Создание математических методов и вычислительных алгоритмов для реконструкции функциональной структуры человеческого тела по данным многоканальных измерений

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-11-00178

НазваниеСоздание математических методов и вычислительных алгоритмов для реконструкции функциональной структуры человеческого тела по данным многоканальных измерений

Руководитель Устинин Михаил Николаевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша Российской академии наук" , г Москва

Конкурс №28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-205 - Математические модели в науках о живом

Ключевые слова энцефалография, кардиография, миография, анализ многоканальных спектров, распознавание паттернов поля, распределение источников поля, неинвазивная функциональная диагностика

Код ГРНТИ27.35.43

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В основе многих методов медицинской диагностики лежит измерение внешних электрических и магнитных полей, производимых электрическими источниками внутри человеческого тела. Регистрация и анализ таких полей в энцефалографии, кардиографии, миографии позволяют исследовать различные системы и делать выводы о тех или иных аномалиях в их работе. При этом, как правило, изучаются отклики на различные стимулы (за исключением кардиографии). Авторами проекта были заложены методические основы анализа спонтанной активности различных систем по данным многоканальных внешних измерений, подана заявка на патент США. Предложенный подход был успешно апробирован при анализе спонтанной активности головного мозга человека, в 2014-2015 гг. опубликованы статьи в международных журналах. В 2014 году результаты по функциональной томографии мозга, полученные с помощью предложенного метода, вошли в число избранных проектов РФФИ по разделу «Инфокоммуникационные технологии и вычислительные системы» (http://www.rfbr.ru/rffi/ru/best_projects/n_607). Научная новизна: В 2015 году были получены прорывные научные результаты, открывающие новые возможности для развития электрофизиологии и функциональной диагностики. Экспериментально обнаружено, что организм человека генерирует спонтанные поля, достаточные для реконструкции пространственного распределения источников. С помощью предложенного нами метода были восстановлены трехмерные функциональные структуры головы, сердца и руки человека по производимым ими магнитным полям, без каких-либо внешних воздействий. Актуальность: Метод может применяться к анализу электрических и магнитных полей, что позволяет ставить вопрос о создании принципиально новых диагностических систем, показывающих области аномально высокой или подавленной активности нервной или мышечной систем. Изменения активности могут быть связаны с теми или иными патологическими процессами и указывать на необходимость применения других диагностических методов. Таким образом, предложенный метод открывает принципиально новые возможности для развития медицинской функциональной диагностики. В настоящем проекте будут созданы методы и программы для реконструкции функциональной структуры человеческого тела по многоканальным временным рядам, измеряемым в различных диагностических исследованиях, таких, как магнитная и электроэнцефалография, магнитная и электрокардиография, магнитная и электромиография.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Устинин М.Н., Масленников Ю.В., Рыкунов С.Д., Крымов В.А. Реконструкция функциональной структуры сердца человека по малоканальной магнитной кардиограмме Математическая биология и биоинформатика, Т. 13. № 2. С. 392–401 (год публикации - 2018)
10.17537/2018.13.392

2. Устинин М.Н., Рыкунов С.Д., Бойко А.И., Маслова О.А., Волтон К.Д., Линас Р.Р. Оценка направлений элементарных источников альфа-ритма методом функциональной томографии мозга человека по данным магнитной энцефалографии Математическая биология и биоинформатика, Т. 13. № 2. С. 426-436 (год публикации - 2018)
10.17537/2018.13.426

3. Устинин М.Н., Рыкунов С.Д., Поликарпов М.А., Юреня А.Ю., Наурзаков С.П., Гребенкин А.П., Панченко В.Я. Реконструкция функциональной структуры кисти руки человека по магнитной миограмме Математическая биология и биоинформатика, Т. 13. № 2. С. 480–489 (год публикации - 2018)
10.17537/2018.13.480

4. Рыкунова Е.Д., Рыкунов С.Д., Бойко А.И., Устинин М.Н. Программный комплекс для анализа данных магнитной энцефалографии методом виртуальных электродов Доклады Международной конференции “Математическая биология и биоинформатика”, Том 7 (год публикации - 2018)
10.17537/icmbb18.91

