Ужгородські фізики працюють на біомедичну інженерію майбутнього

Ще в далекому 2011 році компанія Qualcom анонсувала конкурс Qualcomm Tricorder XPRIZE на створення універсального медичного діагностичного пристрою, аналогічного до Tricorder-а з фантастичного серіалу Star Trek. Фіналісти цього заходу Final Frontier Medical Devices та Dynamical Biomarkers Group 12 квітня 2017 року отримали 2,6 та 1 мільйон доларів відповідно. Розроблені ними набори діагностичного обладнання DxtER та Smart Vital-Sense Monitor; Smart Blood-Urine Test Kit; Smart Scope Module дозволяють в домашніх або польових умовах визначати дані про фізіологічний стан людини (тиск, пульс, ЕКГ, температуру і т. д.), проводити лабораторні дослідження крові та сечі, і на основі отриманих даних діагностувати сотні різних захворювань. Це мрія кожного лікаря-терапевта. Адже правильний діагноз – 90% запорука одужання! Але, звичайно, техніка не стоїть на місці!

Лише за останній рік винайдені додаткові мобільні пристрої, які суттєво розширюють можливості медиків. Чого варта хоча б УЗД-система компанії Butterfly під назвою Butterfly IQ. Цей прилад (або його аналог Philips Lumify) підключається через інтерфейс USB до Android-сумісного смартфона або планшета, щоб допомогти лікарям у швидких, обґрунтованих рішеннях у різних сферах застосування. У найближчі плани компанії входить оснащення приладу штучним інтелектом, який навчить користувачів правильно застосовувати його, робити потрібні знімки й адекватно їх інтерпретувати. У 2018 році Butterfly IQ навчиться самостійно розраховувати об’єм крові, що перекачується серцем, діагностувати аневризму аорти та ін. І це далеко не все. Навіть у фантастичних фільмах ніхто не міг уявити, що в домашніх умовах зможемо аналізувати ДНК людини. Так-так, це реальність! Уже сьогодні продається пристрій під назвою MinION (вартістю 1000$), компанії Oxford Nanopore Technologies, який здатний виявляти генетичні захворювання людини. Навіть звичайний стетоскоп, який висить на шиї кожного лікаря, має цифрове втілення під назвою CliniCloud Stethoscope. І все це далеко не повний перелік обладнання сімейного лікаря майбутнього.

У клінічній медицині використання електронного обладнання на основі різних фізичних явищ ще більш приголомшує. Погляньте на сучасну операційну! У людини враження, що бачить центр керування космічним човном. Рентген-апарати, ендоскопи, лазери, зварювальні апарати, мікроскопи, системи моніторингу та підтримки життєдіяльності людини тощо. Серед цього обладнання все частіше з’являються й роботи. Наприклад, наприкінці 2017 – на початку 2018 років у Китаї та Ізраїлі були проведені перші операції, виконані роботами (імплантація зубних протезів та операція на хребті) в автономному режимі (без втручання людини). Такі операції відбуваються швидше та якісніше, ніж традиційні. Але серед обладнання сучасних лікарень можемо побачити й більш масштабні пристрої. Рентгенівські та ЯМР-томографи, гамма- та кібер-ножі, лінійні прискорювачі та синхротрони – це обладнання завбільшки з будинок, з енергоспоживанням маленької ГЕС та вартістю як бюджет маленького містечка.

Звичайно для розробки, налаштування та експлуатації високотехнологічних пристроїв необхідні висококласні спеціалісти, які мають освіту у суміжних галузях знань – таких, як фізика, медицина, електроніка, біологія, хімія. Причому готувати їх потрібно не просто на сучасному рівні, а з поглядом на майбутнє. Понад десять років Ужгородський національний університет веде підготовку фахівців спеціальності «Фізична та біомедична електроніка». Наші випускники працюють у лікарнях та установах, що займаються лікувальною справою. Деякі з них обрали собі наукову діяльність і розробляють новітнє медичне устаткування. Однак для розширення можливостей наших майбутніх випускників зазначеного напрямку (а потреба в таких спеціалістах постійно зростає), на базі кафедр фізичного факультету Ужгородського університету планується відкриття нової спеціальності – «Біомедична інженерія».

Це міждисциплінарна галузь освіти, яка поєднує інженерію і науки про життя, охоплює діяльність широкого спектру: від безпосереднього клінічного застосування до довгострокових фундаментальних досліджень природних і штучних біомедичних об’єктів.

