چکیده فتوداینامیک تراپی (pdt) یک روش درمانی مبتنی بر استفاده از داروی حساس کننده نوری همراه با تابش موضعی نور به منظور تخریب تومورهای سرطانی و ضایعات خوش خیم است. فتوداینامیک تراپی بسیاری از شرایط و ویژگیهایی را که یک شیوه درمان یا کنترل سرطان باید داشته باشد، داراست. ایمنی، عوارض جانبی محدود و بازده بالا در کنار ویژگیهایی از جمله امکان نشاندار نمودن ضایعه، قابلیت تکرار درمان و نتایج مطلوب در زمینه زیبایی عواملی هستند که باعث می شوند این تکنیک در آینده نقش بسزایی در درمان سرطان ایفا کند و به عنوان یک روش مکمل در کنار روشهایی از جمله جراحی، رادیوتراپی و شیمی درمانی عامل افزایش بازده درمان و بقا در بیماران گردد. با اینحال، بزرگترین معضل این روش ضعف در حوزه دوزیمتری می باشد. منظور از دوزیمتری، تعیین دوز داروی مصرفی و دوز نور تابشی است بگونه ای که نهایتاً نتیجه درمان رضایت بخش باشد. لذا با توجه به اینکه خواست پزشکان و بیماران در این روش درمانی این است که با حداقل آسیب وارده به بافت سالم، سلولهای بدخیم تخریب شوند، دستیـابی بـه ابزاری که قادر باشد نتایج را پیش از درمان با دقت مطلوبی پیش بینی کند قـابل توجه بـه نظر می رسد. با توجه به چالش های مطرح شده در خصوص روش های دوزیمتری درکاربردهای کلینیکی و همچنین تحقیقات انجام شده در این حوزه، دو راهکار کاربردی که در این راستا مفید می باشند، دوزیمتری مبتنی بر اندازه گیری و دوزیمتری بر اساس مدل سازی می باشند. لیکن از آنجا که هر یک از این دو راهکار دارای مزایا و معایبی هستند، به منظور دستیابی به روشی که در عین بهره مندی از مزایای هر یک از این راهکارها معایب آنها را تا حد ممکن تقلیل دهد، روش پیشنهادی در تحقیق حاضر به منظور بهبود دوزیمتری pdt، ترکیب مدل سازی همراه با روش فلوئورسانس اسپکتروسکوپی بعنوان ابزار اندازه گیری است. به این ترتیب از یک سو با استفاده از مدل سازی بر مشکل اندازه گیری برخی از پارامترهای موثر فائق آمده ایم و از سوی دیگر بوسیله اندازه گیری امکان تحقق فیدبک زمان حقیقی برای کنترل پروسه درمانی هر بیمار را به طور جداگانه فراهم آورده ایم. مدل ارائه شده برای دوزیمتری pdt دارای سه ویژگی منحصر به فرد است که عبارتند از قابلیت متغیر با زمان بودن پارامترهای مدل، قابلیت انعطاف پذیری برای هر بیمار و قابلیت پیش بینی نتیجه درمان پیش از تابش نور درمانی. از سوی دیگر، نوآوری سیستم پیاده سازی شده برای اخذ طیف فلوئورسانس در غیرتهاجمی بودن و سرعت عمل آن در اخذ طیف فلوئورسانس از سطح بافت بیولوژی است. با توجه به اهمیت تعیین دقیق غلظت دارو درون بافت تومور، بعنوان یکی از ورودیهای برنامه شبیه سازی دوزیمتری pdt، هدف از پیاده سازی چنین سیستمی تعیین غلظت دارو درون بافت هدف بر اساس طیف فلوئورسانس اخذ شده از سطح بافت می باشد. همچنین به منظور اعتبارسنجی دقت و صحت نتایج شبیه سازی، آزمایشهای متعددی بر روی موشهای balb/c انجام شده است. مقایسه نتایج شبیه سازی با نتایج پاتولوژی پس از انجام pdt بر روی موشها، نشان می دهد که ایده ترکیب مدل سازی و روش فلوئورسانس اسپکتروسکوپی و همچنین تدابیر اتخاذ شده برای بهبود دوزیمتری pdt، موفقیت آمیز بوده است. کلمات کلیدی: فتوداینامیک تراپی، دوزیمتری، مدل سازی، فلوئورسانس اسپکتروسکوپی، شبیه سازی، المان محدود، حساس کننده نوری، پروتوپورفیرین ix

