18041

18041

مدل سازي عملكرد سلول عصبي تحت تابش ميدان الكترومغناطيسي

دكتري

مخابرات ميدان

مهر 1396

دكتر علي عبدالعالي

برق

رشد روز افزون دستگاه هاي مولد امواج الكترومغناطيسي در زندگي روزمره باعث بررسي تاثير امواج بر سلامت انسان شده است. از آن جايي كه سلول هاي عصبي انسان وظيفه ي انتقال سيگنال هاي عصبي را به عهده دارند و اين سيگنال ها به كمك انتشار يون ها ايجاد مي گردند، مي توان اين سلول ها را فصل مشترك بدن و ميدان هاي الكترومغناطيسي دانست. لذا در اين رساله به بررسي عملكرد سلول عصبي تحت تابش ميدان هاي الكترومغناطيسي پرداخته ايم. ابتدا روشي به منظور مدل كردن سه بعدي سلول عصبي در حضور هر نوع تحريك كننده ي جريان يا ولتاژ مستقيم يا غير مستقيم پيشنهاد كرده ايم. براي اين منظور از پتانسيل هاي اسكالر الكتريكي و پتانسيل برداري مغناطيسي استفاده شده است. مشخصات الكترومغناطيسي محيط، وابسته به زمان و ميدان الكتريكي در نظر گرفته شده است تا رفتار غير خطي غشاء قابل تحليل باشد. همچنين تاثير ميدان هاي مغناطيسي ساكن قوي بر سلول عصبي با در نظر گرفتن نيروي وارد بر يون هاي متحرك و نيروي مگنتوفورتيك بيان و تحليل شده است. پس از بيان مدل، چندين مثال براي اثبات اعتبار مدل به كمك تطبيق با مراجع، بيان شد. به اختصار مي توان گفت مدل هاي پيشين از ساختار سه بعدي سلول، بافت اطراف آن و ميدان مغناطيسي صرف نظر كرده اند، همچنين ميدان هاي الكتريكي را فقط در جهات خاص بررسي نموده اند؛ درحالي كه به كمك اين مدل مي توان هر ساختار سه بعدي از سلول را مد نظر گرفت و فعاليت سلول را در شرايط فيزيكي متفاوت تحليل نمود، ميدان ها و سيگنال هاي عصبي حاصل از فعاليت خود سلول را بدست آورد. انواع تحريك كننده ها را هم زمان با فعاليت سلول تحليل نمود و تاثير ميدان هاي الكترومغناطيسي ساكن و متغير با زمان را بر روي فعاليت سلول بررسي نمود. در ادامه يك كاربرد و دو طراحي به كمك اين مدل سازي بيان كرده ايم. كاربرد اول استخراج سيگنال هاي الكترومغناطيسي حاصل از فعاليت سلول هاي عصبي در سيستم عصبي است كه در تحليل هاي سيگنال هاي EEG و MEG كاربرد دارد. سپس يك ارتباط دهنده ي الكترومغناطيسي براي انتقال سيگنال از يك سلول عصبي آسيب ديده به سلول هاي سالم، طراحي و به صورت سه بعدي، شبيه سازي شده است. مشخصات لازم اتصال دهنده براي اتصال دو سلول عصبي كه تا فاصله 35 سانتي متري از هم قرار دارند، گزارش شده است. ساختار و جنس اين ارتباط دهنده به كمك پليمر هاي سازگار با بدن قابل ساخت هست. همچنين طراحي و نحوه ي پياده سازي يك سيستم الكترومغناطيسي براي ايجاد بي حسي در نخاع پيشنهاد و گزارش شده است، اين سيستم با طراحي آرايه اي از سيم پيچ ها، شكل زماني جريان منبع و لايه ي يكسو كننده ي ميدان محقق شد. در انتها، روش مرسوم خط انتقالي بررسي و بهبود داده شد. ابتدا با استفاده از معادله پيوستگي جريان روش هاي پيشين براي در نظر گرفتن تاثير ميدان هاي الكتريكي بررسي شد كه بطور مثال نشان داده شد روش راث و باسر در تحريك هاي با فركانس كمتر از 100 هرتز تا 50 درصد خطا ايجاد مي نمايند. سپس يك روش گسسته سازي سريع و پايدار براي شبيه سازي سلول هاي عصبي بيان كرده ايم. همچنين پاشندگي فركانسي محيط هاي بيولوژيك بررسي شد و نحوه ي وارد سازي اين مقوله در حوزه ي زمان، پيشنهاد شد. طبق نتايج به علت كاهش گذردهي محيط در فركانس هاي بالاتر ، در هنگام استفاده از محرك هاي با فركانس بالاتر از يك كيلوهرتز خطاي ايجاد شده در صورت عدم در استفاده از مدل، افزايش مي يابد.

1396/08/21

10/23/2018 12:00:00 AM

The increasing use of electromagnetic wave-generating devices in our daily life has cause many worries concerning the effects of such devices on human health. Since human neurons are responsible for transferring the neural signals, which are derived from propagation of ions, these cells can be considered as the important thing that the body and electromagnetic fields have in common. On this basis, the present study is aimed to investigate the neurons’ function under radiation of the electromagnetic fields. A method is proposed for 3D modeling of neurons in presence of any kind of stimulants of direct or indirect current or voltage; accordingly, the electric scalar potentials and magnetic vector potential were used. Electromagnetic features of the environment were considered as dependent on time and electric field, so that the nonlinear behavior of membrane could be analyzed; furthermore, effect of the strong static magnetic fields on neurons were expressed considering the forces applied on the magnetophoretic and mobile ions. Several examples were given to prove validity of the model in accordance with the references. Due to the importance of this issue and also regarding the fact that the available models are mainly preliminary, for the first time, it has been proposed to present equations as well as a model for simulating and predicting the neurons’ behavior under radiation of the electric and magnetic fields. In summary, it can be said that, using this model, it would be possible to assume any 3D shape of the cell, analyze the cell’s activity under various physical conditions, obtain the neural signals and fields resulted from the cell’s activity, and analyze various stimulants simultaneous with the cell’s activity in order to appropriately investigate effects of the static and time-variant electromagnetic fields on activity of the cell. Subsequently, an example of the useful applications of this modeling and two other examples of designing were presented. The first application was to extract the electromagnetic signals resulted from the neurons’ activity within the nervous system, which is used for analysis of MEG and EEG signals. In the next step, in order to transfer the signal from a damaged neuron to the healthy ones, an electromagnetic connector was designed and then simulated in the 3D model. According to this simulation, the two neurons, which are in a 35cm distance from each other, could be also connected by this connector. The structure and material of this connector, which can be made of the body-compatible polymers, have been reported; moreover, design and implementation of an electromagnetic system for creating anesthesia in the spinal cord have been proposed and reported. This system was created by designing an array of windings, time-shape of the source current, and field rectifier layer. Finally, the common transmission method was investigated and improved. First, the given equation was derived from the current continuity equation; then, it was shown that what approximation has been assumed by previous method, indicating significant errors in frequencies lower than 100Hz. afterwards, since these equations are solved by discretization method, a fast and stable discretization method was proposed for simulating the neurons. Furthermore, since the biological environments have frequency dispersion, the method for consideration of this issue is proposed within the time. The obtained results showed that since permittivity of the environment was reduced at higher frequencies, if this phenomenon was taken into consideration, the resulted error would be increased at stimulants with frequency higher than 1 KHz; besides, it would become possible to analyze the noise of signals by modeling the dispersion.