buklet_v7_HIFU_Бут_ред

1. ИНСТИТУТ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МЕДИЦИНСКОЙ ФИЗИКИ

ПРОЕКТ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ М.В.ЛОМОНОСОВА
ИНСТИТУТ
ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
МЕДИЦИНСКОЙ ФИЗИКИ
Научный руководитель –
академик РАН
В.Я. Панченко
2019

2.

Основные направления деятельности
Оптическая, акустическая и терагерцовая бесконтактная диагностика и хирургия
Физические основы технологий регенеративной медицины: биорезорбируемые
структуры и материалы для тканевой инженерии, лазерная инженерия
соединительной ткани
Физические основы современных методов исследования, диагностики и терапии
нарушений в системе свертывания крови
Ударно-волновые методы в неинвазивной хирургии с использованием
высокоинтенсивного фокусированного ультразвука
Суперкомпьютерное моделирование в задачах медицинской физики: протеомика,
динамические модели и регуляция деления клетки, создание фармакологических
препаратов нового поколения с применением суперкомпьютерного поиска
молекулярных «мишеней»
Нано-биомедицинские исследования для целевой доставки фармпрепаратов и
биосенсорики
Применение цифровых аддитивных технологий в биомедицине
Диагностические магнитопольные методы: МРТ с гиперполяризованными ядрами,
сквид-магнитометрия
Фундаментальные проблемы ядерной медицины
Институт перспективных исследований медицинской физики
2

3.

НИР и проекты Института
НИР «Неинвазивные методы диагностики в медицинской физике»
17-29-02487 «Фундаментальное исследование влияния психоэмоционального состояния человека на
спектральные характеристики диагностического излучения терагерцового диапазона»
17-00-00270 «Мультиспектральная диагностика жидкостей организма с целью определения информативных
признаков социально-значимых заболеваний в терагерцовом диапазоне частот»
15-29-03895 «Новые методы прецизионной диагностики и моделирования биомеханического отклика при
интрастромальной коррекции формы роговицы»
18-29-02124 «Интеллектуальная лазерная система для лечения стеноза гортани»
19-02-00966 «Исследование механизмов биодеградации железооксидных наночастиц в живых клетках»
18-32-20166 «Исследование выживаемости клеточных культур под воздействием вторичной электронной
эмиссии, сопровождающей резонансное поглощение монохроматического гамма-излучения наночастицами
57Fe3O4»
18-08-01349 «Разработка системы компенсации геомагнитного поля для магнитной визуализации
функционирования периферической нервной системы человека»
18-00-00513 «Магнитоэнцефалографическое исследование пространственно-временных связей, возникающих
в коре головного мозга человека при осознании смыслов слов в процессах производства и восприятия речи»
18-74-10097 «Разработка антикоагулянтов нового поколения на основе ингибиторов факторов свертывания
крови Xa и XIa класса линеарно связанных и конденсированных функционально замещенных гидрохинолинов»
18-34-20026 «Гетерогенность структуры артериального тромба и ее (пато)физиологическая значимость»
17-00-00140 «Функциональная значимость апоптоза тромбоцитов в норме и патологии»
17-04-01309 «Биофизические механизмы регуляции системы клеточного гемостаза»
17-54-33034 «Фокальная терапия рака предстательной железы с помощью нетеплового разрушения
опухолевой ткани фокусированным ультразвуком»
Институт перспективных исследований медицинской физики
3

4.

Организации-партнеры
ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН (Москва)
НИЦ «Курчатовский институт» (Москва)
Первый Московский Государственный Университет им. И.М.Сеченова
Государственное Учреждение НИИ глазных болезней РАМН (Москва)
НМИЦ нейрохирургии имени академика Н.Н.Бурденко (Москва)
Центр физического приборостроения (Москва)
МНТК "Микрохирургия глаза" им. академика Святослава Фёдорова (тамбовский филиал)
МНТК "Микрохирургия глаза" им. академика Святослава Фёдорова (чебоксарский филиал)
Институт физики твердого тела Латвийского университета
Офтальмологический лазерный центр (Кострома)
Крымский Республиканский Центр реабилитации зрения (Республика Крым)
Институт физики им. Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси
University of Nottingham
Universite Aix-Marselle
University of Strasbourg
University of Amsterdam
University of Grenoble
U.S. F.D.A.
University of Washington
University Hospital of Cologne
Институт перспективных исследований медицинской физики
4

5. Нейромагнитные исследования: СКВИД-магнитометрия и 3D-визуализация Руководители: д.ф.-м.н. М.А. Поликарпов, н.с. А.Ю. Юреня

Институт перспективных исследований
медицинской физики
1
Нейромагнитные исследования:
СКВИД-магнитометрия и
3D-визуализация
Руководители:
д.ф.-м.н. М.А. Поликарпов,
н.с. А.Ю. Юреня
5

6.

Нейромагнитные исследования
Построение функциональной томограммы на основе анализа спонтанной активности различных
систем по данным многоканальных внешних измерений. Показано, что организм человека
генерирует спонтанные поля, достаточные для реконструкции пространственного распределения
их источников.
7-канальный СКВИД-магнитометр
Магнитоэкранирующая камера для
высокочувствительной СКВИД-магнитометрии
Институт перспективных исследований медицинской физики
6

7.

Нейромагнитные исследования
Институт перспективных исследований медицинской физики
7

8.

Нейромагнитные исследования
Электрическая функциональная
структура сжатого кулака,
реконструированная по
магнитной миограмме
Электрическая функциональная
структура сердца, реконструированная
по магнитной кардиограмме
Институт перспективных исследований медицинской физики
8

9.

