28801

مطالعه تحليلي و عددي فرآيند اثر گذاري بر روي توزيع تنش مكانيكي در بافت تومور متخلخل الاستيك با استفاده از ميدان و سيال مغناطيسي

دكتري تخصصي (PhD)

مهندسي مكانيك- مهندسي پزشكي ـ بيومكانيك

1395

1402/4/25

برهان بيگ زاده - مجيد سياوشي

مهندسي مكانيك

بر اساس شواهد علمي، به نظر ميرسد سيستم هاي بيومغناطيسي ميتواند با اثر گذاري بر روي توزيع فشار و تنش مكانيكي در بافت تومور، فرآيند دارو رساني، تغذيه، رشد، گسترش و مرگ سلول هاي سرطاني را دستخوش تغيير نمايد. با بررسي منابع موجود، آنچه به عنوان يك خلاء علمي در ارتباط با تنش مكانيكي و نيروهاي مغناطيسي احساس مي شود، اين است كه تاكنون بيشتر تحقيقات، به صورت آزمايشگاهي و تجربي انجام شده و مدلسازي رياضي و شبيه سازي نرم افزاري بسيار كمي در اين زمينه صورت گرفته است، در حالي كه به نظر مي رسد براي اينكه بتوان به كمك روش هاي مهندسي پزشكي، تجهيزات و روش هاي پزشكي جديدي طراحي كرده و توليد نمود، قطعاً لازم است كه رياضيات حاكم بر مسئله تا حد امكان مطالعه گردد. همچنين در پژوهش هايي كه تاكنون انجام شده است، اولاً اعمال نيرو و تنش مغناطيسي عمدتاً در ابعاد ميكرومتري صورت گرفته و به اين فرآيند در ابعاد ماكرومتري كم تر پرداخته شده؛ ثانياً اين اعمال تنش مغناطيسي مبتني بر خواص پارامغناطيسي برخي از سلول هاي بدن بوده است و لذا در مواردي كه سلول هاي زنده فاقد اين خاصيت بوده و يا از خاصيت مغناطيسي كمي برخوردار باشند اعمال نيرو و ايجاد تنش مغناطيسي با محدوديت مواجه مي گردد؛ ثالثاً ارائه مدل هاي رياضي يا شبيه سازي هاي عددي كه قادر باشد ويژگي هاي منبع ميدان مغناطيسي از قبيل چگالي شار ميدان مغناطيسي يا مغناطش موضعي يا كسر حجمي فروسيال و يا ابعاد و شكل هندسي منبع ميدان مغناطيسي را به تنش مكانيكي بافت تومور، با هدف بهينه سازي مرتبط سازد، كم تر مشاهده شده است. با توجه به آنچه بيان شد، در اين پژوهش، دو شبيه‌سازي عددي دو بعدي و يك مدل‌سازي رياضي سه‌بعدي، مربوط به تاثير فشار اسمزي و تأثير ميدان مغناطيسي ساكن، بر تنش مكانيكي در بافت تومور متخلخل الاستيك مورد بررسي قرار گرفت. با استفاده از شبيه‌سازي عددي غير مغناطيسي، اهميت فشار اسمزي در رفتار بيومكانيكي بافت هاي سلولي، بررسي شد تا رابطه بين فشار اسمزي و تغييرات تنش و كرنش بافت هاي سلولي روشن تر گردد. سپس با استفاده از شبيه‌سازي عددي مغناطيسي، چهار شكل هندسي مختلف از منبع ميدان مغناطيسي ساكن به كار گرفته شد تا رابطه بين وضعيت منبع ميدان مغناطيسي ساكن و تنش مكانيكي ايجاد شده در بافت تومور بررسي شود. و در نهايت معادلات رياضي-تحليلي تأثير ميدان مغناطيسي بر اندركنش سيال و جامد استخراج گرديد و سپس حل پارامتري اين معادلات ارائه شد. نتايج شبيه‌سازي عددي غير مغناطيسي نشان داد، از يك سو با ايزوله كردن بافت تومور و در نظر گرفتن فشار اسمزي فشار ميان بافتي با كاهش حدود 30 درصدي مواجه مي شود كه اين كاهش فشار متعاقباً موجب كاهش در مقدار تنش و كرنش ايجاد شده در بافت، در اين حالت، نيز خواهد شد. اما از سوي ديگر نتايج نشان دهنده اين بود كه با خارج كردن بافت از حالت ايزوله و با در نظر گرفتن فشار اسمزي، مقدار تنش و كرنش با افزايش حدود 95 درصدي مواجه ميگردد. همچنين، نتايج شبيه‌سازي عددي مغناطيسي نشان داد كه وقتي چگالي شار مغناطيسي ثابت نگه داشته مي‌شود، سطح هندسي بزرگ‌تر، منجر به افزايش حدود 50 درصدي بيشينه تنش مكانيكي در بافت مي‌گردد و نيز، تغيير در قرارگيري آهنربا نسبت به بافت ميزان تنش را تغيير خواهد داد. علاوه بر اين، اين مطالعه نشان داد كه هم افزايش در چگالي شار مغناطيسي و هم كاهش فاصله منبع مغناطيسي از بافت و نيز افزايش كسر حجمي فروسيال موجود در خون، موجب افزايش تنش مكانيكي در بافت تومور مي گردد. و سرانجام نتايج مدل‌سازي رياضي -تحليلي اين تحقيق نشان داد كه هم شكل و نحوه اعمال ميدان مغناطيسي بر توده تومور و هم خواص مكانيكي بافت توده سرطاني، بر توزيع تنش مكانيكي تأثير دارد.

1402/07/11

Analytical and Numerical Study of Mechanical Stress Distribution in Poroelastic Tumor Tissue via Magnetic Field and Bio-Ferro-Fluid

7/15/2024 12:00:00 AM

To do the utmost regarding tumor treatment and biological defects thereof, a thorough biomechanical study on the injured site, using the governed physical and biological laws, seems to be of great importance. In this regard, to shed a light on the cancerous tissues from a biomechanical standpoint, the present research analytically and numerically focused on the biomechanical stress distribution in the poroelastic tumor tissue via magnetic field and bio-ferro-fluid. To reach this purpose, the applied mathematical equations including the effect of magnetic field on the fluid-solid interaction were derived. Afterward, using the appropriate conjectures, the general solution of the equations was analytically presented and a numerical simulation was also employed to examine the effect of geometric change of the magnetic field source on the mechanical stress. According to scientific evidence, the mechanical stress caused by the force of the magnetic field gradient is capable of destroying cancer cells and in controlled conditions it forces these cells to undergo apoptosis and necrosis. Considering the results of the analytical mathematical modeling of this research showed that the form and manner of applying the magnetic field to the tumor mass and the mechanical properties of the cancerous mass tissue have an effect on the distribution of mechanical stress. Additionally, the results of the numerical simulation showed it is possible only by changing the geometric shape of the magnetic field source and without changing its magnetic flux density led to an increase in the mechanical stress of the tumor tissue.

تنش بافت تومور , چگالي شار ميدان مغناطيسي , نيروي مغناطيسي

Tumor tissue stress , Magnetic field flux density , Magnetic force

Mehdi Halabian

Dr. Borhan Beikzade