Київський національний університет імені Тараса Шевченка ρадіоφізичний φакультет | ||||||||||
|
||||||||||
Кафедра медичної радіофізикиРозвиток медицини в значній мірі обумовлений застосуванням найсучасніших методів радіофізики, електроніки та комп’ютерних технологій. Використання магніторезонансних, позитронних, гама та рентгенівських комп`ютерних томографів, ультразвукових сканерів, електро- та магнітометричних систем, іншого електронного обладнання стало невід`ємною частиною медичної діагностики, а застосування лазерних та високочастотних пристроїв, навігаційних хірургічних систем – запорукою ефективного лікування. Для розробки фізичних основ нових медичних технологій, технічних та інформаційних засобів їх забезпечення, проведення медико-біологічних досліджень радіофізичними методами, ефективного використання складного електронного обладнання в клінічній практиці потрібні фахівці, що, з одного боку, мають ґрунтовну підготовку з математики, фізики, електроніки, обчислювальної техніки, а з іншого – володіють основами медичних знань, особливостями застосування фізичних методів у медицині, знають медичну техніку та медичну інформатику. Необхідність підготовки таких фахівців для України обумовила створення кафедри медичної радіофізики. Кафедра була організована в 1995 р. за ініціативою Вченої ради радіофізичного факультету. Рішення було схвалене Національною Академією наук України, Академією медичних наук України, Міністерством охорони здоров`я України, Координаційною радою з пріоритетного напряму розвитку науки і техніки «Здоров`я людини» при Кабінеті Міністрів України, Державним комітетом України з науки і технологій. Вирішальну роль в організації кафедри відіграла підтримка цієї ініціативи керівництвом університету, згідно з ухвалою Вченої ради університету від 5 червня 1995 р. за наказом ректора від 9 червня на радіофізичному факультеті була відкрита спеціалізація «Медична радіофізика» та однойменна випускаюча кафедра. Завідувачем кафедри було призначено доц. Новосельця М.К. При розробці концепції спеціалізації було враховано досвід перепідготовки спеціалістів на спецфакультеті радіофізичного факультету у 1992-95 рр. за спеціальністю «Радіофізичні методи діагностики» (заступник декана радіофізичного факультету зі спецфакультету Новоселець М.К.). Був використаний також досвід навчання студентів за індивідуальними планами поглибленого вивчення радіофізичних методів для медицини і біології на кафедрах кріогенної та мікроелектроніки (завідувач кафедри проф. Находкін М.Г.) і напівпровідникової електроніки (завідувач кафедри проф. Третяк О.В.). Під час організації кафедри до її складу ввійшли 4 штатних викладачі: проф. Коротков П. А., доц. Малий В.І., доц. Новоселець М.К., асист. Цубін В.А. Крім того, за сумісництвом до складу кафедри були зараховані академік НАН України, проф. Костюк П.Г., академік НАН України, проф. Магура І.С., чл.-кор. НАН України, проф. Сагач В.Г., проф. Лиманський Ю.П., проф. Соловйов Д.О., проф. Сігал В.Л., вчений секретар кафедри Рождественська Т.В. До складу наукового, інженерного та допоміжного персоналу ввійшли наукові співробітники Дмитрик Г.М., Іванісік А.І., Писанський А.І., провідний інженер Рудиця В.І., інженери Радченко С.П., Твердохліб І.В., Марінкевич Н.Я., Синицька Н.В., ст. лаборанти Скибенко Р.Г., Климук Л.М., технік Єфремова О.Е., стажист Ковадло П.Ф. Для підвищення рівня підготовки фахівців з медичної радіофізики для установ НАН України, АМН України, Міністерства охорони здоров`я України, установ різних галузей народного господарства, розширення навчальної та наукової бази в 1996 р. кафедра уклала Угоду про спільну діяльність з базовою кафедрою молекулярної фізіології і біофізики (завідувач кафедри академік НАН України, проф. Костюк П.Г.) Київського відділення МФТІ в НАН України (нині - Фізико-технічний навчально-науковий центр в НАН України), яка затверджена Ректором університету та Президентом НАН України. В лютому 1997 р. за Наказом ректора в університеті було відкрите спільне з НАН України відділення цільової підготовки з медичної радіофізики, керівником якого від НАН України став проф. Магура І.С. Для навчального процесу та наукових досліджень відповідно до Угоди про спільну діяльність між університетом та науково-впроваджувальним підприємством «Інтермаг» використовується також база навчально-наукового діагностичного центру ядерної магніторезонансної томографії, створеного за проектом Держінофонду України, Інформаційного центру телемедицини АМН України, обладнаного за фінансової підтримки Йельського університету (США). У 2003 році після трагічної смерті першого завідувача Новосельця М. К. кафедру очолив доц. Кононов М.