Біомедична інженерія і технологія, № 11
Постійне посилання зібрання
Переглянути
Нові надходження
Документ Відкритий доступ Класифікація туберкульозних уражень легень методом позиційного голосування за даними компютерної томографії(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Матвійчук, Олександр; Настенко, Євген АрнольдовичУ дослідженні розглядається розробка процесу класифікації хіміочутливого та хіміорезистентного туберкульозу. Система що реалізує даний процес складається з двох етапів: відбору інформативного ансамблю ознак та навчання класифікатора. Відбір інформативного ансамблю ознак відбувається на зображеннях компʼютерної томографії легень за допомогою матриць текстурних характеристик. Отримані ознаки фільтруються методом клас орієнтованої селекції в інформативний ансамбль. Навчання класифікатора “Random Forest” відбувається на сформованому селекцією ансамблі. До методу голосування “Random Forest“ запропоновано покращення, яке оптимізує структуру та параметри функції голосування, та персоналізує сформований колектив голосуючих експертів .Дана система голосування збільшує точність класифікації на 5%, Система класифікації на виділених областях інтересу досягла точності у 88%. Результати демонструють ефективність реалізованого рішення при розв’язанні задачі класифікації типів ураження легень: «хіміочутливий», «хіміорезистентний».Документ Відкритий доступ Сучасні підходи до визначення життєздатності живих тканин(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Худецький, Ігор Юліанович; Сніцар, Євген ВікторовичРеферат – біологічні тканини складні за своєю природою, тому при дії електричного, магнітного та електромагнітного полів ведуть себе по різному. На дії різного за природою та характеристиками електричного струму на живі тканини засновані різноманітні терапевтичні та діагностичні методики. Дані методики базуються як і на біологічних особливостях тканин, так і на характеристиках струму, таких як сила струму, напруга, опір. Особливістю протікання електричного струму через живу тканину є - для постійного струму - активний опір (R), для змінного - повний опір, або імпеданс (Z), та відсутність індуктивного опору (XL) притаманного більшості провідників. Також при неконтрольованій дії струму в тканинах відбуваються незворотні радикальні процеси, що можна описати, як: перший етап - жива інтактна тканина, другий етап - тканина в процесі поєднаного впливу струму, третій етап - вплив на тканину температури, четвертий етап - руйнація клітин та тканин. Розуміння впливу різних струмів на живі тканини дає можливість побудови математичних моделей даних процесів. При визначенні життєздатності тканин організму та їх придатності до застосування електрохірургічної апаратури в процесі хірургічних втручань, особливу роль грає дія високочастотного змінного струму. Ця стаття має на меті провести аналіз сучасних підходів та методик діагностики життєздатності тканин організму та їх придатності до застосування електрохірургічної апаратури в процесі хірургічних втручань, та визначити оптимальні напрямки подальших досліджень з розробки та удосконалення таких методик.Документ Відкритий доступ Сучасні підходи до аналізу медичних зображень(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Гончарук, Максим Олександрович; Настенко, Євген Арнольдович; Алхімова, Світлана МиколаївнаУ даній статті виконано огляд сучасних підходів аналізу медичних зображень на прикладі магнітно-резонансної томографії (МРТ) голови людини. За допомогою глибинного навчання автори досліджують різні методи автоматичної сегментації, класифікації та діагностики уражень голови людини таких як гостру та підгостру форми інсульту і пухлинні утворення. Серед методів розглядаються можливості використання трансформерних моделей, згорткових нейронних мереж і метода розкладу невід'ємних матриць та їх комбінації. На жаль, для коректного порівняння результатів роботи нейронних мереж, як мінімум тренувальна та екзаменаційна вибірки не можуть відрізнятися в межах одного набору даних. Тому наведено результати ефективності кожного з підходів для ознайомлення. Підходи, розглянуті в даній статті, обрані таким чином, щоб експериментальні набори даних використовувалися між обраними дослідженнями та були у відкритому доступі. Це було зроблено, щоб у разі потреби мати змогу повторити експеримент або ж порівняти з ефективністю іншого підходу. Також, через властивість нейронних мереж, є змога використати досліджені алгоритми для вирішення задач сегментації в іншому домені. Наприклад, використовуючи дані комп’ютерної томографії(КТ) сегментувати ділянки легень, що ураженні COVID-19 чи пневмонією. Або для сегментації фіброзних утворень печінки на зображеннях ультразвукової діагностики та еластографії. Загалом, дана стаття проводить огляд сучасних досягнень та демонструє розвиток та можливості глибинного навчання в області аналізу медичних зображень для поліпшення діагностики та лікування і підтримки прийняття медичних рішень.