20221

۲۰۲۲۱

بهينه سـازي انتقـال حرارت در بـافت زنده با فرض محيـط متخلخل و عدم تعـادل حرارتي بين خون و بافت در روش حرارت درماني

كارشناسي ارشد

تبديل انرژي

۱۳۹۴

۱۳۹۷/۱۱/۳۰

دكتر مهدي نويدبخش

مكانيك

هايپرترميا به صورت كلي به معناي افزايش دماي بدن به بيش از ميزان طبيعي آن است. دماي بالاي بدن به طور معمول باعث بيماري مي شود، مثل تب و يا شوك گرمايي، اما افزايش كنترل شده‌ي دما در بعضي از موارد براي درمان بيماري‌ها به ويژه سرطان به كار مي‌رود. گرما درماني، فرآيندي شامل افزايش دماي بافت هاي حاوي تومور معمولا تا بيش از 42 درجه سانتي گراد است و هدف آن از بين بردن سلول هاي سرطاني است. اين فرآيند درماني به طور معمول با ساير روش هاي درمان سرطان مثل پرتودرماني و شيمي درماني همراه مي شود. عدم توزيع حرارت در تمامي سلول‌هاي توموري، ناكافي بودن مقدار گرماي توليدي و نيز تيمار حرارتي ناخواسته سلول‌هاي سالم، مهم ترين چالش هاي روش هاي فعلي هايپرترميا است. بر اساس معادلات انرژي كه در اين پايان نامه به نگرش عدم تعـادل بين بافت و خون (دو معـادله اي) توجه شده است، ابتدا صحت سنجي در يك مدل ساده بر اساس تحقيقات مشابه انجام شده است كه نشانگر تطابق بسيار خوب نتايج شبيه سازي ها هست. در مرحله بعدي با در نظر گرفتن نمونه اي از تومور، شماتيكي از آن را در مدل سازي استفاده كرده و به ارائه يك روند بهينه سازي با استفاده از روش نلدرميد پرداخته شده است. در بهينه سازي انجام شده هدف مينيمم سازي تابع هدفي است كه هم زمـان ماكزيمم افـزايش دمـا در درون تومور و مينيمم افـزايش دمـا بر روي سطح تومور را تضمين كند، بكار گرفته شده است. به طوري كه دماي سطح تومور از 43 درجه سانتي گراد بيشتر نشود و در عين حال دماي مركز تومور بيشينه مقدار ممكن باشد. براي اين منظور تابعي به نام SAR را تعريف كرده كه مي تواند بهينه ترين توان حرارتي و شعاع تزريق را براي هر سرعت جـريان خـون و تخلخلي بيابد. براي نمونه در اين تحقيق سرعت جـريان خون cm/s 4/3 و تخلخل 005/0 را مورد برسي قرار داديم و نتايج حاصله را صحت سنجي كرديم. طبق نتايج به دست آمده مـقدار بهينه ي توان حرارتي MW 861/3 و شعـاع نفوذ ذرات نـانو مغـناظيس mm 537/0 در حالت پايا به دست آمد.

1397/12/25

Optimization of heat transfer in living tissue with the assumption of porous medium and thermal non-equilibrium between blood and tissue in heat treatment

2/19/2020 12:00:00 AM

Hyperthermia, in general, means an increase in body temperature above normal levels. High body temperatures typically cause illness, such as fever or heat shock, but controlled temperature increases in some cases are used to treat diseases, especially cancer. Therapy, a process that involves increasing the temperature of the tissues containing the tumor, usually up to 𝟺𝟸°C, with the aim of eliminating cancer cells. This treatment process is usually accompanied by other cancer treatments such as radiation therapy and chemotherapy. The lack of heat distribution in all tumor cells, the inadequate amount of heat produced, and the unwanted thermal treatment of healthy cells, are the most important challenges in current hyperthermia methods. Based on the energy equations in this thesis, the attitude of the imbalance between tissue and blood (two equations) is considered, the verification was first performed in a simple model based on the same research, which indicates that the simulation results are very good. . In the next step, taking into account a sample of the tumor, it employs a schematic of it in modeling and provides an optimization process using the Neldermed method. In optimization, the aim of minimizing is the objective function that simultaneously guarantees the maximum temperature increase inside the tumor and the minimum increase in temperature on the tumor surface. So that the surface temperature of the tumor does not exceed 𝟺𝟹°C and at the same time the maximum temperature of the tumor center is possible. To do this, it defines a function called SAR, which can find the optimum thermal power and radius of injection for any blood flow and porosity. In this study, for example, we examined the velocity of blood flow of 𝟹.𝟺 cm/s and porosity of 𝟶.𝟶𝟶𝟻, and verified the results. According to the results, the optimum thermal power of 𝟹.𝟾𝟼𝟷 MW and the penetration radius of nano-magnetic particles were 𝟶.𝟻𝟽𝟹 mm at steady state.