В. На викладацьку роботу перейшли наукові співробітники, які зараз є доцентами –Радченко С.П. , Іванісік А.І., Судаков О.О. , до складу кафедри входить і канд. біол. Наук, асист. Кисіль О.О. Навчальна роботаОсобливістю навчального плану спеціалізації є органічне поєднання трьох складових напрямків підготовки. Першим з них є традиційним для радіофізичного факультету і охоплює такі основні фізико-технічні курси як схемотехніка, фізична електроніка, напівпровідникова електроніка, квантова радіофізика і нелінійна оптика, статистична радіофізика, техніка і електроніка НВЧ, фізичні основи мікроелектроніки. Другий напрям відповідає за вивчення основ медико-біологічних знань і містить основні курси: молекулярна фізіологія і молекулярна біохімія, біофізика складних систем, анатомія і фізіологія, основи патфізіології людини та спецкурси з основ фізики і хімії біологічних процесів, біоенергетики. Третій напрям складають курси з обчислювальної техніки та комп`ютерних технологій: мікропроцесорна техніка, комп’ютерний експеримент, моделювання фізичних процесів, комп`ютерна обробка медичних зображень, сучасні комп`ютерні технології, телекомунікаційні технології. Застосування фізичних моделей і методів досліджень, електронних засобів та інформаційних систем у медичних технологіях, медичних приладах та медико-біологічних дослідженнях є предметом вивчення таких курсів: «Фізика живих систем», «Радіофізичні методи в медицині», «Фізичні основи медичної техніки» та спецкурсів: «Сучасна радіофізика», «Медична електроніка», «Основи біофізичного експерименту». Починаючи з 4-го курсу, для студентів проводяться наукові семінари, які направлені на поглиблене вивчення предметів з усіх напрямків підготовки. Семінари поєднані з такими спецкурсами, як «Фізика живих систем», «Радіофізичні методи в медицині», «Біомедична техніка», «Взаємодія фізичних полів з біооб`єктами», «Біомагнітометрія», «Медична електроніка», «Фізичні основи клітинної та субклітинної діагностики». Студенти виконують лабораторні роботи за напрямами: фізичні основи медичної техніки, біомагнітометрія, практикум з комп`ютерного експерименту, комп`ютерна обробка експериментальної інформації, квантова радіофізика і нелінійна оптика, техніка і електроніка НВЧ, статистична радіофізика. Виконання кваліфікаційних робіт бакалаврів, дипломних робіт магістрів та проведення виробничої практики є прямим залученням студентів до науково-дослідної роботи, що проводиться в лабораторіях кафедри та провідних науково-дослідних інститутів та центрів. Так, у плідній співпраці з установами НАН та АМН України, на кафедрі проводиться не лише підготовка студентів, а й виконуються наукові дослідження та розробки. На базі Інституту фізіології ім. академіка О.О.Богомольця НАН України, Інституту молекулярної біології та генетики НАН України, Інституту фізики НАН України, Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є.Лашкарьова НАН України та Інституту нейрохірургії ім. А.П.Ромоданова АМН України, Інституту експериментальної патології, онкології і радіобіології ім. Р.Є.Кавецького НАН України, Наукового центру радіаційної медицини АМН України проводиться підготовка студентів кафедри, виконання виробничої практики та кваліфікаційних випускних робіт бакалаврів, спеціалістів, магістрів. Для проведення навчального процесу та наукових досліджень використовується також і науково-технічна база НВП «Інтермаг». На кафедрі стало традицією запрошувати провідних іноземних вчених та фахівців для доповідей та читання циклів лекцій. З 1995 р. проф. Шютц Ю. з Вествальського Вільгельм університету, м. Мюнстер (Німеччина) щорічно читає лекції з променевої діагностики та променевої терапії. Починаючи з 1999 р., Др. Хайнріх Л., Віце-президент компанії «Creavis Technologies and Innovation/Degussa» (Німеччина) щорічно англійською мовою читає спецкурс «New Medical Technology. Principles, Materials and System Solutions» і проводить семінари «International Patent and Competition Analysis». Цикл лекцій з телемедицини прочитав проф. Сатава Р. з Йельського університету (США), з біомедичних матеріалів проф. Хоккер Г. з університету м. Аахен (Німеччина), з сенсорних медичних систем Президент компанії «JENASENCORIC EV» Др. Алерс Х. (Німеччина). Для спільних досліджень, підвищення кваліфікації та викладацького досвіду практикується стажування співробітників, аспірантів та студентів кафедри у закордонних учбових та наукових установах. Так, у 1996 р. під час навчання в аспірантурі, Радченко С.