Funkcije in tehnologije kompleksnih sistemov

Raziskave bodo osredotočene na tri teme. Analiza slik v medicini in farmaciji. Nadaljevali bomo z razvojem postopkov analize slik, ki bodo omogočili učinkovitejše izločanje informacije iz medicinskih in drugih slik, pa tudi izboljšano slikovno vodenje posegov v medicini in procesov v farmacevtski industriji. Enako pozornost bomo posvetili fundamentalnim raziskavam in aplikacijam. Raziskave bodo predvsem osredotočene na: (i) slikovno vodene znotrajžilne posega na možganskem ožilju, (ii) avtomatsko odkrivanje in kvantifikacijo možganskih lezij pri pacientih z multiplo sklerozo, (iii) določanje morfologije pedikov iz slik hrbtenice za izboljšano namestitev pedikularnih vijakov, (iv) zgodnjo detekcijo, lokalizacijo in vrednotenje  kariesa s hiperspektralnimi sistemi, (v) razvoj postopkov za vizualno kontrolo kakovosti farmacevtskih tablet in kapsul.   Novi nanomateriali uporabni v biomedicini. V zadnjem desetletju je postala uporaba novih nanomaterialov v biomedicini pomembno področje raziskav.  Izdelali in karakterizirali bomo nove nanostrukturirane površine in nanodelce prilagojene za različne biomedicinske aplikacije. Med drugim planiramo izdelavo in karakterizacijo novih nanostrukturiranih prevlek implantov, novih biosenzorjev ter novih nanostrukturiranih antibakterijskih površin. Predlagali bomo tudi izvirne nanotehnološke metode za zaviranje širjenja rakastih celic preko membranske vesikulacije. Pri vseh nanotehnoloških in biomedicinskih raziskavah bomo vzporedno razvijali tudi metode simulacij ter napredne metode za vizualizacijo bioloških površin in površin nanomaterialov  v nanometrski skali, ki bodo pripomogle boljšem razumevanju lastnosti novih nanomaterialov, razumevanju interakcije bioloških celic z nanomateriali, ter razumevanju celičnih procesov kot sta membranska vesikulacija in tvorjenje membranskih nanotub. Vse z namenom razvijanja novih nanomaterialov in novih metod zdravljenja ter diagnostičnih metod z uporabo nanotehnologije.   Novi pristopi obravnave kompleksnih bioloških sistemov. Teorijo kompleksnih sistemov smo razširili na neavtonomne oscilatorne sisteme (kronotaksični), ki lahko stabilizirajo lastno frekvenco, čeprav so pod nenehnim vplivom okolice. Njihove dinamične lastnosti so časovno odvisne in so bile do sedaj obravnavane kot stohastične. Sedaj lahko določimo njihove deterministične lastnosti in tako povečamo diagnostične in prognostične možnosti obravnave kompleksnih sistemov. Na osnovi razvitih metod za analizo neavtonomnih, kronotaksičnih lastnosti, bomo lahko v naslednjem obdobju obravnavali probleme, ki so povezani s tehničnimi in biološkimi sistemi, kot so: (i) vpliv okolja na delovanje ščitnice, (ii) fluktuacije v tkivni oksigenaciji pri diabetesu, (iii) interakcije med kardiovaskularnimi oscilacijami in možganskimi valovi pri demencii, (iv) fizika raka, in (v) kronotaksične lastnosti celičnega membranskega potenciala.

