شماره ركورد
34919
پديد آورنده
اميرحسين مختاري سوره
عنوان
تشخيص تومور سرطاني در بافت كبد با استفاده از روش الاستوگرافي موج برشي فراصوت
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي پزشكي-گرايش بيومكانيك
سال تحصيل
1402
تاريخ دفاع
1404/09/29
استاد راهنما
دكتر سياوش كاظمي راد
استاد مشاور
/
دانشكده
پرديس دانشگاهي - دانشكده مهندسي مكانيك
چكيده
تشخيص دقيق و بهموقع بيماريها بهعنوان يكي از اركان بنيادين فرايند درمان، نقش تعيينكنندهاي در انتخاب راهبردهاي باليني و بهبود پيامدهاي بيمار دارد. در اين ميان، اكوستيك الاستوگرافي موج برشي بهعنوان روشي نوين و غيرتهاجمي، با بهرهگيري از انتشار امواج برشي و وابستگي آن به خواص مكانيكي بافتهاي زيستي، امكان اندازهگيري كمي سفتي و ميرايي بافت را فراهم ميسازد. در اين تكنيك، با استخراج كميتهايي نظير سرعت انتشار موج، افت دامنه و مدولهاي برشي ذخيرهاي G′ و اتلافي G″، ميتوان رفتار الاستيك و ويسكوالاستيك بافت را بهصورت كمي تحليل كرد و تصويري دقيقتر از شرايط فيزيولوژيك يا پاتولوژيك ارائه داد. در اين پژوهش، بهمنظور بررسي توانايي الاستوگرافي موج برشي در تشخيص تومور كبدي، يك مدل عددي سهبعدي از بافت كبد شامل نواحي سالم و توموري در نرمافزار COMSOL توسعه داده شد. بهدليل نبود امكان انجام آزمونهاي باليني مستقيم عدم دسترسي به سامانه الاستوگرافي و محدوديت در گردآوري همزمان نمونههاي انساني سالم و مبتلا به HCC، يك آزمايشگاه مجازي ويسكوالاستيك ناهمگن طراحي گرديد؛ بهگونهاي كه خواص مكانيكي كبد سالم و تومور از منابع معتبر علمي استخراج و به مدل اعمال شد. سپس تحريك مكانيكي سينوسي با فركانس 200 هرتز و دامنه 12 ميكرومتر (بهمدت 20 ميليثانيه، معادل چهار دوره تناوب) به مدل اعمال شد تا موج برشي در محيط ايجاد و منتشر شود. رفتار ديناميكي موج و ميدان جابهجايي حاصل با روش اجزاي محدود تحليل گرديد و دادههاي خروجي براي محاسبه سرعت و ميرايي به MATLAB منتقل شد. نتايج مدل ويسكوالاستيك ناهمگن نشان داد كه سرعت موج برشي در فركانس 200 هرتز در كبد 18/1متربرثانيه و در تومور 00/2متربرثانيه است؛ بنابراين سرعت موج در تومور نسبت به بافت سالم حدود 69/5 % افزايش دارد. مقايسه اين مقادير با مدل تحليلي زنر، خطاي سرعت را در كبد 13/1 % و در تومور 1/5% نشان داد كه دقت مناسب چارچوب عددي را تأييد ميكند. همچنين مدول برشي ذخيرهاي G′ در كبد 2745 پاسكال و در تومور 3788 پاسكال محاسبه شد؛ بهعبارت ديگر، G′تومور نسبت به بافت سالم حدود %38 افزايش دارد. مدول برشي اتلافي G″ نيز در كبد 214 پاسكال و در تومور 1253 پاسكال بهدست آمد كه بيانگر افزايش تقريبي 5/485 % در محيط توموري است و نشان ميدهد تومور علاوه بر سختي بيشتر، اتلاف انرژي و ميرايي بهمراتب بالاتري نيز دارد. خطاي مدولهاي برشي نسبت به مدل تحليلي زنر بهترتيب براي G′ برابر 8/9 % (كبد) و 4/11 % (تومور) و براي G″برابر 5/8 % (كبد) و 8/18 % (تومور) گزارش شد كه در محدوده قابلقبول ارزيابي ميشود.
نوآوري محوري اين پژوهش ارائهي يك پايپلاين يكپارچهي عددي–تحليلي براي استخراج كميِ همزمانِ شاخصهاي موجي و پارامترهاي رئولوژيك بافت در سامانهي سهبعديِ ناهمگن و ويسكوالاستيكِ كبد-تومور است. تمايز اصلي اين كار در آن است كه بسياري از كارهاي پيشين يا به مدلهاي همگن و يا صرفاً الاستيك محدود بودهاند، يا تمركز آنها عمدتاً بر تخمين يك شاخص (مثلاً سفتي) بوده است؛ در حاليكه اين پژوهش با لحاظكردن ناهمگني و ويسكوالاستيسيته، امكان تفكيك همزمان سفتي از اتلاف انرژي را فراهم ميكند؛ موضوعي كه براي تمايز تودههاي با رفتار مكانيكي مشابه اما ميرايي متفاوت، اهميت باليني بالقوه دارد. از سوي ديگر، آزمايشگاه مجازي طراحيشده نقش يك بستر اعتبارسنجي و تنوعسازي را بازي ميكند: بدون وابستگي به تجهيزات باليني، ميتوان سناريوهاي مختلف توموري مثلاً اندازه، موقعيت، كنتراست مكانيكي و نيز تنظيمات عددي (مانند مش و گام زماني) را بهصورت نظاممند پيمايش كرد، حساسيت نتايج را سنجيد و مسير توسعهي مرحلهي بعدي يعني همترازي/كاليبراسيون با دادههاي واقعي SWE را هموار ساخت. بهبيان ديگر، اين كار يك پل بين مدلسازي محاسباتي و تفسير پارامترهاي الاستوگرافي در دادههاي واقعي ايجاد ميكند. در نتيجه، اين روش ارائهشده كه مبتني بر يك آزمايشگاه مجازي است، قابليت آن را دارد كه در آينده بهعنوان يك ماژول تشخيصي به روش اكوستيك الاستوگرافي افزوده شود و مسير ورود آن به كاربردهاي باليني را هموار سازد. بدينترتيب، اين رويكرد نهتنها در سطح مدلسازي نظري نوآور است، بلكه بهطور مستقيم مسير توسعهي يك ابزار تشخيصي غيرتهاجمي و قابل پيادهسازي باليني را نيز تقويت ميكند.