П. та Судаков О.О. пройшли стажування в лабораторії дозиметрії факультету біомедичної фізики університету м. Гент, Бельгія, та отримали міжнародні сертифікати з відзнакою зі спеціальності «Біомедична та клінічна інженерія». Щорічно кращі студенти кафедри під час виробничої практики проходять стажування в університеті м. Мюнстер, Німеччина, та в провідних наукових підрозділах виробничих компаній Європи, таких як Infracor Chemistry Services/DEGUSSA, IHP (Institut fur Halbleiter Physik), тощо. Так, зокрема, у 1997 р. Дикий В. і Дика З., у 2000 р. Суліма Б., у 2001 р. Піскарьов В. і Євтушенко О., у 2002 р. Синицький М., у 2004 р. Лиско О. і Коломієць І., у 2005 р. Жеребецький Д. і Велігура А., у 2006 р. Айдоян Г. Багато студентів та аспірантів після успішного стажування за кордоном запрошуються на подальше навчання в аспірантурі та на роботу. Нові наукові напрямки досліджень кафедри призвели до появи нових контактів з провідним дослідними центрами Європи: так, у 2005 році доц. Радченко С.П. провів спільні дослідження моделювання взаємодії ультразвукових хвиль з м’якими біологічними тканинами з проф. Кольманом Х. у Центрі біомедичної техніки і фізики Медичного університету Відня (Австрія). Судаков О.О. відвідав Європейський центр ядерних досліджень «CERN» (Швейцарія) для участі в розробці GRID-системи обробки даних експерименту ALICE. Наукова роботаНаукова робота кафедри зосереджена на дослідженнях процесів взаємодії електромагнітного, зокрема лазерного, випромінювання з речовиною для розробки фізичних основ нових медичних технологій, пошуку нових методів реконструкції зображень у магніторезонансній томографії та ультразвуковій інтроскопії, комп`ютерної обробки медичних зображень. Кафедра виконувала бюджетні науково-дослідні роботи за тематичним планом університету «Фізичні принципи нових медичних технологій, що базуються на застосуванні радіофізичної інтроскопії, спектроскопії, лазерного випромінювання» (1996-2000 рр.) та «Розробка нових радіофізичних методів діагностики та лікування людей» (2001-05 рр.), Державним замовленням «Розроблення випромінювальної апаратури та термотерапевтичної технології лікування запалень та новоутворень передміхурової залози» (1996 р.), за проектом «Розробка та апробація інтегрованих методів діагностики процесів життєдіяльності клітин та внутрішніх органів на основі лазерної мас-спектрометрії, магніторезонансних та ультразвукових досліджень» (1995-96 рр.), «Нова технологія та засоби ранньої діагностики захворювань щитовидної залози» (2003-06 рр.), Державної науково-технічної програми пріоритетного напряму розвитку науки і техніки «Здоров`я людини», угодами про спільну діяльність з науковими установами. Першочергові завдання наукових досліджень кафедри були зосереджені на проблемах ліквідації наслідків аварії на ЧАЕС. Під керівництвом Новосельця М.К. були розгорнуті дослідження захворювань щитовидної залози, зокрема її злоякісних новоутворень. Разом із співробітниками Наукового центру радіаційної медицини науковці кафедри (Саркісов С.С. - зараз проф. університету штату Алабама (США), Цубін В.А., Радченко С.П.) зібрали унікальний банк комп`ютерних зображень щитовидної залози та базу клінічних ознак її захворювань. Для впорядкування даних та зручної роботи з ультразвуковими обстеженнями були реалізовані програмні пакети, які використовуються у медичних установах (Кононов М.В.). Дослідження стохастичної текстури ультразвукових зображень щитовидної залози призвели до створення нової технології діагностики її патологічних станів, що була затверджена Міністерством охорони здоров`я України. Пізніше створено модель формування стохастичної текстури паренхіматозних органів як фізичних систем з розподіленими параметрами зі зворотним нелінійним зв`язком (Новоселець М.К.) та спосіб визначення їх стану, який захищений Патентом України (Новоселець М.К., Радченко С.П.). Ця методика була розвинена Мисником А.В. із застосуванням штучних нейронних мереж. Застосування розробленої методики нелінійного ентропійного аналізу медичних даних за допомогою нейронних мереж продемонструвало високу діагностичну ефективність медико-біологічних досліджень.
