Baranovsky S. Mathematical Modeling of Controlled Immunology Processes Considering Spatial Perturbations, Temperature, and Concentrated Effects

Українська версія

Thesis for the degree of Doctor of Science (DSc)

State registration number

0525U000349

Thesis Registration Form

0525U000349.pdf

Applicant for

Serhii Baranovsky

Specialization

01.05.02 - Математичне моделювання та обчислювальні методи

Date of defense

17-09-2025

Specialized Academic Board

Д 47.104.09

National University of Water and Environmental Engineering

Essay

This dissertation is devoted to addressing a significant scientific and applied problem concerning the development and advancement of approaches, methods, and tools for mathematical modeling of infectious disease processes and antiviral immune responses, considering targeted therapeutic interventions, including localized effects (pharmacological, immunological, adsorptive), convection and diffusion perturbations, temperature, conditions of mixed infections, and biostimulation. Based on the ideas of perturbation theory, a methodology for modifying models of infectious disease and antiviral immune response is proposed to account for the effects of small-scale diffusion scattering of active factors in one-dimensional and multi-dimensional domains. A technology for constructing an efficient computational procedure of step-by-step numerical-asymptotic approximation of solutions to model singularly perturbed delay problems has been developed. Based on this, a novel modification of the infectious disease model has been developed to account for diffusion perturbations under conditions of pharmacological and immunological agent application. A novel methodology for generalizing models of infectious disease and antiviral immune response has been proposed to comprehensively account for diffusion perturbations, various localized effects, logistic limitations of population dynamics, and the body's temperature response. Furthermore, a step-by-step technology for numerical-asymptotic approximation of solutions to corresponding model, particularly discrete, problems has been adapted, modified, and developed accordingly. The general methodology has been adapted and developed for modifying mixed infection models, further considering interactions between viruses and conditions of immunotherapy and biostimulation application. Additionally, a discrete procedure for adaptive control of the immune response has been formulated. A methodology for generalizing viral infection models has been developed to account for the impact of adsorptive agents (including the effects of two-component (multi-component) competitive adsorption) under conditions of diffusion perturbations, temperature response, and immunotherapy. The discrete procedure for adaptive control of the immune response has been modified for conditions of combined application of adsorptive and immunological agents. An approach has been developed and advanced for modifying and generalizing viral infection models to predict disease dynamics, considering effects caused by convection features in media with non-uniform intercellular fluid velocity fields, as well as multiple migration pathways of active factors. Based on this, a technology for generalizing the infectious disease model has been proposed to account for non-uniform convection in a peripheral immunological organ. A methodology has been developed for identifying unknown parameters of small diffusion scattering of active factors, as well as the influence coefficient of adsorbents on antigen dynamics within the organism's environment, for various types of functional dependence of these parameters and given overdetermination conditions.

Official opponents

Natalya Shakhovska
Andrii S. Sverstyuk
Sergiy V. Yakovliev

Scientific advisers

Andrii Bomba

Research papers

• Bomba A. Ya., Baranovsky S. V., Pasichnyk M. S., Pryshchepa O. V. Modeling small-scale spatial distributed influences on the development of infectious disease. Mathematical modeling and computing. 2020. Vol. 7. No. 2. P. 310–321. (Scopus, Q3)

• Bomba A. Ya., Baranovsky S. V., Pasichnyk M. S., Pryshchepa O. V. Modelling of the Infectious Disease Process with Taking into Account of Small-Scale Spatially Distributed Influences. 2020 IEEE 15th International Scientific and Technical Conference on Computer Sciences and Information Technologies (CSIT). Proceedings, 2020. Vol. 2. P. 62–65. (Scopus)

• Bomba A., Baranovskii S., Pasichnyk M., Malash K. Modeling of Infectious Disease Dynamics under the Conditions of Spatial Perturbations and Taking into account Impulse Effects. Proceedings of the 3rd International Conference on Informatics & Data-Driven Medicine (IDDM 2020). Växjö, Sweden, November 19–21, 2020. P. 119–128. (Scopus; Web of Science Core Collection)

• Bomba A., Baranovsky S., Blavatska O., Bachyshyna L. Modification of Infection Disease Model to Take into account Diffusion Perturbation in the Conditions of Temperature Reaction of the Organism. Proceedings of the 4rd International Conference on Informatics & Data-Driven Medicine (IDDM 2021). Valencia, Spain, November 19–21, 2021. P. 93–99. (Scopus; Web of Science Core Collection)

