Projekti / Programi
Numerično intenzivne metode v elektrotehniki in bioelektromagnetiki
01. januar 1999
- 31. december 2003
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.01.00 |
Naravoslovje |
Matematika |
|
| 2.06.00 |
Tehnika |
Sistemi in kibernetika |
|
| 1.07.00 |
Naravoslovje |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T190 |
Tehnološke vede |
Elektriško inženirstvo |
| B110 |
Biomedicinske vede |
Bioinformatika, medicinska informatika, biomatematika, biometrija |
| P170 |
Naravoslovno-matematične vede |
Računalništvo, numerična analiza, sistemi, kontrola |
| B115 |
Biomedicinske vede |
Biomehanika, kibernetika |
numerična metoda, bioelektromagnetika, diferencialna enačba, biomehanika, skeletna mišica, segmentacija biološkega tkiva, biomedicinska oslikava, biomedicinska tehnika, simulacija, vizualizacija, animacija, virtualna resničnost
Raziskovalci (7)
Organizacije (1)
Povzetek
Raziskovalni program obsega tiste znanstvene probleme s področja elektrotehnike in bioelektromagnetike, ki jih povezuje nujnost uporabe numerično intenzivnih metod. Med take probleme v svetu in pri nas uvrščamo natančne izračune porazdelitev električnih in elektromagnetnih polj znotraj bioloških tkiv zaradi eksternih virov, na primer bližine antene mobilnih telefonov. V bistvu z metodami numerične elektromagnetike učinkovito rešujemo sisteme parcialnih diferencialnih enačb eliptičnega, hiperbolskega ali parabolskega tipa, s katerimi opišemo elektromagnetna polja. Kadar moramo znotraj bioloških tkiv upoštevati pestro geometrijo, številne nehomogenosti drobnih struktur in anizotropne lastnosti tkiv v skladu z anatomijo, so numerični računi izredno zahtevni.Prvi sklop znanstvenih problemov predlaganega programa je izgradnja tridimenzionalnih modelov bioloških tkiv pri človeku. Diskretizacija modela naj bi temeljila na čimboljj avtomatizirani segmentaciji tkiv iz posnetkov, ki jih dobimo s slikanjem z računalniškim tomografom ali magnetno resonanco. Raziskali bomo originalne metode segmentacije, katere bodo temeljile na uporabi informacij, ki jih omogoča nacionalna baza digitaliziranega človeka (moškega in ženske). Podatkovno bazo bomo v kratkem (november 1998) pričeli vzpostavljati v Laboratoriju za numerične metode v elektrotehniki na Fakulteti za elektrotehniko Univerze v Ljubljani, kamor bomo inštalirali zmogljivo opremo. Drugi sklop znanstvenih problemov je vprašanje, kako pohitriti numerične izračune z uporabo originalnih algoritmov za metode končnih diferenc v časovni domeni. Podrobno bomo razvili in raziskali metodo iteracij na poddomenah. Učinkovitost izračunov bomo preverili na zmogljivem večprocesorskem sistemu, ki bo omočil tudi izračune z uporabno vrednostjo tako s področja splošne elektrotehnike kot bioelektromagnetike. Tretji sklop znanstvenh problemov obsega problem neinvazivnega merjenja biomehanskih lastnosti skeletnih mišic s senzornjem radialnega odmika trebuha mišic. Lastnosti mišic bomo analizirali iz časovnih odzivov na posamične ali tetanične električne dražljaje. Časovne odzive bomo analizirali z uporabo transformacije z valčki. Raziskali bomo kontraktilne lastnosti skeletnih mišic v odvisnosti od njihove strukture. S pomočjo numeričnih izračunov porazdelitve električnega polja na tridimenzionalnem modelu tkiva podkolenskega dela noge bomo optimizirali obliko, velikost in pozicijo stimulacijskih elektrod, ki so integralni del merilnega sistema. Četrti sklop povezanih problemov so numerično intenzivne metode pri simulaciji in vizualizaciji biofizikalnih pojavov. Fizikalni ali biološki sistem opišemo z matematičnim modelom, ki vsebuje obsežen sistem navadnih diferencialnih linearnih ali nelinearnih enačb. Znanstveni problem je izdelava takih numeričnih algoritmov, da je mogoče sproti spremljati in omejevati prostor v katerem so trajektorije spremenljivk stanja obsežnega dinamičnega sistema. Ob tem študiramo vplive sprememb parametrov modela. Postopke za vizualizacijo dinamičnih sistemov bomo uporabili za modeliranje temeljnih poskusov iz elektrike in magnetike, kakor tudi iz področja elektrofiziologije bioloških celic.