Іншим напрямом фундаментальних досліджень є теорія штучних та природних нейронних мереж та розподілених систем. Зокрема, доц. Пінчук А.О. розробив оригінальну модель електрофізіологічної активності клітин. Проведено теоретичний аналіз та виконано математичне моделювання роботи пейсмейкерних клітин. Наведена теорія добре описує електрофізіологічну активність реальних клітин, пояснює появу та причини аритмії роботи пейсмейкерних клітин, що може бути використано для виявлення та класифікації порушень в їх діяльності. Значна увага на кафедрі приділялась розвитку лазерних медичних технологій. Розроблено методику елементного та ізотопного аналізу елементів навколишнього середовища та організму людей і експериментальних тварин (Зиков Г.О., Новоселець М.К.). За допомогою методу лазерної мас-спектрометрії встановлено, що постійне і тривале надходження до організму малих доз радіонукліду Cs137 супроводжується накопиченням його в окремих структурах головного мозку, переважно в його корі. Рівень його накопичення залежить від тривалості терміну надходження радіонукліду до організму. Виявлено зменшення вмісту йоду у тканині пухлиноподібних і пухлинних вузлів щитовидної залози з одночасним збільшенням рівня хлору і фтору, що може бути одним з факторів патогенезу гіперпластичних захворювань. Підвищена концентрація деяких металів (Al, Mg, Sc, Co, Cu, Zn, As, Zr, Ba) в тканині доброякісних вузлів щитовидної залози нині не має чіткого пояснення і потребує подальшого вивчення. Застосування лазерного мас-спектрометричного методу аналізу речовини перспективне для визначення розподілу елементів у живому організмі, діагностики різних захворювань, контролю за ефективністю фармацевтичних препаратів при лікуванні. Вивчення процесів взаємодії лазерного випромінювання з біологічними тканинами проводились Коротковим П.А., Малим В.І., Іванісіком А.І., Писанським А.І. Виконано експериментальні дослідження лінійного та нелінійного пропускання твердими біологічними тканинами випромінювання видимого діапазону з довжиною хвилі = 0.6943 мкм (рубіновий лазер) та тривалістю імпульсу 20 нс у широкому інтервалі потужностей. Показано, що у вибраному режимі опромінення світлом видимого діапазону теплове навантаження не загрожує прилеглим м’яким тканинам, оскільки незворотні зміни в них можуть виникнути при нагріванні на t >50С. Встановлено, що для імпульсів випромінювання тривалістю 20 нс (I 28 ГВт/см2) у видимому спектральному діапазоні основним механізмом зменшення пропускання світла кістковими тканинами є утворення плазмового ерозійного факела на їх поверхні. Розроблено оптичний спектро-хімічний аналізатор для локального експрес-аналізу біопроб. Розроблено надшвидкісні інтерференційні методики діагностики лазерної плазми з часовою роздільною здатністю 10нс. З’ясовано кількісні характеристики щодо ефективності очищення зубної емалі під дією лазерних імпульсів. Запропоновано метод диференціального відбиття (зворотного розсіювання) для визначення рівня коагульованості тканин. Виконувались дослідження нелінійних явищ в оптиці (Іванісік А.І.) з метою їх використання для вивчення властивостей біологічних об’єктів. Отримано суттєво нові експериментальні результати відносно проявів асиметрії ВКР, проведено теоретичні обрахунки відомого, як експериментальний факт, ефекту насичення стоксової компоненти вимушеного комбінаційного розсіяння світла, проведені розрахунки додаткової затримки фази, миттєвої частоти та спектрів для імпульсів наносекундної тривалості, що пройшли через керрівську рідину. Новосельцем М.К., Кононовим М.В., Палій І.