مهندسی پزشکی زیستی
سال:1398 | دوره:13 | شماره:1 |تعداد مقالات:7

سطح وسیع ریه با حصارهای هوایی-خونی خود، در معرض ذرات معلق هوای ورودی قرار دارد. در این شرایط، در صورت آلوده بودن این ذرات، اثر متقابل ذرات-ریه روی هم می تواند خطرات و صدمات قابل توجهی را برای سلامتی انسان به همراه داشته باشد. از طرفی، از این واکنش ها برای دارورسانی به بدن انسان نیز استفاده می شود. در هر دو حالت، تخمین دقیق مقدار و محل نشست ذرات در مجاری تنفسی، به عنوان مبنای درک مکانوبیولوژیکی این بیماری ها به شمار می رود. گردآوری تجربی داده ها از انتقال ذرات در ریه ی انسان فرایند بسیار دشواری می باشد. اما روش دینامیک سیالات-ذرات محاسباتی، امکان شبیه سازی داده های انتقال ذرات در مدل های واقعی را فراهم ساخته است. نشست ذرات آیروسول در ریه ی انسان، از طریق ترکیب برخورد در اثر اینرسی، رسوب در اثر گرانش و انتشار روی می دهد. مکانیسم اصلی نشست ذرات در مجاری پایین دست، برای ذراتی با قطر آیرودینامیکی 5/0 تا 5 میکرومتر و در حالت انبساط ریه (در حالت دم)، رسوب ناشی از نیروی گرانش و انتقال هم رفتی ناشی از حرکت دیواره ها می باشد. در این پژوهش، جریان سیال-ذره در نسل 18-ام از مجاری تنفسی مدل سازی شده و میزان نشست ذرات در مجاری تنفسی برای دو حالت گرانش ناچیز و نرمال، با فرض تغییر مکان ایزوتروپیک در دیواره ها و میزان دبی ورودی 1 mg/s، مورد بررسی قرار گرفته است. بررسی نتایج به دست آمده نشان می دهد که به دلیل توانایی نفوذ ذرات با قطر آیرودینامیکی کم تر از 5 میکرومتر به نواجی عمیق مجاری تنفسی، با ناچیز کردن اثر نیروی گرانش، میزان نشست ذرات در مجاری پایین دست سیستم تنفسی تا حد بسیار زیادی کاهش می یابد. ذرات با قطر 5 میکرومتر، تحت تاثیر برخورد اینرسی (که بیش تر در مجاری با قطر بزرگ و متوسط روی می دهد) و هم چنین در اثر رسوب (که بیش تر در مجاری پایین دست عمل می کند)، دچار نشست می شوند.

حذف نویز یکی از مهم ترین مراحل در پردازش تصاویر دیجیتال است. امروزه از تصاویر سی تی با اشعه ی مخروطی به صورت گسترده در تصویربرداری از ناحیه ی فک و صورت استفاده می شود. این تصاویر به دلیل الگوریتم بازسازی متفاوت و اعمال دوز بسیار کم در مقایسه با سی تی، دارای نویز و آرتیفکت های مختلف هستند. از این رو، استفاده از روش های کاهش نویز در این تصاویر برای افزایش نسبت سیگنال به نویز در آن ها ضروری می باشد. در این مقاله از روش تحلیل مولفه های مستقل (ICA) به منظور جداسازی نویز از تصاویر سی تی با اشعه ی مخروطی استفاده شده و سه الگوریتم مختلف NG-FICA، ERICA و FastICA مورد بررسی قرار گرفته است. هم چنین از دو روش قدرتمند کاهش نویز دیگر، آستانه گذاری تبدیل موجک گسسته ی دوبعدی و فیلتر انتشار ناهمسان گرد بهینه، برای مقایسه ی نتایج استفاده شده است. روش پیشنهادی روی 12 تصویر مختلف در حضور دو نویز گوسی و اسپکل بررسی شده و نتایج به دست آمده با استفاده از معیارهای زمان پردازش، PSNR، MSE و SSIM مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که روش های ICA نسبت به سایر روش های حذف نویز عمل کرد بهتری در جداسازی نویز از تصاویر سی تی با اشعه ی مخروطی داشته و از میان سه الگوریتم مورد بررسی، الگوریتم NG-FICA از نظر زمانی، حفظ کیفیت تصویر و کاهش نویز، عمل کرد بهتری داشته است.