Нейромагнитные исследования
Осуществлена пассивная трехмерная визуализация объема наночастиц
без использования внешних магнитных полей на основе магнитных измерений
Спектр магнитной
жидкости в чашке,
приложенной к
поверхности запястья
(синий) и
индивидуальный спектр
запястья руки (черный)
Продемонстрировано 200-кратная увеличение сигнала
b - спектр магнитокардиограммы сердца, измеренный на том же приборе
c - программная локализация источника магнитного шума по соотношению к
положению жидкости
Институт перспективных исследований медицинской физики
9

10.

Нейромагнитные исследования
Перспективы
Реконструкция электрической функциональной структуры тела человека по данным
неинвазивных внешних измерений
Трехмерная визуализация токовой активности сердца по данным
магнитокардиограммы
Функциональная диагностика человеческого тела по его магнитному полю
Разработка «томографа боли»
Пассивная визуализация магнитных наночастиц в живых системах для целевой
магнитной доставки лекарств
Институт перспективных исследований медицинской физики
10

11. Мультиядерная и гиперполяризационная магнитно-резонансная томография Руководители: д.ф.-м.н. Ю.А.Пирогов, н.с. О.С. Павлова

Институт перспективных исследований
медицинской физики
2
Мультиядерная и
гиперполяризационная магнитнорезонансная томография
Руководители:
д.ф.-м.н. Ю.А.Пирогов,
н.с. О.С. Павлова
11

12.

Мультиядерная и гиперполяризационная
магнитно-резонансная томография
Основные направления
Мультиядерная магнитно-резонансная томография и спектроскопия
Локальная спектроскопия ядерного магнитного резонанса
Разработка беспроводных катушек для магнитно-резонансной томографии
Гиперполяризационная МРТ
Cовместные исследования с факультетом фундаментальной медицины и биологическим
факультетом
Институт перспективных исследований медицинской физики
12

13.

Приборная база
Bruker Tomikon S50
Bruker AV-400WB
Bruker AV-600
Bruker BioSpec 70/30 USR
Лаборатория магнитной томографии и спектроскопии МГУ
Институт перспективных исследований медицинской физики
13

14.

Мультиядерная МР спектроскопия
H МРС
1
H МРС
2
PCr
31
P МРС
F МРС
19
γ-ATP
PME
α-ATP
β-ATP
Pi
PDE
Институт перспективных исследований медицинской физики
14

15.

Метод 19F МРТ
Улучшение контрастности опухолей
Визуализация легких
Диагностика желудочно-кишечного тракта (ЖКТ)
Определение очагов воспаления
Институт перспективных исследований медицинской физики
15

16.

Метод 23Na МРТ
Натрий – базовый элемент живого организма. Повышение его концентрации является
индикатором многих патологических состояний. 23Na МРТ – количественный метод,
позволяющий определять содержание натрия в тканях и органах in vivo.
а
б
H (a) и 23Na (б) MРТ
всего тела человека,
полученные на 0.5 Тл
МР томографе
1
Na MPТ головы крысы,
полученные на 7 Тл МР
томографе
23
Институт перспективных исследований медицинской физики
16

17. Разработка беспроводных РЧ катушек

а
б
в
T1-взвешенные изображения головного мозга
мыши в аксиальной (а), сагиттальной (б)
и коронарной проекции (в)
МР ангиография – сосуды головного мозга мыши
Институт перспективных исследований медицинской физики
17

18.

Визуализация сосудов
Сосуды головного мозга крысы
Сосуды нижних конечностей мыши
Пространственное разрешение:
Пространственное разрешение: 0.130 x 0.130 x 0.130 мм3
0.125 x 0.125 x 0.118 мм3
Общее время сканирования: 10 мин
Общее время сканирования: 12 мин
Институт перспективных исследований медицинской физики
18

19.

Визуализация брюшной полости лабораторной крысы
Пространственное разрешение: 0.150 x 0.150x 1.000 мм3
Общее время сканирования: 7 мин
Визуализация сердца лабораторной крысы
Пространственное разрешение: 0.430 x 0.500 x 2.000 мм3
Общее время сканирования: 4 мин
Институт перспективных исследований медицинской физики
19

20.

Визуализация внутренних органов лабораторной мыши
(легкие, сердце, печень, почки, желудок)
Без подавления сигнала жировой ткани
С подавлением сигнала жировой ткани
Пространственное разрешение: 0.6 x 0.3 x 1.2 мм3
Общее время сканирования: 6 мин
Без синхронизации по дыханию
Институт перспективных исследований медицинской физики
20

21.

Мультиядерная и гиперполяризационная
магнитно-резонансная томография
Перспективы
Развитие методик управления контрастом в магнитно-резонансной томографии
Поиск и апробация новых потенциальных контрастных агентов для МРТ
Разработка методов МРТ визуализации органов дыхания с помощью фторсодержащих
газовых смесей
Фторуглеродные соединения в биомедицинских исследованиях in vivo
Разработка беспроводных катушек для магнитно-резонансной томографии
Определение содержания кислорода в тканях in vivo методом 19F МРТ оксиметрии
Создание стабильного радикала как сигнал модулирующей частицы для метода 19F МРТ
Разработка метода 23Na МРТ для отслеживания изменений концентрации натрия в организме
Изучение накопления 2H маркерных соединений в опухолях и тканях лабораторных животных
Разработка методов гиперполяризационой МРТ с применением 129Xe и 83Kr
Институт перспективных исследований медицинской физики
21

22. Физические основы механизмов тромбоза Руководитель: д.ф.-м.н. М.А. Пантелеев

Институт перспективных
исследований медицинской
физики
3
Физические основы механизмов
тромбоза
Руководитель:
д.ф.-м.н. М.А. Пантелеев
22

23. Физические основы механизмов тромбоза

Исследование механизмов артериального и микрососудистого
тромбообразования на всех уровнях организации
Флуоресцентные и спектроскопические исследования
внутриклеточной сигнализации
Реология тромбоза и клеточная адгезия
Механизмы мембранных реакций свертывания крови
Поиск терапевтических мишеней и кандидатов на роль новых
антитромботических препаратов
Институт перспективных исследований медицинской физики
23

24.

