Дисертації (ЕІ)
Постійне посилання зібрання
У зібранні розміщено дисертації, які захищені працівниками кафедри.
Переглянути
Нові надходження
Документ Відкритий доступ Моделювання та аналіз позаклітинних потенціалів серцевих клітин(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Шпотак, Михайло Олександрович; Іванушкіна, Наталія ГеоргіївнаШпотак М. О. Моделювання та аналіз позаклітинних потенціалів серцевих клітин. ⸻ Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 153 «Мікро- та наносистемна техніка». ⸻ Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського», МОН України, Київ, 2024. Дисертація присвячена розробці та дослідженню методів моделювання та обробки сигналів електричної активності серцевих клітин та спрямована на вдосконалення методичного та алгоритмічного забезпечення мікроелектродних систем. Основною задачею дисертаційного дослідження є розробка методу реконструкції потенціалів дії з позаклітинних потенціалів серцевих клітин для оцінювання кардіотоксичності лікарських препаратів на основі аналізу характеристик сигналів електричної активності кардіоміоцитів. Дослідження обумовлене потребою в одночасному записі та аналізі позаклітинних потенціалів та потенціалів дії серцевих клітин в мікроелектродних системах. Математична реконструкція є альтернативою інвазивним рішенням, що можуть пошкодити клітини, та дозволяє розширити інформаційно-алгоритмічне забезпечення мікроелектродних систем для оцінювання кардіотоксичності препаратів. У першому розділі проведено огляд наукових джерел стосовно дослідження електрофізіології кардіоміоцитів та оцінювання кардіотоксичності за допомогою сучасних технологій. Було встановлено, що метод локальної фіксації потенціалу клітинної мембрани (patch-clamp) є золотим стандартом для дослідження впливу препаратів на клітини. Проте, його використання може бути неоптимальним у разі тривалих досліджень та потреби у високій пропускній здатності. Системи з мікроелектродними решітками, хоча і простіші у використанні та мають високу пропускну здатність, але теж не позбавлені обмежень. По-перше, записи позаклітинних потенціалів в системах з мікроелектродними решітками є низькоамплітудними (мкВ) та змішуються з шумом від різних джерел. Це робить необхідним процес видалення шуму, який може включати в себе використання фільтрів для видалення небажаних частот, а також використання статистичних методів для ідентифікації та видалення аномальних значень. По-друге, нездатність систем з мікроелектродними решітками записувати потенціали дії клітин без значних модифікацій пристрою обмежує можливості для досліджень клітин серця, а модифіковані системи, які здатні записувати локальні потенціали дії, мають свої проблеми. Системи, що обладнані лазером для оптопорації, можуть викликати фототоксичність, а системи, що використовують електропорацію, можуть пошкодити клітину внаслідок інтенсивної стимуляція. Обидва методи вимагають додаткових модифікацій системи, що збільшує технологічну складність приладу та підвищує його вартість. Також було обґрунтовано, що математична реконструкція потенціалів дії з позаклітинних потенціалів може бути використана як безпечна альтернатива, яка дозволяє отримувати інформацію про потенціали дії без фізичного втручання в клітинну структуру, що може сприяти більш точній оцінці ризику кардіотоксичності. Таким чином, основними напрямками розвитку методичного та алгоритмічного забезпечення мікроелектродних систем для оцінювання кардіотоксичності лікарських препаратів є вдосконалення стандартних та створення нових методів обробки та моделювання сигналів електричної активності серцевих клітин. У другому розділі проведено огляд математичних моделей потенціалів дії та підходів до отримання позаклітинних потенціалів. Сучасні високодеталізовані моделі клітин намагаються враховувати всі іонні канали, транспортери та динаміку іонних концентрацій, що дозволяє отримати реалістичні симуляції потенціалів дії та біоелектричних процесів. З метою полегшення процесу ідентифікації параметрів та спрощення розрахунків для моделювання електричної активності великої популяції клітин було проведено роботу над вдосконаленням моделі паралельних провідностей із струмами K, Na і Ca. Струми високодеталізованої моделі електричної активності синоатріального вузла людини було об’єднано у групи трьох загальних струмів. Параметри вдосконаленої моделі були підібрані таким чином, щоб морфології її струмів відповідали узагальненим струмам високодеталізованої моделі. В результаті, була отримана модель, яка має значно менше диференціальних рівнянь та параметрів, але здатна симулювати потенціали дії з морфологією, наближеною до високодеталізованої моделі. Доповнення моделі паралельних провідностей рівняннями позаклітинних потенціалів на основі теорії поля дало змогу отримати бідоменну модель, а використання бідоменного підходу дозволило моделювати позаклітинні потенціали синоатріальних серцевих клітин людини. У третьому розділі розроблено методику реконструкції потенціалів дії N серцевих клітин з їхніх позаклітинних потенціалів для систем з багатьма електродами. Ця методика була адаптована для різних випадків, включаючи синхронні та асинхронні потенціали дії, однакові та різні потенціали дії, а також групи клітин з синхронними та однаковими потенціалами дії. Для N клітин з різними потенціалами дії було розроблено підхід, який дозволяє проводити реконструкцію з N+1 позаклітинних потенціалів. Цей підхід передбачає, що потенціали дії можуть бути синхронними або асинхронними, а також однаковими або різними. Для випадку з N клітинами з синхронними та однаковими потенціалами дії, було розроблено підхід реконструкції усередненого потенціалу дії з будь-яких 2-х з N+1 позаклітинних потенціалів. Також було розглянуто сценарій, коли потенціали дії є однаковими, але асинхронними. В цьому випадку, реконструйований усереднений потенціал