Исследования
Изучение процесса развития эмбрионов
В качестве исследователя постдока, я участвовал в проекте посвященном изучению процесса развития эмбрионов. Основная идея работы понять детальнее как единственная клетка превращается в сложный биологический организм. Для изучения были взяты асцидии, поскольку их процесс развития предсказуем и имеет простую структуру. Форма эмбриона была описана с помощью сферической взвешенной трехмерной диаграммы Вороного. Такая диаграмма достаточно аккуратно моделирует форму клеточных мембран, но при этом имеет относительно небольшое количество параметров (пять параметров на каждую клетку в эмбрионе). Таким образом, эта модель проще других. Чтобы описать процесс развития во времени, параметры диаграмм Вороного были объединены в многомерные траектории. Эти траектории были изображены с помощью техник проектирования многомерного пространства на двухмерное. Затем, нейронная сеть была обучена, чтобы на основе имеющихся траекторий предсказать траекторию для нового эмбриона. Однако предварительные результаты показали плохую предсказуемость. Таким образом, необходимы дальнейшие доработка нейронной сети и изучение особенностей траекторий.
Оценка граничных условий для улучшения точности моделирования
Я успешно написал и защитил диссертацию в Страсбургском университете во Франции. Моя работа – это часть проекта HiPerNav, который посвящен созданию системы навигации для операций на печени. Тема моей работы посвящена оценке граничных условий вокруг печени для более точного моделирования её деформаций. Граничные условия играют существенную роль при моделировании деформаций механической модели. Однако, в случае печени, они представлены в основном связками, а также кровеносными сосудами и окружающими органами, свойства которых меняются от пациента к пациенту и не могут быть надежно измерены. Основная идея работы заключается в описании граничных условий в виде нелинейной системы масс-с-пружинками и оценке её параметров.
Сначала создается обобщенное начальное приближение граничных условий. Положение связок получается с помощью статистического атласа. Он был построен из набора моделей с обозначенными позициями связок с использованием метода диффеоморфного метрического отображения большой деформации, который доступен в программном обеспечении Deformetrica. Биомеханические параметры связок были получены с использованием имеющейся в литературе диаграммы деформирования и модуля оптимизации взятого из программы FEBio.
Следующий шаг — это оценка параметров пружин, основанная на деформациях модели связок, вычисленной в FEBio. И после, коррекция приближения всей системы (модель печени, а также связок представленных в виде пружин), которая использует данные, полученные с помощью медицинских изображений, сделанных во время хирургической процедуры. Обе процедуры (оценка и коррекция) были сделаны на базе нелинейного фильтра Калмана, доступного в плагине Optimus из программного комплекса SOFA.
Для оценки предложенного подхода были проведены эксперименты как на синтетических, так и на реальных данных. Полученные результаты показали более аккуратное моделирование деформаций в случаях, когда граничные условия скорректированы.
Ссылка на диссертацию:
Nikolaev S. Identification and characterization of boundary conditions for patient specific biomechanical simulation, 2021 Текст диссертации Презентация с защиты Плагин Optimus
Публикации
Полный список опубликованных работ:
-
Nikolaev S., Cotin S. Estimation of boundary conditions for patient-specific liver simulation during augmented surgery. International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery, Vol. 15, №. 7, pp. 1107-1115, 2020 Ссылка на журнал Ссылка на архив Ссылка на презентацию
-
Mendizabal A., Tagliabue E., Hoellinger T., Brunet J.-N., Nikolaev S., Cotin S. Data-driven simulation for augmented surgery. In: Development and Novel Approaches in Biomechanics and Metamaterials, Chap. 5, pp. 71-96, 2020 Ссылка на журнал Ссылка на архив
-
Teaniti A., Brunet J.-N., Nikolaev S., Wang C., Edwin B., Cotin S., Elle O.J. Use of stereo-laparoscopic liver surface reconstruction to compensate for pneumoperitoneum deformation through biomechanical modeling. 2020 Virtual Physiological Human Conference (VPH), pp. 1-2, 2020 Ссылка на архив
-
Nikolaev S., Peterlik I., Cotin S. Stochastic Correction of Boundary Conditions during Liver Surgery. 2018 Colour and Visual Computing Symposium (CVCS), IEEE, pp. 1-4, 2018 Ссылка на журнал Ссылка на архив
-
Николаев С.Н. Реализация взаимодействия между мягкими тканями и инородными телами с использованием модифицированной воксельной модели // Компьютерные инструменты в образовании. - 2013. - № 3. - С. 28-32. Ссылка на журнал Ссылка на архив (Английская версия)
-
Николаев С.Н. Нелинейная система масс-с-пружинками для моделирования больших деформаций мягких тканей // Научно-технический Вестник информационных технологий, механики и оптики. – 2013. – Вып. 5(87). – С. 88-94. Ссылка на журнал Ссылка на архив (Английская версия)
-
Николаев С.Н. Программный модуль для трехмерного моделирования хирургической операции по увеличению груди // Компьютерные инструменты в образовании. – 2012. – № 3. – С. 38-46. Ссылка на журнал
-
Адамская И.Л., Вишневский А.А., Мороз В.Ю., Антипов И.Г., Петров А.Г., Николаев С.Н. Компьютерное биомоделирование в реконструктивной хирургии молочных желез // Анналы пластической, реконструктивной и эстетической хирургии. – 2011. – № 2. – С. 44-48.
Ссылка на журналСсылка на каталог