Основные направления научных исследований
Развитие метода математического имитационного моделирования в области ядерной медицины (Virtual clinical trials) и его практическое применение в исследованиях, направленных на повышение диагностической точности однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ) и позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ).
Разработка программного комплекса «Виртуальная платформа для имитационных испытаний метода ОФЭКТ/КТ». Главными принципами развитого программного комплекса являются реалистичность цифровой модели «виртуального пациента», точность модели описания физических процессов визуализации, а также проведение имитационных испытаний, приближенных к клинической практике.
Проведение имитационных компьютерных испытаний с использованием программного комплекса «Виртуальная платформа для имитационных испытаний метода ОФЭКТ/КТ» в области ядерной онкологии, кардиологии и неврологии.
Фундаментальные исследования, направленные на развитие статистического метода для решения обратных некорректных задач реконструкции изображений с пуассоновскими данными. Разработка подхода на основе локальной статистической регуляризации.
Возможности применения искусственного интеллекта для обработки изображений в ядерной медицине.
Все исследования проводятся в сотрудничестве с врачами-клиницистами Национального медицинского исследовательского центра (НМИЦ) имени академика Мешалкина (Новосибирск) и НМИЦ кардиологии имени академика Чазова (Москва).
Виртуальная платформа для имитационных испытаний методов ядерной медицины
Важной частью лаборатории является развитый программный комплекс для имитационных испытаний в области ядерной медицины. Данный комплекс состоит из нескольких основных модулей.
Модуль создания цифровой модели пациента (фантома)
Данный модуль предназначен для создания «Виртуального пациента» по заданным параметрам. Применяется два подхода к созданию модели пациента:
1. на основе уравнений аналитической геометрии;
2. путём сегментации томографических изображений реального пациента.
Модуль генерирования «сырых» томографических (пуассоновских) данных
Целью данного модуля является получение «сырых» томографических данных, приближенных к клинической практике. Модуль выполняет функцию «Виртуального томографа» для созданного цифрового «виртуального пациента». Для получения «сырых» данных в эмиссионной томографии решается задача переноса гамма-излучения в веществе. В лаборатории применяется два наиболее распространённых метода решения задачи переноса излучения:
1. аналитический метод, основанный на решении дифференциальных уравнений переноса излучения;
2. статистических метод (метод Монте-Карло), основанный на прямом моделировании вероятностных процессов переноса излучения.
Модуль реконструкции трёхмерных изображений
Применяются статистические методы решения обратной некорректной задачи реконструкции 3D изображений «Виртуального пациента» из набора сгенерированных «сырых» томографических данных:
Модуль анализа томографических изображений
Так как проект лаборатории является мультидисциплинарным, необходимо создать способы оценки результатов, удобные для всех участников, поэтому был разработан модуль «полярная карта» для диагностики состояния левого желудочка сердца — стандарт при проведении исследований в ядерной кардиологии.