کامپوزیت های یونی پلیمر- فلزی (ipmc) یا به عبارتی ماهیچه های مصنوعیipmc محرک های فعالی هستند که در حضور ولتاژهای اعمالی پایین دچار خمش زیادی می شوند. این نوع ماهیچه های مصنوعی بواسطه قابلیت-های منحصر بفردی همچون دانسیته پایین و چقرمگی بالا، کرنش محرکی بسیار وسیع، سبکی و ... از سایر مواد هوشمند بخصوص در کاربردهای بیولوژیکی متمایز شده اند. مکانیزم عملکرد ipmc به خوبی شناخته شده نیست اما مشخص است که قطعاً فعل و انفعالات متعددی در عملکرد این عنصر تأثیر گذار هستند. رفتار دینامیکی این ماده هوشمند بواسطه پدیده هایی همچون پسماند، کاملاً غیر خطی است. از طرفی تغییر شکل و خمش این عنصر بواسطه نفوذ شبه فرکتالی نانو ذرات متراکم شده فلزات نجیب مثل پلاتینیوم داخل غشاء نفیونی آن غیریکنواخت است. از این رو مدل سازی مستقیم آن چندان دقیق و مناسب نیست. برای حل این مشکل پژوهشگران در تلاش هستند تا با استفاده از ثبت داده های تجربی و مدل سازی معکوس، مدل هایی دقیق تر و کارآمد تر را ارائه دهند. در این پژوهش ابتدا به منظور ثبت داده های مرتبط با تغییر شکل مکانیکی این ماهیچه های مصنوعی یک سیستم تصویری طراحی و ساخته شده است. سپس به کمک ساختار narx تحقق یافته با سیستم های استنتاج تطبیقی عصبی فازی، یک شناساگر غیر خطی به نام anfis-narx معرفی نموده ایم که به کمک آن جابجایی نوک ipmc را شناسایی می کنیم و مشاهده خواهیم کرد که این روش دارای دقت و عملکرد بهتری نسبت به سایر روش های متعارف شناسایی دینامیکی خواهد بود. همچنین برای محاسبه تغییرات مکانیکی و خمش غیر یکنواخت ipmc مدلی جدید ارائه کرده ایم که کاملاً متمایز است از مدل های مرسومی که تاکنون ارائه شده اند. به عبارتی در این مدل ما صرفاً تغییرات نقطه ای مشخص مثل نوک ipmc را در نظر نگرفته ایم بلکه رفتار کل بدنه ipmc را مدل کرده ایم. در انتها با استفاده از مدل پیشنهادی برخی از مولفه های فیزیکی، مکانیکی و هندسی ipmc مثل گشتاور ناشی از نیروی گرانشی ipmc، خمش و تاب دینامیکی ipmc را بصورت تحلیلی فرمول بندی و آنالیز نموده ایم.

دردرمان هایپرترمیا با شیوه هایی نظیر رادیوفرکانسی(rf)و فروسرخ نزدیک (nir) ، تومور تحت تأثیر دماهای بالاییقرار می گیرد (c°47-45) که در اینصورت فرایند آسیب و مرگ سلول های سرطانی، تسریع و تومور دستخوش نکروز می شود. حینانتقالنورمرئیازمیانبافتبهتومور، شارفوتونیبهسرعتازسطحپوستتامحلموردنظرکاهشمی یابد. امابوسیلهتابش nirمیتوانتا حدودی مانعاینرخدادشدوعمقنفوذراافزایشداد.همچنینبه کمک نانوذراتمی توانبستریمناسببهمنظورنشانه گیریسلول-هایسرطانیفراهم نمود.با توجه به اینکه هدف نهایی در تمامی روش های درمانی سرطان، تعیین پروتکل درمان به نحوی است که ضمن داشتن حداکثر میزان نکروز در تومور، حداقل آسیب به سایر بافت ها به ویژه بافت های مجاور ناحیه تومور برسد،از این لحاظ مدلسازی دقیق انتشار حرارت و دستیابی به پروتکل درمانی بهینه در این روش درمانی از اهمیت به سزایی برخوردار است. در این راستا، هدف از انجام این تحقیق، بررسی قابلیت شبیه سازی های انجام شده در تعیین پارامترهای تابشی به منظور دستیابی به حداکثر میزان نکروز در بافت هدف و حداقل آسیب به بافت سالم اطراف آن می باشد. به منظور ارائه مدل اجزاء محدود تومور که قابلیت پیش بینی توزیع دمایی ضمن تابش لیزر و با حضور نانو ذرات را داشته باشد از نرم افزار comsol استفاده شده است.همچنین به منظور ارزیابی صحت نتایج شبیه سازی، با ایجاد فانتومی متناسب با شرایط شبیه سازی و اعمال تابش لیزر و با قرار دادن سنسورهایی در محلهای مورد نظر تغییرات دمایی ثبت و با نتایج شبیه سازی مقایسه شده است. نتایج بدست آمده حاکی از این است که شبیه سازی انجام شده با دقت مطلوبی می تواند توزیع دمایی را در ناحیه تومور و بافت اطراف آن پیش بینی نماید که خود می تواند گام موثری در راستای بهینه سازی درمان سرطان به روش هایپرترمیا باشد.

