Projekti / Programi
Funkcije in tehnologije kompleksnih sistemov
01. januar 2004
- 31. december 2008
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.06.00 |
Tehnika |
Sistemi in kibernetika |
|
| 2.07.00 |
Tehnika |
Računalništvo in informatika |
|
| 2.10.00 |
Tehnika |
Proizvodne tehnologije in sistemi |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T111 |
Tehnološke vede |
Upodabljanje, obdelava podob |
| T121 |
Tehnološke vede |
Obdelava signalov |
kompleksni sistemi, tehnologije, obdelava in analiza slik, diagnostika in terapija, analiza gibanja, kontrola kakovosti izdelkov, statistična fizika, fizika mehke snovi, nanostrukture, membrane, sklopljeni oscilatorji, nelinearna in stohastična dinamika, modeliranje, regulacija krvnega pretoka, kardiovaskularni sistem, kavzalnosti in interakcije v anesteziji, biomehanika kolčnega sklepa
Raziskovalci (27)
Organizacije (2)
Povzetek
Teoretično, eksperimentalno in aplikativno raziskovanje zgradbe in funkcije živih (organizmov, organov, tkiv, celic, organel, membran in makromolekul) in neživih sistemov ter razvijanje postopkov in tehnologij, ki omogočajo oziroma izhajajo iz takšnega raziskovanja. Raziskovalno tematiko sestavljajo 4 sklopi:
I. Slikovne tehnologije
Avtomatska obdelava in analiza slik prodira na številna področja, med katerimi zaradi zahtev po natančnosti, zanesljivosti, ponovljivosti, hitrosti in avtonomnosti izrazito izstopata področji medicine in kontrole kakovosti v industriji. Temeljna naloga obdelave in analize slik v medicini je razpoznavanje in analiza anatomskih struktur in funkcij le-teh, v industriji pa avtomatsko vizualno pregledovanje surovin in izdelkov. Sistemi za obdelavo slik in videa pa se širijo tudi v manj nadzorovana okolja, kot so na primer video nadzorni sistemi in sistemi za analizo gibanja na področju športa. Raziskave bodo usmerjene predvsem v: 1) obdelavo in analizo biomedicinskih slik, ki so neprecenljiv vir informacij, ki je potrebna za odkrivanje, vrednotenje in razumevanje normalnih in bolezenskih stanj, za načrtovanje in izvedbo terapevtskih posegov ter spremljanje učinkov le-teh; 2) tehnologije za vizualno kontrolo izdelkov, ki so z optičnim brezkontaktnim zaznavanjem sposobni zajeti eno ali več slik, jih obdelati, analizirati, izmeriti različne značilnosti in sprejeti odločitve z namenom avtomatizacije ročne kontrole; 3) sledenje, analizo, razpoznavanje in razumevanje gibanja ter individualnih in skupinskih aktivnosti iz video posnetkov v podporo naprednim video nadzornim sistemom, prometnim sistemom, uporabniškim vmesnikom, televizijskim prenosom in analizi športnih dogodkov.
II. Nanostrukture
Nanostrukture iz tankih plasti predstavljajo pomemben sistem v tehnologiji in biologiji. V raziskavah se bomo osredotočili na naslednje raziskovalne naloge: 1) analiza stabilnosti organskih in anorganskih nanostruktur, ki bo zajemala razvoj enotne teorije za določanje stabilne konfiguracije tankih anizotropnih mikro in nanostruktur, ki izhaja iz enodelčne interakcije gradnikov z okolico. Izdelano teorijo bomo med drugim uporabili za analizo vpliva naboja in oblike molekul v sistemu in okolni raztopini na mikro in nano-vesikulacijo membrane, na stabilnost in velikost hidrofilnih mikro in nanolukenj v membrani ter za analizo stabilnosti heličnih struktur pri organskih in anorganskih nanocevkah in trakovih; 2) eksperimentalni in teoretični študij vpliva detergentov na tvorbo in stabilnost membranskih nanostruktur; 3) študij elektrostatskih lastnosti organskih in anorganskih nanostruktur.
III. Kompleksni dinamični sistemi
Razvijali bomo orodja za analizo in modeliranje kompleksnih dinamičnih sistemov. Ugotavljali bomo prostostne stopnje in naravo medsebojnih interakcij. Obravnavali bomo tako fizikalne, kot tudi biološke in tehniške sisteme. Osrednji cilj raziskav je zgradba sistema za diagnostiko različnih stanj kardiovaskularnega sistema (staranje, diabetes, po akutnem infarktu miokardija, srčno popuščanje, hipertenzija, rak, anestezija, šport) in matematični model obtoka krvi po ožilju, kot kompleksen dinamični sistem. Delo bo potekalo v okviru petih tematskih področij: 1) metode za analizo dinamike kompleksnih sistemov; 2) modeliranje kompleksnih sistemov; 3) mehanizmi regulacije krvnega pretoka; 4) dinamične spremembe kardiovaskularnega sistema in 5) kavzalnosti in interakcije v anesteziji.
