Алгоритмічне та програмне забезпечення технології створення цифрових двійників медико-біологічних об’єктів
Вантажиться...
Дата
2024
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Песчанський В.Ю. Алгоритмічне та програмне забезпечення технології цифрових двійників медико-біологічних об’єктів. – Кваліфікаційна наукова
праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі знань 12 Інформаційні технології за спеціальністю 121 Інженерія
програмного забезпечення. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024.
Цифрові двійники набувають дедалі більшого поширення у сфері медицини, оскільки вони дозволяють створити динамічну цифрову модель
реального медико-біологічного об’єкта, відображаючи як анатомічні, так і функціональні аспекти його роботи. Ця технологія передбачає інтеграцію
даних із різних джерел (медичні зображення, відеоендоскопія, аудіодані, сенсорні показники) у єдину інформаційну структуру, що описує стан і
динаміку об’єкта. Цифровий двійник при цьому здатен оновлюватися у режимі реального часу, відображаючи зміни фізіологічних характеристик та
надаючи можливість досліджувати, прогнозувати та моделювати розвиток патологічних процесів.
Незважаючи на значний прогрес у цій сфері, існують проблеми уніфікації форматів даних, відсутність узагальнених підходів до
представлення мультимодальних темпоральних сигналів та складнощі з інтеграцією технологій цифрових двійників у медичні інформаційні
системи. Також потребують уваги питання анонімізації та безпеки медичних даних, стандартизації програмної архітектури, а також адаптації
базових 3D-моделей під індивідуальні особливості конкретного пацієнта. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності процесів
проєктування медичних інформаційних систем на основі технології цифрових двійників за рахунок розроблення алгоритмічного та програмногозабезпечення для оброблення мультимодальних темпоральних даних про медико-біологічний об’єкт. Для досягнення цієї мети було розроблено метод
синхронізації та семантичного аналізу темпоральних мультимодальних медико-біологічних даних, метод адаптації базової 3D-моделі медикобіологічного об’єкта, розроблено узагальнену архітектуру програмної системи для створення і використання цифрових двійників медикобіологічних об’єктів а також архітектурні шаблони проєктування для
розроблення програмних систем на основі цифрових двійників медикобіологічних об’єктів.
У першому розділі дисертації проаналізовано відомі методи обробки даних про медико-біологічні об’єкти, підходи до створення цифрових
двійників та вимоги до програмного забезпечення. Виявлено проблеми у представленні мультимодальних даних і визначено ключові критерії для
забезпечення високої точності та функціональності цифрових двійників.
У другому розділі розроблено методи синхронізації темпоральних мультимодальних даних, а також семантичного аналізу та інтеграції
інформації. Запропоновано використання семантичних графів та онтологій, а також графових нейронних мереж для ефективного виявлення
закономірностей та прогнозування поведінки. Обґрунтовано застосування нормалізації, синхронізації сигналів, крос-кореляційного аналізу й
інтеграції даних у графовій моделі.
У третьому розділі розроблено метод адаптації базової 3D-моделі медико-біологічного об’єкта. Застосовано 3D-згорткові нейронні мережі
для аналізу просторово-часових залежностей у відеопотоці та потоці аудіоданих. Інтегровано мультимодальний підхід, що дає змогу поєднувати
інформацію з різних джерел для персоналізованого моделювання стану медико-біологічного об’єкта та його візуалізації.
У четвертому розділі розроблено архітектуру медичної програмної системи на основі технології цифрових двійників. Запропонованомікросервісний підхід, використання контейнеризації, засобів безпеки, анонімізації та автоматизації тестування (CI/CD) для забезпечення масштабованості, надійності та високої якості програмного забезпечення.
Описано можливості інтеграції з існуючими медичними системами, принципи проєктування інтерфейсів візуалізації та ролей користувачів у системі.
У дисертаційній роботі отримано низку нових наукових результатів, зокрема, уперше розроблено узагальнену архітектуру програмної системи
для створення і використання цифрових двійників медико-біологічних об’єктів, характерними рисами якої є поєднання мультимодальних
темпоральних даних у форматі, який підтримує двосторонню інтеграцію з фізичним об’єктом через давачі, актуатори та інші програмно-апаратні
засоби, що надає можливість перейти від фрагментарного оброблення окремих типів даних до цілісної моделі, яка може оновлюватися в
реальному часі. Уперше розроблено метод синхронізації темпоральних мультимодальних даних, характерною рисою якого є поєднання відео та
аудіо у єдиний потік даних, що забезпечує узгодження даних різної модальності та, у такий спосіб, спрощує процес створення цифрового двійника медико-біологічного об’єкта на основі даних, які надходять з давачів різних типів.
Уперше розроблено метод семантичного аналізу для виявлення кореляцій між наборами даних та прогнозування поведінки програмноапаратних компонентів цифрового двійника, характерними рисами якого є застосування графових баз даних та алгоритмів машинного навчання, що дає змогу об'єднувати дані з різних джерел (пацієнти, пристрої, записи) в
єдину онтологічну модель, що забезпечує автоматизоване виявлення залежностей у даних про медико-біологічний об’єкт, а також надаєінструменти для прогнозування стану програмно-апаратного забезпечення цифрового двійника. Удосконалено теоретичні засади оброблення просторово-часових
параметрів медико-біологічного об’єкта для побудови його цифрового двійника, що полягає у застосуванні тривимірних згорткових нейронних
мереж (3D-CNN) та рекурентних архітектур для оброблення відео- та аудіоданих та, на відміну від відомих підходів, дає змогу забезпечити
комплексний аналіз динамічних змін структури та функціонування медикобіологічного об’єкта з врахуванням його індивідуальних анатомічних особливостей та динаміки.
Уперше розроблено архітектурні шаблони проєктування для розроблення програмних систем на основі цифрових двійників медикобіологічних об’єктів, які, на відміну від відомих, орієнтовані на оперування складними наборами мультимодальних темпоральних даних, інтегрованих у єдину семантичну модель, що дає змогу спростити процес розроблення,
обслуговування та масштабування медичних програмних систем. Основні наукові результати дисертаційної роботи опубліковано у наукових працях, зокрема у 4 наукових статтях, опублікованих у фахових виданнях, включених до переліку наукових фахових видань України з присвоєнням категорії «Б», та у 2 матеріалах наукової конференції.
Опис
Ключові слова
інженерія програмного забезпечення, програмне забезпечення технології цифрових двійників, програмування, алгоритмічне забезпечення, мультимодальні дані, медико-біологічний об’єкт, нейронні мережі, семантичні графи, онтологія, моделювання, архітектура програмної системи, хмарні обчислення, мікросервіси, анонімізація, CI/CD, давачі, software engineering, digital twin technology software, programming, algorithms, multimodal data, medical-biological object, neural networks, semantic graphs, ontology, modelling, software system architecture, cloud computing, microservices, anonymization, CI/CD, sensors
Бібліографічний опис
Песчанський В. Ю. Алгоритмічне та програмне забезпечення технології створення цифрових двійників медико-біологічних об’єктів : дис. … д-ра філософії : 121 Інженерія програмного забезпечення / Песчанський Владислав Юрійович. – Київ, 2024. – 167 с.