در ستون فقرات، دیسک های بین مهره ای نقش انعطاف پذیری، انتقال بار و استهلاک انرژی در ضربات ناشی از بارگذاری را بر عهده دارند. افزایش سن و اعمال بارگذاری های نامناسب منجر به انحطاط (دژنره شدن) دیسک های بین مهره ای می شود. بررسی پارامترهای بیومکانیکی دیسک سالم و دژنره شده در سطوح مختلف جهت کشف مکانیزم های مربوط به دژنره شدن دیسک و یافتن راه کارهای درمانی موثر از اهمیت بالایی برخوردار است. در این پژوهش، یک دیسک بین مهره ای ناحیه ی گردنی ستون فقرات به همراه دو مهره ی مجاور آن (C5 و C6) با استفاده از روش مقطع نگاری رایانه ای (سی تی اسکن) به یک مدل سه بعدی دقیق تبدیل شده است. برای تعریف دقیق خواص بیومکانیکی دیسک و مهره ها از دو مدل پوروویسکوالاستیک و پوروالاستیک استفاده شده است. در این دو مدل، ساختار دیسک و مهره به صورت متخلخل در نظر گرفته شده و هم چنین خواص ماتریس جامد دیسک و مهره و جریان سیال (آب) درون آن ها به عنوان یک عامل اساسی در عمل کرد ستون مهره ها نیز مد نظر قرار داده شده است. خاصیت ویسکوالاستیک فاز جامد دیسک با استفاده از تست آزمایشگاهی ریلکسیشن (آسودگی از تنش) روی نمونه ی دیسک گوسفندی و برازش داده های تنش بر حسب زمان، به مدل عمومی ماکسول دوشاخه-ای استخراج گردیده است. پاسخ های وابسته به زمان دیسک بین مهره ای سالم و دیسک های دژنره شده در سه سطح مختلف (خفیف، متوسط و شدید) در بارگذاری ریلکسیشن، با استفاده از روش المان محدود مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهند که در فرایند ریلکسیشن، با افزایش میزان دژنره شدن دیسک، سرعت جریان سیال درون آن کاهش یافته و این امر منجر به کاهش انعطاف پذیری دیسک تحت بارگذاری می گردد. هم چنین با بررسی نتایج مشاهده می شود که تنش ریلکسیشن دیسک دژنره شده ی سطح 3 (شدید) نسبت به دیسک بین مهره ای سالم تا حدود 16% افزایش یافته است. بررسی میزان بیرون زدگی دیسک های دژنره شده و دیسک سالم تحت بارگذاری، نشان می دهد که با افزایش میزان دژنره شدن دیسک، میزان بیرون زدگی آن نیز افزایش می یابد.

توربینیت ها در گرم و مرطوب کردن هوای عبوری از بینی نقش مهمی داشته و جریان عبوری از مجرای بینی را تحت تاثیر قرار می دهند. هدف این پژوهش، مدل سازی تاثیرات برداشتن توربینیت تحتانی بر میدان جریان، انتقال حرارت و رطوبت از مخاط حفره ی بینی به هوا و مقایسه ی آن ها در قبل و بعد از جراحی می باشد. عمل توربینکتومی به صورت مجازی روی مدل محاسباتی و تحت نظر متخصص صورت گرفته است. در این پژوهش جریان به صورت آرام و غیردائمی و دیواره ی مجرای بینی به صورت صلب و با شرط عدم لغزش در نظر گرفته شده و هم-چنین مخاط روی سطح دیواره ی مجرای بینی با ضخامت ثابت مدل سازی شده است. دما و رطوبت روی سطح مخاط با استفاده از محاسبات به دست می آید. نتایج نشان می دهد که برداشتن توربینیت تحتانی به میزان قابل توجهی روی عمل کرد گرم و مرطوب کردن هوای ورودی به بینی تاثیر می گذارد. میانگین مقدار هر دو شار حرارت و رطوبت برای حالت بعد از جراحی کم تر است.

در سال های اخیر، تحلیل سیستم پایداری وضعی انسان، اهمیت زیادی پیدا کرده است. شناخت این سیستم به دلیل فرایند پیچیده ی خودسازماندهی آن که متناسب با هر الگوی حرکتی فعال می شود، ضروری است. استخراج شاخص هایی موثر از این سیستم می تواند در تشخیص ناهنجاری های وضعی به پزشکان کمک کرده و در فرایند توان بخشی بیماران موثر باشد. سیگنال مرکز فشار، به عنوان یک متغیر تجمعی، حاوی اطلاعاتی از سیستم تعادلی انسان است. نحوه ی شکل گیری ترژکتوری این سیگنال در بازه های زمانی مختلف، بیان گر فعال شدن فرایندهای کنترلی متنوع است که با ظهور بستر جاذب های متفاوت در فضای فاز آن بروز می یابد. الگوی هماهنگی دینامیک پایداری سیستم، تعیین کننده ی چگونگی سوییچ بین این جاذب ها می باشد. در بخش اول این مقاله، به منظور کمی سازی اطلاعات محلی سیگنال مرکز فشار، دو شاخص "بعد همبستگی محلی" و "دینامیک هماهنگی فاز" تعریف می شوند. سپس در یک آزمایش طراحی شده، الگوی تغییر رفتار محلی این سیگنال بر مبنای شاخص های پیشنهادی محاسبه می شود. در ادامه، با طراحی مدلی که توانایی تولید دینامیک های غنی با جاذب های چندگانه را دارد، سعی می شود که تغییر رفتارها در دادگان دنبال شود. این مدل پیشنهادی بر مبنای نگاشت بوده و پارامترهای آن به کمک شاخص هماهنگی دینامیک فاز، به گونه ای هدایت می شوند که الگوی تغییر جاذب ها در این مدل با الگوی تغییر بعد همبستگی محلی سیستم هماهنگ شود. دنبال نمودن الگوهای رفتاری سیستم پایداری وضعی از نتایج برجسته ی این پژوهش است. مدل پیشنهادی نه تنها قابلیت دنبال کردن رفتار متنوع محلی سیستم را دارد، بلکه دینامیک سراسری آن را نیز دنبال می کند. طبق نتایج به دست آمده، تشابه روند کاهشی-افزایشی مقدار بعد همبستگی خروجی مدل و دادگان در تکرارهای آزمایش، یک بازنمایی از الگوی تغییرات درجه های آزادی دینامیک این سیستم است. این مدل پیشنهادی، نخستین مدل رفتاری برای سیستم پایداری وضعی به شمار آمده که می توان از روش های پیشنهادی در آن برای کمی سازی روند تغییر اطلاعات در سایر سیستم های زیستی نیز بهره گرفت.

