Математическое моделирование в физиологии и медицине с использованием суперкомпьютерных технологий

Проект: ИсследованиеНаучная лаборатория

Сведения о проекте

Описание

Цель научной деятельности лаборатории – разработка эффективных методов построения, реализации, анализа и использования компьютерных моделей в физиологии и медицине с использованием суперкомпьютеров.
Новизна и актуальность. Ввиду сложности, присущей взаимосвязанным нелинейным биологическим системам, развитие вычислительных моделей необходимо для достижения количественного понимания их структуры и функции в норме и патологии. В настоящее время наблюдается «взрыв» в развитии компьютерной медицины, которая ставит своей целью разработку и использование интегративных моделей физиологических систем человека и животных от молекул до органов и организма в целом, позволяющих изучать и прогнозировать возникновение и развитие заболеваний, а также отыскивать оптимальные способы их диагностики и эффективного персонифицированного лечения. Компьютерная медицина в обозримом будущем должна стать одним из основных методов исследования в медицинской науке и практике.
Междисциплинарный характер задач научной лаборатории. Для расширения сфер развития и применения компьютерной медицины возникает необходимость в подготовке специалистов нового синтетического типа. Поскольку разработка и реализация моделей в физиологии и медицине является сложной, наукоемкой и, по сути, междисциплинарной задачей, для ее решения необходимо не только владеть знаниями и навыками в области физики и математики, математического моделирования и компьютерных наук, но и понимать природу биологических процессов. Кроме этого, реализация адекватных моделей сложных биологических систем невозможна без использования высокопроизводительной вычислительной техники и участия квалифицированных специалистов в области вычислений.
Перспективность и приоритетность задач научной лаборатории. В Европе, США, Японии, Новой Зеландии, Китае и других странах финансируется ряд международных программ и крупномасштабных проектов, связанных с разработкой количественных методов описания биологических систем и их компьютерных моделей.
В то же время Россия практически не представлена в перечисленных выше программах, направление математической и компьютерной физиологии и медицины развивается медленно и практически не финансируется, а большинство общепризнанных российских ученых – специалистов в этой области, работает в зарубежных университетах и лабораториях.
Образование и будущая деятельность создаваемой научной лаборатории направлены на частичное сокращение недопустимого отставания России в области математической физиологии и биомедицинского инжиниринга и на обеспечение ее будущего представительства в международных проектах.
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ЛАБОРАТОРИИ
НАУЧНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ 1. «Виртуальное сердце» - компьютерные модели структуры и функции сердца от молекул до органа. Руководитель направления: Соловьева Ольга Эдуардовна, д.ф.-м.н., профессор кафедры вычислительной математики, ИМКН.
Цели и задачи. Разработка компьютерных интегративных моделей электрической и механической функции сердца для изучения физиологических основ функционирования сердца в норме, а также природы социально значимых заболеваний сердца, в частности, сердечной недостаточности и нарушений ритма.
Инновационная составляющая проекта предполагает разработку интегративной модели сердца, адекватно воспроизводящей структуру и функцию сердца в норме и при патологии на основе объединения в едином компьютерном комплексе ранее разработанных коллективом лаборатории моделей всех уровней интеграции, от молекулярного до органного уровней. Реализация таких моделей необходимо потребует существенного развития технологий параллельных вычислений и расчета на суперкомпьютере УРАН.

НАУЧНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ 2. Математическая иммунология. Руководитель направления: Пименов Владимир Германович, д.ф.-м.н., профессор, зав. кафедрой вычислительной математики, ИМКН.
Цели и задачи. Разработка математических моделей для изучения защитных и регуляторных функций иммунной системы в норме и при патологиях, что позволит глубже понять природу аутоиммунных заболеваний (рассеянный склероз, аутоиммунные артриты и т.п.), иммунодефицитов, хронизации болезней, которые представляют собой актуальные и социально высоко-значимые проблемы современной физиологии и медицины.
Инновационная составляющая проекта связана с разработкой эффективных методов численного решения функционально-дифференциальных уравнений (ФДУ), в том числе ФДУ в частных производных (ФДУЧП) и с созданием на их основе интерактивного и высокопроизводительного программного обеспечения на базе Интернет и современных суперкомпьютерных технологий, доступного для широкого круга пользователей.

НАУЧНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ 3. Суперкомпьютерные технологии в биомедицинских приложениях. Руководитель направления: Созыкин Андрей Владимирович, к.т.н., зав. кафедрой высокопроизводительных компьютерных технологий, ИМКН.
Цели и задачи. Развитие суперкомпьютерного комплекса УРАН для использования в научных и образовательных проектах УрФУ. Разработка программно-аппаратных технологий параллельных вычислений, обеспечивающих эффективное решение сложных динамических задач на высокопроизводительных суперкомпьютерах. Разработка технологий реального времени для обработки больших объемов данных и проведения вычислений для моделирования сложных системы в биологии и медицине.
СтатусАктивный
Действительная дата начала/окончания01/11/2013 → …

Стратегические Академические Единицы (САЕ)

  • ИЕНиМ

Финансирование

  • Финансирование: Постановление №211 Правительства Российской Федерации, контракт № 02.A03.21.0006

Результат исследований

Age-related Calcium Sparks Alterations in Heart Pacemaker Cells. Computer Modeling

Ryvkin, A. & Markov, N., 1 апр 2019, Proceedings - 2019 Ural Symposium on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology, USBEREIT 2019. Dolganov, AY. (ред.). Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., стр. 163-166 4 стр. 8736661. (Proceedings - 2019 Ural Symposium on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology, USBEREIT 2019).

Результат исследований: Глава в книге, отчете, сборнике статейМатериалы конференции

  • Algorithm for some anomalously diffusive hyperbolic systems in molecular dynamics: Theoretical analysis and pattern formation

    Macías-Díaz, J. E. & Hendy, A. S., 15 ноя 2019, В : Journal of Computational Physics. 397, 21 стр., 108863.

    Результат исследований: Вклад в журналСтатья

  • Analysis of approaches to building a probability density function for the mathematical model parameters of rat atrial cardiomyocytes

    Shmarko, D. V., Nesterova, T. M. & Ushenin, K. S., 6 дек 2019, Physics, Technologies and Innovation, PTI 2019: Proceedings of the VI International Young Researchers� Conference. Volkovich, V. A., Zvonarev, S. V., Kashin, I. V., Smirnov, A. A. & Narkhov, E. D. (ред.). American Institute of Physics Inc., 020254. (AIP Conference Proceedings; том 2174).

    Результат исследований: Глава в книге, отчете, сборнике статейМатериалы конференции

  • An efficient Hamiltonian numerical model for a fractional Klein–Gordon equation through weighted-shifted Grünwald differences

    Hendy, A. S. & Macías-Díaz, J. E., 15 мая 2019, В : Journal of Mathematical Chemistry. 57, 5, стр. 1394-1412 19 стр.

    Результат исследований: Вклад в журналСтатья

  • 1 Цитирования (Scopus)