дії матиме порушену морфологію, тому необхідно реконструювати N потенціалів дії окремо, використовуючи N+1 позаклітинних потенціалів. Аналогічна проблема присутня і для синхронних, але різних потенціалів дії. Щоб вирішити проблему, коли кількість клітин перевищує кількість електродів, було розроблено підхід з поділом клітин на групи, в яких потенціали дії вважаються синхронними та однаковими. Таким чином, для реконструкції потенціалів дії N клітин, об’єднаних в M груп, достатньо мати M+1 позаклітинних потенціалів. Описано методику визначення синхронності потенціалів дії на основі методу реконструкції потенціалів дії для багатьох клітин. Розв’язано задачу ідентифікації відстаней між клітинами та електродами на основі запропонованого бідоменного підходу та геометрії мікроелектродних решіток. Отримано аналітичний розв’язок для визначення відстаней від електродів до клітини в 1-вимірному та 2-вимірному випадках для реалізації методу реконструкції потенціалів дії з позаклітинних потенціалів в системах з мікроелектродними решітками. У четвертому розділі проведено порівняльний аналіз різних методів знешумлення позаклітинних потенціалів, включаючи вейвлет перетворення, метод власних підпросторів та комплексний метод знешумлення. Дослідження виявило, що підхід з комплексним методом показав найкращі результати. Було проаналізовано ризик кардіотоксичності лікарських препаратів, використовуючи реконструйовані потенціали дії. Запропоновано підхід розширення набору даних для машинного навчання і проведено класифікацію позаклітинних потенціалів за групами ризику кардіотоксичності та концентраціями препарату використовуючи метод k-найближчих сусідів. Оцінено ефективність параметрів, що використовуються для класифікації, і виявлено, що додаткові параметри, отримані з реконструйованих потенціалів дії, можуть підвищувати точність класифікації. Наукова новизна отриманих результатів: 1. На основі теорії поля та схемотехнічної моделі клітинної мембрани розроблено метод реконструкції потенціалів дії серцевих клітин з позаклітинних потенціалів, що дозволяє визначати додаткові характеристики електричної активності кардіоміоцитів для оцінювання кардіотоксичності лікарських препаратів в мікроелектродних системах. 2. Розроблено методику визначення синхронних та асинхронних потенціалів дії популяцій клітин для систем з багатьма електродами, особливістю якої є використання позаклітинних потенціалів з різних електродів для перевірки синхронності електричної активності кардіоміоцитів. 3. Вдосконалено модель паралельних провідностей серцевих клітин синоатріального вузла людини шляхом узагальнення основних іонних струмів, що скорочує кількість параметрів моделі, але зберігає складність морфології основних фаз потенціалу дії та автоматизм в генерації ПД. Практичне значення отриманих результатів: 1. На основі запропонованого методу реконструкції розроблено програмне забезпечення, що дозволяє відновлювати потенціали дії кардіоміоцитів з позаклітинних потенціалів, записаних мікроелектродними системами у відповідності з параметрами модельного або лабораторного експерименту. 2. Запропонований метод аналізу та обробки позаклітинних потенціалів дає змогу підвищити відношення амплітуди сигналу до шуму та проводити оцінку ризику кардіотоксичності препаратів в мікроелектродних системах. 3. Вдосконалена модель паралельних провідностей серцевих клітин синоатріального вузла людини на основі загальних струмів K, Na та Ca дозволяє за рахунок зменшення кількості диференціальних рівнянь спростити процес ідентифікації параметрів та моделювання електричної активності популяцій клітин для досліджень з реконструкції потенціалів дії в мікроелектродних системах. 4. Вдосконалено алгоритм класифікації позаклітинних потенціалів за групами ризику кардіотоксичності та концентраціями препарату, який дозволяє розширювати набір даних для машинного навчання за допомогою використання ознак реконструйованих потенціалів дії. 5. Розроблено комплекс програм обробки, аналізу та класифікації сигналів електричної активності кардіоміоцитів, що розширює інформаційно-алгоритмічне забезпечення мікроелектродних систем для автоматизованого оцінювання кардіотоксичності серцевих препаратів.Документ Відкритий доступ Метод моделювання імпульсних та частотних характеристик ІІІ-нітридів(2021) Куліков, Костянтин Вячеславович; Москалюк, Володимир ОлександровичДокумент Відкритий доступ Перелаштовувані резонансні елементи на основі копланарних ліній передачі(2021) Чернов, Артем Сергійович; Прокопенко, Юрій ВасильовичДокумент Відкритий доступ Мікромеханічно перелаштовувані антенні елементи НВЧ(2020) Волошин, Антон Олександрович; Прокопенко, Юрій ВасильовичДокумент Відкритий доступ Методи аналізу звуків легень для оцінки стану дихальної системи людини(2020) Порєва, Ганна Сергіївна; Тимофєєв, Володимир ІвановичДокумент Відкритий доступ Біомолекулярні і хімічні сенсори на основі кремнієвих польових структур(2019) Кутова, Оксана Юріївна; Тимофєєв, Володимир ІвановичДокумент Відкритий доступ Перелаштовувані циліндричні метало-діелектричні резонатори НВЧ(2017) Савін, Костянтин Георгійович; Прокопенко, Юрій Васильович; Кафедра фізичної та біомедичної електроніки; Факультет електроніки; Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»Документ Відкритий доступ Метод аналізу томографічних зображень мозку на основі нечіткої логіки для діагностування хвороби Альцгеймера(2017) Крашений, Ігор Едуардович; Попов, Антон Олександрович; фізичної та біомедичної електроніки; електроніки; Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»Документ Відкритий доступ Мікрохвильові діелектричні структури з мікромеханічним перелаштуванням частотних і фазових характеристик(2016) Прокопенко, Юрій Васильович; Поплавко, Юрій Михайлович; фізичної та біомедичної електроніки; електроніки; Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут"