تخمین توان منبع گرمایی مورد نیاز جهت گرما درمانی تومور سینه با استفاده از روش معکوس

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

2 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

3 استاد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

4 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، واحد شاهرود، دانشگاه آزاد اسلامی، شاهرود، ایران

چکیده

تعیین دقیق توزیع دما در گرما افزایی (هایپرترمیا) بعنوان فاکتور اساسی در بکارگیری این روش بعنوان درمان ترکیبی تومورهای سرطانی است. در این مقاله هدف تخمین توان بهینه منبع گرمایی به منظور  از بین بردن سلول های سرطانی با توجه به توزیع دما در بافت سرطانی است. برای این منظور از روش معکوس برای تخمین توان منبع گرمایی استفاده شده است. بافت سینه به صورت یک نیمکره در نظر گرفته و در حالت سه لایه (چربی، غدد و عضله) مسئله حل شده است.  انتقال گرما در بافت نرم با استفاده از معادله پنس که بر اساس رسانش گرمایی فوریه ای می باشد توصیف شده است. برای حل معادلات حاکم بعد از بی بعد سازی ، از روش تفاضل محدود و روش مختصات عمومی استفاده شده و  معادلات از صفحه فیزیکی به صفحه محاسباتی که دارای شبکه هموار است انتقال داده شده اند. برای حل معادلات معکوس ، روش گرادیان مزدوج با مسئله الحاقی که یکی از قوی ترین روش های حل مسائل معکوس است به کارگرفته شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