واژههاي كليدي: الاستوگرافي موج برشي، اكوستيك الاستوگرافي، تومور كبدي، مدلسازي عددي سهبعدي، مدول برشي ذخيرهاي، مدول برشي اتلافي، ويسكوالاستيسيته.
تاريخ ورود اطلاعات
1405/03/13
عنوان به انگليسي
Malignant Tumor Diagnosis Using Shear Wave Elastography
تاريخ بهره برداري
12/20/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
اميرحسين مختاري سوره
چكيده به لاتين
Accurate and timely disease diagnosis, as one of the fundamental pillars of the therapeutic process, plays a decisive role in selecting clinical strategies and improving patient outcomes. Within this context, acoustic shear-wave elastography, as a novel and non-invasive modality, exploits the propagation of shear waves and their dependence on the mechanical properties of biological tissues to enable quantitative measurement of tissue stiffness and attenuation. In this technique, by extracting quantities such as wave propagation speed, amplitude decay, and the storage and loss shear moduli (G′ and G″), the elastic and viscoelastic behavior of tissue can be analyzed quantitatively, providing a more precise depiction of physiological or pathological states. In the present study, to investigate the capability of shear-wave elastography for detecting liver tumors, a three-dimensional numerical model of hepatic tissue comprising healthy and tumorous regions was developed in COMSOL Multiphysics. Owing to the lack of direct clinical testing—stemming from the unavailability of an elastography system and limitations in simultaneous acquisition of healthy human samples and those affected by hepatocellular carcinoma (HCC)—a heterogeneous viscoelastic virtual laboratory was designed. Accordingly, the mechanical properties of healthy liver tissue and tumor were extracted from reputable scientific sources and incorporated into the model. A sinusoidal mechanical excitation with a frequency of 200 Hz and an amplitude of 12 μm was then applied for 20 ms (equivalent to four oscillation cycles) to generate and propagate shear waves in the medium. The dynamic wave response and the resulting displacement field were analyzed using the finite-element method, and the output data were transferred to MATLAB to compute wave speed and attenuation.
Results from the heterogeneous viscoelastic model indicated that, at 200 Hz, the shear-wave speed was 1.18 m/s in healthy liver tissue and 2.00 m/s in the tumorous region, corresponding to an approximate 69.5% increase in wave speed within the tumor compared with normal tissue. Comparison with the analytical Zener model yielded speed errors of 1.13% for healthy liver and 5.1% for tumor, confirming the satisfactory accuracy of the numerical framework. Furthermore, the storage shear modulus G′ was calculated as 2745 Pa for healthy liver and 3788 Pa for tumor, reflecting roughly a 38% increase in the tumorous environment. The loss shear modulus G″ was obtained as 214 Pa in healthy tissue and 1253 Pa in tumor, representing an approximate 485.5% rise in the tumor region. This substantial increase suggests that, beyond being stiffer, the tumor exhibits markedly higher energy dissipation and attenuation. The relative errors of the shear moduli with respect to the Zener analytical model were 9.8% (healthy liver) and 11.4% (tumor) for G′, and 8.5% (healthy liver) and 18.8% (tumor) for G″, all of which fall within acceptable ranges. The principal innovation of this work lies in proposing an integrated numerical–analytical framework for three-dimensional heterogeneous viscoelastic liver–tumor simulation and for the simultaneous extraction of both wave-based parameters and the shear moduli G′ and G″. This is in contrast to most prior studies that have primarily focused on homogeneous elastic media. Moreover, the designed virtual laboratory enables systematic investigation of multiple tumorous scenarios and numerical settings (e.g., mesh refinement and time-step selection) without reliance on clinical equipment, thereby providing a foundation for future extension and validation of the framework using real shear-wave elastography imaging data.
Keywords: shear-wave elastography, acoustic elastography, liver tumor, three-dimensional numerical modeling, storage shear modulus, loss shear modulus, viscoelasticity.
كليدواژه هاي فارسي
الاستوگرافي موج برشي , مدول برشي ذخيرهاي , اكوستيك الاستوگرافي , ويسكوالاستيسيته
كليدواژه هاي لاتين
shear-wave elastography , acoustic elastography , viscoelasticity
Author
Amirhossein Mokhtari soureh
SuperVisor
Dr. Siavash Kazemirad