شماره ركورد
34022
پديد آورنده
نشاط شاهدبهروز
عنوان
شبيه سازي عددي انتقال دارو در جريان خون با ديدگاه لاگرانژي
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
سال تحصيل
1402
تاريخ دفاع
1404/07/26
استاد راهنما
دكتر قره قاني
استاد مشاور
دكتر قره قاني
دانشكده
مهندسي مكانيك
چكيده
با گسترش روزافزون فناوريهاي نوين در عرصه دارورساني و اهميت روزافزون روشهاي هدفمند در درمان بيماريهاي قلبي–عروقي و سرطان، مطالعه دقيق فرآيند انتقال دارو در جريان خون بهعنوان يكي از مسائل كليدي مهندسي پزشكي و داروسازي مطرح است. توزيع ناهمگون دارو، نيمهعمر پايين در محل هدف و بروز عوارض جانبي ناشي از رسوب دارو در بافتهاي غيرهدف از مهمترين چالشهاي موجود در اين حوزه به شمار ميروند. يكي از روشهاي توانمند در تحليل و پيشبيني رفتار دارو در محيط زيستي بدن، استفاده از شبيهسازي عددي مبتني بر ديناميك سيالات محاسباتي است كه امكان بررسي دقيق برهمكنش جريان خون با ذرات دارويي را در شرايط مختلف فراهم ميسازد. در اين پاياننامه با تمركز بر ديدگاه لاگرانژي، كه در آن مسير حركتي هر ذره دارويي بهصورت مستقل از ميدان جريان رديابي ميشود، مدلي عددي براي شبيهسازي انتقال دارو در قوس آئورت توسعه داده شده است. براي اين منظور هندسه سهبعدي آئورت بر اساس دادههاي تصويربرداري پزشكي بازسازي و شبكهبندي گرديد و معادلات جريان خون غيرنيوتني با استفاده از مدل ويسكوزيته غيرنيوتني حل شدند. جريان خون بهصورت پالسي با دوره تناوب 8/0 ثانيه (معادل 75 ضربان در دقيقه) تعريف شد تا شرايط واقعيتري از ديناميك گردش خون انساني بازآفريني گردد. پس از اعتبارسنجي شبيهسازي با دادههاي تصويربرداري پزشكي چهاربعدي و نتايج موجود در متون علمي كه انطباق خوبي بين مقادير سرعتهاي بيشينه و متوسط جريان در مقاطع مختلف آئورت (در بازه 25/0 تا 4/0 متر بر ثانيه) نشان داد، مسير و توزيع ذرات دارويي در طول قوس آئورت از ديدگاه لاگرانژي بررسي شد. نتايج كمي حاصل از تحليلها بيانگر آن است كه در زمان پاياني شبيهسازي (زمان 8/0 ثانيه)، حدود 5/28٪ از ذرات وارد شاخه براكيوسفاليك، 2/16٪ به كاروتيد چپ، 8/14٪ به سابكلاوين چپ و 5/40٪ به بخش نزولي آئورت منتقل شدند كه نشاندهنده تأثير بارز هندسه رگها و پديده جدايش جريان بر الگوي توزيع دارو است. مقايسه نتايج شبيهسازي با دادههاي كلينيكال منتشرشده نشان داد كه مدل توسعهيافته توانسته است توزيع ناهمگن و سريع دارو در شاخههاي اصلي آئورت را با خطاي كمتر از 10 درصد بازتوليد كند كه اين ميزان تطابق، دقت بالاي رويكرد پيشنهادي را تأييد مينمايد. در مجموع يافتههاي اين تحقيق اثبات ميكند كه رويكرد لاگرانژي در شبيهسازي انتقال دارو ابزار قدرتمندي براي تحليل دقيق مسير، توزيع مكاني و زمان اقامت ذرات دارويي در جريان خون است و ميتواند بهعنوان يك چارچوب تحليلي و پيشبينيكننده براي طراحي و بهينهسازي سامانههاي دارورساني هدفمند، كاهش دوز مصرفي، افزايش كارايي درمان، بهبود ايمني و در نهايت توسعه درمانهاي شخصيسازيشده مورد استفاده قرار گيرد، بهويژه در شرايطي كه آزمايشهاي تجربي پرهزينه، زمانبر يا از نظر اخلاقي محدودكننده هستند.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/08/25
عنوان به انگليسي
Numerical Simulation of Drug Transportation in Blood Flow using Lagrangian Perspective
تاريخ بهره برداري
10/18/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
نشاط شاهدبهروز
چكيده به لاتين
With the rapid advancement of modern drug delivery technologies and the growing importance of targeted methods in treating cardiovascular diseases and cancer, the accurate investigation of drug transport in the bloodstream has become a key challenge in biomedical engineering. Uneven distribution of drugs, short half-life at the target site, and adverse side effects due to drug deposition in non-target tissues are among the most critical issues in this field. A powerful approach to analyzing and predicting drug behavior in the human body is numerical simulation based on computational fluid dynamics (CFD), which enables detailed examination of the interactions between blood flow and drug particles under various conditions. In this thesis, a numerical model was developed for simulating drug transport in the aortic arch using the Lagrangian framework, where the trajectory of each particle is independently tracked within the flow field. To this end, the three-dimensional geometry of the aorta was reconstructed from medical imaging data and discretized, and the governing equations of non-Newtonian blood flow were solved using the Carreau–Yasuda viscosity model within the OpenFOAM software. Blood flow was modeled as pulsatile with a cycle period of 0.8 seconds (equivalent to 75 beats per minute) to replicate realistic hemodynamic conditions. Validation of the simulations against 4D MRI data and existing literature confirmed good agreement, with peak and mean velocities across different sections of the aorta lying in the range of 0.25–0.40 m/s. Lagrangian particle analysis revealed that at the end of the simulation (t = 0.8 s), approximately 28.5% of the particles entered the brachiocephalic artery, 16.2% the left carotid artery, 14.8% the left subclavian artery, and 40.5% continued into the descending aorta, clearly demonstrating the influence of vascular geometry and flow separation on drug distribution patterns. Comparison with clinical data further showed that the developed model could reproduce the heterogeneous and rapid distribution of drugs within the major aortic branches with an error of less than 10%, confirming the high accuracy of the proposed approach. Overall, the findings of this research demonstrate that the Lagrangian framework is a powerful tool for analyzing the trajectory, spatial distribution, and residence time of drug particles in the bloodstream, and can serve as a predictive and analytical framework for the design and optimization of targeted drug delivery systems, reduction of dosage, enhancement of treatment efficiency, improvement of patient safety, and ultimately the development of personalized medicine—especially in contexts where experimental studies are costly, time-consuming, or ethically restrictive.
كليدواژه هاي فارسي
شبيهسازي عددي , ديناميك سيالات محاسباتي , ديدگاه لاگرانژي , انتقال دارو , جريان خون , قوس آئورت
كليدواژه هاي لاتين
Numerical simulation , Computational fluid dynamics , Lagrangian framework , Drug transportation , Blood flow , Aortic arch
Author
Neshat Shahed Behrouz
SuperVisor
Dr. ghareghani