Документ Відкритий доступ Utilization of gas discharge in alternating current for the detection and stimulation of biologically active points(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Oliinyk, V. P.; Voloshyn, Y. A.; Kulish, S. M.; Zinchenko, O. M.; Oliinyk, V. M.Acupuncture belongs to the non-pharmacological methods of Eastern medicine and it is a form of alternative reflexotherapy. In modern medicine, aside from needle therapy, other forms of acupuncture have gained recognition, such as electroacupuncture, laser and light acupuncture, magnetopuncture, thermopuncture, and high-frequency puncture. The effectiveness of treatment using these methods significantly depends on accurately locating the biological active points (BAP) and selecting the influencing factor. Therefore the research aim is to simplify the search for BAP on the human skin and transition to the mode of electroacupuncture stimulation. The research subject involves the processes of the gas discharge occurrence and luminescence upon contact with a sensor in the area of a biological active point. The research topic revolves around applying the properties of gas discharge under alternating current for electroacupuncture means. Research findings: A review of common acupuncture methods has been conducted, and the electro-physical peculiarities of BAP have been noted. To localize the positions of BAP, the luminescence of a gas discharge sensor in an alternating electric current circuit is proposed. The sensor enters an identification state when the search electrode makes contact with areas of the skin possessing lowered electrical resistance, a characteristic of these points. Equivalent circuitries of gas discharge currents have been constructed. At low frequencies, the use of an indifferent electrode is proposed, allowing the discharge current to flow to the search electrode. The equivalent circuit for high-frequency currents demonstrates the possibility of gas discharge occurrence in the sensor through displacement currents. For operation at high frequencies, the sensor can be designed in the form of a cylindrical glass bulb with a conical search tip, containing an internal metallic electrode and filled with inert gas. Two stimulation modes for BAP using gas discharge currents have been envisaged – lowfrequency and high-frequency. In the former, the low-frequency range of 1…150 Hz is used, while the latter involves amplitude modulation of high frequencies (0.01…1 MHz) with a low-frequency signal. Effective stimulation current values can go up to 1 mA. An additional influencing factor in the BAP area is the broad-spectrum electromagnetic radiation of the gas discharge plasma in the visible, infrared, and radio frequency ranges. Estimated power values and spectral density of emission in the 60…70 GHz range correspond to the concept of information-wave therapy. The device structure was developed,which utilizes a gas discharge on alternating current for locating and stimulating biological active points. The main components of the device are an alternating voltage generator and a manipulator. The generator enables operation in both low-frequency and high-frequency modes, with adjustable amplitude, frequency, modulation depth, and harmonic oscillations output voltage. The key component of the manipulator is the gas discharge sensor, which simultaneously functions as an indicator of BAP location and performs stimulation. Other elements of the manipulator ensure the safety and usability of the device. Conclusion: The conducted research confirms the feasibility of constructing a straightforward device for locating, identifying, and therapeutically influencing biological active points on the patient's skin surface. A specialized gas discharge sensor serves as a logical element, indicator, and influencing factor. The application of the proposed technical solution expands the potential of acupuncture treatment methods, though it requires appropriate medical validation.