Modeling in biotechnological systems

Description: This discipline is aimed at familiarizing graduate students with the basic methods of solving problems based on simulation modeling, acquiring skills in creating models of biotechnical systems, studying methods of planning experiments, and applying the acquired knowledge in creating and conducting experiments with simulation models of systems of varying complexity.

Amount of credits: 6

Пререквизиты:

• Biotechnical systems and technologies

Course Workload:

Component: University component

Cycle: Profiling disciplines

Goal

• Формирование у студентов компетенций в области математического и компьютерного моделирования биотехнических систем, а также развитие навыков проектирования, анализа и оптимизации таких систем с использованием современных методов вычислительной биологии и инженерных подходов.

Objective

• acquiring skills in creating models of biotechnical systems
• study of experimental design methods
• application of the acquired knowledge in the creation and conduct of experiments with simulation models of biotechnical systems of varying complexity

Learning outcome: knowledge and understanding

• demonstrate developing knowledge and understanding of biotechnical systems that provide the basis or opportunity for original development or application of ideas, often in the context of scientific research

Learning outcome: applying knowledge and understanding

• разрабатывать математические и компьютерные модели биотехнических систем и адаптировать их под различные задачи,
• использовать вычислительные методы для анализа и оптимизации биотехнических процессов, медицинских устройств,
• анализировать и интерпретировать результаты моделирования для разработки биомедицинских решений,

Learning outcome: formation of judgments

• оценивать качество моделей и корректировать их параметры на основе экспериментальных данных,
• критически анализировать существующие модели и их применимость к реальным биотехническим системам,
• обоснованно выбирать методы моделирования в зависимости от целей исследования,

Learning outcome: communicative abilities

• оформлять научные и технические отчёты, описывая построенные модели и полученные результаты,
• использовать цифровые технологии для визуализации результатов (графики, 3D-модели, симуляции),

Learning outcome: learning skills or learning abilities

• применять методы математического и компьютерного моделирования для анализа и оптимизации биотехнических систем, включая численные методы, машинное обучение и симуляции физиологических процессов,
• выбирать наиболее подходящие модели и вычислительные инструменты для решения конкретных задач в области биомедицинской инженерии, обосновывая свой выбор на основе научных данных и экспериментальных результатов.

Teaching methods

Educational-modular, computer

Assessment of the student's knowledge

Teacher oversees various tasks related to ongoing assessment and determines students' current performance twice during each academic period. Ratings 1 and 2 are formulated based on the outcomes of this ongoing assessment. The student's learning achievements are assessed using a 100-point scale, and the final grades P1 and P2 are calculated as the average of their ongoing performance evaluations. The teacher evaluates the student's work throughout the academic period in alignment with the assignment submission schedule for the discipline. The assessment system may incorporate a mix of written and oral, group and individual formats.

The evaluating policy of learning outcomes by work type

Evaluation form

The student's final grade in the course is calculated on a 100 point grading scale, it includes:

• 40% of the examination result;
• 60% of current control result.

The final grade is calculated by the formula:

 

Where Midterm 1, Midterm 2are digital equivalents of the grades of Midterm 1 and 2;

E is a digital equivalent of the exam grade.

Final alphabetical grade and its equivalent in points:

The letter grading system for students' academic achievements, corresponding to the numerical equivalent on a four-point scale:

Topics of lectures

• Введение в моделирование биотехнических систем
• Математические основы моделирования биологических процессов
• Методы верификации и валидации моделей
• Моделирование физиологических систем организма
• Биомеханическое моделирование
• Моделирование биохимических процессов и клеточных систем
• Компьютерное моделирование нейронных сетей и мозга
• Моделирование биосенсоров и медицинских приборов
• Моделирование лекарственного действия и фармакокинетики
• Цифровые двойники в медицине и биотехнических системах
• Моделирование в персонализированной медицине
• Моделирование взаимодействий человека и биотехнических систем
• Вычислительные методы для анализа биомедицинских данных
• Будущее моделирования в биомедицине
• Разбор реальных кейсов и обсуждение проектов

Key reading

• Компьютерное моделирование биотехнологических процессов и систем: Учеб. пособие / Д.С. Дворецкий, С.И. Дворецкий, Е.И. Муратова, А.А. Ермаков. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005, 80 с.
• Устюжанин В.А. Моделирование биотехнических систем: учеб. пособие / В.А.Устюжанин, И.В.Яковлева. - Старый Оскол: ТНТ, 2014. - 215 с.
• Самарский А.А., Михайлов А.П. Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры. М.: Физматлит, 2001, 320 с.

Further reading

• Дворецкий С.И., Егоров А.Ф., Дворецкий Д.С. Компьютерное моделирование и оптимизация технологических процессов и оборудования: Учеб. пособие. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2003, 224 с.
• Протопопов И.И., Пащенко Ф.Ф. Компьютерное моделирование биотехнологических систем: Учеб. пособие. М.: МГУПБ, 2003 Ч. 1, 116 с.