آموزش شبیه سازی یک بافت بیولوژیکی طی Hyper thermia therapy با مدل متخلخل حرارتی غیر تعادلی

شبیه سازی و آنالیز یک بافت بیولوژیکی طی Hyperthermia therapy با مدل متخلخل حرارتی غیر تعادلی

از جمله روش­های رایج درمان سرطان می­توان به جراحی، رادیوتراپی و شیمی درمانی اشاره کرد که این روش­های مذکور دارای معایبی شامل تهاجمی بودن، تکرارناپذیری و داشتن عوارض جانبی می­باشند. یکی از روش­های مؤثر در زمینه­ ی درمان سرطان، به کارگیری روش حرارت درمانی (hyperthermia therapy) می­ باشند؛ بدین صورت که با اعمال حرارت قابل ملاحظه­ ای توسط امواج فراصوت به مرکز بافت سرطانی، دمای آن به میزان بسیار زیادی افزایش می­یابد. این حرارت­ دهی مانع از رسیدن اکسیژن و مواد غذایی به درون بافت ناسالم می­شود؛ در این صورت، پروتئین­های درون بافت تغییر ماهیت می­دهند و می­توانند دور سلول­های سرطانی را احاطه کنند، به گونه­ ای که امکان شناسایی سلول­ های سرطانی توسط سیستم ایمنی بدن به وجود می­آید. شکل 1 نمایی از روش درمان به وسیله­ ی انتقال حرارت را نشان می­دهد.

شکل1  : نمایی از روش حرارت درمانی سلول­ های ناسالم

شرح مسأله

مسأله­ ی حاضر به بررسی جریان خون در مویرگ­ های عبوری از درون یک بافت دارای تومورهای سرطانی پرداخته است. برای این منظور، یک فضای کروی به عنوان نمونه­ای از یک بافت یا سلول سالم بدن فرض شده است که درون آن خون با سرعت بسیار پایینی جریان دارد. درون این بافت، چندین رگ به کار رفته است که در حالت واقعی، ساختار رگ ­های موجود در سلول­ ها و بافت­های بدن به صورت درختچه ­ای شکل می­باشد؛ اما برای ساده ­سازی مسأله فرض شده است که همه­ ی رگ­ ها به صورت یکنواخت و در یک راستا (محور x) درون بافت قرار می­گیرند. از آنجایی که جریان خون از فضاهای خالی درون بافتی عبور می­کند، کل بافت را می­توان به صورت یک محیط متخلخل در نظر گرفت. در مرکز این بافت و بر روی سطح رگ­ها چهار تومور سرطانی کروی شکل با قطرهای مختلف به وجود آمده است. در حالت واقعی، خواص ترموفیزیکی یک بافت سالم با سلول­ های سرطانی تفاوت دارند اما برای ساده سازی این مسأله، خواص ترموفیزیکی بافت سالم و سلول­ های ناسالم مشابه یک­دیگر فرض شده­اند. هر یک از این بافت­ های سرطانی دارای یک منبع حرارتی دارای انرژی گرمایی بر واحد حجم می­باشند تا موجب انتقال حرارت و درنتیجه افزایش حرارت قابل ملاحظه جریان خون گردد. هدف از این مسأله، بررسی واکنش رگ­ های خون و بافت بدن بر اثر اعمال این حرارت می­باشد. شکل 2 نمونه ­ای از این گونه ساختارها را نمایش می­دهد.

شکل 2 : نمایی از یک بافت خونی

برای شبیه­ سازی مسأله­ ی حاضر، چند فرض در نظر گرفته شده است:

• شبیه­ سازی مسأله از نظر زمانی به صورت ناپایا (unsteady) صورت گرفته است.
• برای شبیه­سازی از حلگر pressure-based استفاده شده است.
• اثر گرانش زمین بر روی جریان سیال لحاظ نشده است؛ زیرا در بررسی جریان خون در یک فضای خیلی کوچک، گرانش قابل صرف نظر می­باشد..

گام 1) ترسیم هندسه و شبکه­ بندی

مدل حاضر به صورت سه بعدی در نرم ­افزار design modeler طراحی شده است. مدل حاضر شامل یک لوله­ ی استوانه­ای شکل به عنوان مویرگ خون، چهار بافت خونی کروی شکل چسبیده به مویرگ و یک فضای کروی مخصوص جریان خون درون بافت و در اطراف رگ می­باشد که دارای سرعت جریان آهسته­تری نسبت به جریان درون مویرگ دارند. بافت­های کروی خون در اطراف مویرگ دارای شعاع­های متفاوتی (3، 5، 6 و 7.5  میلی­متر) می­باشند. کره­ی بیرونی نیز به عنوان فضای جریان خون درون بافت و در اطراف مویرگ در نظر گرفته شده است که شامل دو نیم­کره مخصوص ورود و خروج جریان می­باشد. شکل 3 نمایی از هندسه­ی ترسیمی را نشان می­دهد.