Теория свертывания крови
Panteleev et al. Eur J Biochem 2002
Parunov et al. J Thromb Haemost 2011
Terentyeva et al. J Theor Biol 2015
Korneeva et al. J Biol Chem 2014
Kolyadko et al. PLOS ONE 2015
Panteleev et al. Biochem J 2004
Ovanesov et al. J Thromb Haemost 2005
Panteleev et al. FEBS J 2006
Panteleev et al. Biophys J 2006
Dashkevich et al. Biophys J 2012
Panteleev et al. Thromb Res 2015
Shibeko et al. BMC Syst Biol 2010
Ermakova et al. Pathophysiol
Haemost Thromb 2005
Ermakova et al. PLOS ONE 2009
Panteleev et al. Biophys J 2010
Balandina et al. Biophys J 2011
Kuprash et al. Biophys J 2018
Цикл наших работ, посвященных регуляции свертывания крови, предлагает новую
концепцию модульного строения системы свертывания, позволяющую
рассматривать дифференциальную регуляцию отдельных функций, а также новые
подходы к диагностике и лечению тромботических состояний.
Институт перспективных исследований медицинской физики
24

25.

Новые механизмы мембранно-зависимых
реакций свертывания крови:
FIB-SEM структура прокоагулянтного
тромбоцита из статьи на обложке журнала
(cover article).
(Podoplelova et al. Blood 2016; 128: 1745-55)
Институт перспективных исследований медицинской физики
25

26.

Гетерогенная структура артериального
тромба приводит к пересмотру
механизмов тромбообразования и
открывает новые перспективы в
лечении инфарктов
(Nechipurenko et al. Arterioscler Thromb
Vasc Biol 2019; 39: 37-47 )
Институт перспективных исследований медицинской физики
26

27.

Митохондриальный некроз в процессе гемостаза
Митохондриальный некроз: новый
механизм запрограммированной
смерти в ходе гемостаза
(Obydennyy et al. J Thromb Haemost
2016)
Институт перспективных исследований медицинской физики
27

28.

Функциональная активность тромбоцитов:
методы исследования нового поколения
Разработка новых подходов в диагностики
нарушений гемостаза позволяет и выявлять
заболевания, и оценивать риски
кровотечений, и контролировать терапию.
Направление исследований - проточноцитометрические методы оценки функции
тромбоцитов
Glycoprotein Ib (CD42b)
Glycoprotein IIb-IIIa (CD61)
Glycoprotein Ib-IIIa activation (PAC1)
Dense granule release (mepacrine)
α-granule release (CD62P)
Procoagulant activity (annexin V)
Size and shape change (FSC, SSC)
Ignatova et al. Vox Sang 2016; 110: 244-52
Suntsova et al. Int J Haematol 2017; 105: 841-848
Poletaev et al. Thromb Res 2018; 170: 156-164
Koltsova et al. Pediatric Res 2018; in press
Ignatova et al. Platelets 2018; in press
Институт перспективных исследований медицинской физики
28

29. Перспективы диагностики и терапии в гематологии

Разработка приборов и методов диагностик, препаратов и способов лечения
гематологических заболеваний
Разработка клеточных микроматриц для диагностики лимфопролиферативных
заболеваний
Загрузка лекарственных препаратов в эритроциты и создание фармакоцитовбиореакторов методами метаболической инженерии
Функциональная характеризация тромбоцитов методами проточной
цитометрии
Тромбодинамика – физические методы в диагностике нарушений свертывания
крови
Институт перспективных исследований медицинской физики
29

30. Методы и аппаратура для диагностики и лечения заболеваний системы крови Руководитель: к.ф.-м.н. А.А. Бутылин

Институт перспективных исследований
медицинской физики
4
Методы и аппаратура для диагностики
и лечения заболеваний системы крови
Руководитель:
к.ф.-м.н. А.А. Бутылин
30

31.

Клеточные микрочипы
для диагностики опухолевых заболеваний крови
Лейкозами (опухоли системы крови) болеют 30% детей с
онкологическими заболеваниями. Взрослое население: каждый
год лейкозами заболевает 25 из 100 тыс. человек.
Сохранить жизнь поможет лишь возможно
более ранняя диагностика, которую способна
обеспечить технология клеточных биочипов.
Институт перспективных исследований медицинской физики
31

32.

Метаболическая клеточная инженерия:
гибридные клетки биореакторы и универсальные носители
лекарственных препаратов
Создание целевых клеток
биореакторов (фармакоцитов) из
собственных эритроцитов
пациента и последующее
введение их обратно в кровь
больного
Клеточная «хирургия»: расчёт и
введение в эритроциты человека
фрагментов метаболических сетей из
других клеток или организмов
Институт перспективных исследований медицинской физики
32

33.

Тромбодинамика:
новые физические принципы в диагностике
нарушений в системе свертывания крови
Инсульт и инфаркт –
образование тромба в
крупном сосуде головы или
сердца, часто ведущее к
фатальным последствиям.
Физика тромбоза – автоволна в системе свертывания
крови, которая позволяет предвидеть
приближающуюся сосудистую катастрофу и
разрабатывать противосвертывающие препараты
нового поколения.
Институт перспективных исследований медицинской физики
33

34. Лазерная диагностика в офтальмологии Руководители: к.ф.-м.н. А.В. Ларичев, к.ф.-м.н. Н.Г. Ирошников

Институт перспективных исследований
медицинской физики
5
Лазерная диагностика в офтальмологии
Руководители:
к.ф.-м.н. А.В. Ларичев,
к.ф.-м.н. Н.Г. Ирошников
34

35. Лазерная диагностика в офтальмологии

Основные направления
Методы адаптивной оптики в офтальмологической диагностике
Персонифицированные оптические модели глаза
Терагерцовая диагностика роговицы
Селективная лазерная терапия сетчатки
Оптоакустический мониторинг при лазерной коагуляции сетчатки
Институт перспективных исследований медицинской физики
35

36. Подходы к созданию адаптивной офтальмологической системы

Институт перспективных исследований медицинской физики
36

37. Результаты клинического применения макета ОА для фотографирования глазного дна

Сосуды сетчатки при диабете.
Обычная фундус-камера
Та же сетчатка.
Система адаптивной оптики
Институт перспективных исследований медицинской физики
37

38.