Pomen za razvoj znanosti
Raziskave numerično intenzivnih metod v elektrotehniki so v zadnjih letih eno izmed najbolj intezivno razvijajočih se znanstvenih področij. Izvedbe obsežnejših numeričnih izračunov elektromagnetnih polj se uvrščajo med velike izzive znanosti (Great challanges). Uveljavila se je nova znanstvena disciplina, ki so jo poimenovali numerična elektromagnetika (Numerical electromagnetics). Prvi sklop iz predlaganega programa je pomemben, ker je na področju biomedicinskih aplikacij nujna čimbolj avtomatizirana segmentacija bioloških tkiv in tvorjenje tridimenzionalnih modelov iz dvodimenzionalnih posnetkov. Doslej v svetovnem merilu problem tridimenzionalne segmentacije ni zadovoljivo rešen. Rešitev tega problema omogoča številne nove uporabe na področju diagnostike, poučevanja anatomije, načrtovanja kirurških posegov na virtualnem modelu človeka, načrtovanja selektivnega hipertermičnega zdravljenja in numerično dozimetrijo. Drugi sklop, pohitritev izračunov z algoritmi je v svetu trend, ki sledi razvoju zmogljivosti računalniške in programske opreme. Tretji sklop: v svetu je še nerešen problem optimizacije električne stimulacije bioloških tkiv. Reševanje tega problema je povezano z uspešnostjo raziskav iz prvih dveh sklopov. Četrti sklop; simulacija in vizualizacija trajektorij dinamičnih sistemov se uveljavlja kot znanstvena metoda za analizo in preučevanje kompleksnih linearnih in nelinearnih dinamičnih sistemov in na področju konceptualnega poučevanja naravoslovja.
Pomen za razvoj Slovenije
V Republiki Sloveniji že vrsto let potekajo raziskave na področju biomedicinske tehnike, biomedicinske informatike, sistemov in kibernetike. V svetu in pri nas se na tem področju v zadnjih letih intenzivirajo raziskave, ki temeljijo na uporabi zmogljivejših računalniških sistemov, uporabi informacijskih tehnologij in predvsem numerično intenzivnih metod v elektrotehniki in bioelektromagnetiki. Ta segment raziskav pri nas temelji na dolgoletni tradiciji in doslej pridobljenem znanju sodelavcev na predlaganem projektu. Sodelavci raziskovalnega programa so matematiki, fiziki, elektrotehniki, doktorji medicine in biologi. Tako sestavo raziskovalne skupine narekuje interdisciplinarnost programa. Za Republiko Slovenijo je zelo pomembno, da nadaljujemo z raziskavami predlaganega programa na področju, ki je aktualno, neposredno uporabno v elektroindustriji in medicini. O tem pričajo številne objave v tujih publikacijah ter mednarodna znanstvena in strokovna srečanja. Nujno je, da bomo v okviru predlaganega programa kar najučinkoviteje izkoristili obstoječo in novo zmogljivo raziskovalno opremo, ki bo dobavljena in v kratkem inštalirana na Fakulteti za elektrotehniko. Predlagan raziskovalni program je nadaljevanje projektov, ki jih je že doslej delno financiralo MZT, sofinancerji s strani uporabnikov (Mediconova, IRSR) in Evropska skupnost COST244, Tempus. Ker so bila dosedanja sredstva MZT skoraj 100% namenjena nabavi sodobne raziskovalne opreme, ker so raziskave aktualne in interdisciplinarne, in ker je v R Sloveniji pomembno industrijsko zaledje s področja elektrotehnike, telekomunijacij ter biomedicinske tehnike, predlagatelj meni, da je predlagane raziskave vredno ter smiselno podpreti.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo
