مهندسی پزشکی زیستی
سال:1384 | دوره:2 | شماره:1 |تعداد مقالات:8

استفاده از پوشش های سرامیکی در ایمپلنت های دندانی به دلایل زیادی از جمله سازگاری  با استخوان، فقدان بافت فیبری در محل اتصال– ایمپلنت و اتصال محکم تر پوشش– استخوان به صورت عمومی درآمده است. در بین این پوشش ها، هیدروکسی آپاتیت (HA) و فلوئوروآپاتیت (FA) استفاده بیشتری دارند. در این تحقیق، برای اولین بار با استفاده از تحلیل تنش به روش اجزای محدود و به صورت دوبعدی متقارن 24 عدد ایمپلنت به صورت تقریبا دقیق و با تمام اجزای سازنده، همراه پوشش، مدل سازی و تحلیل شدند. 12 عدد از ایمپلنت ها متعلق به سیستم IMZ و 12 عدد دیگر متعلق یه سیستم Dyna بودند. ضخامت پوشش هیدروکسی آپاتیت و فلوئورآپاتیت در ایمپلنت های مورد بررسی به ترتیب 33،50،67،80،100 و 10 میکرون بود. نتایج تحلیل تنش نشان داد با افزایش ضخامت پوشش ایمپلنت، مقادیر تمرکز تنش در سطح تماس ایمپلنت– پوشش، سطح تماس پوشش– استخوان و در استخوان اطراف ایمپلنت کاهش می یابد. هم چنین مقادیر تمرکز تنش در ایمپلنت های با پوشش فلوئوروآپاتیت همواره بیشتر از ایمپلنت های با پوشش هیدروکسی آپاتیت بود. در تمام ایمپلنت ها تمرکز تنش در استخوان اطراف ایمپلنت در قسمت طوق ایمپلنت (کرست استخوان) مشاهده گردید.

هدف از این تحقیق، مطالعه نحوه انتقال مواد شیمیایی در اتصالات عصب به عضله، به واسطه تحریکات عصلی روی عضله است. به منظور تعیین میزان رهایش ماده میانجی در شکاف سیناپسی اتصال عصب– عضله، از یک مدل ریاضی استفاده شده است. در این مدل با لحاظ کردن اثر نفوذ یون های کلسیم در رهایش ماده میانجی، مدل چادیوری بهبود یافته است. با وقوع یک پتانسیل عمل، کانال های کلسیم در غشا پیش سیناپسی باز شده و یون های کلسیم وارد پایانه پیش سیناپسی می گردند. سپس این یون ها در مسیر بین دهانه کانال ها تا مکان های رهایش نفوذ کرده و در آنجا باعث رهایش ماده میانجی می شوند. مقداری از یون های کلسیم، در طی این نفوذ توسط فرآیندهای حذف کلسیم در داخل پایانه پیش سیناپسی حذف می گردند. مدل ریاضی حاضر، شامل معادلات دیفرانسیل پاره ای بیان کننده فیزیک هر یک از فرآیندهاست که با استفاده از روش های عددی حل شد ه اند. در نتیجه حل این معادلات، منحنی های تغییرات زمانی غلظت یون های کلسیم در مکان های رهایش و مقدار زمانی رهایش ماده میانجی به دست آمده اند. اثر اعمال دو پالس پتانسیل عمل متوالی روی رهایش ماده میانجی نیز مورد بررسی قرار گرفته است.

هدف از انجام این تحقیق، معرفی روشی جدید برای جداسازی ساختارهای خاص مغز میانی مانند تالاموس و هسته قرمز از روی تصاویر تشدید مغناطیسی است. روش پیشنهادی مبتنی بر مدل کانتورهای دینامیک می باشد. این مدل حاوی یک کانتور یا یک چند ضلعی است که رئوس آن توسط اضلاع به وصل شده اند. فرآیند تغییر شکل کانتور از حرکت رئوس کانتور اولیه تحت تاثیر نیروهای داخلی و خارجی آغاز می شود. نیروهای داخلی از روی شکل هندسی کانتور و نیروهای خارجی از روی ویژگی های داده های تصویری مانند لبه های محاسبه می شوند. ساختارهای مغزی مانند تالاموس در MRI دارای تصویری با لبه های ناپیوسه و کنتراستی پایین هستند که محاسبه نیروهای خارجی را مشکل می سازند. روش پیشنهادی این مقاله مبتنی بر روش های خوشه یابی بدون سرپرستی فازی، فیلتر لبه یابی پریویت و عملگرهای شکلی معرفی شده است. به علاوه، در روش کانتور دینامیک متداول، کانتور اولیه توسط کاربر تعریف می شود که منجر به وابستگی نتایج جداسازی نهایی ساختار به کاربر می شود. در رفع این کاستی، یک روش جدید جهت ایجاد کانتور اولیه به صورت خودکار معرفی شده است. روش های پیشنهادی، پیاده سازی شده بر روی تصاویر واقعی از مغز انسان جهت جداسازی تالموس و هسته قرمز اعمال شده اند. جهت ارزیابی، نتایج جداسازی رادیولوژیست ها با روش پیشنهادی مقایسه شده است. درصد شباهت نتایج جداسازی تالاموس راست و چپ برابر 0.8 بوده که توانایی روش پیشنهادی در جداسازی ساختارهای مغزی مانند تالاموس را نشان می دهد. معیارهای ارزیابی نتایج جداسازی روی داده های با درصد نویز و شدت غیریکنواختی متفاوت جهت بررسی اثر این دو عامل روی روش پیشنهادی مورد مطالعه قرار گرفت. تغییر ناچیز نتایج معیارها، نشانگر پایداری روش نسبت به نویز و شدت غیریکنواختی است.

روش های مختلفی برای اندازه گیری و نمایش تغییرات سرعت جریان خون در شریان ها و وریدها پیشنهاد شده است. از این میان، سرعت سنج های فراصوتی بر پایه اندازه گیری فرکانس شیفت داپلر و محاسبه سرعت جریان خون از روی فرکانس شیفت استوار می باشند. با استفاده از منحنی سرعت– زمان یا طیف های حاصله در حوزه فرکانس که هر دو از خروجی های دستگاه به شمار می روند، وجود یا عدم وجود موارد غیرطبیعی و درجه گرفتگی عروق آشکار می گردد. در این تحقیق، طراحی و ساخت یک نمونه جریان سنج فراصوت پالسی مورد بررسی قرار گرفته است. سخت افزار ساخته شده شامل دو بخش آنالوگ و دیجیتال است. قسمت مدارات آنالوگ از نوسان ساز اصلی، مدار تولید سیگنال تحریک، فرستنده، گیرنده، تقویت کننده، دمدولاتور و مدار نمونه برداری از سیگنال تشکیل شده است. خروجی آنالوگ، توسط یک کارت مبدل آنالوگ به دیجیتال، به صورت کدهای دیجیتال تبدیل شده و به کامپیوتر انتقال می یابد. به علاوه، واحد کنترل دیجیتال کار نظارت بر مدارات آنالوگ را بر عهده دارد.پس از انتقال اطلاعات به کامپیوتر، محاسباتی از قبیل گرفتن تبدیل فوریه سریع، نمایش منحنی تغییرات سرعت جریان خون با زمان و محاسبه و نمایش اسپکتروگرام دوبعدی، همگی توسط نرم افزار نوشته شده در محیط Visual C++6 انجام می پذیرد. برای آزمایش سیستم، یک فانتوم داپلر با کنترل تمام الکترونیکی ساخته شد که از آن می توان برای آزمایش و کنترل کیفی سیستم های داپلر بالینی دیگر نیز استفاده کرد.

وزن دهی عناصر درون یک آرایه فراصوت، یک روش آسان بری بهبود الگوی پرتو و افزایش وضوح تصویر است. متاسفانه وزن دهی باعث کاهش سیگنال به نویز (S/N) در خروجی آرایه و هم چنین کاهش کیفیت تصویر می گردد. در این تحقیق، جهت بهینه سازی الگوی پرتو در یک آرایه فراصوت، ایده تحلیل ریاضی تغییرات S/N در اثر وزن دهی مطرح و مساله طراحی بهینه وزن ها جهت حصول همزمان الگوی پرتو و سیگنال به نویز مطلوب، بیان و حل گردیده و روشی ارایه شده است که با اعمال آن ضمن دستیابی به الگوی پرتو مطلوب، بیشترین مقدار ممکن S/N ایجاد گردد. بررسی ها نشان داد با افزایش پهنای لوب اصلی الگوی پرتو، S/N کاهش می یابد. هم چنین مساله کاهش S/N در اثر وزن دهی، در آرایه های کامل بیشتر از آرایه های کم پشت قابل مشاهده است. همین وضعیت با کاهش عمق تمرکز نیز ایجاد می شود.

به منظور مدل سازی سیستم حرکتی انسان در انجام حرکات مهارتی، مدلی با ساختار سلسله مراتبی سه لایه ارایه شده است. در هر سطح براساس میزان دقت و کیفیت امر کنترل، کنترل کننده خاصی وارد عمل شده و عمل کنترل در آن سطح را انجام می دهد. در سطح اول، مفاهیم کنترلی به صورت عام و کیفی مورد بررسی قرار می گیرد و وظیفه آن، حفظ پایداری سیستم براساس اطلاعات کیفی دریافتی از سطح دوم مانند کاهش یا افزایش خطا می باشد. در این سطح، از یک کنترل کننده خودسازمانده برای تولید فرامین حرکتی عام استفاده می گردد که نقش تشویق و تنبیه را برای تضمین پایداری سیستم  با ارسال فرمان های گسسته به سطح دوم ایفا می کند. این کنترل کننده با توجه به وظیفه خود، تنها در زمانی که کنترل کننده سطح دوم به تنهایی قادر به حفظ پایداری سیستم نباشد، وارد عمل شده و پایداری را تضمین می کند. سطح دوم، امر کنترل را به صورت کمی تر و دقیق تری دنبال می کند و عمل تطبیق در این سطح صورت می گیرد. اطلاعاتی که ازن سطح عموما از مسیرهای فیدبک حسی و چشمی دریافت می کند، مفاهیم دقیق تری از عملکرد کنترلی را شامل می شوند (مانند میزان خطای موجود در انجام حرکت). در سطح دوم از کنترل کننده پیش بین مبتنی بر مدل برای تولید فرامین کنترلی کمی تر و دقیق تر استفاده شده است که در واقع خط سیر حرکتی را تعیین می کند. یک سوییچ فازی، فرامین کنترلی سطح اول و دوم را براساس روش کنترل مود لغزان برای ایجاد یک سیستم کنترل مقاوم تلفیق می کند. در سطح سوم نیز این فرامین حرکتی، با تعیین عضلات درگیر و نحوه هماهنگی آنها در انجام حرکت مورد نظر، تفسیر می شود و به عضلات، فرامین حرکتی مناسب اعمال می گردد. اطلاعات دریافتی در این سطح عموما در مورد میزان مشارکت عضلات در انجام حرکت و نیز تاثیر محیط روی سیستم حرکتی است که توسط فیدبک های حسی به این سطح منتقل می شوند. مدل ارایه شده با چنین ساختار سلسله مراتبی، قابلیت مناسبی در کنترل و حفظ پایداری سیستم دارد. نتایج شبیه سازی ها این موضوع را تایید می کند.