5. Устинин М.Н., Рыкунов С.Д., Рыкунова Е.Д., Бойко А.И. Методы изучения локальных свойств функциональной структуры человеческого тела Интеллектуализация обработки информации: Тезисы докладов 12-й Международной конференции, с. 156-157 (год публикации - 2018)
10.30826/IDP201871

6. Рыкунов С.Д., Устинин М.Н. RECONSTRUCTION OF THE FUNCTIONAL STRUCTURE OF COMPLEX SYSTEMS BY THE MASSIVE SOLUTION OF THE INVERSE PROBLEMS XVII International Seminar MATHEMATICAL MODELS & MODELING IN LASER PLASMA PROCESSES & ADVANCED SCIENCE TECHNOLOGIES, с. 56 (год публикации - 2018)

7. Поликарпов М.А., Устинин М.Н., Рыкунов С.Д., Юреня А.Ю., Наурзаков С.П., Гребенкин А.П., Панченко В.Я. Study of anisotropy of magnetic noise, generated by magnetic particles in geomagnetic field Journal of Magnetism and Magnetic Materials, том 475, страницы 620-626 (год публикации - 2019)
10.1016/j.jmmm.2018.12.011

8. Рыкунов С.Д., Рыкунова Е.Д., Бойко А.И., Устинин М.Н. Программный комплекс «ВиртЭл» для анализа данных магнитной энцефалографии методом виртуальных электродов Математическая биология и биоинформатика, Т. 14, № 1, С. 340–354 (год публикации - 2019)
10.17537/2019.14.340

9. Недайвода И.В., Примин М.А., Масленников Ю.В. Algorithm for Analysis of Magnetocardiac Signals: The Principal Component Method Journal of Communications Technology and Electronics, Vol. 64, No. 12, pp. 1414–1421 (год публикации - 2019)
10.1134/S1064226919110196

10. Рыкунов С.Д., Устинин М.Н., Бойко А.И. Evaluation of directions of the magnetic field sources by the method of functional tomography MMCP 2019. Book of Abstracts. EQUILIBRIA. Kosice. Slovakia, p.99 (год публикации - 2019)

11. Устинин М.Н., Рыкунов С.Д., Бойко А.И. Оценка направлений движения магнитных наночастиц методом функциональной томографии Математические методы распознавания образов: Тезисы докладов 19-й Всероссийской конференции с международным участием, г. Москва 2019 г. М.: Российская академия наук, с. 317-318 (год публикации - 2019)

12. Устинин М.Н. Реконструкция функциональной структуры человеческого тела по данным многоканальных измерений Международная конференция «Аналитические и численные методы решения задач гидродинамики, математической физики и биологии», посвященная 100-летию К. И. Бабенко (Пущино, 26–29 августа 2019г.). Тезисы докладов. М: ИПМ им. М.В.Келдыша РАН, сс. 156-159 (год публикации - 2019)

13. Рыкунов С.Д. Применение метода виртуальных электродов к анализу данных магнитной эцефалографии Международная конференция «Аналитические и численные методы решения задач гидродинамики, математической физики и биологии», посвященная 100-летию К. И. Бабенко (Пущино, 26–29 августа 2019г.). Тезисы докладов. М: ИПМ им. М.В.Келдыша РАН, сс. 128-130 (год публикации - 2019)

14. Линас Р.Р., Устинин М., Рыкунов С., Волтон К.Д., Рабелло Г.М., Гарсиа Д., Бойко А., Сычев В. Noninvasive muscle activity imaging using magnetography Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 117, no 9, pp. 4942-4947 (год публикации - 2020)
10.1073/pnas.1913135117

15. Устинин М.Н., Рыкунов С.Д., Бойко А.И., Маслова О.А. Реконструкция функциональной структуры мозга человека по данным электроэнцефалографии Математическая биология и биоинформатика, Т. 15. № 1. С. 106–117 (год публикации - 2020)
10.17537/2020.15.106

16. Рыкунов С.Д., Оплачко Е.С., Устинин М.Н. FTViewer Application for Analysis and Visualization of Functional Tomograms of Complex Systems Pattern Recognition and Image Analysis (год публикации - 2020)
10.1134/S1054661820040227

Публикации