Veliko teoretičnih izhodišč, metod, baz podatkov in rezultatov, na katerih bomo gradili načrtovane raziskave v tem programu, smo v preteklosti  objavili v mnogih uglednih znanstvenih revijah. Rezultati naših preteklih raziskav so naleteli tudi na velik odmev – tako v javnih občilih, kot tudi na mednarodnih znanstvenih srečanjih.  Glede na pretekle številne objave, uporabno vrednosti razvitih metod in idej, uspešen prenos in implementacijo znanja v zdravstvenih organizacijah in industriji ter glede na predlagani raziskovalni program, pričakujemo, da bo znanstvena relevantnost rezultatov predlaganega raziskovalnega programa ravno tako zelo visoka. Med izvedbo načrtovanih raziskovalnih aktivnosti in skozi multidisciplinarno sodelovanje med akademsko stroko, izvajalci zdravstvenih storitev, proizvajalcev medicinske opreme, farmacevtskimi podjetji in proizvajalci farmacevtske opreme, bomo ustvarili kritično maso novih znanj, ugotovitev in potreb po inovativnih rešitvah, ki bodo vodila do novih odkritij in novih raziskovalnih izzivov. Izvirni znanstveni prispevki na področjih tehnike, medicine, biologije ter drugih področjih lahko spodbudijo tudi razvoj novih oziroma nadgradnjo obstoječih tehnologij, ki bodo raznovrstno izboljšale razumevanja delovanja človeškega organizma, patogeneze ter zdravljenje bolnikov z različnimi boleznimi. Pričakujemo vrsto novih prispevkov predvsem k tehniški in biomedicinski znanosti. Nekateri od teh pričakovanih prispevkov so: (i) povečano razumevanje preizkušenih postopkov za analizo slik, ter poznavanje njihovih zmožnosti ter potencialnih pomanjkljivosti, kar nameravamo doseči z natančno in objektivno znanstveno validacijo trenutno uveljavljenih in novih postopkov analize slik, (ii) spodbujanje nadaljnjih raziskav in razvoja postopkov analize slik in objektivnega ocenjevanja ter primerjalnih raziskav z objavo standardne validacijske zbirke slik z referenčnimi rezultati, ki bo javno dostopna raziskovalni skupnosti, (iii) uporaba analize slik za izboljšano diagnostiko, načrtovanje zdravljenja ter zdravljenje različnih obolenj, ki lahko prizadanejo različne organe, (iv) oblikovanje smernic za kvantitativna merjenja v longitudinalnih raziskavah, (v)  napredek pri razumevanju in spremljanju napredovanja različnih bolezni,  kot posledica novih, objektivnih in ponovljivih in-vivo merjenj iz slik bolnika, (vi) nadaljnji razvoj in izboljšanje kliničnih smernic in načrtov zdravljenja s spodbujanjem uporabe objektivnih in kvantitativnih merjenj poleg že uveljavljenega subjektivnega ocenjevanja bolnikovega stanja, (vii) hitrejši razvoj in vrednotenje učinka novih zdravil in inovativnih načinov zdravljenja z omogočanjem zgodnejših odločitev osnovanih na objektivnih merjenjih, (viii) zmanjšanje minimalnega števila bolnikov, ki so potrebni za odkrivanje učinkov zdravljenja v kliničnih raziskavah s pomočjo izboljšane natančnosti in občutljivosti kvantifikacije patologij, (ix) zanesljivejša opredelitev lastnosti posameznih bolnikov, ki omogočajo prilagojeno osebno zdravljenje, (x)  produkcija novih nanostrukturiranih površin in nanodelcev ob široki eksperimentalni in teoretični analizi interakcij celic in proteinov s temi strukturam in nanodelci, (xi) kombinacija kliničnih študij in različnih eksperimentalnih, teoretičnih, numeričnih in simulacijskih metod ter ustrezne analize in procesiranja slik, pridobljenimi z različnimi vrstami mikroskopije, bo omogočila pridobiti odgovore na vrsto vprašanj,  ki so povezan  z mehanizni osteointegracije in biokompatibilnosti implantov, (xii) izdelava novih antibakterijskih površin in novih nanotehnoloških metod za omejevanje širjenja rakastih celic v človeškem telesu, (xiii) izboljšano razumevanje kardiovaskularne in možganske dinamike, kot tudi za izboljšanje dignostičnih in prognostičnih možnostih pri raku, diabetesu, demencii, disfunkciji ščitnice in podobnih obolnjih.

Pričakovane koristi za slovensko družbo in gospodarstvo so predvsem naslednje: Koristi v smislu rezultatov: Inovativno načrtovanje, razvoj in uporaba postopkov kot tudi razširjanje, vrednotenje in prenos rezultatov bo prispevalo k vidnosti, ugledu in uveljavljanju raziskovalne skupine, raziskovalnih inštitucij (Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko in Medicinska fakulteta) ter Slovenije kot raziskovalno uspešne države v mednarodnem znanstveno-raziskovalnem okolju. Pričakujemo, da bodo rezultati predlaganega raziskovalnega programa prispevali k napredku na področjih biomedicinske tehnike in zdravljenja različnih obolenj ter tako neposredno koristili bolnikom, zdravnikom ter tudi širši družbi. Nekateri novi postopki  bodo lahko implementirani kot namenska programska oprema, ki se trži kot samostojen produkt ali pa bodo del programske opreme večjih sistemov. Prenos znanja iz akademskega v industrijsko okolje: Raziskovalna skupina bo še okrepila sodelovnaje s slovenskimi gospodarskimi družbami ter vzpostavila stik s tujimi visokotehnološkimi podjetji, ki razvijajo ali tržijo namenske sisteme in produkte, kot tudi s slovenskimi podjetji, ki se bodo zanimala za tehnologijo, ki bo razvita v okviru projekta. Razvoj kadrov: Pričakujemo, da bodo rezultati predlaganega raziskovalnega programa prispevali k povečanju znanja ter izboljšanju spretnosti raziskovalcev, ki bodo s projektom neposredno ali pa le delno povezani, in sicer na podlagi tečajev, razširjanja rezultatov, izmenjave informacij ali s katero koli drugo obliko povezovanja s formalnimi raziskavami. Zaradi izredno aktualne in zanimive teme predlaganega programa, kot tudi zaradi znanja in izkušenj raziskovalne skupine pričakujemo, da bomo k raziskovanju privabili tudi nove talentirane raziskovalce. Krepitev inštitucijskih zmožnosti: Predlagani raziskovalni projekt bo omogočil oskrbo z novimi ter izboljšanje oziroma prenovo obstoječih elementov strojne opreme, programske opreme, literature ter administrativnih in upravljalskih sistemov. Povečano in učinkovitejše sodelovanje: Na podlagi sodelovanja posameznikov in inštitucij, ki bodo neposredno ali posredno povezane s predlaganim raziskovalnim projektom, se bodo vzpostavile nove ali okrepile obstoječe delovne povezave, ki bodo posledično prispevale k učinkovitejšemu sodelovanju v prihodnosti. Viri sredstev: Za predlagatelje kot tudi za organizacijo, povezano s predlaganim raziskovalnim programom, se bo povečala sposobnost pridobivanja novih finančnih, tehničnih in organizacijskih virov za prihodnje raziskovalne projekte.