در سال ها اخیر توجه زیادی به تولید مصنوعی سیگنال های الکتروکاردیوگرام (ECG) به کمک یک مدل ریاضی معطوف گشته است. یکی از کاربردهای یک مدل دینامیکی که بتواند سیگنال های ECG مصنوعی تولید کند، ارزیابی آسان دستگاه های پردازش سیگنال تشخیصی ECG می باشد. به علاوه، می توان چنین مدلی را در فشرده سازی و تله مدیسن نیز به کار برد. هم چنین مناسب است مدل از توانایی لازم برای تولید سیگنال های ECG طبیعی و غیر طبیعی برخوردار باشد. در این تحقیق با به کارگیری شبکه عصبی با توابع پایه شعاعی (RBF) در یک مدل دینامیکی غیر خطی که بر پایه مدل دینامیکی McSharry  و همکاران بنا شده است، روش مناسبی برای تولید مصنوعی سیگنال های الکتروکاردیوگرام ارایه شده است. مزیت این روش جدید نسبت به روش McSharry  و همکاران، در توانایی شبیه سازی طیف وسیع تری از سیگنال های فیزیولوژیکی اعم از طبیعی و غیر طبیعی نهفته است. ضمن ارایه نتایج شبیه سازی برای سیگنال ECG طبیعی و سه حالت غیر طبیعی، صحت مدل توسط تابع خطای معرفی شده مورد ارزیابی قرار گرفته است. میانگین این خطا در مدت 100 ثانیه با به کارگیری 20 نرون، کمتر از 2.5 درصد برای چهار حالت مدل شده (یک حالت طبیعی و سه حالت غیر طبیعی) به دست آمد.

مدل جدیدی از عضله تحریک شده در شرایط غیر ایزومتریک ارایه شده است. مدل های ارایه شده کنونی مبتنی بر ساختار مدل هیل هستند. در این ساختار، رفتار عضله به بخش های مستقل از یکدیگر تجزیه شده و فرض می شود که این بخش ها ارتباطی با یکدیگر ندارند، در صورت که این تجزیه و عدم وابستگی بخش ها به یکدیگر، واقعیت فیزیکی ندارد. به منظور رفع محدودیت های مدل های ساختار هیل، در این تحقیق از شبکه های عصبی دینامیک به عنوان ابزاری جهت مدل سازی عضله در شرایط غیر ایزومتریک استفاده شده است. برای این منظور، دو نوع شبکه عصبی به کار گرفته شد: شبکه پرسپترون با الگوریتم یادگیری پس انتشار خطا و شبکه عصبی مبتنی بر توابع پایه شعاعی الگوریتم یادگیری گرادیان تصادفی. نتایج این تحقیق نشان می دهد مدل های عصبی قادر به پیش بینی دقیق تری از میزان نیرو انقباض عضلانی در شرایط غیر ایزومتریک نسبت به مدل های پایه هیل هستند. از آنجایی که عضله دارای رفتار متغیر با زمان است دو ساختار متفاوت، شبکه عصبی متغیر با زمان و نامتغیر با زمان برای مدل سازی عضله در نظر گرفته شده است. نتایج نشان می دهد مدل های عصبی متغیر با زمان، با دقت 99.5% و مدل های نامتغیر با زمان، با دقت 95% قادر به پیش بینی نیروی انقباض عضله تحریک شده در شرایط غیر ایزومتریک هستند. علاوه بر این، نتایج این تحقیق نشان می دهد دقت پیش بینی شبکه عصبی به ساختار شبکه بستگی دارد. با وجود ساده بودن ساختار شبکه عصبی مبتنی بر توابع شعاعی نسبت به ساختار شبکه عصبی پس انتشار خطا، دقت پیش بینی با شبکه عصبی مبتنی بر توابع شعاعی با 1000 دوره یادگیری بیشتر از شبکه عصبی پس انتشار خطا با 5000 دوره یادگیری است.