Наукова робота кафедри зосереджена на вивченні процесів взаємодії електромагнітного, зокрема лазерного, випромінювання з речовиною для розробки фізичних основ нових медичних технологій, пошуку нових методів реконструкції зображень в магнітно-резонансній томографії та ультразвуковій інтроскопії, комп’ютерній обробці медичних зображень. Кафедра виконувала бюджетні науково-дослідні роботи за тематичним планом університету “Фізичні основи нових медичних технологій, заснованих на використанні радіофізичної інтроскопії, спектроскопії, лазерного випромінювання” (1996-2000 рр.) та “Розробка нових радіофізичних методів діагностики та лікування людини” (2001-2005 рр.), підрозділ загальнофакультетської комплексної теми “Розробка фізичних моделей застосування радіофізичних методів в медичних інформаційних системах” (2005-2009 рр.), “Фізичні та інформаційні процеси в конденсованих середовищах” (2005-2009 рр.).
У перші роки роботи кафедри основні завдання наукових досліджень 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).
Іншим напрямом фундаментальних досліджень є теорія штучних та природних нейронних мереж та розподілених систем. 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). 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. 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.
М. К. Новосельцем, М. В. Кононовим, І. В. Палій розроблено модель перебігу теплових процесів в тканинах мозку під дією лазерного випромінювання теплового рівня впливу. Модель і програмні засоби дозволяють використовувати їх для планування процесу лазерної термодеструкції локальних уражень (пухлин) головного мозку.
Показано достатність зони впливу для лазерної термодеструкції вказаного типу уражень. 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.
Серед прикладних розробок застосування оптичного випромінювання в медичних технологіях, (П. А. Коротков), 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.
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. Розроблено методику визначення характеристик середовища при зондуванні та розпізнавання патологічних станів тканин (С. П. Радченко, аспірантки З. М. Скрипаченко і Г. В. Айдоян). 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 .
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 .
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) 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. 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 (О. О. Судаков).
За час існування на кафедрі медичної радіофізики захищено 2 докторські дисертації (Г. С. Фелінський та Іванісік А.І.) та 5 кандидатських дисертацій (С. П. Радченко, О. О. Судаков, А. В. Нетреба, А. В. Мисник, Б. Б. Сусь); дві дисертації на здобуття наукового ступеня доктора філософії (В. Гайдар, А. Даник). Дві кандидатські дисертації (С. М. Гальченко, О. В. Закорчений) підготовлені до захисту.
Іванісіком А.І. розроблено комплексне використання методів реєстрації частотно-кутових, просторово-кутових, частотно-просторових спектрів та вирішена проблема експериментальних досліджень динаміки нелінійно-оптичних процесів у керівських середовищах. Вперше отримано експериментальні дані з часовою роздільністю та здійснено теоретичний опис асиметрії індикатриси стоксової компоненти ВКР під впливом стокс-антистоксових параметричних процесів. Експериментально та теоретично показано можливість використання самофокусуючих органічних рідин для створення високоефективних перетворювачів лазерного випромінювання на основі ВКР.
Кафедра здійснює впровадження міждисциплінарних компонентів, зокрема основ біологічної, біофізичної та медичної хімії, біоелектрохімії тощо (Гріщенко Л.М.) та проводяться дослідження в галузі плазмової медицини та плазмохімії (Веремій Ю.П.). Зокрема роботи по дослідженню взаємодіії низькотемпературної хімічно активної плазми атмосферного тиску з біологічними обʼєктами проводиться у співпраці з науковцями кафедри фізичної електроніки (ФРЕКС, КНУ), кафедри біології рослин (ННЦ “Інститут біології та медицини”, КНУ) та Інституту еволюційної екологіії НАН України. До проведення наукових досліджень постійно залучаються студенти у рамках виконання ними дипломних робіт.
З 1996 року кафедра займалась методами відновлення структрури та функцій біологічних систем на різних рівнях за допомогою магнітного резонансу, з 1999 року – методами побудови рентгненівських томографічних зображень, методами зменшення дозового навантаження при ренненівськтих дослідженнях. З 2001 р. на кафедра розробляє та застосовує обчислювальний кластер та грід-ресурси Інформаційно-обчислювального центру університету [http://cluster.univ.kiev.ua/] в рамках спільних проектів з Технічним центром НАН України [https://nll.biomed.kiev.ua/contacts] Інститутом молекулярної біології і генетики НАН України, Інcтитутом фізіології НАН України, компанією Енамін, яка працює у галузі фармакології, компанією Squad, яка працює у галузі інформаційних технологій; Інститутом інноваційної мікроелектроніки м. Франкфурт (Одер), Німеччина; дослідницьким центром м. Юліх (Німеччина); технічним університетом м. Берлін (Німеччина); Інститутом Вейєрштраса з прикладної статистики і стохастики (Німеччина); Європейським центром ядерних досліджень; Інститутом онкології АМН України.
Судаков О.О. є одним з розробників обчислювального кластера та грід ресурсів ІОЦ Київського національного університету імені Тараса Шевченка та деяких ресурсів Української грід-інфраструктури; автором і розробником унікальних програмних засобів моделювання великих зв’язаних динамічних мереж, таких як біологічні нейромережі, за допомогою гетерогенних засобів розпаралелювання (графічні акселератори, мультироцесори, мережі робочих станцій, кластери, грід), є співавтором відкриття і дослідження стаціонарних станів з хаосом і когерентністю у тривимірних зв’язаних динамічних мережах [https://nll.biomed.kiev.ua/publications]. Окрім цього спільно з аспіранткою В. Гайдар (здобула ступінь доктора філософії у 2021 р) розроблена методика детектування та прогнозування епілептичних нападів. Спільно з аспірантом А. Даником (здобув ступінь доктора філософії у 2021 р) розроблена технологія безрастрової компенсації розсіяного випромінювання у рентгенівській діаностиці.
Судаков О.О.є співавтором методів оптимізації, накопичення, класифікації та передачі даних для потреб телемедицини (спільно з М. В. Кононовом), є співавтором програмних засобів для роботи в галузі комп’ютерної та магніторезонансної томографії (спільно з М. В. Кононовим), розробив модель магніторезонансної реконструкції в нестаціонарних неоднорідних магнітних полях для прискореної оптимальної реконструкції двовимірних та тривимірних зображень (під керівництвом М.Новосельця).
Афанасьєва Т.В. є рецензентом у журналах Nature Communication та Surface Topography: Metrology and Properties, учасником міжнародного проекту INTAS (grant No 97-31061);
учасником стипендіальної програми – IHP Fellowship Program in the Institute for Semiconductor Physics, Frankfurt (Oder), Germany.