شکل 3 : نمایی از هندسه­ ی ترسیمی

شبکه­ بندی مدل توسط نرم­افزار ansys meshing انجام گرفته است؛ به صورتی که شبکه­ ی حاضر از نوع بدون سازمان بوده و دارای 717087 سلول می­باشد. شکل­ 4 نمایی از شبکه­ بندی انجام گرفته را در حالت سه بعدی و مقاطع دو بعدی نشان می­دهد.

شکل 4 : نمایی از شبکه ­بندی؛ الف) سه بعدی، ب) دو بعدی در مقطع صفحه­ xoy، پ) دو بعدی در مقطع صفحه yoz

گام 2) مراحل شبیه­ سازی

خلاصه ­ای از مراحل تعریف مسأله و تعریف حل آن در جدول 1 آمده است :

جدول 1 : خلاصه مراحل شبیه­ سازی و فرایند حل

تعریف منبع حرارتی : طبق تعریف مسأله، هر یک از چهار بافت سرطانی کروی شکل تحت اعمال حرارت به وسیله­ی امواج فراصوتی قرار می­گیرند. مقدار حرارت­ دهی بر واحد حجم بافت­ ها در بازه­ی ده ثانیه صورت می­گیرد. لذا از گزینه­ی منبع حرارتی (source term) استفاده شده است. برای تعریف میزان حرارت اعمالی بر واحد حجم از کد udf استفاده شده است. درواقع، تولید حرارت در نقطه­ی مرکز هر یک از کره­ ها به اندازه­ی 10000000 W.m^-3 می­باشد؛ در حالی که در سایر نقاط کره با فاصل ه­ای معین از مرکز، مقداری کمتر از توان تعریف شده دارد که برای تعریف مقدار توان حرارتی بر واحد حجم در هر نقطه از کره­ ها نیاز به کد udf خواهد بود.

تعریف مواد : در این شبیه ­سازی نیاز به تعریف دو ماده شامل خون (مایع) و بافت (جامد) می­باشد. با توجه به این که این مواد دارای خواص ترموفیزیکی خاص خود می­باشند، به صورت دستی با خواص در دسترس تعریف می­ شوند. خواص ترموفیزیکی مربوط به خون و بافت در جدول 2 ذکر شده است.

جدول 2 : خواص ترموفزیکی مواد تعریف شده

تعریف محیط متخلخل : با توجه به این که جریان خون از طریق مویرگ­ ها از حفره­ های خالی درون بافت­ها عبور می­کنند، بافت به صورت محیط متخلخل تعریف می­گردد. مقدار ضریب تخلخل معادل نسبت حجم فضای خالی به حجم فضای کل می­باشد که در این مسأله برابر 0.05 در نظر گرفته شده است.

گام 3) نتایج نهایی

در پایان فرایند شبیه­ سازی، کانتورهای مربوط به تغییرات دما در حالت­ های دو بعدی و سه بعدی حاصل شده است. شکل­ های 5 و 6 به ترتیب کانتور دما در حالت دو بعدی و سه بعدی را نشان می­دهد.

خدمات شرکت پردازشگران مهر

برای مدلسازی و شبیه سازی و آنالیز یک بافت بیولوژیکی طی Hyperthermia therapy با مدل متخلخل حرارتی غیر تعادلی، در نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) با ما تماس بگیرید. شرکت ما کارشناسان را در زمینه های مختلف مهندسی جمع آوری کرده است تا از کیفیت شبیه سازی CFD اطمینان حاصل شود. شرکت مهر اولین شرکتی است که شما می توانید با اطمینان خاطر سفارش پروژه CFD خود را آنلاین انجام دهید. یکی از اهداف ما این است که استفاده از روش های قدرتمند محاسباتی دینامیک سیالات را افزایش داده و مهندسان و کسانی که به دنبال دانش حرفه ای در CFD هستند را آموزش دهیم.

شبیه سازی های دینامیک سیالات محاسباتی با خدمات ما آسان خواهد شد. برای آموزش کاربرد های CFD و نرم افزارهای شبیه سازی با ما تماس بگیرید. پیشنهاد ما به شما خدمات زیر است. آموزش فلوئنت ,آموزش دینامیک سیالات محاسباتی ,انجام پروژه فلوئنت,مشاوره CFD ,شبیه سازی با فلوئنت,انجام شبیه سازی با فلوئنت,مشاوره پایان نامه فلوئنت,آموزش پایان نامه فلوئنت. مهندسان با تجربه ما مشاوره پیشرفته و پشتیبانی فنی مناسب را برای پروژهای دانشگاهی و صنعتی در اختیار شما قرار خواهند داد. شرکت پردازشگران مهر دارای سال ها تجربه در مدیریت و انجام پروژه های CFD است. ما آماده ایم که بهترین خدمات شبیه سازی را در فیلدهای مختلف مهندسی به شما ارائه دهیم.