IV. Biomehanska analiza rentgenskih slik okolčja v ortopedski klinični praksi
Na področju biomehanike smo v dosedanjih raziskavah razvili model za neinvazivno ocenjevanje sil in napetosti v kolku na podlagi antero-posteriornih (AP) rentgenskih posnetkov okolčja. V nadaljevanju se bomo osredotočili na naslednje naloge: 1) preučitev dolgoročnega vpliva povišanih tlačnih napetosti v kolčni sklepni plasti pri bolnikih s kolčno displazijo na razvoj artroze; 2) matematično modeliranje porazdelitve tlačnih napetosti v k
Pomen za razvoj znanosti
I. OBDELAVA IN ANALIZA MEDICINSKIH SLIK Za namen slikovno podprtih posegov v medicini smo razvili in validirali nove postopke poravnave 3D CT in MR z 2D rentgenskimi slikami. Razvili smo natančnejšo metodo poravnave slik, ki temelji na simetrični soodvistnosti slik. ter protokole za objektivno vrednotenje mer podobnosti za togo in netogo poravnavo slik. Razvili smo nove postopke za odpravljanje svetlostnih nehomogenosti magnetno-resonančnih (MR) in mikroskopskih slik in nove postopke za avtomatsko analizo MR in CT slik hrbtenice, ki omogočajo prikazovanje in objektivno vrednotenje ukrivljenosti hrbtenice in rotacije vretenc v 3D. Opravili smo številne študije vpliva izgubne kompresije na različne postopke analize rentgenskih slik in ugotovili številne pomanjkljivosti in nepravilnosti pri uporabi izgubne kompresije slik. II. VIZUALNA KONTROLA IZDELKOV Razvili smo postopke strojnega vida za poravnavo, razgradnjo in analizo slik tablet in kapsul ter njihovo sortiranje v realnem času. Razvili smo postopke za vrednotenje kakovosti in sortiranje LED diod ter za vizualno kontrolo geometričnih in fotometričnih lastnosti gradbenih plošč. III. ORGANSKE IN ANORGANSKE NANOSTRUKTURE Kot prvi smo z elektronskim mikroskopom opazovali tvorjenje valjastih nanovesiklov celične membrane. Predlagali smo, da je rast tankih valjastih membranskih izrastkov posledica anizotropnih lastnosti membranskih sestavin in vgrajenih molekul detergenta. Razvili smo enotno teorijo stabilnosti membranskih nanostruktur. Pokazali smo, da je stabilnost tubularnih membranskih nanostruktur povezana z lateralno segregacijo membranskih komponent. Kot posledico anizotropije membrane smo teoretično pojasnili opažene nezvezne prehode med unduliranimi oblikami organskih nanotub. Teoretično smo opisali zavite oblike kolabiranih anorganskih nanotub. Ugotovili smo, da adhezija med fosfolipidnimi membranami, posredovana z molekulami proteinov v okolni raztopini, lahko prepreči vesikulacijo membrane tako, da privede do adhezije izrastka na membrano. Teoretično smo študirali vlogo nanopartiklov z notranjo porazdelitvijo naboja pri posredovanju interakcije med membrano hčerinskega vesikla in matično membrano. Kot prvi smo izdelali fizikalno teorijo, ki upošteva končne razdalje med posameznimi naboji znotraj nanopartikla. Teoretične napovedi smo eksperimentalno preverili s študijem interakcij med naelektrenimi membranami liposomov. IV. KOMPLEKSNI DINAMIČNI SISTEMI Z valčno transformacijo smo posplošili bispektralno analizo ter določanje fazne koherence časovnospremenljivih oscilatornih procesov. Parametre nelinearnih stohastičnih modelov smo identificirali z metodo, ki temeji na Bayesovem pravilu, parametre fazne sklopitve med nelinearnimi stohastičnimi oscilatorji pa z metodo na osnovi Markovske analize. Vpeljali smo metodo za določanje smeri sklopitev med oscilatorji ter metodo za preverjanje asimetrije v sklopitvah z uporabo surogatov. Pokazali smo, da obstaja šesta oscilatorna komponenta, ki je odvisna od endotelne aktivnosti. S študijem vpliva lokalne anestezije smo potrdili, da se aktivnost simpatičnega živčevja odraža na frekvenčnem območju 0.04Hz. Potrdili smo vpliv fizične aktivnosti na miogeno aktivnost. Pokazali smo, da je dihanje vodilni oscilator. Analizirali smo dinamiko kardiovaskularnega sistema zdravih oseb in bolnikov s kardiovaskularnimi obolenji. Pokazali smo, da se jakost in smer sklopitve spreminjata v različnih stanjih kardiovaskularnega sistema, kot tudi v odvinosti od globine anestezije. S kliničnimi študijami smo ugotovili številne spremembe v oscilatornih komponentah in njihovih interakcijah pri kardiovaskularnih obolenjih. Bolniki po akutnem infarktu miokadija imajo zmanjšan pretok skozi ožilje, čeprav ni vidnih kliničnih znakov srčnega popuščanja. Ugotovili smo, da valčna analiza spremenljivosti srčnega ritma pokaže spremembe pri diabetičnih bolnikih še pred kliničnimi znaki.
