Научно-исследовательская работа кафедры медицинской и биологической физики

1. Общие сведения

Кадровый потенциал: 1 – доктор наук; 10 – кандидатов наук; 1 – профессор; 10 – доцентов; 7 – старших преподавателей; 7 – ассистентов; 6 – вспомогательный персонал.

2. Основные направления научной деятельности

Научная деятельность кафедры в 2021 - 2025 годах продолжается согласно утвержденному плану по следующим научным направлениям:

1. Научная педагогика в биофизическом образование: Инновационные методы в высшем биофизическом образовании при подготовке и фармацевтических и медицинских кадров.
2. Микро- и нано технологии: Изучение морфофункциональных особенностей тромбоцитов и лейкоцитов на микро- и нано уровне с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ). Исследование морфологии поверхности лимфоцитов.
3. Механика сплошной среды: Механика медико-биологических систем: микроциркуляция и динамика кровообращения, реология крови
4. Физика конденсированного состояния и физика твёрдого тела: Дефектно-примесная инженерия радиационно-индуцированных центров в кремниевых приборных структурах. Физические и структурные свойства воды и водных растворов.

3. НИР и НИОК(Т)Р

3.1. Общая характеристика и финансирование выполняемых тематик

ГПНИ «Подпрограмма 11.3 Междисциплинарные исследования и новые зарождающиеся технологии – Конвергенция 2025 задание 3.04.2 –Построение и верификация компьютерных моделей медико-биологических объектов и процессов, исследование их поведения в спроектированных средах на базе технологий виртуальной и дополненной реальности - финансируется за счет средств госбюджета. Срок исполнения 2021 – 2025 годы. Научный руководитель заведующий кафедрой М.В. Гольцев, исполнители работы: к.т.н., доцент кафедры медицинской и биологической физики УО БГМУ В.А. Мансуров, ст. преподаватель кафедры медицинской и биологической физики УО БГМУ И.А. Гузелевич. Номер госрегистрации № 20212484

Объектом исследования являются: особенность физических моделей гемодинамики для артериальных бифуркаций виллизиевого круга сосудов головного мозга, процессы массопереноса в этих артериях; особенность физических моделей гемодинамики для артериальных бифуркаций подмышечной и плечевой артерий и процессы массопереноса в этих бифуркациях; распределение скоростей течения и градиентов скоростей на стенках артерий в области бифуркации; особенности технологии построения ментальных карт физических моделей гемодинамики и их применения в образовательном процессе.

Цель работы: создать численные интерактивные модели, которые будут служить основой для эффективного, реалистичного интерактивного взаимодействия пользователей с объектами и средой моделирования на основе программно-аппаратных решений, с учетом важного показателя гемодинамики —напряжения сдвига на стенке сосуда, которое существенно зависит от геометрии сосудистого русла и связано с атеросклеротическими явлениями.

Остальные научные направления кафедры имеют фундаментальный характер и проводятся как поисковые инициативные, без финансирования.

3.2 Краткая характеристика результатов НИОКР

Результаты выполнения научных работ носят промежуточный характер.

3.3 Основные научные результаты

3.3.1 ГПНИ

Этап 1. Провести анализ физических объектов (вязкая жидкость и упругое тело), необходимых для построения медико-биологических моделей для некоторых бифуркации сосудов головного мозга (виллизеев круг) для 3d геометрии при разделении и слиянии потоков течения.

Фундаментальный аспект: выполнен анализ процессов течения в 3d геометриях для слияния позвоночных артерий в базилярную сосудов в условно стационарном режиме (приближение Windkassel), выявлена взаимосвязь между абсолютной деформацией стенки сосуда в месте слияния позвоночных артерий в базилярную при различных типах строения черепа с вязкостью крови, модулем упругости стенки сосудов, а также влияние на нее различных заболеваний

Прикладной аспект: проведен анализ физических объектов (вязкая жидкость и упругое тело), построены численные медико-биологические модели для некоторых бифуркации сосудов головного мозга (часть виллизеев круг) для 3d геометрии при разделении и слиянии потоков течения.

Детальное исследование процессов течения крови и деформации сосудистой стенки этих численных моделях играет важную роль в диагностике ряда заболеваний, связанных с сердечно-сосудистой системой (ССС) особенно для диагностики тяжелых заболеваний ССС на ранних стадиях.

Рис. 1. Давление (цвет) и деформация (стрелки) в месте слияния позвоночных артерий в базилярную.

Рис. 2. Деформация стенки сосуда в зависимости от угла соединения позвоночных артерий.

Этап 2. Провести анализ физических объектов и процессов, необходимых для построения медико-биологических моделей, разработать алгоритмы взаимодействия пользователя в спроектированных средах, описать особенности среды взаимодействия пользователя в ней для решения ситуационных задач.

Фундаментальный аспект: Численным методом конечных разностей показано, что деформация упруго-деформируемой стенкой канала изменяется под воздействием динамического давления, возникающего в месте слияния артерий со стороны жидкости. Следовательно, поток жидкости также следует новому пути, поэтому течение в исходной геометрии будет отличаться от течения деформируемой геометрии. Установлено, что уменьшение вязкости крови приводит к увеличению максимально абсолютной деформации в месте слияния.

Прикладной аспект: Установлена взаимосвязь между вязкостью крови, модулем упругости стенки сосудов и абсолютной деформацией стенки сосуда в месте слияния позвоночных артерий в базилярную при различных типах строения черепа, а также влияние на нее различных заболеваний. Детальное исследование этой взаимосвязи играет важную роль в диагностике ряда заболеваний, связанных с сердечно-сосудистой системой (ССС) особенно для диагностики тяжелых заболеваний ССС на ранних стадиях.

Рис. 3. Максимальная абсолютная деформация месте слияния позвоночных артерий в базилярную в зависимости от модуля упругости, формы строения черепа при наличии патологий.

Рис. 4. Максимальная абсолютная деформация месте слияния позвоночных артерий в базилярную в зависимости от реологических свойств крови формы строения черепа при наличии патологий.

3.3.2 Инновационные методы в высшем биофизическом образовании при подготовке и фармацевтических и медицинских кадров

С целью повышения качества биофизического образования при подготовке медицинских кадров на 1 и 2 ступени высшего образования используются инновационные методы математического моделирования и визуализации биофизических процессов и явлений, создать комплекс программного обеспечения, доступный для использования студентами как в режиме он-лайн, так и в системе удаленного доступа. Для этого будут использованы современные подходы и методики биофизического образования, включая широкое применение ряда инновационных педагогических методов на основе информационно—коммуникативных технологий, соответствующих лучшему отечественному опыту и основным принципам Европейского пространства высшего образования. Данная научная тема соответствует приоритетным направлениям научно-технической деятельности на 2021 – 2025. (УКАЗ ПРЕЗИДЕНТА РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ от 7 мая 2020 г. № 156, Направление, пункт 6 - Обеспечение безопасности человека, общества и государства: социогуманитарная, экономическая и информационная безопасность (человек, общество и государство, история, культура, образование и молодежная политика, физическая культура, спорт и туризм, управление техническими, технологическими и социальными процессами). Данная научная тема также соответствует основному профилю деятельности учреждения образования БГМУ. Научный руководитель – доцент Гольцев М.В.

3.3.3 Изучение морфофункциональных особенностей тромбоцитов и лейкоцитов на микро- и нано уровне с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ)

Продолжена НИР совместно ИТМО НАН Б и РНПЦ «Кардиология» по изучению морфофункциональных особенностей тромбоцитов на микро- и наноуровне с помощью АСМ с целью выявления механизмов приводящих к вариабильности ответа на антиагрегантную терапию для выбора адекватного лечения больных с ишемической болезнью сердца (ИБС) и острой коронарной недостаточностью, а так же разрабатываться методики использования АСМ для диагностики острой коронарной недостаточности. Продолжает проводиться НИР совместно с ГУ Республиканским научно-практическим центром детской онкологии и гематологии по исследованию морфологии поверхности клеток K562 при апоптозе с помощью АСМ с целью выяснения причин химиорезистентности на уровне проникновения цитотоксического агента внутрь клеток. Научный руководитель - доцент В.Л. Кухаренко.

3.3.4 «Механика медико-биологических объектов и систем»,

Выполнены исследования статики и динамики течения неньютоновской жидкости в элементах артериальной системы: сужение, изгиб, бифуркация, стеноз посредством математического моделирования. Результатом моделирования будет являться полное гидродинамическое описание потока через одиночное соединение сосудов с учетом анатомических особенностей. Для этого требуется указание всех геометрических характеристик, а также расхода и профиля скорости выше по потоку. Кроме диаметров сосудов, необходимо взять в учет углы ответвления, степень заостренности делителя потока, радиусы кривизны сосудов в месте соединения, а также изменение формы основного ствола по мере приближения к разветвлению. Результаты моделирования сравнимы с данными полученными экспериментально для установившегося течения. Совместно с кафедрой нормальной анатомии будет выпонено исследование напряжено-деформированного состояния атеросклеротической бляшки в области бифуркации артериального русла.

