Изучение процесса развития эмбрионов

В качестве исследователя постдока я участвовал в проекте, посвящённом изучению процесса развития эмбрионов. Основная идея работы — более детально понять, как единственная клетка превращается в сложный биологический организм. Для изучения использовались асцидии, поскольку их развитие предсказуемо и характеризуется простой структурой. Форма эмбриона была описана с помощью сферической взвешенной трёхмерной диаграммы Вороного. Такая диаграмма достаточно аккуратно моделирует форму клеточных мембран, но при этом содержит относительно небольшое число параметров — пять параметров на каждую клетку в эмбрионе. Благодаря этому модель оказывается проще других подходов. Для описания динамики развития параметры диаграмм Вороного были объединены в многомерные траектории. Эти траектории визуализировались с применением методов, позволяющих спроектировать многомерное пространство на двухмерное. Затем нейронная сеть была обучена на основе построенных траекторий для предсказания траектории нового эмбриона. Однако предварительные результаты продемонстрировали высокую точность лишь для событий, связанных с делением клеток. Следовательно, требуется дополнительная доработка нейронной сети и углублённое изучение особенностей траекторий.

Оценка граничных условий для повышения точности моделирования

Я успешно написал и защитил диссертацию в Страсбургском университете во Франции. Моя работа являлась частью крупного проекта, направленного на разработку системы навигации для операций на печени. Тема моего исследования посвящена оценке граничных условий вокруг печени с целью повышения точности моделирования её деформаций. Граничные условия играют существенную роль при моделировании механических деформаций. Однако в случае печени они формируются преимущественно за счёт связок, а также кровеносных сосудов и окружающих органов, характеристики которых различаются у разных пациентов и не могут быть надёжно измерены. Основная идея работы состоит в представлении граничных условий в виде нелинейной системы масс-пружинок и последующей оценке её параметров.

На первом этапе формируется обобщённое начальное приближение граничных условий. Положение связок определяется с помощью статистического атласа, основанного на наборе моделей с обозначенными позициями связок. Для его построения использовался метод диффеоморфного метрического отображения большой деформации, реализованный в программном обеспечении Deformetrica. Биомеханические параметры связок рассчитывались с учётом имеющихся в литературе данных по диаграмме деформирования, а также с применением модуля оптимизации, взятого из программы FEBio.

На следующем этапе осуществляется оценка параметров пружин, основывающаяся на деформациях модели связок, вычисленных в FEBio. Затем формируется полная система - модель печени и представленные в виде пружин связки - и выполняется коррекция её начального приближения с использованием данных медицинских изображений, полученных во время хирургической процедуры. Оба процесса - оценка параметров и коррекция модели - реализованы с применением нелинейного фильтра Калмана, доступного в плагине Optimus из программного комплекса SOFA.

Предложенный подход был протестирован на синтетических и на реальных данных. Результаты экспериментов продемонстрировали более точное моделирование деформаций в тех случаях, когда граничные условия были 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

  1. 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

  2. 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

  3. 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

  4. 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

Моделирование деформаций взаимосвязанных слоёв мягких тканей и полимерного имплантата

Я окончил Санкт-Петербургский Государственный университет, где моя дипломная работа и последующие исследования были посвящены процедуре, моделирующей помещение имплантата или эспандера под мягкие ткани. Основная идея заключается в визуальном предсказании результата изменения формы тела, что поможет хирургам лучше уточнить потребности пациента. В случае реконструктивной хирургии модель также позволит оценить необходимый объём солевого раствора для эспандера и форму выращенного лоскута для трансплантации.

Деформация мягких тканей была смоделирована с помощью многослойной, нелинейной и анизотропной модели масс-пружинок. Её можно рассчитать эффективно, но она опирается на биомеханические свойства тканей. Размеры и объёмы имплантатов были взяты из имеющихся каталогов, а их асимметричная форма была получена применением метода деформации свободных форм.

В зависимости от используемых имплантатов, результаты показали общую схожесть получаемой формы при сравнении с реальными данными. Однако в большинстве случаев возникали визуальные ошибки и расхождения, вероятно из-за сложной природы поведения мягких тканей, которую необходимо принять во внимание.

Публикации

  1. 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)

  2. 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)

  3. 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

  4. 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 журнал Ссылка на каталог

Назад