 
[1]               Wust P., Hildebrandt B., Sreenivasa G., Rau B., Gellermann J., Riess H., Felix R., and Schlag P. M., Hyperthermia in combined treatment of cancer, Lancet Oncol, Vol. 3,  No. 8, pp. 487-97, Aug, 2002.
[2]               Huang H.  W.   H. T.-L., Bioheat  Transfer  and  Thermal  Heating  for  Tumor Treatment,  in:   Heat  Transfer  and  Fluid  Flow  in  Biological  Processes, Academic  Press, Boston, pp. 1-42, 2015.
[3]               Raaymakers. B K. A., Lagendijk. J, Discrete Vasculature (DIVA) Model Simulating the  Thermal  Impact  of Individual  Blood  Vessels  for  In  Vivo  Heat  Transfer, Advances  in Numerical Heat Transfer, pp. 121-148, 2009.
[4]               Zhu L. D. C., Theoretical simulation of temperature distribution in the brain during mild hypothermia treatment for brain injury, Med. Biol. Eng. Comput, Vol. 39, pp. 681–687, 2001.
[5]               Pennes H.H., Analysis of tissue and arterial blood temperature in the resting human forearm, J. Appl. Physiol., Vol. 1, pp. 93–122, 1948.
[6]               Wulff W., The Energy Conservation Equation for Living Tissues, IEEE Transactions of Biomedical Engineering, BME-21,, pp. 494-495, 1974.
[7]               Hartnett J.P. I. T. F., Cho  Y.I. ,, Bioengineering heat transfer, Academic Press, 1992.
[8]               Chen M. M., and Holmes, K.R., Microvascular Contributions in Tissue Heat Transfer,, Annals of the New York Academy of Sciences, Vol. 335, pp. 137-150, 1980.
[9]               Weinbaum S., and Jiji, L.M., A New Simplified Bioheat Equation for the Effect of Blood Flow on Local Average Tissue Temperature, ASME J. of Biomechanical Engineering, Vol. 107, pp. 131-139, 1985.
[10]             Jiji L. M., Weinbaum, S., and Lemons, D.E., Theory and Experiment for the Effect of Vascular Microstructure on Surface tissue Heat Transfer-Part II: Model Formulation and Solution, ASME J. of Biomechanical Engineering,, Vol. 106, pp. 331-341, 1984.
[11]             Roetzel W X. Y., Transient  response  of  the  human  limb to an external  stimulust, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 41(1), pp. 229-239, 1998.
[12]             Nakayama F. K., A  general  bioheat transfer  model based  on the  theory of porous media, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 51(11-12) pp. 3190-3199, 2008.
[13]             Arkin H., Xu, L.X., and Holmes, K.R., Recent Development in Modeling Heat Transfer in Blood Perfused Tissue, IEEE Transactions on Biomedical Engineering,, Vol. 41, pp. 97-107, 1994.
[14]             Charny C. K., Weinbaum, S., and Levin, R.L., An Evaluation of the Weinbaum-Jiji Bioheat Equation for Normal and Hyperthermic Conditions, ASME J. of Biomechanical Engineering, Vol. 112, pp. 80-87, 1990.
[15]             Klinger H. G., Heat Transfer in Perfused Biological Tissue-1: General Theory,, Bulletin of Mathematical Biology,, Vol. 36, pp. 403-415, 1980.
[16]             M.Baghban M. B. A., Source term prediction in a multilayer tissue during hyperthermia, ELSEVIER, Journal of Thermal Biology, Vol. 52, pp. 187-191, 2015.
[17]             Mohammadiun M., Time-Dependent Heat Flux Estimation in Multi-Layer Systems by Inverse Method, Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol. 30,  No. 3, pp. 599-607, 2016/07/01, 2016.
[18]             Mohammadiun M., and Rahimi A. B., Estimation of time-dependent heat flux using temperature distribution at a point in a two layer system, Scientia Iranica, Vol. 18,  No. 4, pp. 966-973, 2011/08/01/, 2011.
[19]             Mohammadiun M., Rahimi A. B., and Khazaee I., Estimation of the time-dependent heat flux using the temperature distribution at a point by conjugate gradient method, International Journal of Thermal Sciences, Vol. 50,  No. 12, pp. 2443-2450, 2011/12/01/, 2011.
[20]             Weinbaum S., and Jiji, L.M., A Two Phase Theory for the Influence of Circulation on the Heat Transfer in Surface Tissue,, Advances in Bioengineering,ASME,, pp. 179-182, 1979.
[21]             Weinbaum S., Jiji, L.M., and Lemons, D.E.,, Theory and Experiment for the Effect of Vascular Microstructure on Surface Tissue Heat Transfer-Part I: Anatomical Foundation and Model Conceptualization, ASME J. of Biomechanical Engineering, , Vol. 106, pp. 321-330, 1984.
[22]             Weinbaum S., and Lemons, D.E., Heat Transfer in Living Tissue: The Search for a Blood-Tissue Energy Equation and the Local Thermal Microvascular Control Mechanism, BMES Bulletin, Vol. 16, pp. 38-43, 1992.
[23]             Kundu B., Exact analysis for propagation of heat in a biological tissue subject to different surface conditions for therapeutic applications, Applied Mathematics and Computation, Vol. 285, pp. 204-216, 2016/07/20/, 2016.
[24]             Dutta J., and Kundu B., A revised approach for an exact analytical solution for thermal response in biological tissues significant in therapeutic treatments, Journal of Thermal Biology, Vol. 66, pp. 33-48, 2017/05/01/, 2017.
[25]             Dutta J., and Kundu B., Two-dimensional closed-form model for temperature in living tissues for hyperthermia treatments, Journal of Thermal Biology, Vol. 71, pp. 41-51, 2018/01/01/, 2018.
[26]             Dutta J., and Kundu B., Thermal wave propagation in blood perfused tissues under hyperthermia treatment for unique oscillatory heat flux at skin surface and appropriate initial condition, Heat and Mass Transfer, pp. 1-19, 2018.
[27]             Mendez H. F. G., Arango M. A. P., and Acosta J. J. P., Hyperthermia Study in Breast Cancer Treatment, Applied Computer Sciences in Engineering, Vol. 916,  No. 4, pp. 256-267, 2018.
[28]             Deka K., Bhanja D., and Nath S., Fundamental solution of steady and transient bio heat transfer equations especially for skin burn and hyperthermia treatments, Heat Transfer—Asian Research, Vol. 48,  No. 1, pp. 361-378, 2018.
[29]             Anderson J. D., and Wendt J., Computational fluid dynamics: Springer, 1995.
[30]             Ozisik M.N. O. R. B., Inverse Heat Transfer, Taylor & Francis, NewYork., 2000.
[31]             Dennis BH1 E. R., Dulikravich GS, Radons SW., Finite-element simulation of cooling of realistic 3-D human head and neck, J. Biomech. Eng., Vol. 125, pp. 832-840, 2003.
[32]             González F. J., Thermal simulation of breast tumors, Revista Mexicana de Física, Vol. 53,  No. 4, pp. 323-326, 2007.
[33]             Daniel J.W., Approximate Minimization of Functionals, Prentice-Hall Inc.,Englewood Cliffs, 1971.
[34]             Ozisik M.N., Heat Conduction, second ed. Wiley, New York., 1993.
[35]             Alifanov O. M., Inverse heat transfer problems: Springer Science & Business Media, 2012.
[36]             Alifano O. M., Inverse Heat Transfer Problems, Springer-Verlag, New York., 1994.
[37]             Jiang B.H. N. T. H., Prud’homme  M., Control of the boundary heat flux during the heating process of a solid material, Int.Commun. Heat. Mass., Vol. 32,  No. 4, pp. 728–738, 2005.