سرطان مری هشتمین سرطان شایع و ششمین سرطان منجر به مرگ در جهان می باشد. 80% از سرطان های مری در سلول های سنگ فرشی رخ می دهند. در ایران، این نوع سرطان در استان گلستان شیوع بیش تری دارد. پیش از بروز این سرطان، ضایعاتی در بافت ا پیتلیوم مری به وجود می آید که پیش رفت و نفوذ این ضایعات به لایه های زیرین، منجر به بروز سرطان می شود. این بیماری در اکثر بیماران از یک مرحله ی پیش بالینیِ قابل تشخیص شروع می شود. این بیماری در صورت عدم مداخله ی درمانی مناسب، در اکثر موارد به سمت یک مرحله ی بالینی پیش رفت می کند. در مطالعات انجام شده پیرامون این نوع سرطان، مدلی برای پیش رفت این ضایعات (دیسپلازی) در سطح مزوسکوپیک ارائه نشده است. در این مقاله، مدلی بر پایه ی شبکه ای از نگاشت های لاجستیک کوپل شده برای مدل سازی عمل کرد بافت اپیتلیوم ارائه شده است. از تصاویر میکروسکوپیک مربوط به نمونه های بیوپسی بافت سالم و بافت با دیسپلازی خفیف، به عنوان دادگان این مطالعه استفاده شده است. طراحی ساختار و تنظیم پارامترهای این مدل بر مبنای فرضیاتی از ساختار و عمل کرد بافت اپیتلیوم، با وارد نمودن اطلاعاتی از هندسه ی فرکتالی این بافت انجام شده است. عمل کرد مدل، بر مبنای تغییرات نمای لیاپانوف در راستای ضخامت اپیتلیوم مورد ارزیابی قرار گرفته است. در این مدل، الگوی کاهشی این شاخص برای بافت سالم، از صحت و حساسیت مناسبی در تشخیص بافت سالم از بافت با دیسپلازی خفیف برخوردار است. نتایج این مدل سازی نشان می دهد که بین پیچیدگی ساختاری این سیستم زیستی و عدم قطعیت رفتار زمانی آن، می تواند ارتباط مستقیمی وجود داشته باشد.

موج های مارپیچی نوع خاصی از الگوهای زمانی-مکانی هستند که در بسیاری از سیستم های پیچیده از جمله شبکه های نورونی وجود دارند. ظهور این امواج به ساختار شبکه و هم چنین دینامیک اجزای تشکیل دهنده ی آن بستگی دارد. در این مقاله، ابتدا یک مدل نورونی جدید بر پایه ی مدل هیندمارش-رز ارائه شده است. در این مدل از یک تابع ممریستوری هیپربولیک به عنوان شار مغناطیسی نورون استفاده شده که خاصیت مشتق پذیری به طور یک نواخت را دارد. هم چنین یک القای الکترومغناطیسی خارجی نیز به نورون وارد شده و مدل نورونی با رسم نمودار بایفورکیشن و طیف لیاپانوف، در دو حالت بدون القای خارجی و با القای متناوب مورد بررسی قرار گرفته است. نمودار بایفورکیشن مدل پیشنهادی، خاصیت ضدیک نواختی را نشان داده که در مدل های پیشین مشاهده نشده است. سپس یک شبکه ی مربعی از مدل نورونی جدید در نظر گرفته شده و الگوهای مکانی-زمانی مورد بررسی قرار گرفته اند. موج های مارپیچی، با تغییر پارامترها در محدوده هایی معین قابل مشاهده بوده و شکل گیری این امواج به تعامل بین تمام پارامترها وابسته است.