Дисертації (ЕІ)
Постійне посилання зібрання
У зібранні розміщено дисертації, які захищені працівниками кафедри.
Переглянути
Нові надходження
Документ Відкритий доступ Аналіз зображень сітківки ока для діагностики діабетичної ретинопатії(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2025) Басараб, Марко Романович; Іванько, К. О.Басараб М.Р. Аналіз зображень сітківки ока для діагностики діабетичної ретинопатії. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі знань 15 “Автоматизація та приладобудування” за спеціальністю 153 “Мікро- та наносистемна техніка”. - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського”, м. Київ, 2025. Дисертаційна робота присвячена вирішенню науково - прикладної проблеми розробки методів та моделей глибокого навчання для аналізу цифрових зображень сітківки ока з метою діагностики діабетичної ретинопатії (ДР), що дозволяє підвищити точність класифікації стадії розвитку захворювання (а саме: відсутність діабетичної ретинопатії, легка стадія діабетичної ретинопатії, помірна стадія діабетичної ретинопатії, важка стадія діабетичної ретинопатії та проліферативна стадія діабетичної ретинопатії) та прийняття лікарем клінічних рішень в галузі офтальмології. У дисертаційній роботі проаналізовано сучасні методи обробки та аналізу цифрових зображень сітківки ока, включаючи традиційні підходи та технології глибокого навчання, а також існуючі програмні рішення для діагностики діабетичної ретинопатії. Виконано огляд існуючих методів сегментації цифрових зображень, визначення діагностичних ознак судинних структур, класифікації стадій діабетичної ретинопатії з використанням методів машинного навчання. Проведено дослідження особливостей аналізу цифрових зображень очного дна, включаючи формування набору ознак, виявлення патологічних змін та використання архітектур нейронних мереж для автоматизованої діагностики діабетичної ретинопатії. Зокрема, запропоновано комплексний підхід до аналізу судин сітківки ока, що включає сегментацію мережі судин сітківки ока, виявлення мікроаневризм та крововиливів, а також побудову моделей на основі нейронних мереж для класифікації стадій діабетичної ретинопатії. Запропоновано комплексний метод аналізу судинних структур цифрових зображень сітківки ока, що ґрунтується на алгоритмах сегментації та класифікації з використанням глибоких моделей машинного навчання. Запропоновані методи дозволяють виділити патологічні ділянки, такі як мікроаневризми, крововиливи та неоваскуляризацію на цифрових зображеннях сітківки ока, що є важливими для ранньої діагностики діабетичної ретинопатії. Здобувачем використано різні типи моделей машинного навчання, які апробовано на публічно доступних базах даних ретинографічних зображень та які продемонстрували ефективність у задачах класифікації діабетичної ретинопатії. У даній дисертаційній роботі створено програмне забезпечення (ПЗ) для реалізації інформаційної системи підтримки прийняття діагностичного рішення лікарем - офтальмологом на основі запропонованих підходів, що об’єднують методи формування ознак для машинного навчання і моделі нейронних мереж. Розроблене програмне забезпечення може бути інтегроване в заклади охорони здоров’я і є гнучким та адаптивним з практичної точки зору до різноманітних форматів цифрових зображень сітківки ока. Наукова новизна одержаних результатів визначається наступними теоретичними і практичними результатами, отриманими автором: - Набув подальшого розвитку метод аналізу цифрових зображень сітківки ока в оптико-електронній біомедичній офтальмоскопічній системі для виявлення діабетичної ретинопатії та визначення її стадії, що ґрунтується на комбінованому підході, що включає в себе перетворення аналізованого цифрового зображення за допомогою запропонованих методів фільтрації й підвищення контрастності зображення, аналіз сегментованих судинних структур і ексудатів, а також гібридне поєднання ознак зі згорткових нейронних мереж та локальних метрик, отриманих з зображення сітківки ока пацієнта, що дозволяє виділити на цифрових зображеннях судинну мережу та мікроаневризми, діагностично важливі ексудати та крововиливи на ранній стадії захворювання. - Запропоновано математичну модель для оцінювання стану судин дна ока та виявлення ранніх ознак діабетичної ретинопатії, яка включає розроблений набір діагностичних показників (довжина всіх судин та середня ширина судин, гладкість мережі судин, середня яскравість зображення оптичного диска, а також п’ять текстурних ознак ексудатів і дисперсію ширини судин), що дозволяє підвищити точність класифікації зображень очного дна у нормі та з наявністю патології порівняно зі загальноприйнятими методами, що не враховують детальну судинну та текстурну інформацію сітківки ока. - Розроблено додаткові діагностичні критерії, а саме комплексний ризик-показник та показник структурної нерегулярності судин для оцінювання станів діабетичної ретинопатії на межі норми й патології. Ці критерії дозволяють кількісно визначати ступінь прогресування ретинопатії та завчасно виявляти зміну судинних характеристик, відсутніх або ледь помітних при традиційному візуальному аналізі. - Запропоновано гібридну модель глибокої нейронної мережі для автоматизованого розпізнавання стадій діабетичної ретинопатії за зображеннями очного дна, отриманими оптико-електронною біомедичною офтальмоскопічною системою, що дозволяє поєднати запропонований набір показників стану судин очного дна та високорівневе представлення з глибокої згорткової нейронної мережі з метою виявлення патологічних змін, характерних для різних стадій діабетичної ретинопатії. - Розроблено інформаційно-алгоритмічне забезпечення оптико-електронної біомедичної офтальмоскопічної системи для автоматизованого аналізу та класифікації цифрових зображень сітківки ока для виявлення діабетичної ретинопатії та визначення її стадії на основі розвинутого методу аналізу цифрових зображень сітківки ока і розробленої гібридної архітектури нейронної мережі, що дозволяє підвищити ефективність обробки цифрових зображень очного дна. - Розроблено програмне забезпечення для аналізу зображень очного дна та визначення стадії діабетичної ретинопатії, яке відрізняється комплексним застосуванням методів обробки цифрових зображень (покращення контрастності цифрових зображень очного дна, адаптивна сегментація, екстракція судин та ексудатів) та запропонованої гібридної архітектури глибокої нейронної мережі. - Доведено до рівня практичної реалізації веб-застосунок на основі розробленого інформаційно-алгоритмічного забезпечення оптико-електронної біомедичної офтальмоскопічної системи, що забезпечує врахування одночасно морфологічних та текстурних характеристик судинної мережі очного дна й ексудатів. - Розроблено елементи інтерфейсу веб-застосунку, що дозволяють фахівцям-офтальмологам взаємодіяти з результатами роботи інформаційно-алгоритмічного забезпечення оптико-електронної біомедичної офтальмоскопічної системи, зокрема візуалізовувати та аналізувати нанесені на цифрові зображення очного дна теплові карти градієнтно зваженого відображення активації класів, які виділяють області аналізованого ретинографічного зображення, що найбільше впливають на рішення моделі глибокого навчання, а також оцінювати стадію діабетичної ретинопатії, спираючись на кількісні показники (довжина й ширина судин, ексудати, ризик-показник, тощо). Результати дисертаційної роботи використані та впроваджені в Комунальному некомерційному підприємстві “1 Територіальне Медичне Об’єднання м. Львова”, а саме в відокремленому підрозділі «Лікарня святого Луки» Міжнародного Медичного Центру «Мікрохірургія ока», що підтверджується відповідними актами та довідками про впровадження.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"