Напрямок біомедичної інженерії започаткували лікарі, залучивши до вирішення медичних проблем провідні технічні університети. Перші заклади, де це відбулося, – Інститут медичної фізики (1921), надалі – Інститут біофізики Макса Планка (Німеччина) та Радіоінженерний інститут (1948, США). Таким чином, у Європі та США сформувався потужний рух до створення самостійної програми навчання з БМІ, яка не є частиною традиційних інженерних програм, а з початку навчального процесу інтегрована з медициною і біологією.

За оцінкою Державного департаменту США із працевлаштування і зайнятості (United States Department of Labor), з 2000 до 2010 року число робочих місць у цій сфері зросло на 31,4%, що вдвічі перевищує швидкість зростання робочих місць у всіх інших сферах діяльності. Якщо подивитися на перелік топ 50 спеціальностей у галузі медицини, то більш ніж 50% належить до галузі біомедичної інженерії.

Всього у світі прибутки, пов’язані з медичними технологіями і медичним обладнанням, сягнули 160 мільярдів євро, з яких 41,5% отримано на ринку США, 25,6% – у ЄС, 15% – в Японії. А в 2017 році лише у США продаж медичного обладнання сягнув 154 мільярди доларів.

У секторі розробки і виробництва медичного обладнання в ЄС зайнято понад 500 тисяч фахівців, не враховуючи персоналу, зайнятого в експлуатації та обслуговуванні медичного обладнання в закладах охорони здоров’я. Одна з найбільших мультинаціональних компаній – Siemens, що складається з 13 конкурентоспроможних індустріальних секторів, отримала доходів більше від медичного обладнання, ніж від будь-яких інших товарів і послуг (за винятком енергетичного сектору). Інша європейська компанія, Philips, вирішила згорнути всі напрямки своєї діяльності, крім виробництва медичного обладнання.

Понад 150 університетів, політехнічних шкіл і академій у Європі пропонують освітні програми з медико-біоінженерних наук усіх академічних рівнів, що потребує міжнародного координування змісту і вимог до вихідної кваліфікації. З метою дальшої підтримки високої якості біомедичної інженерної освіти створено «Міжнародну федерацію медичної і біологічної інженерії», а також підтримуваний нею новоутворений «Європейський альянс медичної і біологічної інженерії і наук», які об’єднують національні та транснаціональні європейські асоціації, навчальні заклади і промисловість, пов’язану з медико-біологічною інженерією і наукою. У нашій країні створена Українська асоціація медичних фізиків (УАМФ) та регулярно проводяться «Форуми медичних фізиків України» (останній раз 19–20 жовтня 2017 року з нашою участю).

Сама природа і швидкий розвиток галузі біомедичної інженерії, і як результат цього – різноманітність професійних орієнтацій, потребує визначення рівнів компетентності, наприклад, таких, як широко вживані – технік, інженер, спеціаліст, магістр, доктор наук, або мовою майбутньої Європейської структури: одно-, дво-, триступеневі програми.

Спеціальна освіта передбачає роботу інженерно-технічного персоналу безпосередньо в лікувальних та науково-дослідних закладах системи охорони здоров’я. Медичні інженери повинні бути готовими працювати разом із медичним персоналом за напрямками застосування, інтерпретації результатів і підвищення ефективності техномістких технологій діагностики і лікування.

Для навчання та вдосконалення практичних знань майже всі курси супроводжуються лабораторними та практичними заняттями, для чого створені сучасні навчальні та наукові лабораторії, які оснащені найсучаснішим обладнанням. За рахунок програм підтримки університетів провідними компаніями електронної промисловості світу нам удалося створити одну з кращих лабораторних баз. Це і обладнання компанії «Texas Instruments» для лабораторних робіт з курсу аналогової схемотехніки Analog System Lab Kit PRO; макети для вивчення основ цифрової схемотехніки та мікропроцесорної техніки на основі програмованих логічних матриць компаній «Xilinx» – ZedBoard Zynq™-7000 та ZYBO Zynq™-7000 та Intel/Altera/Terasic – DE0-Nano, DE10-Nano і DE10-Standard (ми були серед перших 50 університетів світу, які отримали це обладнання); макети компаній «Silicon Labs» – EFM32™ Giant Gecko StarterKit EFM32GG-STK3700 та «STM» – STM32F4 Discovery kit for STM32F407. Уже п’ять років, як наш університет став партнером усесвітньо відомої компанії ARM з підготовки спеціалістів для використанню ARM-сумісних мікроконтролерів та мікропроцесорів. Після закінчення навчання з використанням обладнання цієї фірми студенти можуть підвищити й підтвердити рівень своїх знань за програмою ARM Accredited MCU Engineer (AAME) та отримати сертифікати міжнародного рівня, що суттєво спрощує майбутнє працевлаштування в галузі вбудованих систем.