В. розроблено модель перебігу теплових процесів у тканинах мозку під дією лазерного випромінювання теплового рівня впливу. Модель і програмні засоби на її основі призначені для розрахунку теплових карт впливу (розподілу температур) при різній конфігурації розсіювачів, різних характеристиках тканин, часових параметрах опромінення, що дозволяє використовувати їх для планування процесу лазерної термодеструкції локальних уражень (пухлин) головного мозку. Показано достатність зони впливу для лазерної термодеструкції вказаного типу уражень (до 1 см при потужності випромінювання 2-6 Вт і часі впливу 10-20 с). Разом з Інститутом нейрохірургії АМН України (акад. Зозуля Ю.П., проф. Розуменко В.Д) створено технологію лікування локальних уражень головного мозку, а у співдружності з НВП «Інтермаг» (Рудиця В.І.) та Інститутом фізики НАН України (Галич Г.А) - програмно-технічні засоби для її забезпечення. Побудовано також модель термотерапії під дією високочастотного електромагнітного випромінювання (Кононов М.В., Новоселець М.К.), що перспективна для комп`ютерного планування лікування запалень та новоутворень передміхурової залози. Проф. Сігалом В.Л. та асп. Бідненком В.М. побудовано теорію фізичних процесів, які відбуваються при фотодинамічній терапії, що поєднує мікро- та макрохарактеристики середовища. Показано, що фотодинамічна дія, опосередкована взаємодією молекул фотосенсибілізаторів з киснем, призводить до появи в пухлині тонкого деструктуйованого шару, товщиною приблизно 1 мм, який відіграє важливу роль у руйнуванні пухлини. Під керівництвом Короткова П.А. розроблено принципи оптимізації параметрів КР-лідара для визначення якості атмосфери довкілля. Зокрема, теоретично та експериментально досліджено відносну частотну залежність взаємного ходу вихідної з середовища інтенсивності ліній комбінаційного розсіяння світла та коефіцієнта поглинання речовини в газовій фазі. Встановлено, що робочі частоти збудження спектрів КР при проведенні лідарної діагностики атмосфери треба брати такими, щоб вони знаходились на крилах смуг поглинання полютантів, які визначаються. Проаналізовано методику отримання інформації з мінімальною похибкою. Показано, що при імпульсному збудженні спектрів КР найефективнішими є фотоелектронні системи, які дозволяють здійснювати підрахунок фотонів у режимі стробування сигналу (ПФС) і синхронного накопичення заряду (СНЗ) фотоелектронних імпульсів ФЕП. Серед прикладних розробок застосування оптичного випромінювання в медичних технологіях, що розвиваються під керівництвом Короткова П.А., слід відзначити створення алгоритму діагностики контрастової чутливості зорової системи в офтальмології, спектрофотометричної методики визначення кольоростійкості зубних протезів. Важливе значення на кафедрі приділяється розробці нових методів та алгоритмів радіофізичної інтроскопії із застосуванням магніторезонансних, променевих та ультразвукових систем. Новосельцем М.К. та Судаковим О.О. розроблено модель магніторезонансної реконструкції в нестаціонарних неоднорідних магнітних полях. Проаналізовано можливості прискореної оптимальної реконструкції для різних фазових траєкторій у двовимірному та тривимірному k-просторі. Запропоновано новий алгоритм реконструкції, що дозволяє в ході магніторезонансного експерименту одночасно знаходити просторовий розподіл протонної густини та часів спін-спінової релаксації, скорочувати час діагностичного дослідження. Показано, що реконструйовані зображення мають підвищену роздільну здатність за рахунок відсутності релаксаційного розширення спектральних ліній. Новоселець М.К. та Радченко С.П. розробили метод поліхромної реконструкції медичних інтроскопічних зображень. Апробовано його застосування для візуалізації в магніторезонансній томографії та ультразвуковій інтроскопії. Метод продемонстрував високу діагностичну ефективність завдяки відображенню додаткової інформації про фізичні параметри досліджуваних тканин. Судаковим О.О. та Кононовим М.В. запропоновано метод надрозрізнення тривимірного розподілу ядерних спінів, промодульваного двовимірним розподілом функції часів спін-спінової та спін-граткової релаксації. Нетреба А.