• Bomba A., Baranovsky S., Blavatska O., Bachyshyna L. Infectious disease model generalization based on diffuse perturbations under conditions of body's temperature reaction. Computers in Biology and Medicine. 2022. Vol. 146. P. 105561. (Scopus, Q1)

• Baranovsky S. V., Bomba A. Ya., Lyashko S. I. Generalization of the Antiviral Immune Response Model for Complex Consideration of Diffusion Perturbations, Body Temperature Response, and Logistic Antigen Population Dynamics. Cybernetics and Systems Analysis. 2022. Vol. 58. No. 4. P. 576–592. (Scopus, Q3; Web of Science Core Collection)

• Baranovsky S., Bomba A., Pryshchepa O. Modelling the Biostimulation Effect on the Development of an Infectious Disease in View of Diffusion Perturbations and the Organism’s Temperature Response. Proceedings of the 5th International Conference on Informatics & Data-Driven Medicine (IDDM 2022). Lyon, France, November 18–20, 2022. P. 120–127. (Scopus; Web of Science Core Collection)

• Baranovsky S. V., Bomba A. Y. Generalizing the Infectious Disease Model Taking Into Account Diffusion Perturbations, Logistic Dynamics, and Biostimulation. Cybernetics and Systems Analysis. 2023. Vol. 59. No. 1. P. 134–145. (Scopus, Q3; Web of Science Core Collection)

• Baranovsky S. V., Bomba A. Y. Generalizing the Infectious Disease Model to Account for Sorption Therapy in Conditions of Diffusion Disorders. Cybernetics and Systems Analysis. 2023. Vol. 59. No. 4. P. 601–611. (Scopus, Q3; Web of Science Core Collection)

• Baranovsky S., Bomba A., Pryshchepa O. Generalizing the Antiviral Immune Response Model to Account for Adsorption, Diffusion Perturbations, and Temperature. Proceedings of the 6th International Conference on Informatics & Data-Driven Medicine (IDDM 2023). Bratislava, Slovakia, November 17–19, 2023. P. 138–144. (Scopus; Web of Science Core Collection)

• Baranovsky S. V., Bomba A. Ya. The diffusion scattering parameters identification for a modified model of viral infection in the conditions of logistic dynamics of immunological cells. Mathematical Modeling and Computing. 2024. Vol. 11. No. 1. P. 59–69. (Scopus, Q4)

• Baranovsky S. V., Bomba A. Y. Modification of the Model of Mixed Infection Dynamics with Regard for the Diffusion Perturbations and Interactions Between Antigens. Journal of Mathematical Sciences. 2024. Vol. 282. No. 5. P. 870–884. (Scopus, Q3)

• Baranovsky S. V., Bomba A. Y. Decision Making in Predicting the Dynamics of Viral Infection Considering Diffusion-Convective Migration of Active Factors Via Several Ways Under Immunotherapy. Cybernetics and Systems Analysis. 2024. Vol. 60. No. 4. P. 561–570. (Scopus, Q3; Web of Science Core Collection)

• Бомба А. Я., Барановський С. В. Сингулярні просторово розподілені дифузійні збурення одного класу динамічних процесів. Вісник Національного університету водного господарства та природокористування. Сер. Технічні науки : зб. наук. праць. 2019. Вип. 3 (87). С. 54–65.

• Бомба А. Я., Барановський С. В. Моделювання малих просторово розподілених впливів на динаміку інфекційного захворювання в умовах типу фармакотерапії. Журнал обчислювальної та прикладної математики. 2020. № 1 (133). С. 5–17.

• Барановський С. В., Бомба А. Я. Узагальнення математичної моделі противірусної імунної відповіді Марчука-Петрова з урахуванням впливу малих просторово розподілених дифузійних збурень. Математичне та комп’ютерне моделювання. Сер. Технічні науки. Кам’янець-Подільський : КПНУ, 2020. Вип. 21. С. 5–24.

• Барановський С. В., Бомба А. Я., Ляшко С. І. Прийняття рішень при моделюванні динаміки інфекційного захворювання з урахуванням дифузійних збурень та зосереджених впливів. Проблеми керування та інформатики : Міжнародний науково-технічний журнал. 2021. Том 66. № 3. С. 115–129.

• Барановський С. В., Бомба А. Я., Ляшко С. І. Моделювання впливу дифузійних збурень на розвиток інфекційного захворювання з урахуванням конвекції та імунотерапії. Доповіді Національної академії наук України. 2021. № 3. С. 17–25.

