Міністерство освіти та науки України ДВНЗ Ужгородський національний університет Факультет інформаційних технологій Кафедра інформаційних управляючих систем та технологій тема дипломної роботи на здобуття освітнього ступеня магістра : КОМП ЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ 3D- СТРУКТУРИ БІОЛОГІЧНОЇ ТКАНИНИ Доповідач : Боярищева Надія Василівна Науковий керівник : д. фіз.- мат. н., проф. Завілопуло А. М.

ВСТУП Моделюванню біологічних систем приділяється особлива увага. Є багато різних наукових програм, які фінансуються на державному рівні. В якості прикладу можна назвати міжнародний науковий проект «Блакитний Ген». Це спроба створити синтетичний мозок за допомогою реверсивної інженерії мозку на молекулярному рівні. Для здійснення цього проекту використано спеціальне програмне забезпечення, яке моделює не просто штучну нейронну мережу, а включає в себе біологічно реалістичну модель нейронів. Розробники проекту сподіваються, що в кінцевому підсумку відтворена модель дозволить пролити світло на природу людської свідомості. 2 2

Мета роботи : Мета роботи : Дослідити проблеми, що виникають при комп'ютерному моделюванні біологічних систем. Зробити аналіз програмних продуктів компютерного просторового 3D моделювання, які придатні для моделювання біологічних обєктів. Дослідити основні моделі, що використовують проектуванні моделі біологічних систем. Магістерська робота складається з трьох розділів: Моделі проектування біологічних обєктів; Огляд програм для 3D - моделювання; 3D - моделі для біологічної тканини. 3 3

Основні моделі для проектування біологічних тканин Механічні моделі сутність полягає в концепції математичні теорії адаптації й ґрунтуються на рівнянні, що описує еволюцію кісткової структури, використовуючи як поточну кісткову структуру та її механічний стан Моделі за обєктами моделювання до яких входять: Моделі на клітинному рівні, базуються на експоненціальній функції. Моделі окремих ділянок та видів кісткової тканини. встановлення зв'язку між зміною механічної властивості кісткової тканини, ураженої раком зі змінами які відбуваються за віком. Модель метаболізму лужноземельних елементів, враховує зміни структури кісткової тканини та нерівномірність розподілу елементів в кістковій тканині. Терапевтичні моделі патології кісткової тканини. описують реакцію кістки на вплив різних препаратів. Моделі, які використовують метод кінцевих елементів. модель попереку стегнових, тазових, променевої кісток (розрахунки міцності синтезованих різними методами кісток в умовах остеопорозу), протезів зубів. Модель прогнозування повітропроникності трикотажу теоретична модель, яка враховує фізичні явища (аеродинаміку) повітря при його проходження через трикотаж, перевага цієї моделі в тому, що вона з успіхом може використовуватися при моделюванні процесів, що відбуваються в біологічних тканинах в тому числі в людський шкірі

ПРОГРАМИ 3D-МОДЕЛЮВАННЯ Програми для широкого кола користувачів (Компас-3d, blender, Open Scad, wings 3d) – безкоштовні програми, навичками роботи з ними може оволодіти користувач без спеціальної кваліфікації. Професійна графічна комп'ютерна програма 3d Studio Max – лідер ринку програмного забезпечення для тривимірного моделювання, анімації і візуалізації. Програми, які придатні для 3d моделювання біологічних систем: Mimics - спеціальна програма, призначена для обробки даних КТ, МРТ, мікро-КТ, КЛКТ, 3D Узі, тощо. Comsol Multiphysics - це комплексне інтегроване середовище для моделювання фізичних і біологічних процесів

Схема роботи прикладного режиму програмного пакета Comsol Multiphysics 6 6 6

Розробка 3D- моделі для біологічної тканини молочної залози програмою Comsol Multiphysics Проектування Скриншот процесу зовнішнього обчислення вигляду моделі Процес обчислень 7 7 7

Результати розрахунку розподілу температури від коефіцієнта теплопровідності молочної залози 8 8 8

Вибір базових точок температури поверхні молочної залози A - кут 90°, B - кут 45°, C - кут 5° Скриншот результату вибору базових точок, де A - кут 90°, B - кут 45°, C - кут 5° 9 9 9

Результат розрахунку розподілу температури від базових точок 10

Побудова 3D – моделі за даними експерименту з урахування коефіцієнту теплопровідності 11

Вибір початкових даних для проведення чисельного експерименту область моделі / параметр біологічної тканини ШкіраМолочна залозаЖирова тканина k 1 (Вт/м о С) 0,20,350,45 k 2 (Вт/м о С) 0,20,30,4 k 3 (Вт/м о С) 0,30,40,5 С 1 (Дж/кг м 3 ) С 2 (Дж/кг м 3 ) С 3 (Дж/кг м 3 )

Результати порівняння даних чисельного моделювання з експериментальними даними 13

Висновки Зроблено аналіз та досліджені основні моделі, які використовуються при проектування біологічних обєктів, зокрема, механічні моделі, за обєктами моделювання, також метод створення скінчено-елементних моделей довгих кісток, як приклад моделювання, розглянуто процес проходження повітря крізь трикотаж, який є аналогом шкіри людини. Огляд найбільш популярних програм для моделювання дав можливість зробити їх оцінку для 3D-моделювання. Наголошено, що найбільш універсальна Comsol Multiphysics, яка здатна моделювати фізичні, біологічні і інші процеси. Побудовано та описані інформаційні моделі системи автоматизованого проектування для моделювання динаміки теплових процесів в біологічних тканинах. Вивчено чисельні і математичні моделі динаміки перенесення тепла в біологічних тканинах. Проведено апроксимація експериментальних даних методом найменших квадратів, виконано чисельний розрахунок динаміки поширення температури в біологічній тканині і вивчено вплив фізичних параметрів біологічної тканини на розподіл температури в різних точках шкіри людини, зокрема молочної залози. Комп'ютерним моделюванням отримано розподіли температури в об'ємі біологічної тканини тіла людини, що являється перспективними для вимірювання теплових потоків тіла людини. За допомогою отриманих даних є можливість побудувати ізотермічні поверхні у біологічній тканині. Подальше вдосконалення тривимірної комп'ютерної моделі з включенням додаткових параметрів дасть можливість проводити розрахунки теплофізичних процесів у біологічних тканинах з врахуванням кровообігу та метаболізму. 14

Дякую за увагу! 15