Документ Відкритий доступ Згорткова нейронна мережа для сегментації судин сітківки ока(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Добровська, Людмила Миколаївна; Назарага, Ярослав РуслановичВажливе значення для постановки діагнозу при різних офтальмологічних захворюваннях відіграє дослідження, моніторинг та оцінка судин сітківки ока. Ідентифікація конкретних об’єктiв-патологій на зображеннях зводиться до розв’язання задач сегментації. Сегментація судин сітківки є ключовим кроком до точної візуалізації, діагностики захворювань ока, раннього лікування та планування хірургічного втручання. Саме тому важливою задачею є автоматизована сегментація судин сітківки. Мета даної роботи полягала у розробці програмного застосунку для сегментації зображень судин сітківки ока з використанням машинного навчання у вигляді згорткової нейронної мережі. Наразі найточнішими є нейромережеві методи сегментації, а саме методи на основі глибокого навчання. База знімків, яка використовувалась для дослідження, була взята з загальнодоступного набору даних DRIVE, що надає еталонні сегментації (маски) для кожного зображення, для половини з яких застосовано аугментацію. Це надає змогу обчислити оцінки продуктивності моделі. Під час першого етапу дослідження було встановлено, що наразі до найпоширеніших: 1) критеріїв, за якими кількісно можна оцінити якість сегментації, належать такі метрики: intersection over union; аccuracy; precision; sensitivity; specificity; F1-score; dice coefficient; loss function; 2) мереж, здатних виконувати сегментацію зображень, належать такі: FCN, SegNet, U-Net, FC-Densenet, E-Net, Link-Net, RefineNet, PSPNet. Для вирішення задачі сегментації зображень судин сітківки ока виконано порівняння вказаних мереж за точністю, перевагами та обмеженнями. Встановлено, що враховуючи точність, найкраще для вирішення вказаної задачі підходять мережі DeepLab, PSPNet, U-Net. Другий етап дослідження полягав у розробці програмного застосунку (ПЗ), порівнянні та оцінюванні показників якості відомих систем сегментації судин сітківки та розробленого ПЗ. Результатом дослідження є розробка ПЗ, який надає такі оцінки за метриками: accuracy=0.9452, sensitivity = 0.8991, specificity= 0.9468, dice= 0.8247. Ці показники якості отримано під час роботи розробленого ПЗ.Документ Відкритий доступ Оптимізація результатів моделювання шляхом розбиття вибірок за критерієм подібності відстані Махаланобіса(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Гупало, М. С.; Павлов, В. А.; Настенко, Є. А.; Корнієнко, Г. А.Методи створення класифікаційних, апроксимаційних та прогностичних моделей включають процедури розділення робочого набору даних на технологічні частини, які використовуються для розрахунку параметрів, верифікації структури та завершальної оцінки якості моделей. Саме універсальність застосування даних процедур визначає виняткову актуальність вирішення завдання забезпечення ефективності розділення робочого набору даних на технологічні частини з точки зору якості результатів моделювання. Існуючі підходи до розбиття даних не забезпечують стійкої ефективності при побудові моделей (метод простого випадкового відбору, метод проб і помилок, тощо), або є ефективними, однак обмеженими використанням певних типів набору даних (зручний і систематичний відбори, тощо). В роботі для вирішення проблеми пропонується застосувати процедури розподілу даних на основі критерію подібності відстані Махаланобіса, що забезпечує збереження властивості відхилень об’єктів основної робочої вибірки для всіх технологічних підвибірок в умовах нерівних дисперсій змінних та корельованості простору ознак. Оскільки універсальним і найчастіше застосованим методом розбиття даних в даний час є метод випадкового відбору, у роботі саме з ним порівнюється ефективність пропонованого підходу. Аналіз підходів здійснений на даних для прогнозування рівня смертності від раку в округах США, що взяті з ресурсу data.world, та класифікації серцевої недостатності - з ресурсу Kaggle. Порівняння проведено для методів k-найближчих сусідів, логістичної регресії, методу групового урахування аргументів в завданні класифікації та методів k-найближчих сусідів, екстремального градієнтного підсилення (XGB), підвищення градієнта на основі алгоритму дерева рішень (LGBM) в задачі апроксимації. Результати аналізу показали перевагу пропонованого у роботі підходу розбиття даних відповідно до критерію подібності відстані Махаланобіса.