| 16. |
Аннотация |
Проект предлагает новые математические методы и технологии моделирования сложных распределенных систем, таких как атмосфера, океан и организм человека. При разработке методов и технологий для таких различных объектов общими являются необходимость использования методов редукции для построения численных моделей, вычислительно эффективных методов решения задач динамики жидкости и газа и эффективных подходов к моделированию сложных систем, которые опираются на технологии машинного обучения и на экономичные численные методы, соответствующие архитектуре современных компьютеров. Конкретные задачи проекта делятся на две группы: биомеханические и геофизические, решение каждой из задач востребовано в профильных организациях.
Научная новизна математических методов и вычислительных технологий, направленных на решение биомеханических задач проекта, заключается в создании и исследовании новых алгоритмов автоматической обработки медицинских изображений для персонализации геометрических моделей, новых методов регистрации изображений разной модальности, персонализации параметров и краевых условий биомеханических моделей, новых методов редукции существующих моделей для их использования в клинической практике. Стоит отметить, что все рассматриваемые биомеханические задачи поставлены практикующими клиницистами ПМГМУ им.И.М.Сеченова и НМИЦ ССХ им. А.Н.Бакулева, входящими в коллектив исполнителей и заинтересованными в клиническом внедрении разработанных технологий. Конкурсные требования не позволяют оформить эти ведущие профильные организации в качестве Партнеров, поэтому к заявке приложены письма их руководителей о важности и востребованности всех поставленных в биомеханических задач: 1) новый подход к неинвазивной диагностике ишемической болезни сердца на основе персонализированной модели коронарного кровотока и обработки перфузионного КТ изображения, 2) виртуальный персонализированный раскрой створок аортального клапана при его реконструкции из аутоперикарда, 3) предсказательное моделирование одножелудочковой коррекции врожденных пороков сердца у детей, 4) персонализированные модели подсистем опорно-двигательного аппарата. Решение задач 2)-4) позволит прогнозировать и улучшить результат хирургического вмешательства при лечении социально-значимых заболеваний, а решение задачи 1) позволит назначать адекватное хирургическое или терапевтическое лечение болезни, вызывающей наибольшее количество смертей. Ключевая особенность предлагаемого подхода к решению биомеханических задач, выделяющая заявляемый проект среди других биомедицинских проектов в мире, заключается в максимально возможной автоматизации процедуры построения персонализированной модели и максимально возможной быстроте персонализированного расчета, что напрямую диктуется клинической практикой. Быстрота расчета обеспечивается применением редуцированных моделей и методов машинного обучения, а персонализация обеспечивается новыми методами сегментации медицинских изображений и построения расчетных сеток, а также пациент-ориентированной оценки параметров и краевых условий модели.
Актуальность научных задач, решаемых в биомеханической части проекта, обусловлена следующими статистическими данными. Во-первых, заболевания сердечно-сосудистой системы являются главной причиной смертности в мире, причем летальных исходов от них в РФ составляет более половины, а смертность от ишемической болезни сердца (ИБС) - более четверти от общего количества смертей. Как показывает опыт развитых стран, массовая диагностика ИБС позволяет серьезно уменьшить эту долю, что дает огромный экономический эффект. Во-вторых, вследствие большей продолжительности жизни патология сердечных клапанов становится важной причиной смертности, которую теперь называют следующей сердечной эпидемией. Болезнь аортального клапана ответственна за примерно половину смертей в структуре смертности от клапанных патологий. В-третьих, ежегодно в России рождается более 20 тысяч детей с врожденными пороками сердца, около половины из них будут требовать операций гемодинамической коррекции, а доля осложнений, в том числе летальных, при этих сложных операциях составляет около 15%. Кроме того, 30–50% населения земного шара страдает болью в области шеи и плечевого сустава, шейно-плечевой синдром является четвертой ведущей причиной снижения трудоспособности, что подтверждает актуальность четвертой биомеханической задачи.
В рамках разработки математических технологий для геофизических приложений в настоящем проекте ставится задача создания новых блоков динамики ключевых компонентов Земной системы – океана, атмосферы, морского льда, атмосферной турбулентности. Научная новизна исследования состоит в новых подходах к выбору численных алгоритмов и методов реализации этих алгоритмов, в том числе, на суперкомпьютерных вычислительных системах с гибридной архитектурой. Предполагается применить новое сочетание используемых численных методов, ориентированное на максимальную производительность в терминах количества моделируемых суток за час астрономического времени для диапазона от сотен до десятков тысяч процессорных ядер.
Актуальность научных задач, решаемых в данной части проекта, связана с необходимостью совершенствования моделей атмосферы, океана и морского льда, как в отдельности, так и в составе прогностических комплексов прогноза погоды и прогноза климатических изменений. Успешное решение данной задачи позволит повысить точность прогноза погоды, включая прогноз опасных погодных явлений, улучшить вероятностные оценки состояния климатической системы, экстремальных климатических явлений, позволит дать прогноз торосистости морского льда в Северном Ледовитом океане, получить оценки возможности использования Северного морского пути, оценки условий эксплуатация морских платформ и береговых сооружений в Арктике. Оценивая потенциальный эффект внедрения данных технологий, отметим, например, что успешный заблаговременный прогноз опасных экстремальных явлений позволяет уменьшить соответствующий экономический ущерб на 40% (Росгидромет РФ, http://meteoinfo.ru/about), составляющий для РФ 200-400 млрд. Отметим также важность решаемых задач для обеспечения возможностей долгосрочного экономического планирования, повышения надежности транспортно-логистических систем, оценки условий безопасной эксплуатации энергетической инфраструктуры на территориях вечной мерзлоты, освоения Мирового океана (в т.ч. Арктики) и т.д. |