Pomen za razvoj Slovenije
1. PREPOZNAVNOST SLOVENIJE NA ZNANSTVENO-RAZISKOVALNEM PODROČJU V obdobju 2004-2008 so člani programske skupine objavili 115 člankov v revijah s faktorjem vpliva. Objavili so 127 izvirnih znanstvenih člankov (1.01), 7 preglednih znanstvenih člankov (1.02) in 2 kratka znanstvena prispevka (1.03). V zgornji četrtini revij (A1) je bilo objavljenih 58 (50%) člankov. Skupina je v povprečju objavila 23 člankov na leto, oz. 10 člankov/leto/1FT. Na mednarodno vpetost raziskav kažejo številne publikacije v soavtorstvu z raziskovalci iz 12 držav in 26 različnih inštitucij. Število čistih citatov v zadnjih 5 letih je bilo1456. Število in kvaliteta člankov sta se odražali v: a) članstvu v uredniških odborih 8 mednarodnih revij, b)predsedovanju odboru za biomedicinske aplikacije mednarodnega združenja IAPR, c) projektih za Philips Medical Systems in ameriški InspireWorks ter svetovanju za multinacionalko Stryker, c) projektoma BRACCIA (A. Stefanovska koordinatorka) in GIACS 6OP, d) 2 COST projektih in 7 bilateralnih projektih, e) članstvu v organizacijskih in programskih odborih mednarodnih konferenc in f) predavanjih na uglednih tujih univerzah, evropskem patentnem uradu ter v podjetjih Siemens Medical Solutions ZDA in Kitajska, Philips in BrainLab. 2. VZGOJA KADRA IN NOVA ŠTUDIJSKA SMER V okviru programske skupine se je usposabljalo in usposobilo 24 doktorjev znanosti in 13 magistrov. Velika večina se je po usposabljanju zaposlila v industriji in UKC. Tudi na osnovi kvalitetnih raziskav in vzgoji kadra smo na Fakulteti za elektrotehniko, skupaj s skupino prof. Miklavčiča, ustanovili katedro za biomedicinsko tehniko in študijsko smer biomedicinska tehnika na 2. stopnji študija elektrotehnike. 3. PRENOS ZNANJA IZ AKADEMSKEGA OKOLJA V INDUSTRIJSKO Raziskovali in razvijali smo avtomatske sisteme za vizualno kontrolo kakovosti izdelkov za podjetja Lek, Krka, Iskraemeco, Eta Cerkno, Trimo, Sensum, Hmeljarski inštitut in Zavod za varovanje zdravja. Razvite naprave in orodja pomagajo podjetjem pri izdelavi kakovostnejših in cenejših izdelkov in storitev, s katerimi lahko konkurirajo, obdržijo oz. povečajo delež na zahtevnem svetovnem trgu in povečajo dodano vrednost. Za uspešen prenos znanja v industrijsko okolje smo nekateri člani programske skupine v okviru Tehnološkega parka Ljubljana ustanovili visokotehnološko podjetje SENSUM, ki razvija in trži sisteme z računalniškim vidom za kontrolo izdelkov v farmacevtski industriji. SENSUM se tudi s pomočjo uspešnega sodelovanja s programsko skupino razvija v vodilno podjetje na svetu za vizualno kontrolo kakovosti tablet. 4. PRENOS ZNANJA IZ AKADEMSKEGA OKOLJA V MEDICINSKO Philips Medical Systems je odkupil postopek za odpravljanje svetlostnih nehomogenosti v MR slikah. Za isti postopek je zaprosila tudi ustanova National Institute of Health, ZDA. Za Philips smo razvili algoritem za povezovanje segmentov debelega črevesa na CT slikah, ki se lahko uporabi v virtualni kolonoskopiji. Ocenjevanje kolčnega sklepnega tlaka uporabljajo na ortopedski kliniki v Ljubljani pri načrtovanju zdravljenja, pri odločitvah o operativnem zdravljenju in pri izbiri vrste operacije. Metoda je preprosta in ne predstavlja dodatne obremenitve za bolnike. Merilni sistem CARDIOSIGNALS je v uporabi na dveh oddelkih UKC. Nadgrajujemo ga v inovativni sistem za določanje globine anestezije. Rezultati raziskav na področju membranskih nanostruktur so uporabni pri iskanju učinkovitih, na molekularnem in celičnem nivoju zasnovanih, metod pri zdravljenju rakastih obolenj ter pri reševanju perečih ekoloških problemov v zvezi z detergenti v našem morju in rekah. 5. PRENOS ZNANJA IZ AKADEMSKEGA OKOLJA V ŠPORT Analiza športnih posnetkov v namene analize športnih dosežkov ter raziskovanja zakonitosti, ki krojijo uspeh športnikov, lahko koristijo našim vrhunskim športnikom v individualnih in skupinskih športih. Tesno sodelujemo s Fakulteto za šport pri analizi gibanja rokometašev, košarkašev in igralcev squasha med tekmo oz. treningo
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