Лазерная диагностика в офтальмологии
Перспективы
Системы АО могут применяться в лазерных сканирующих
офтальмоскопах, оптико-когерентных томографах, для проведения
исследований на клеточном уровне разрешения.
Перспективны их применения и для селективной терапии сетчатки,
фундаментальных исследований функций сетчатки при стимулировании
отдельных фоторецепторов.
Институт перспективных исследований медицинской физики
38

39. Построение персонифицированных оптических моделей глаза с использованием лазерной аберрометрии

0.2 mm
Построение персонифицированных оптических моделей
глаза с использованием лазерной аберрометрии
CCD
Sample
Hartmanogram
7.85 mm
Lenslet
Array
Такие модели позволяют учесть индивидуальные особенности глаза
при проведении рефракционных операций,
имплантации интраокулярных линз
Институт перспективных исследований медицинской физики
39

40. Терагерцовая диагностика заболеваний роговицы

Метод позволяет непосредственно
измерять степень гидратации роговицы и
состояние слезной пленки. Такие новые
методы диагностики чрезвычайно
полезны при мониторинге синдрома
сухого глаза.
Институт перспективных исследований медицинской физики
40

41. Оптоакустический мониторинг при лазерной коагуляции сетчатки

Метод позволяет измерять поглощение
в выбранной точке глазного дна для планирования
лазерной коагуляции и получения коагулятов заданного типа
Институт перспективных исследований медицинской физики
41

42. Терагерцовая бесконтактная диагностика психоэмоционального состояния человека Руководитель: к.ф.-м.н. Е.Е. Берловская

Институт перспективных исследований
медицинской физики
6
Терагерцовая бесконтактная диагностика
психоэмоционального состояния человека
Руководитель:
к.ф.-м.н. Е.Е. Берловская
42

43.

Объективная (психофизиологическая) диагностика
психоэмоциональных состояний человека (ПЭС) является
крайне актуальной и социально значимой задачей в
различных сферах деятельности:
Эксплуатация техники с повышенным риском техногенных
катастроф (АЭС, транспорт , химическая промышленность)
а также в обороной сфере требует, в том числе, объективной
оценки функционального состояния оператора.
Развитие современных технологий диагностики ПЭС
характеризуется переходом от контактных методов
к дистанционным.
Институт перспективных исследований медицинской физики
43

44.

Аппаратно-программный комплекс бесконтактного
сканирования человеческого лица в диапазоне терагерц (ТГц)
Компоненты системы:
1. ТГц камера IRV-T0831;
2. Монитор с программой
психоэмоциональных стимулов
3. Кресло с приводом наклона спинки
4. Датчики регистрации психофизиологических параметров.
Применяется программное обеспечение, сочетающее методику задания
психоэмоциональных стимулов и авторские программы компьютерного анализа ТГц
изображений в целях выделения значимых параметров, характеризующих
психоэмоциональное состояние испытуемых.
Институт перспективных исследований
медицинской физики
44

45.

Анализ терагерцового изображения
Обработанное ТГц
изображение
в псевдоцветах.
«Зоны интереса»
соответствуют
областям зеленого
цвета
Визуализация ТГц
изображения
в градациях серого
Институт перспективных исследований медицинской физики
45

46.

Динамика изменения «зон интереса»
Количество точек Кл3
Покой
Количество точек Кл2
Количество точек Кл3
Динамика изменений «зоны интереса»
(зеленый цвет) по мере возрастания
стрессовой нагрузки
Анализ сигнала, сформированного
количеством элементов «зоны интереса»,
выделенных в кластер Кл3, показал, что в
состоянии стресса структура кластеров от
кадра к кадру меняется, а сами кластеры
смещаются вправо или влево, в
зависимости от особенностей нервной
системы испытуемых.
Стресс
Количество точек Кл2
Институт перспективных исследований медицинской физики
46

47.

Терагерцовая бесконтактная диагностика
психоэмоционального состояния человека
1.
3.
ЧСС
ЧСС
2.
ЧСС
4.
ЧСС
Дифференциация лиц по типу кровоснабжения в стрессовом состоянии. У
одних лиц стресс вызывает прилив крови к отдельным органам, у других
стресс вызывает спазм сосудов, и, как следствие, снижение интенсивности
кровообращения.
Институт перспективных исследований медицинской физики
47

48.

Перспективы инструментальной ТГц-диагностики
психоэмоционального состояния человека
Преимущества
Проблемы
Пассивное излучение с
поверхности тела
человека
Анализ изображений чувствителен к движениям
Прозрачно для одежды
На земле отсутствуют
мощные естественные
источники (нет фона) –
нет засветки
изображения.
Чувствительность зависит от разницы температуры
между фоновой температурой кожи и «горячих» «точек
интереса».
Для корректного анализа изображения требуется учет
влажности воздуха и концентрации воды на
поверхности кожи.
Анализ изображений в реальном времени требует
высокопроизводительных вычислительных ресурсов и
программных алгоритмов.
Институт перспективных исследований медицинской физики
48

49. Восстановительные медицинские технологии Руководитель: д. ф.-м. н. О.И. Баум

Институт перспективных исследований
медицинской физики
7
Восстановительные медицинские
технологии
Руководитель:
д. ф.-м. н. О.И. Баум
49

50.