Для ознайомлення студентів кафедри фізики напівпровідників з особливостями будови, використання та розробки різних типів пам’яті (а вони використовуються в кожному цифровому пристрої) було вирішено започаткувати навчальний курс щодо пристроїв запам’ятовування. Спонсорську підтримку в цьому нам надала американська компанія «Integrated Device Technology, Inc.», яка передала кафедрі понад 600 надсучасних мікросхем пам’яті різного типу, комерційна вартість яких перевищує 20 000$. На їх основі розроблений цикл лабораторних робіт вказаного курсу.

Зусиллями кафедри фізики напівпровідників Ужгородський національний університет 2015 року здобув статус «Центру навчання NVIDIA CUDA C/C++». Компанія NVIDIA – найбільший розробник графічних прискорювачів, процесорів, а також наборів системної логіки. У світі понад дві сотні центрів навчання CUDA, наприклад, вони є в університетах Стенфорда, Оксфорда, Кембриджу. CUDA – це архітектура паралельних обчислень від «NVIDIA Corporation», що дозволяє істотно збільшити обчислювальну потужність сучасних комп’ютерів за рахунок використання графічних процесорів. Десятка кращих «суперкомп’ютерів» світу (наприклад, відомі Cray) використовують CUDA для досягнення максимальної швидкодії. Ця технологія широко застосовується в різних галузях науки – обчислювальній хімії, фізиці та біології, моделюванні динаміки рідин, комп’ютерній томографії, обробці відео та зображень, нейронних мережах, самокерованих автомобілях, системах штучного інтелекту. Для організації навчання за програмою NVIDIA CUDA нашому університету надано «мікросуперкомп’ютери» NVIDIA Jetson TK1 та найпотужніший у світі відеоприскорювач NVIDIA Titan X.

Загалом за матеріальним забезпеченням у галузі «Електроніка» кафедра фізики напівпровідників Ужгородського національного університету – одна з кращих у західному регіоні України.

З метою поліпшення співпраці з провідними компаніями світу та задля перевірки власних здібностей команди студентів нашої кафедри регулярно беруть участь у міжнародних конкурсах робіт з електроніки. Цього року вони залучені до освітніх конкурсів «Innovate FPGA– 2017» (за підтримки компаній Intel/Altera/Terasic), «Digilent Design Contest 14th Edition – 2017» (за підтримки компаній Digilent/Xilinx) та ін. Наприклад, одна з наших команд розробила телеметричний пристрій для стеження за фізіологічним станом працівників служб порятунку з використанням систем доповненої реальності. Для заохочення команди-учасниці отримують додаткове обладнання, яке після закінчення роботи над конкурсним проектом використовується для навчання. Студенти долучаються до роботи з найсучаснішим устаткуванням та програмним забезпеченням, дістають можливість реалізації своїх інноваційних ідей, які в майбутньому можуть стати основою успішного бізнес-проекту (наприклад, через сайт або центр  інновацій УжНУ). Здорова конкуренція, що виникає між різними командами, стимулює творчий процес та навчання, а викладач, який курує команди, може замовляти значну кількість електронних компонент (мікросхем, датчиків тощо) для виконання конкурсних проектів і забезпечення навчального процесу.

Нові розробки студентів у галузі біомедичної інженерії особливо важливі, бо в Україні виробництво медичної техніки і матеріалів медичного призначення обмежене й перебуває на початковій стадії свого розвитку. Забезпечення всіх потреб вітчизняної сфери охорони здоров’я у зазначених вище виробах і технологіях за рахунок імпорту недоцільне, а часом неможливе з економічних міркувань. Необхідним є створення вітчизняної матеріально-технічної і наукової бази для виробництва медичного обладнання, матеріалів і засобів профілактики. Крім того, впровадження і експлуатація високотехнологічного медичного обладнання і спеціалізованих матеріалів медичного призначення висуває нові вимоги до компетентності експертів, розробників та інженерного персоналу, який супроводжує інсталяцію та експлуатацію обладнання в лікувальних закладах.

На вітчизняних теренах кафедра фізики напівпровідників співпрацює з компанією «Jabil Circuit Ukraine LLC» – створена спільна навчальна лабораторія. На цьому ж підприємстві наші студенти проходять виробничу практику, а після закінчення вишу мають можливість працевлаштування.

Нині кафедра фізики напівпровідників разом із НДІ фізики і хімії твердого тіла є визнаним у країні і світі науковим центром. Понад 100 випускників кафедри захистили кандидатські дисертації, а більш ніж 30 – докторські дисертації. Члени кафедри є лауреатами трьох Державних премій України в галузі науки і техніки.