Tehnike istraživanja podataka i optimizacija matematičkih modela u biomedicinskom inženjeringu

Abstract

Ateroskleroza je oboljenje arterija koje karakteriše smanjenje lumena krvnog suda ograničavajući na taj način dotok krvi i kiseonika do određenih organa. Kao posledica ateroskleroze može doći do moždanog udara, ishemijske bolesti srca ili srčanog udara, pa je uspešno lečenje ateroskleroze od velikog značaja kako bi se izbegle eventualne fatalne posledice. U okviru ove disertacije su prikazani različiti matematički modeli za simulaciju nastanka i razvoja ateroskleroze koji su optimizovani prema dostupnim eksperimentalnim podacima. Optimizovani matematički modeli mogu biti od velike koristi jer mogu lekarima pružiti uvid u dalji razvoj bolesti i pomoći im na taj način u izboru najbolje terapije. Brojna literatura pokazuje da na proces nastanka ateroskleroze utiču brojni hemodinamički faktori među kojima je najvažniji smičući napon na zidu arterije. Zone arterije sa niskim vrednostima smičućeg napona na zidu su visoko rizične za nastanak ateroskleroze. Sa druge strane, ekstremno visoke vrednosti smičućeg napona na zidu mogu dovesti do destabilizacije već postojećeg plaka. Prema tome, poznavanje raspodele smičućeg napona na zidu arterije može biti od velikog značaja. Metodom konačnih elemenata moguće je veoma precizno izračunati raspodelu smičućeg napona na zidu posmatrane arterije. Ovo međutim zahteva u nekim situacijama mnogo vremena pa se dovodi u pitanje upotreba u realnim kliničkim situacijama kada je rezultate potrebno prikazati u kratkom roku. Rešenje može biti bazirano na tehnikama istraživanja podataka koje sa prihvatljivom tačnošću, gotovo trenutno mogu predviđati raspodelu smičućeg napona za datu arteriju. Ova metodologija je verifikovana za geometrijski parametrizovane modele karotidne bifurkacije i aneurizme. Pored ateroskleroze još jedna opaka bolest je kancer. Kancer dojke je jedan od najčešćih oblika kancera koji se javlja kod žena. Mamografija je neinvazivna, rendgenska metoda za pregled dojki koji omogućava detekciju masa u ranoj fazi. Međutim, čak i najiskusniji lekari ponekad imaju problema prilikom pregleda mamografa. Primenom naprednih metodologija pretprocesiranja, segmentacije i tehnika istraživanja podataka kreiran je sistem kompjuterski pomognute dijagnoze za detekciju tumora na mamografima.

Atherosclerosis is a disease of the arteries characterized by the lumen decrease of the blood vessel, thus limiting the blood flow and oxygen supply to certain organs. As a result, atherosclerosis can lead to stroke, ischemic heart disease or heart attack, thus the successful treatment of atherosclerosis is of great importance in order to avoid possible fatal consequences. Within this thesis, different mathematical models for atherosclerosis initiation and development are presented and optimized by the use of available experimental data. These optimized mathematical models can be of a great importance providing to the physicians an overview of the future disease development and assisting them in choosing the best therapy. Numerous studies show that the process of atherosclerosis initiation is affected by numerous hemodynamic factors among which wall shear stress is the most important. Low wall shear stress areas are the ones with a high risk for atherosclerosis initiation and development. On the other hand, extremely high wall shear stress can cause destabilization of the existing plaque. Thus, the knowledge of the wall shear stress distribution is of a great importance. By using finite element method, it is possible to calculate precisely the wall shear stress distribution of the observed artery. However, this process can be time consuming sometimes calling into question the application in real clinical situations where the results should be presented in a very short period of time. The solution can be seen in data mining methodologies which can accurately enough predict the wall shear stress distribution of the observed artery instantly. This methodology is verified for geometrically parameterized models of carotid artery bifurcation and aneurysm. In addition to atherosclerosis, another severe disease is cancer. Breast cancer is the most common type of cancer that occurs in women. Mammography is a non-invasive, x-ray method for breast examination, which allows the detection of masses in early stages. However, even the most experienced physicians sometimes have trouble reading the mammogram. By the application of advanced preprocessing, segmentation and data mining methodologies, the computer aided system for tumor detection in mammograms is created.