Восстановительные медицинские технологии
Основные направления
Создание новых лазерных медицинских технологий для восстановительной
медицины.
Разработка основ контрольных систем нового лазерного оборудования для
медицинского применения.
Развитие фундаментального понимания механизмов восстановительной
медицины и стабилизации лазерно-индуцированных изменений в биотканях
на микро- и наноуровне.
Институт перспективных исследований медицинской физики
50

51.

Лазерные технологии модификации хрящевых имплантов
Цель: изготовление импланта заданной формы
Актуальность: Для приживления импланта необходимо, чтобы в нем не было остаточных
напряжений, приводящих к изменению формы и лизису в пост-операционном периоде.
Например, для лечения стеноза гортани необходимы импланты в виде полукольца без
остаточных напряжений.
Процедура
лазерного
облучения
хряща
Хрящ до
и после
облучения
Институт перспективных исследований медицинской физики
Пациент со
стенозом
гортани
КТ через полгода,
показывающая
состояние
имплантированного
хряща
51

52.

Регенерация хрящевой ткани
Цель: запуск контролируемой регенерации суставного хряща при артрите.
Актуальность: ни одна из существующих медицинских технологий не восстанавливает
большие суставные дефекты гиалинового хряща – в большинстве случаев растет
фиброзный хрящ.
Путь решения: создание дополнительной микро-пористой системы для усиления
питания клеток и передачи информации от сигнальных молекул.
Биофункциональные наночастицы и контрастирующие добавки позволяют
контролировать доставляемы дозы облучения.
Дефект суставного хряща до
и после лазерного облучения:
Структура хрящевой ткани
восстановлена
гистология подтверждает
рост гиалинового хряща:
без облучения
Институт перспективных исследований медицинской физики
после облучения
52

53.

Нормализация внутриглазного давления
Неоднородный лазерный нагрев влияет на изменение
гидропроницаемости биоткани глаза. Существует
оптимальный набор параметров лазерного воздействия, при
котором это увеличение максимально:
АСМ склеры кролика
показала увеличение
нано-пористой системы
склеры после лазерного
облучения, что на макроуровне приводит к
увеличению
увеосклерального оттока
глаза и снижению
внутриглазного давления.
необлученный образец
Институт перспективных исследований медицинской физики
облученный образец
53

54.

Измерение рефракции роговицы глаза с помощью
кольцевого источника лазерного излучения
Нагрев роговицы происходит на периферии и не затрагивает
центральную зону, разница угловой и радиальной составляющих
термонапряжения внутри кольца на порядок меньше чем снаружи:
Отсутствие патологических изменений в структуре переднего и заднего эпителия роговицы
является важной особенностью предложенного метода
Задний эпителий роговицы через
24 часа. Патологических
изменений не выявлено.
Контроль
Опыт
Институт перспективных исследований медицинской физики
54

55.

Моделирование процессов лазерной биоинженерии
Лазерное порообразование в суставном хряще: соответствие модели эксперименту
Институт перспективных исследований медицинской физики
55

56.

Моделирование процессов лазерной биоинженерии
Сравнение термонапряжений с оптоакустическим профилем
облученной точки на склере
Институт перспективных исследований медицинской физики
56

57.

Перспективы исследований механизмов восстановления
хрящевой ткани
Институт перспективных исследований медицинской физики
57

58.

Физико-химические основы механизмов стабилизации лазерноиндуцированных изменений в биотканях на микро- и
наноуровне
Существенную роль в стабилизации лазеро-индуцированной модификации структуры
биоткани играют газовые нанопузырьки, образующиеся при небольшом лазерном
нагреве вследствие температурной зависимости растворимости газов.
Просвечивающая электронная
микроскопия территориального
матрикса: видна электроннопрозрачная область между клеткой и
матриксом, в ней присутствуют
сферические элементы,
напоминающие газовые пузыри.
Чтобы увидеть отдельные поры и
пузырьки был сделан супертонкий
срез 50 нм.
Институт перспективных исследований медицинской физики
58

59. Экспериментальные методы ядерной медицины Руководитель: д.ф.-м.н. Д.Ю. Чувилин

Институт перспективных исследований
медицинской физики
8
Экспериментальные методы
ядерной медицины
Руководитель:
д.ф.-м.н. Д.Ю. Чувилин
59

60.

Экспериментальные методы ядерной медицины
Новый подход в радиотерапии основан на резонансном взаимодействии внешнего
монохроматического гамма излучения с ядерными уровнями стабильного изотопа
железа 57Fe. Целевая доставка биоразлагаемой наноразмерной нерадиоактивной
магнитной мишени в органы осуществляется внешним магнитным полем. При активации
внешнего гамма-излучения изначально нерадиоактивные и нетоксичные наночастицы
становятся мощными локальными источниками вторичных электронов.
НЧ Fe3O4 (57Fe - 0%)
НЧ Fe3O4 (57Fe - 2%)
НЧ Fe3O4 (57Fe - 66%)
Локальное возрастание эмиссии вторичных электронов из наночастицы (НЧ) Fe3O4
размером 10 нанометров, находящейся в центре объема воды 1 мкм 3 , при ее облучении
гамма-излучением энергией 14,4 keV (шириной 10-6 eV) в зависимости от содержания
стабильного изотопа 57Fe в частице (отсутствует, естественное 2%-ое содержание,
обогащение до 66%).
Институт перспективных исследований медицинской физики
60

61.