Партнёры лаборатории
1. Денисова Н.В. Математическое имитационное моделирование в ядерной медицине для оптимизации диагностической точности метода ОФЭКТ/КТ Медицинская физика 2023 №3 с. 45-62 DOI: 10.52775/1810-200X-2023-99-3-45-62
2. Н.В. Денисова, М.А. Гурко, С.М. Минин, Ж.Ж. Анашбаев, А.А. Жеравин, Е.А. Самойлова, С.Э. Красильников Возможности компьютерного моделирования опухолевого поражения легких при сравнении с данными ОФЭКТ/КТ с 99mТс-МИБИ Сибирский онкологический журнал 2023 22 14-25 doi: 10.21294/1814-4861-2023-22-2-14-25
3. Natalya Denisova, Marina Ondar, Hunor Kertesz & Thomas Beyer Development of anthropomorphic mathematical phantoms for simulations of clinical cases in diagnostic nuclear medicine, Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering: Imaging & Visualization, 2023 DOI: 10.1080/21681163.2022.2074308
4. Денисова Н.В. Вычислительные фантомы для медицинской радиологии // Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2022. Т. 67. № 6. С. 51–61. DOI:10.33266/1024-6177-2022-67-6-51-61
5. Гурко МА, Денисова НВ. Моделирование сбора “сырых” проекционных данных в однофотонной эмиссионной компьютерной томографии. Журнал технической физики. 2022;92(5):747. doi:10.21883/JTF.2022.05.52381.264-21
6. Нестерова АВ, Денисова НВ. “Подводные камни” на пути количественной оценки тяжести онкологических поражений в диагностической ядерной медицине. Журнал технической физики. 2022;92(7):1018. doi:10.21883/JTF.2022.07.52659.331-21
7. Prigarin S.M., Mironova D.E. Monte Carlo simulation of ring-shaped structures of laser pulse radiation scattered in atmospheric clouds and water media. Numerical Analysis and Applications, 2022, Vol. 15, No. 3, P.247–255 https://doi.org/10.1134/S1995423922030065
8. Evgeniya G. Kablukova and Sergei M. Prigarin "Monte Carlo study of lidar returns depending on the cloud optical depth", Proc. SPIE 12780, 29th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, 127801A (17 October 2023); https://doi.org/10.1117/12.2690819
9. N. Denisova, P. Ruzankin, Y. Lim Statistical approach to inverse problems in emission tomography with Poisson data AIP Conf Proceed 2021 2351 030022 doi: 10.1063/5.0052103
10. I. P. Kolinko, N. V. Denisova DEVELOPMENT OF THE "POLAR MAP" METHOD IN NUCLEAR CARDIOLOGY 2021 AIP Conference Proceedings 2351(1):040015 DOI: 10.1063/5.0052252
11. Колинко ИП, Денисова НВ, Аншелес АА. Математическое моделирование нарушений перфузии миокарда, диагностируемых методом однофотонной эмиссионной компьютерной томографии. Журнал технической физики. 2020;90(9):1496. doi:10.21883/JTF.2020.09.49681.401-19
12. H Kertesz , N Denisova M Ondar J Cal-Gonzalez I Rausch P Schaffarich T Beyer GATE Monte Carlo simulation model of the Symbia Intevo SPECT/CT system Nuklearmedizin 2020; 59(02): 148 DOI: 10.1055/s-0040-1708305 Nuklearmedizin International Standard Serial Number (ISSN): 00295566
13. Denisova NV, Ansheles AA, Sergienko VB, Kertész H, Beyer T, Колинко ИП. Artefacts reduction in cardiac spect images by using a novel reconstruction algorithm maximum a posteriori with local regularization. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 2019;46(S1):S62-S63.
14. Denisova N. Bayesian Maximum-A-Posteriori Approach with Global and Local Regularization to Image Reconstruction Problem in Medical Emission Tomography. Entropy. 2019;21(11):1108. doi:10.3390/e21111108
15. Аншелес АА, Дворянчиков АВ, Денисова НВ, Сергиенко ВБ. Фантом левого желудочка сердца для изучения очаговых и диффузных нарушений миокардиальной перфузии по данным однофотонной эмиссионной компьютерной томографии с КТ-коррекцией. Медицинская физика. 2019;83(3):51-59.
1. Заведующий лабораторией: д.ф.-м.н., профессор Денисова Наталья Васильевна,
NVDenisova2011@mail.ru2. Ведущий научный сотрудник: д.ф.-м.н., профессор Пригарин Сергей Михайлович, sergeim.prigarin@gmail.com
3. Старший научный сотрудник: к.ф.-м.н., доцент Рузанкин Павел Сергеевич, ruzankin@math.nsc.ru
4. Младший научный сотрудник: Гурко Михаил Адамович, m.gurko@g.nsu.ru
5. Лаборант: Колинко Инна Павловна, kiina131313@gmail.com
6. Лаборант: Нестерова Ангелина Витальевна, angelka.nesterova.99@mail.ru