В. розробив новий метод реконструкції для комп`ютерної томографії, що дозволяє підвищити якість зашумлених зображень у рентгенівських, позитронних та емісійних томографічних системах. Для клінічної практики розроблено програмні засоби сегментації медичних зображень, автоматизованого визначення об`єму пухлин та інших виділених зон, визначення кількісних параметрів зображень (Кононов М.В., Судаков О.О.). Новим напрямом досліджень стала розробка фізичних моделей для інтерпретації статистичних властивостей відгуку біологічних середовищ, що становлять суттєву проблему в теорії і практичному застосуванні ЯМР томографії і УЗ інтроскопії. На основі моделі м’яких біологічних тканин як набору частинок, фізичні параметри яких змінюються випадковим чином, розроблено (Радченко С.П. , аспірантки Скрипаченко З.М. і Айдоян Г.В.) методику визначення характеристик середовища при зондуванні та розпізнавання патологічних станів тканин. Ще одним важливим напрямом є моделювання молекулярних структур. Зокрема, реалізовано програмні засоби для оптимізації процесу комп`ютерної розробки лікарських препаратів, спільно з Інститутом молекулярної біології та генетики НАН України розроблено методику оцінки параметрів ЯМР релаксометрії за результатами моделювання молекулярної динаміки, методами квантової хімії та молекулярної динаміки проведено дослідження ряду білогічно-активних сполук, білків, нуклеїнових кислот. Розробка нових інформаційних технологій та програмних засобів є одним з пріоритетних напрямів наукової роботи кафедри з часу її заснування. На основі результатів наукових досліджень (Новоселець М.К., Кононов М.В., Радченко С.П., Судаков О.О.) під керівництвом Новосельця М.К. та Кононова М.В у співдружності з НВП «Інтермаг» було розроблено програмно-технічні комплекси («Тиреоскан», «Нейроплан», «Телемаг»), що демонструвались на міжнародних виставках «Інтергоспіталь-97», «Інтергоспіталь-98» у м. Гановер, Німеччина. Розроблено алгоритм комп`ютерного моделювання хірургічних втручань при лікуванні захворювань головного мозку, що дозволяє засобами нейронавігації вибрати оптимальну траєкторію проникнення спеціального інструменту до зони оперативного впливу, забезпечити настроювання хірургічної системи. За даними магніторезонансного сканування конкретного пацієнта, оригінальними алгоритмами та засобами нейронавігації забезпечується точність наведення інструменту до внутрішніх структур мозку не гірше 1-2 мм. Для термодеструкції внутрішньомозкових пухлин ці засоби дозволяють проводити моделювання процесу термодеструкції з урахуванням характеристик лазерного дифузора, теплофізичних властивостей мозкових тканин, кровотоку. Було розроблено програмні засоби для роботи в галузі комп’ютерної та магніторезонансної томографії (Кононов М.В., Судаков О. О.), які використовуються у клінічних умовах. За ініціативою кафедри в Україні розгорнуто розробки телемедичних технологій та засобів їх забезпечення. Разом з НВП «Інтермаг» за фінансової підтримки Йельського Університету (США) створено Інформаційний центр телемедицини, розроблено оригінальні програмно-технічні засоби телемедичної допомоги, інформаційного забезпечення для інтегрованої діагностики в радіології. Активно досліджуються методи оптимізації накопичення, класифікації та передачі даних для потреб телемедицини (Кононов М.В., Судаков О.О.). Кафедра підтримує наукові зв`язки з провідними науковими установами України та світу, зокрема з Харківським університетом, Дніпропетровським університетом, університетами м. Гент (Бельгія), Мюнстер, Аахен, Франкфурт, Мюнхен (Німеччина), Ліон (Франція), Нормаль, Міріленд, Йель (США), Відень (Австрія). Видавнича діяльність кафедри.
|
||||||||||
© 2007, Радіофізичний факультет | Автори |