Экспериментальные методы ядерной медицины
Магнитные нерадиоактивные
наночастицы на основе 57Fe за
счет эффекта ядерного гаммарезонанса могут на несколько
порядков повышать локальную
дозу облучения, увеличивая
радиочувствительность клеток
целевой области организма
Зависимость величины дозовой амплификации от расстояния до центра
наночастицы 57Fe3O4, облучаемой внешним источником монохроматического
гамма-излучения 14.41 кэВ, при разных содержаниях в ней изотопа 57Fe.
Институт перспективных исследований медицинской физики
61

62. Нано-биомедицинские технологии Руководитель: к.ф.-м.н. Л.А. Осминкина

Институт перспективных исследований
медицинской физики
9
Нано-биомедицинские технологии
Руководитель:
к.ф.-м.н. Л.А. Осминкина
62

63. Нано-биомедицинские технологии

Основные направления
Биосенсоры для экспресс-анализа
вирусов, бактерий и молекулбиомаркеров различных заболеваний
Функциональные наноматериалы для
биофотоники и тераностики
Нано-контейнеры для адресной доставки
Антибактериальные и противовирусные
нано-агенты
Клетка рака гортани человека с
люминесцентными наночастицами
кремния в цитоплазме
Институт перспективных исследований медицинской физики
63

64. Биосенсоры для для экспресс-анализа вирусов, бактерий и молекул-биомаркеров различных заболеваний

Оптические и электрические биосенсоры
для качественного и количественного
экспресс-анализа вирусов и бактерий в
окружающей среде, а также маркеров
социально-значимых заболеваний
Микрофотография сканирующей
электронной
микроскопии
бактерий E.сoli на поверхности
наносенсора
Изменение интерференции
наноструктурированной
пленки
кремния
при
адсорбции биомолекул
Институт перспективных исследований медицинской физики
Спектр КРС молекул
пиоцианина,
адсорбированных на
поверхность нанонитей
кремния, покрытых
наночастицами Ag@Au
64

65. Функциональные наноматериалы для биофотоники и тераностики

Наночастицы - фотосенсибилизаторы,
соносенсибилизаторы, сенсибилизаторы
радиочастотного ЭМ излучения
Уничтожение раковых клеток с помощью наночастиц сенсибилизаторов ЭМ радиочастотного излучения
Схематическое изображение
функциональной наночастицы
для тераностики
Биосовместимые наноматериалы для
применения в совместной диагностике
и терапии (тераностике)
Фотосенсибилизация
активных форм
кислорода с
помощью наночастиц
Институт перспективных исследований медицинской физики
65

66. Наноконтейнеры для адресной доставки лекарств и биомолекул

Биорастворимые наноконтейнеры для адресной доставки
активных веществ в область патологии
Регуляция процессов клеточной гибели с помощью биорастворимых
нано-контейнеров на основе пористых наночастиц кремния
Институт перспективных исследований медицинской физики
66

67. Антибактериальные и противовирусные нано-агенты

Эффективные антибактериальные и противовирусные агенты
на основе наночастиц и композитных наноструктур
Инактивация оболочечных и
безоболочечных вирусов
Уничтожение бактерий наночастицами –
сенсибилизаторами терапевтического
ультразвука
Институт перспективных исследований медицинской физики
67

68. Суперкомпьютерное моделирование, функциональная геномика и машинное обучение в анализе патологических состояний клетки

Институт перспективных исследований
медицинской физики
10
Суперкомпьютерное моделирование,
функциональная геномика
и машинное обучение в анализе
патологических состояний клетки
Руководитель:
к.ф.-м.н. П.С. Иванов
68

69. Суперкомпьютерное моделирование нарушений процесса деления клеток

Сбои в функционировании «митотической машины» могут приводить к
появлению анеуплоидных клеток и в дальнейшем к злокачественным
новообразованиям.
Моделирование митоза позволяет исследовать различные сценарии
протекания митоза и влияние на него многочисленных факторов.
Институт перспективных исследований медицинской физики
69

70.

Суперкомпьютерное моделирование нарушений
процесса деления клеток
Трехмерная модель метафазы
митоза реализована в виде
программного комплекса для
суперкомпьютеров
Вычисления на суперкомпьютере
«Ломоносов-2» с графическими
процессорами NVidia Pascal 100
позволяют выполнить
стохастическое моделирование
митоза на тысячах клеток
ПО открыто для использования
мировым научным сообществом
Институт перспективных исследований медицинской физики
70

71.

Суперкомпьютерное моделирование нарушений
процесса деления клеток
Результаты моделирования:
Рост числа ошибочных (меротельных) зацеплений микротрубочек за
хромосомы определяется ориентацией пары хромосом
Ориентация хромосом зависит от углового размера короны кинетохора.
Институт перспективных исследований медицинской физики
71

72.

Суперкомпьютерное моделирование нарушений
процесса деления клеток
Перспективы
Распространение модели на стадии прометафазы и анафазы
Учет белок-белковых взаимодействий
Вычислительные эксперименты для выяснения неизвестных
закономерностей протекания митоза
Выявление возможностей внешней коррекции сбоев в делении
клеток
Разработка новых схем отображения вычислительных алгоритмов с
сильным ветвлением на системы с массивно-параллельной
гибридной архитектурой
Институт перспективных исследований медицинской физики
72

73. Анализ транскриптома и машинное обучение в дифференциальной диагностике лейкозов

Предшественники Bлимфоцитов при ОЛЛ
Гранулированные
миелобласты при ОМЛ
Анализ транскриптома – важное дополнение к традиционным методам
дифференциальной диагностики при выявлении сложных подтипов острого
лимфобластного (ОЛЛ) и острого миелоидного (ОМЛ) лейкозов
Институт перспективных исследований медицинской физики
73

74.

Анализ транскриптома и машинное обучение
в дифференциальной диагностике лейкозов
Технология RNA-Seq
Технология экспрессионных микрочипов
Исходный материал – профили экспрессии генов, полученные при помощи как
традиционных экспрессионных микрочипов, так и технологий последнего
поколения, например RNA-Seq
Институт перспективных исследований медицинской физики
74

75.