Документ Відкритий доступ Гібридна система енергоживлення апарату «штучне серце»(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Олійник, Володимир Петрович; Теличко, Дар’я Вікторівна; Куліш, Сергій Миколайович; Волошин, Юлія АндріївнаПрикладом засобів які повністю або частково виконують функції природних органів людини є останні розробки апаратів «Штучне серце» (Total Artificial Heart, TAH) призначених для повної імплантації в організм людини. Для довготривалої роботи ТАН вважається перспективним використання бездротового черезшкірного електроживлення механічних і електронних складових. Такий підхід дозволяє зберегти захисні функції шкірного покриву. Але остаточного технічного рішення бездротового електропостачання до імплантованого пристрою потужністю 20…25 Вт не знайдено. Тому, актуальною проблемою довготривалого застосування TAH є вирішення задачі безперебійного енергоживлення імплантованого апарату. В роботі проведено аналіз сучасних підходів, що можуть бути використані при організації системи безконтактного енергоживлення апарату «Штучне серце». Вказано на пріоритет у розробці гібридної системи, до якої входять: засоби безконтактного енергоживлення на основі магнітно-резонансного зв’язку, мікроелектромеханічні перетворювачі та традиційні акумуляторні батареї. Базовою складовою є трансшкірна підсистема (TETS) передачі енергії шляхом електромагнітної індукції на резонансній частоті, що живиться від зовнішнього носимого акумулятора. Додаткове живлення цієї підсистеми забезпечують ретранслятори-передавачі підсистеми на основі магнітнорезонансного зв’язку (MRC), які розташовані в межах кімнати де перебуває пацієнт. Ще одним джерелом є мікроелектромеханічне електроживлення (MEM-EH), що перетворює механічну енергію фізичної активності людини в електричну. Таке рішення подовжує тривалість роботи акумулятора без мережевої підзарядки. Використання гібридної системи електроживлення дає можливість покращити надійність і довготривалість життєзабезпечення пацієнта з імплантатом «Штучне серце».Документ Відкритий доступ Дослідження зносостійкості елементів пар тертя «метал (кераміка)/ надвисокомолекулярний поліетилен» для ендопротезів кульшових суглобів людини(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Беспалова, Олена Ярославівна; Дідковський, ТимофійЕндопротезування суглобів вважається найбільш ефективним і часто єдиним способом відновлення втраченої функції кінцівки. У світі щорічно здійснюється встановлення більш ніж мільйона ендопротезів кульшових і понад півмільйона ендопротезів колінних суглобів, крім того понад 100 тис. ревізійних ендопротезувань суглобів. Кількість пацієнтів, що потребують ендопротезування суглобів, неухильно зростає. Зокрема, дегенеративно-дистрофічні ураження кульшового суглобу на сьогоднішній день відносяться до найрозповсюдженіших захворювань і зберігають стійку тенденцію до подальшого зростання. Таким чином, для задоволення постійного попиту на велику кількість якісних ендопротезів суглобів необхідно постійно вдосконалювати характеристики цих медичних виробів. В роботі систематизовано ключові особливості дослідження зносостійкості ендопротезів кульшових суглобів людини, описані та стисло проаналізовані методики реалізації таких досліджень. Розглянуті як методики із застосуванням стендів-імітаторів, так і методики зі спрощеною схемою тертя, коротко викладені їх переваги та недоліки. В ході аналізу встановлено оптимальний варіант дослідження зносостійкості елементів пар тертя «метал (кераміка)/надвисокомолекулярний поліетилен» для ендопротезів кульшових суглобів, а саме: методику дослідження за схемою «площина/кільце». Дана методика забезпечує отримання необхідних контактних тисків, дозволяючи уникнути проведення складних і тривалих експериментів. Також в роботі викладено причини неможливості використання найбільш природних для людських суглобів біологічних рідин в якості робочої рідини при дослідженнях триботехнічних характеристик пар тертя «метал/надвисокомолекулярний поліетилен» на машинах тертя і стендах-імітаторах та обґрунтовано використання препарату «Артіфлекс хондро» в якості робочої рідини.