Студенты УГАТУ победили в престижном конкурсе с разработками по диагностике онкологии, цифровому моделированию и пожаротушению

Студенты Уфимского государственного авиационного технического университета Алина Усова (ФИРТ, кафедра информатики), Тимур Богданов (ФИРТ, кафедра автоматизированных систем управления) и Дмитрий Тараканов (ФЗЧС, кафедра пожарной безопасности) вошли в число победителей Всероссийского инженерного конкурса выпускных и квалификационных работ. Конкурс проходил в Москве на площадке Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ».

Алина Усова представила на конкурс совместный проект УГАТУ и БГМУ «Диагностика злокачественных новообразований на основе анализа спектров комбинационного рассеяния света с использованием машинного обучения».

В рамках проекта предлагается применение раман-спектроскопии в диагностике злокачественных опухолей. Эта технология в настоящее время широко используется для определения наличия веществ в смесях. Так, например, в аэропортах с применением раман-спектроскопов ищут следы наркотических или взрывчатых веществ на одежде и коже посетителей. Однако в медицине эту технологию до сих пор не применяли из-за сложности состава биологических объектов, ведь в большинстве случаев ученые не могут дать точный ответ на вопрос: какие именно химические вещества связаны с протеканием того или иного заболевания. Эту проблему уфимские ученые предложили обойти с помощью методов машинного обучения. Из предварительно обработанных специальными математическими алгоритмами спектров образцов здоровых и пораженных тканей была сформирована обучающая выборка, которая использовалась для настройки распознающей процедуры.

«На образец ткани направляется лазер, световой поток рассеивается на образце и специальный детектор фиксирует отклонения частоты рассеянного света от частоты исходного лазера. В зависимости от химического состава образца в рассеянном свете появляются дополнительные цвета. Задача системы – выявить и запомнить комбинацию цветов, которые появляются при взаимодействии с клетками злокачественного новообразования. Таким образом, мы можем получить неинвазивную диагностическую процедуру, которая позволит не только быстро выявить наличие заболевания, но и определить границы злокачественной опухоли во время операции, повысив таким образом эффективность лечения. Вообще, резекция злокачественных новообразований – сложная и опасная процедура во много ещё и потому, что не всегда границы опухоли видны даже опытному глазу хирурга. Есть риск либо оставить в организме злокачественные клетки, либо вырезать часть здорового органа. Для некоторых видов онкозаболеваний иногда применяется специальное вещество, которое вводят в кровь пациенту. Оно по-разному усваивается здоровыми и злокачественными клетками, светится в ультрафиолетовом свете и позволяет во время операции увидеть границы опухоли. Однако, оно не универсально и к тому же очень токсично. Методы диагностики, основанные на нашем подходе, смогут в перспективе решить и эту проблему, и много других связанных с изучением рака», – рассказал руководитель проекта, кандидат технических наук, доцент кафедры информатики УГАТУ Алексей Ковтуненко.

Работа над проектом ведется уже более пяти лет. За это время команда создала программное обеспечение, реализующее разработанные алгоритмы машинного обучения, обработала десятки спектров образцов тканей различных органов и типов рака.  Методика показала хорошую точность распознавания и с увеличением выборки этот показатель только увеличится.

Итогом проекта должен стать программно-аппаратный комплекс, в состав которого будут входить анонимизированная база спектров, высокопроизводительный обучающий сервер и диагностические приборы разного типа и области применения. Особую надежду ученые возлагают на реализацию своих идей совместно с лабораторией интегральной фотоники УГАТУ с использованием фотонных интегральных схем, которые позволят производить обработку данных прямо внутри человеческого организма.

Тимур Богданов представил разработку «Применение искусственных нейронных сетей для полунатурного моделирования авиационных силовых установок и их систем управления». Разработанная методика позволяет быстро и с высокой точностью создавать нелинейные математические модели авиационных двигателей и направлена на развитие технологии создания цифровых двойников сложных технических систем. Разработчики агрегатов для авиационных двигателей благодаря этой технологии могут полноценно испытывать свои прототипы изделий в цифровом виде (с экономией времени и средств), не проводя дорогостоящих испытаний на реальном объекте. «Применение интеллектуальных математических моделей в промышленности открывает новые возможности в проектировании, испытаниях и постпродажном обслуживании. Например, такая технология может сократить стоимость разработки и испытаний цифровых систем автоматического управления, дополнить ее функционал предиктивной аналитикой для предсказания состояния объекта в будущий момент времени. Востребованность нашей работы очевидна – методику уже начинаем апробировать на одном из предприятий республики», – прокомментировал научный руководитель Тимура Богданова, кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизированных систем управления Ансаф Абдулнагимов.

Дмитрий Тараканов вошел в финал и стал призером конкурса с проектом «Разработка воздухозаполненных систем пожаротушения из композиционных материалов для автопарковок».

Сейчас из-за отсутствия методических указаний по проектированию и использованию неметаллических труб в системах пожаротушения в основном применяется металлический трубопровод, который подвержен коррозии. Срок службы таких систем составляет около 15 лет и характеризуется низкой надежностью срабатывания. Альтернатива из композиционных материалов прослужит 50 лет, соответственно, их использование выгоднее. Идея группы разработчиков УГАТУ во главе с заведующим кафедрой безопасности производства и промышленной экологии, профессором кафедры пожарной безопасности Алексеем Николаевичем Елизарьевым заключается в моделировании процессов заполнения неметаллических трубопроводов систем пожаротушения и проведении лабораторных исследований по поиску зависимостей различных технологических параметров, характеристик работы подобных систем. На основе результатов таких исследований возможно развить методические указания к проектированию и использованию систем пожаротушения из композиционных материалов, в том числе в неотапливаемых помещениях».

«Композиционные трубы легче, долговечнее и не требуют дополнительных вложений по техническому обслуживанию. Кроме того, в неотапливаемых помещениях, где температура воздуха близка к нулю, трубы не заполняются водой из-за опасности их промерзания. После испытания таких трубопроводов на работоспособность в них остаётся вода. Со временем из-за этой воды в железных трубах образуются известковые отложения и коррозия. Всё это может привести к засорению оросителя, и в нужный момент система не сработает. С применением композиционных труб таких проблем не будет», – объяснил Дмитрий Тараканов.

«Ряд научных школ в мире разрабатывает решения в области спектроскопической диагностики, но у нашего проекта есть определенные особенности, которые его выгодно отличают. Неудивительно, что он вошел в список перспективных разработок Евразийского научно-образовательного центра. Что касается проекта по применению альтернативных материалов в системах пожаротушения, то его польза тоже очевидна. Мы рассчитываем, что в ближайшем будущем с его помощью эксплуатация зданий станет дешевле и безопаснее. Актуальность технологии по созданию цифровых двойников подтверждает начало нашего сотрудничества с одним из уфимских предприятий. А победа наших студентов в престижном Всероссийском инженерном конкурсе говорит об их успешной работе в рамках научной работы университета», – прокомментировал ректор УГАТУ Сергей Новиков.

Управление медиакоммуникаций

Станьте соавтором УУНиТ! Присылайте свои новости в наш чат-бот в Telegram. Не забудьте прикрепить фото- или видео- материалы.