Анализ транскриптома и машинное обучение
в дифференциальной диагностике лейкозов
Динамика изменения ошибки
классификатора в зависимости от
параметра ядра SVM и значения штрафа
Динамика изменения ошибки
предиктора при классификации шести
основных подтипов ОЛЛ (247
пациентов)
Построение предиктора низкой размерности:
классификация с обучением
предиктор из 15-30 генов
точность классификации, близкая к 100%
Открытый программный пакет PredictorSeeker
Институт перспективных исследований медицинской физики
75

76.

Анализ транскриптома и машинное обучение
в дифференциальной диагностике лейкозов
SVM с однопараметрическим ядром RBF
Courtesy of Periklis Gogas
Диаграмма рассеяния двумерного массива
значений экспрессии после
RMA-нормализации (EMBL-EBI)
Алгоритмы биоинформатики и глубинного обучения:
robust multi-array analysis (RMA)
генетические алгоритмы
мультиклассовый Support Vector Machine (SVM)
аппроксимация многомерных плотностей вероятности в классе
двухпараметрического β-распределения
Институт перспективных исследований медицинской физики
76

77.

Анализ транскриптома и машинное обучение
в дифференциальной диагностике лейкозов
Перспективы
Построение классификаторов с использование нейронных сетей
Обучение алгоритмов построения дескрипторов на более репрезентативных массивах транскриптомных
данных
Привлечение аннотаций генома человека и данных о регуляторных генетических сетях для повышения
релевантности дескрипторов
Адаптация алгоритма к работе с данными RNA-Seq
Разработка единого алгоритмического «конвейера» массивно-параллельной обработки транскриптомных
данных
Создание универсального ПО построения дескрипторов для широкого спектра задач транскриптомной
дифференциальной диагностики и предоставление доступа к нему профессиональному сообществу
Институт перспективных исследований медицинской физики
77

78. Технологии аддитивного производства для регенеративной биомедицины Руководитель: д.ф.-м.н. В.К. Попов

Институт перспективных исследований
медицинской физики
11
Технологии аддитивного производства
для регенеративной биомедицины
Руководитель:
д.ф.-м.н. В.К. Попов
78

79. Технологии аддитивного производства для биомедицины

Основные направления
Лазерно-информационные технологии дистанционного биомоделирования
Аддитивные технологии создания биоматериалов
и матриксов для тканевой инженерии
Лазерная стереолитография
Cелективное лазерное спекание
Трехмерная печать
Институт перспективных исследований медицинской физики
79

80.

Цифровое производство
3D биомоделей
и имплантов
Лазерно-информационные
технологии дистанционного
биомоделирования
на основе аддитивных технологий
50 КЛИНИК
5000 ОПЕРАЦИЙ
БОЛЕЕ
МЕДИЦИНСКИЙ
CLOUD
SERVICE
ИЗОБРАЖЕНИЯ
ГОТОВЫХ
БИО-МОДЕЛЕЙ
ИНТЕРНЕТ
ЦЕНТР
ДИАГНОСТИКА
КОМПЬЮТЕРНАЯ
ТОМОГРАФИЯ
ИН
ТЕ
РН
ЕТ
БИО-МОДЕЛИ
ТЕР
ИН
ОПЕРАЦИОННАЯ
НЕТ
ИНТЕРНЕТ
БАЗА ДАННЫХ
ВИДЕО
КОММУНИКАЦИОННЫЙ
ЦЕНТР
ИЗГОТОВЛЕНИЕ
3D БИО-МОДЕЛЕЙ
И ИМПЛАНТОВ
ИНТЕРНЕТ
ИН
ТЕ
РН
ЕТ
ИНТЕРНЕТ
3D МОДЕЛИ
ЦИФРОВЫЕ
3D МОДЕЛИ
БАЗА ТОМОГРАММ
ИПЛИТ РАН
ИНТЕРНЕТ
Институт перспективных исследований медицинской физики
80

81.

Лазерно-информационные технологии
дистанционного 3D-биомоделирования
Институт перспективных исследований медицинской физики
81

82.

Лазерно-информационные технологии
дистанционного 3D-биомоделирования
Исходная КТ
глаз
3D виртуальная модель мозга
кожа
мозг
Полимерная 3D модель мозга пациента
Институт перспективных исследований медицинской физики
82

83.

Аддитивные 3D-технологии создания биоматериалов
и матриксов для тканевой инженерии
Cелективное лазерное спекание
Объект создается из порошков (полимер, металл или керамика),
поглощающих лазерное излучение. Лазерный луч спекает тонкий слой
частиц, соответствующий определенному сечению 3D-модели.
3D КТ-модели и биорезорбируемые полилактидные биомодели.
Размер частиц полилактида – 50 мкм, толщина слоя – 150 мкм.
Институт перспективных исследований медицинской физики
83

84.

Аддитивные 3D-технологии создания биоматериалов
и матриксов для тканевой инженерии
Cелективное лазерное спекание
Рентгенограммы дефекта бедренной кости
мыши спустя 4 недели после операции:
A – Контрольная группа (без СЛС
матрикса) – полное отсутствие
восстановления дефекта.
B – Группа с имплантированным
СЛС матриксом.
C – Группа с имплантированным
матриксов, содержащем ММСК
костного мозга человека
D - Группа с CЛC матриксом,
содержащим эмбриональные
ММСК
Восстановление целостности кости с
дефектом больше критического размера
Институт перспективных исследований медицинской физики
84

85.

Аддитивные 3D-технологии создания биоматериалов
и матриксов для тканевой инженерии
Создание биосовместимых 3D-имплантов
Структура октакальций
фосфатного (ОКФ) матрикса
после биомиметической
обработки
Исходный порошок
трикальций фосфата (TКФ)
Трехмерный принтер
ИПЛИТ-01П
МСК на ОКФ матриксе
Институт перспективных исследований медицинской физики
85

86.