• Барановський С. В. Моделювання динаміки інфекційного захворювання з урахуванням просторово-дифузійних збурень, зосереджених впливів та кривизни середовища. Журнал обчислювальної та прикладної математики. 2021. № 1 (135). С. 20–28.

• Бомба А. Я., Барановський С. В. Моделювання динаміки епідемій інфекційних захворювань в умовах дифузійних збурень. Фізико-математичне моделювання та інформаційні технології. 2021. Вип. 32. С. 58–63.

• Барановський С. В., Бомба А. Я. Логістичне узагальнення математичної моделі динаміки інфекційного захворювання з урахуванням дифузійних збурень. Вісник Національного університету водного господарства та природокористування. Сер. Технічні науки : зб. наук. праць. 2021. Вип. 3 (95). С. 74–88.

• Барановський С. В., Бомба А. Я. Покрокові збурення дискретних моделей імунології. Математичне та комп’ютерне моделювання. Сер. Технічні науки. Кам’янець-Подільський : КПНУ, 2022. Вип. 23. С. 5–19.

• Барановський С. В., Бомба А. Я. Модифікована модель вірусної біінфекції з урахуванням дифузійних збурень, зосереджених впливів та логістичної динаміки. Журнал обчислювальної та прикладної математики. 2022. № 2. С. 24–34.

• Барановський С. В., Бомба А. Я. Метод дискретних особливостей для урахування конвекції при моделюванні динаміки інфекційного захворювання в умовах дифузійних збурень та зосереджених впливів. Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Сер. Математичне моделювання в техніці та технологіях : зб. наук. праць. Харків : НТУ «ХПІ». 2023. № 1. С. 3–9.

• Барановський С. В., Бомба А. Я. Ідентифікація параметрів моделі інфекційного захворювання з урахуванням сорбційної терапії в умовах дифузійних збурень. Математичні методи та фізико-механічні поля. 2023. Том 66. № 1–2. С. 230–241.

• Барановський С. В., Бомба А. Я. Автоматизоване управління імунною відповіддю на збудників інфекційного захворювання. Штучний інтелект. 2023. Вип. 3(97). С. 10–17.

• Барановський С. В. Узагальнення моделі інфекційного захворювання для урахування дифузійних збурень та температурної реакції організму в умовах фармакотерапії. Вісник Національного університету водного господарства та природокористування. Сер. Технічні науки : зб. наук. праць. 2024. Вип. 1 (105). С. 229–243.

• Барановський С. В., Бомба А. Я., Бондар О. С., Ляшко В. С. Моделювання процесу інфекційного захворювання з урахуванням дифузійних збурень та конвекції в периферійних імунологічних органах. Проблеми керування та інформатики : Міжнародний науково-технічний журнал. 2024. Вип. 69. № 4. С. 59–72.

• Барановський С. В. Проблеми управління імунною відповіддю в умовах конкурентної адсорбції, дифузійних збурень та температурної реакції організму. Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Сер. Математичне моделювання в техніці та технологіях : зб. наук. праць. 2024. № 1 (6). С. 12–18.

• Baranovsky S., Bomba A., Lyashko S., Pryshchepa O. Diffusion Perturbations in Models of the Dynamics of Infectious Diseases Taking into Account the Concentrated Effects / Computational Methods and Mathematical Modeling in Cyberphysics and Engineering Applications 1. London: ISTE Ltd and John Wiley & Sons, Inc, 2024. P. 273–303. (Scopus)

Files

autoreferat-(+) Реферат (Барановський)+1_2 ст підпис.pdf

Дисертація(підпис) Барановський (усі розділи).pdf

Similar theses

0525U000176

Tetіana V. Shmatko

Mathematical modelling and development of numerical-analytical methods for studying functionally graded shallow shells and plates using the R-functions theory

0525U000051

Oleh Lychak

Mathematical modeling of the non-stationary random signals for detecting defects in mechanisms at the initial stages of their development

0525U000003

Yurii Bilushchak

Mathematical modeling of mass transfer processes in complex bodies with a microstructure

0524U000416

Bohaienko Vsevolod O.

Mathematical and computer modeling of hydrogeomigration processes with non-classical dynamics based on high-performance computational algorithms

0524U000412

Volodymyr A. Yevdokimov

Methods and methods of computer modeling of the multi-agent process of price creation in organizational and technical systems