رگ زایی القایی تومور از گام های اساسی در فرآیند رشد سلول های سرطانی است. پس از اینکه تومور به حداکثر سایز خود در فاز غیر عروقی رسید (توموری با قطر 3-2 میلی متر)، رشد آن متوقف شده و تنها در صورتی ادامه می یابد که تومور توانایی تشکیل یک شبکه عروقی را درون خود داشته باشد. در این مطالعه، مدل های ریاضی گسسته دو بعدی از فرآیند رگ زایی ارائه شده اند. در این مدل ها سعی شده تا فرآیند کاملی از رگ زایی، شامل تشکیل جوانه های عروقی از رگ اصلی، پیشروی جوانه های شکل گرفته در زمینه خارج سلولی و در نهایت نفوذ میکرو عروق به داخل تومور و تشکیل ساختارهای میکروعروقی در بخشهای مختلف یک تومور چند لایه مدلسازی گردد. به منظور مدلسازی شبکه عروقی در داخل تومور، از مدل رشد و تهاجم غیر عروقی تومور استفاده شد. در این مدل سلول های تومور با تولید آنزیم های کاهنده زمینه خارج سلولی (mdes) به بافت میزبان (ecm) هجوم برده و فضای مورد نیاز برای رشد خود را تأمین می کنند. داده های بدست آمده از این مدل در انتهای رشد غیر عروقی تومور به عنوان شرایط اولیه برای راه اندازی مدل رگ زایی استفاده می شوند و امکان مدلسازی عروق در داخل تومور را فراهم می کنند. در مرحله بعد یک مدل کامل از شروع روند رگ زایی تا نفوذ عروق به داخل تومور ارائه داده شده است. این مدل شامل مکانیابی تصادفی جوانه ها در امتداد رگ اصلی و پیشروی آنها در زمینه تا رسیدن به تومور و عروقی کردن آن است. برای مدل سازی مکان جوانه در طول رگ، از تقریب تفاضل محدود معادلات pde برای دو عامل فعالساز و مهارکننده رگ زایی استفاده شده است. فعال سازهای رگ زایی مواد شیمیایی ترشح شده توسط سلول های هایپوکسیک تومور برای شروع رگ زایی هستند، و مهارکننده های رگ زایی مواد شیمیایی تولید شده در طول رگ زایی و در اطراف هر جوانه جدید به منظور جلوگیری از تشکیل جوانه های بعدی می باشند. در نظر گرفتن منبع آنی با شعاع تصادفی برای بازدارنده نه تنها ماهیت غیر قطعی حضور و میزان بازدارنده را در فضای اطراف جوانه بیان می کند، بلکه اطلاعات واقعی تری از مکان، زمان و تعداد جوانه های تشکیل شده در اختیار قرار می دهد. شبیه سازی های عددی این مدل می توانند تخمین مکانی و زمانی بهتری از فرایند رگ زایی تومور را فراهم کنند و به عنوان یک مدل مکمل در تکمیل روند رشد تومور مورد استفاده قرار گیرد.