В настоящее время интенсивно развиваются диагностические методы на основе изучения формы и скорости пульсовой волны. Изучение нелинейных волновых процессов посредством математического моделирования в вязко-эластичных трубках представляет интерес, поскольку такие трубки отражают некоторые особенности сосудов кровеносной системы и понимание волновых процессов в них может способствовать прогнозированию развития некоторых заболевании. Нарушением демпфирующей функции является артериосклероз, когда импульсы давления плохо сглаживаются из-за структурных изменений стенок сосудов, что приводит к повышению кровяного давления (гипертонии) и дополнительным разрушениям сосудов. Совместно с кафедрой нормальной физиологии планируется изучение пульсовых волнв различных геометриях артериальной системы. Особое внимание будет уделяться процессам распространения пульсовой волны в анастомозах. Данная научная тема соответствует приоритетным направлениям научно-технической деятельности на 2021 – 2025.(УКАЗ ПРЕЗИДЕНТА РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ от 7 мая 2020 г. № 156, Пункт 1.Цифровые информационно-коммуникационные и междисциплинарные технологии, основанные на них производства: математика и моделирование сложных функциональных систем (технологических, биологических, социальных) и пункт 2 - Биологические, медицинские, фармацевтические и химические технологии и производства: диагностика, медицинская профилактика и лечение инфекционных, включая вирусной этиологии, и неинфекционных заболеваний, экспертиза качества медицинской помощи.) Научный руководитель - Мансуров В.А..

Подготовка научных кадров высшей квалификации

4.1 Экзамен кандидатского минимума

Кафедра ведет курс «Основы информационных технологий» по программе ВАК РБ для аспирантов и соискателей и участвует в организации и приеме кандидатского экзамена (дифференцированного зачета) по данной дисциплине.

4.2 Наиболее значимые студенческие научные работы

1. Грынцевич Р. Г. Особенности гемодинамики в области разделения плечевой артерии на локтевую и лучевую артерии. Научные руководители: Заместитель заведующего кафедрой мед. и биологической физики по научно-исследовательской работе, канд. тех. наук, доцент Мансуров Валерий Анатольевич; заведующий кафедрой нормальной анатомии, д-р мед. наук, профессор Трушель Наталия Алексеевна
2. Холупко О. Е, Гриб М. С. Деформация сосудистой стенки в месте слияния позвоночных артерий в базилярную в зависимости от модуля упругости сосудов и строения черепа. Научный руководитель канд. техн. наук, доц. Мансуров В. А.
3. Гриппа Т. Р., Герасименко А. М. Влияние использования наушников на слуховой аппарат человека Научный руководитель: доцент, к.ф.-м.н Медведева И. Ф..
4. Сачек Н.К. Бибик Р.И. Разработка этапов создания аудиоустройства, нацелепиого на улучшение качества жизни слеспых и слабовидяищих лиц, с использованием алгоритмов маниипион о обу исиия и иммерсивной аудиосреды. Научные руководители: Гольцев М.В. к.ф.-м.н. (кафедра медицинской и биологической физики) Козлова Е.И. к.ф.-м.н. (Кафедра интеллектуальных систем БГУ).
5. Мирончик М. И. Высокие переломы мыщелкового отростка нижней челюсти. Биомеханические аспекты и оценка отдаленных результатов. Автор: Руководитель: канд. физ.-мат. наук, доц. Гольцев М.В

4.3 Работа в студенческих научных кружках

В работе студенческого научного кружка участвует 20 студентов всех факультетов, сделано 13 докладов на студенческих научных конференциях, 3 доклада поданы на республиканский конкурс студенческих научных работ. Занято призовых мест – 3.

5. Изобретательская, рационализаторская и патенто-лицензионная работа

5.1 Получено патентов

1 - Изобретение относится к области биологии и медицины, предназначено для связывания атерогенных липопротеинов в плазме или крови и может быть использовано в клинической практике для терапии заболеваний, связанных с нарушениями липидного и липопротеинного обмена. 2 - Изобретение относится к медицине, к разделу медицинской диагностической техники и предназначено для определения гемореологических индексов таких как: индекс ригидности эритроцитов, индекс агрегации относительное количество агрегированных эритроцитов, показатель эффективности доставки кислорода, а также гемореологических показателей: показатель гематокрита, структурная и гидродинамическая вязкость крови и вязкость плазмы крови.

6. Изобретательская, рационализаторская и патенто-лицензионная работа