Віпол», 2004. – 300 с.
  7. Григорук В.І., Коротков П.А. Сучасний термінологічний словник з радіофізики. – К.: «Віпол», 2006. – 612 с.
  8. Григорук В.І., Іванісік А.І., Коротков П.А. «Експериментальна лазерна оптика» (підручник). – К.: ВПЦ «Київський університет», 2007. – 383 с.
  9. Григорук В.І., Коротков П.А., Фелінський Г.С. «Нелінійні й лазерні процеси в оптичних волокнах» (підручник). – К., ВПЦ, «Київський університет», 2008. – 576 с.
  10. Григорук В.І., Коротков П.А., Короткова Т.П. «Основи безпеки життєдіяльності людини» (навчальний посібник). – К., ВПЦ, «Київський університет», 2011. – 276 с.
  11. Григорук В.І., Коротков П.А. «Сучасний термінологічний словник з оптоелектроніки» видавництво «Либідь». – 2011. – 589 с.