لیزر درمانی درون وریدی(evlt) یک روش گرما درمانی به صورت حداقل تهاجمی برای درمان وریدهای واریسی است. مدل کردن اثر لیزر بر بافت در evlt مزیت های زیادی دارد. در این تحقیق، evlt به صورت سه بعدی شبیه سازی شده است. برای انتشار نور در بافت از روش های تقریب دیفیوژن و مونت کارلو با گام متغیر و جذب تدریجی استفاده شده است. معادله گرمایی پنس و معادله آرنیوس به ترتیب برای مدل کردن انتقال گرما و ایجاد آسیب در بافت به کار گرفته شدند. روش حل عددی المان محدود برای حل این دو معادله مورد استفاده قرار گرفته است. تاکنون برای شبیه سازی لیزر درمانی درون وریدی از مدل سه بعدی و نیز روش مونت-کارلو استفاده نشده است. در این تحقیق سعی شد که تمام حالات تاثیر گذار با مدل های سه بعدی با روش المان محدود بررسی شوند. استفاده از لیزر با طول موج های مختلف، تغییرات در اعمالگر لیزری از جمله مواردی هستند که در این تحقیق بررسی شدند و در بعضی موارد نتایج با کار های مشابه در تحقیقات دیگر مقایسه شدند. نتایج نشان دادند که انجام شبیه سازی های کامپیوتری امری شدنیست و روش المان محدود با دقت بالا به پزشک این امکان را می دهد که با تغییر پارامتر های تاثیر گذار، بهترین انتخاب را برای ایجاد بیشترین صدمه به دیواره رگ و کمترین صدمه به بافت سالم مجاور رگ، داشته باشد.

مسئله تنظیم قند خون در بیماران دیابتی، یکی از مسائل کنترلی بسیار مهم در حوزه ی سیستم های پزشکی می باشد. در غیاب سنسورهای گلوکز قابل اطمینان، استراتژی کنترلی نمی تواند از استراتژی های حلقه باز فراتر رود. در سال های اخیر، با پیشرفت cgm های زیرجلدی ، راهی برای استراتژی های کنترلی حلقه بسته به صورت خودکار گشوده شده است. در حقیقت، مجموعه یک دستگاه cgm، یک الگوریتم کنترلی و پمپ انسولین زیر جلدی که باهم پانکراس مصنوعی نامیده می شود، پتانسیل تنظیم غلظت گلوکز خون بیماران دیابتی را مانند پانکراس افراد سالم داراست. با وجود تحقیقات آموزشی متعدد، اجزای پانکراس مصنوعی هنوز در ساختار حلقه باز استفاده می شوند. بنابراین یک سیستم حلقه بسته هنوز به صورت تجاری وارد بازار نشده است و کنترل قند خون در بیماران دیابت نوع یک هنوز یک مسئله چالش برانگیز در مهندسی پزشکی است. در این پایان نامه، با مدلسازی معکوس سیستم، الگوریتم کنترل تطبیقی برای تنظیم قند خون بیماران دیابت نوع یک ارائه شده است. بااستفاده از سیمولاتور gim ، داده بیمار دیابتی در طول شبانه روز شبیه سازی شده است و سپس به مدلسازی رفتار فیزیولوژیکی سیستم پرداخته شده است. نظر به ماهیت تاخیری سیستم، در گام بعد، ساختار کنترلی جدیدی برای سیستم های تاخیر دار پیشنهاد شد که تلفیقی از کنترل مدل مرجع تطبیقی و پیش بین اسمیت اصلاح یافته می باشد. علاوه بر آن عملکرد کنترل حلقه باز و کنترلر تناسبی- مشتقی- انتگرالی در ساختار پیش بین اسمیت بررسی شده است. با توجه به تنوع پذیری گسترده متابولیسم بیماران مختلف در دنیای واقعی، جمعیتی از 30بیمار به صورت مجازی و با ایجاد تغییرات تصادفی پارامتری و نوسان سینوسی در پارامترهای مدل گلوکز-انسولین دالامن ایجاد شد تا تغییر پذیری بین فردی سیستم تنظیم گلوکز پیاده سازی شود. عملکرد الگوریتم طراحی شده بر اساس شاخص کمی و کیفی ارزیابی شد. نتایج حاکی از عملکرد مناسب کنترلر پیشنهادی در شرایط ناشتا، دفع اغتشاش غذا و رباستنس در برابر تغییر پذیری بین بیماران است.