Имплант ногтевой фаланги мизинца
Стереолитографическая
биомодель
Имплант
трикальцийфосфат
Ca3(PO4)2
Компьютерная модель
по томографическим данным
Институт перспективных исследований медицинской физики
86

87.

Аддитивные 3D-технологии создания биоматериалов
и матриксов для тканевой инженерии
Двухфотонная лазерная фемтосекундная наностереолитография
Матриксы для тканевой инженерии
Флуоресцентный имиджинг (Z-скан)
диссоциированной культуры
In vivo формирование нейронных сетей на
матриксах имплантированных в мозг кролика
Институт перспективных исследований медицинской физики
87

88.

3D-печать гидрогельных матриксов для тканевой инженерии
Множественная адгезия клеток
панкреатических островков (1)
и мезенхимальных стволовых
Отсутствие
клеток из жировой ткани человека цитотоксического
(2) на поверхности матриксов.
воздействия
Напечатанные 3D биоткани печени
(3) и почки (4).
1
2
3
3D принтер ILIT-02G
Структура 3D матрикса
4
ФНЦТИО им. ак. В.И. Шумакова, ИПЛИТ РАН; ORGANOVO Inc.
Институт перспективных исследований медицинской физики
88

89.

Аддитивные фемтосекундные нанотехнологии создания
биоматериалов и матриксов для тканевой инженерии
Двухфотонная лазерная фемтосекундная наностереолитография
1P (линейное) 2P (нелинейное)
возбуждение возбуждение
Институт перспективных исследований медицинской физики
89

90.

Технологии 3D биомоделирования
для создания
биодеградируемых
имплантов
но к в
ы
р
ок
й
ово ий оррыганно ов
р
и
М
о
ан
нртоовв вBи$орг
и
а
л
М
имп ла>н1т0о0 B$
имп > 100
Институт перспективных исследований медицинской физики
90

91. Новые подходы в неинвазивной хирургии с использованием нелинейных сфокусированных ультразвуковых пучков Руководители: д.ф.-м.н.

Институт перспективных исследований
медицинской физики
12
Новые подходы в неинвазивной хирургии
с использованием нелинейных
сфокусированных ультразвуковых пучков
Руководители:
д.ф.-м.н. В.А. Хохлова,
м.н.с. П.Б. Росницкий
91

92. Новый метод механического разрушения локализованных образований в мягких тканях: гитотрипсия с кипением

НЕЛИНЕЙНОЕ
ВОЗДЕЙСТВИЕ
ЛИНЕЙНЫЙ
СИГНАЛ
Воздействие ударно-волновых импульсов миллисекундной длительности в фокусе
приводит к механической деструкции тканей до состояния жидкой суспензии
Институт перспективных исследований медицинской физики
92

93. Разработка многоэлементных фазированных решеток для лечения глубокорасположенных опухолей абдоминальных органов

Разработка многоэлементных фазированных решеток для
лечения глубокорасположенных опухолей
Реализация случайности:
абдоминальных органов
математическая мозаика
СЛУЧАЙНОЕ РАСПОЛОЖЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ:
ОСЛАБЛЕНИЕ ПОБОЧНЫХ РЕШЕТОЧНЫХ
МАКСИМУМОВ ПРИ ЭЛЕКТРОННОМ
СМЕЩЕНИИ ФОКУСА
Патент РФ № 2662902
Росницкий П.Б., Хохлова В.А.,
Гаврилов Л.Р., Высоканов Б.А.,
Сапожников О.А.
100% ЗАПОЛНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТАМИ:
МАКСИМАЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ
1.
2.
3.
Перспективы: создание нового поколения многоэлементных
излучателей УЗ хирургии, позволяющих реализовать максимальную
акустическую мощность при заданной геометрии и обеспечить
безопасность облучения
Институт перспективных исследований медицинской физики
93

94. Применение плотных решеток для ударно-волнового воздействия на глубокие структуры мозга с компенсацией аберраций

ДО КОРРЕКЦИИ АБЕРРАЦИЙ
Решетка
Алгоритм выбора фаз на
основе комбинации
различных моделей
ПОСЛЕ КОРРЕКЦИИ АБЕРРАЦИЙ
Ударная волна
в фокусе, МПа
70
-20
0
1 мс
Место лечения
Акустическая
модель головы
МРТ
Интеграл Рэлея
Вязкоупругое волновое уравнение
Уравнение Вестервельта
Перспективы: разработка новых подходов в неинвазивной УЗ нейрохирургии с использованием
ударно-волновых режимов облучения и теоретическая демонстрация их применимости
Институт перспективных исследований медицинской физики
94

95. Пилотные эксперименты ex vivo по созданию неинвазивных механических разрушений в аутопсийной простате человека

Облучение
Схема проведения операции
L7-4
УЗИ
P7-4
УЗИ
УЗИ контроль
Излучатель
Сечение разрушения
направление
облучения
Образец
Гистологическое исследование
(ФФМ МГУ)
разрушение
10 мм
200 мкм
Перспективы: разработка нового метода неинвазивной механической УЗ
деструкции локализованного рака простаты
Институт перспективных исследований медицинской физики
95

96.

Эксперименты ex vivo по ликвификации абдоминальных гематом
Схема проведения операции
Забор содержимого
под УЗИ контролем
Забор содержимого
Сечение разрушения
Экспериментальная установка
Образец из
донорской крови
Ультраструктурный анализ
(ФФМ МГУ)
игла
разрушение
2 мкм
1 см
до разрушения
после разрушения
Перспективы: разработка подходов к неинвазивной ликвификации постоперационных и
травматических гематом нелинейными сфокусироваными УЗ пучками
Институт перспективных исследований медицинской физики
96