بیماری آپنه خواب یک بیماری نسبتا شایع بوده که در اثر وقفه‏های تنفسی در هنگام خواب شبانه ایجاد می‏گردد. این امر می‏تواند به علت ناهنجاری‏های سیستم اعصاب حرکتی یا انسداد مسیر تنفسی و یا هر دوی آن‏ها ایجاد شود. تحقیقات نشان داده است که با کنترل و پیش‏گیری از وقفه‏های تنفسی می‏توان از عوارض این بیماری جلوگیری نمود. ثبت پلی‏سومنوگرافی، روش تشخیصی استاندارد طلایی برای سندرم آپنه-هایپوپنه می‏باشد که جهت تشخیص این بیماری در یک دوره خواب شبانه مورد استفاده قرار می‏گیرد. از آن‏جا که ثبت‏های پلی‏سومنوگرافی گران‏قیمت و زمان‏بر بوده و هم‏چنین دسترسی به کلینیک‏های خواب به راحتی امکان‏پذیر نمی‏باشد، تشخیص این بیماری با استفاده از سیگنال‏های ساده‏تر می‏تواند بسیار ارزشمند باشد چرا که ثبت آن‏ها با سهولت بیشتر و بدون نیاز به مکان‏های خاصی برای ثبت (نظیر کلینیک‏های خواب) امکان‏پذیر است. هدف از انجام این پژوهش تشخیص و طبقه¬بندی خودکار انواع آپنه خواب بر اساس اعمال الگوریتم¬های طبقه‏بندی¬کننده به سیگنال¬های تلاش تنفسی قفسه سینه و اشباع اکسیژن خون می‏باشد. در این پژوهش، برخی ویژگی‏های زمانی، فرکانسی، طیفی متداول و غیرخطی از این دو سیگنال استخراج و سپس توسط هر یک از روش های الگوریتم ژنتیک، تجزیه و تحلیل مولفه‏های اصلی و الگوریتم انتخاب ویژگی گام به گام رو به جلو، به طور جداگانه به استخراج ویژگی‏های بهینه از بین ویژگی‏های اولیه استخراج شده پرداخته و در نهایت طبقه‏بندی کننده ماشین بردار پشتیبان برای دسته‏بندی ویژگی‏ها در سه کلاس افراد سالم، آپنه انسدادی و آپنه مرکزی به کار گرفته شده است. میانگین صحت نتایج سیستم تشخیص هوشمند بیماری و طبقه‏بندی کننده نوع آپنه خواب به سه کلاس افراد سالم، آپنه انسدادی و آپنه مرکزی، برابر 90.2 درصد (محدوده 95.8-87.5) در مجموعه داده‏های تست، و صحت 90.9 درصد در مجموعه داده‏های اعتباربخشی (داده‏های پایگاه داده فیزیونت) و به ازای الگوریتم تجزیه و تحلیل مولفه‏های اصلی برابر 66.7 درصد و به ازای الگوریتم انتخاب ویژگی گام به گام رو به جلو برابر 79.2 درصد در مجموعه داده‏های تست مشاهده گردید.

در این مطالعه مدل ریاضی گسسته ای از فرآیند رگزایی تومور به صورت ترکیبی با یک مدل مکان یابی تصادفی جوانه های عروقی در طول رگ اصلی در ابتدای فرآیند رگزایی ارائه شده و سپس جریان خون در شبکه دو بعدی مورد نظر وارد شده است که نشان می دهد به علت فشار خون و توزیع فاکتور رگزایی تومور در شبکه، یک نوع عملیات هرس شدن در شبکه عروقی انجام می شود. سپس شبکه عروقی بدست آمده اکسیژن و بقیه مواد لازم برای رشد بیشتر تومور را فراهم می نماید. رشد تومور و رگزایی به وسیله تغییرات محیط میکرو با هم ترکیب شده اند که نشان می دهد عروق توموری همراه با تومور رشد می کنند و با گذشت زمان، به علت کمبود اکسیژن، تومور سه لایه و حالت تهاجمی به خود می گیرد. سپس اثر فاکتور ضدرگزایی آنژیواستاتین در فرآیند رگزایی تومور بررسی شده است که نشان می دهد شبکه مویرگی با در نظر گرفتن اثر آنژیواستاتین پراکنده تر شده است.