مدلسازی عددی و بهینه سازی هندسه الکترودها در الکتروپوریشن بازگشت ناپذیر با استفاده از روش المان محدود و الگوریتم ژنتیک

قرار دادن سلولها تحت تاثیر میدان الکتریکی می تواند منجر به افزایش نفوذ پذیری غشای سلول شود که به این پدیده الکتروپوریشن می گویند. الکتروپوریشن را می توان جهت ورود مولکولهای مختلف به درون سلول(الکتروپوریشن بازگشت پذیرre) یا به منظور از بین بردن سلولها(الکتروپوریشن بازگشت ناپذیرire ) مورد استفاده قرار داد. در سالهای اخیر جراحی الکتروپوریشن بازگشت ناپذیر تبدیل به تکنیکی جدید جهت برداشتن تومورهای سرطانی مبدل گشته است. جهت یک جراحی موفقیت آمیز نیاز است که تمامی تومور تحت میدان الکتریکی شدید قرار گیرد. علاوه بر این ایجاد حداقل آسیب گرمایی جهت بهبود پاسخ جراحی ضروری است. برای این منظور روش نوین الکتروپوریشن بازگشت ناپذیر غیرگرمایی(ntire) معرفی شده است که تلاش بر برداشتن تومور با میدان الکتریکی شدید با ایجاد حداقل حرارت در بافت تومورال و سالم دارد. در رساله حاضر به منظور بررسی اثر پارامترهای هندسی الکترودهای مورد استفاده و ولتاژ اعمال شده به آنها بر توزیع میدان الکتریکی و گرمایی بر بافت تومورال و سالم؛ مطالعه پارامتری با استفاده از روش المان محدود صورت پذیرفت. برای این منظور هندسه سه بعدی از بافت سالم با در نظر گرفتن لایه های مختلف پوست که درون آن تومور سابکوتانوس قرار گرفته است، ایجاد گردید. توزیع میدان الکتریکی و توزیع حرارتی به ترتیب با حل عددی معادله لاپلاس و بیوگرمایی بدست آورده شد. بررسی صحت و دقت مدل ایجاد شده به منظور کنترل جوابهای حل عددی صورت پذیرفت. نتایج بررسی صحت نشان دادند که میانگین اختلاف بین حل عددی و حل تحلیلی معادله لاپلاس در فضای بین الکترودها زیر 5/2% است. دقت جوابهای عددی بدست آمده با افزایش تدریجی تعداد المانها انجام پذیرفت و تعداد المان بهینه هنگامی که جوابهای حل عددی کمتر از 1% تغییر می کردند بدست آورده شد. الکترودهای مورد بررسی شامل چهار هندسه الکترود سوزنی متداول در تحقیقات الکتروپوریشن به همراه الکترود صفحه ای بود. نتایج الکترود سوزنی نشان داد که برای توزیع الکتریکی هندسه هگزاگونال 3×3 دارای بیشترین پوشش ناحیه تومورال است. هندسه هگزاگونال 2×2 نیز توانست با تحمیل آسیب کمتری به بافت سالم، پوشش کاملی در بافت تومورال ایجاد کند. در صورت انتخاب صحیح پارامترها هندسه دو و چهار الکترودی نیز می توانند پوشش کاملی در بافت تومورال ایجاد کنند؛ البته با ایجاد گرمای بیشتر و تحمیل آسیب بیشتری به بافت سالم. نشان داده شد در صورتی که الکترودهای سوزنی وارد بافت تومورال شوند، آسیب گرمایی به بافت تومورال به شدت افزایش می یابد. بنابراین به منظور جلوگیری از آسیب گرمایی به بافت تومورال توصیه می شود الکترودهای سوزنی حتی الامکان وارد بافت تومورال نشوند. نتایج الکترود صفحه ای نشان داد که طول الکترودها بایستی حداقل برابر یا بزرگتر از قطر تومور باشد تا پوشش مناسبی در بافت تومورال ایجاد شود. علاوه براین نشان داده شد که به منظور برداشت کامل تومور الکترودها بایستی در تماس با جداره بافت تومورال باشند. تحلیل گرمایی نشان داد که الکترود صفحه ای منجر به ایجاد آسیب گرمایی در بافت سالم و تومورال نمی شود. به دلیل تعداد زیاد پارامترهای هندسی مشاهده می شود که انتخاب پارامترهای هندسی مناسب الکترودها برای جراحی ire با در نظر گرفتن همزمان پوشش کامل ناحیه تومورال و حداقل آسیب گرمایی بسیار مشکل است. لذا از سیستمهای هوشمند به عنوان ابزاری برای طراحی درمان استفاده شد. این کار با استفاده از تصاویر mr از ناحیه تومورال و مدلسازی عددی صورت پذیرفت. برای این منظور دو بیمار با تومور scc انتخاب شد. تصاویر mri تومور با استفاده از یک دستگاه mri 3 تسلا گرفته شد. سپس هندسه سه بعدی ناحیه تومورال با استفاده از داده های dicom ایجاد و به بسته نرم افزاری المان محدود انتقال داده شده و سپس هندسه الکترودها به هندسه مذکور اضافه شد. در نهایت کد الگوریتم ژنتیک(ga) نوشته شده با بسته نرم افزاری المان محدود کوپل شده تا پارامترهای هندسی بهینه و ولتاژ اعمالی مناسب ارائه شود. کد ga نوشته شده با استفاده از تعدادی از توابع استاندارد به منظور بررسی توانایی ga در یافتن نقاط اکسترمم سراسری کنترل شد. به منظور بررسی همزمان توزیع الکتریکی و گرمایی در بافت از کد الگوریتم ژنتیک چند هدفه(moga) استفاده شد. نتایج بدست آمده نشان داد که با استفاده از moga امکان برداشت کامل تومور با ایجاد حداقل آسیب به بافت سالم امکان پذیر است.یکی از نتایج نشان داد برای هندسه دو الکترودی ضمن برداشت کامل تومور، آسیب الکتریکی تحمیل شده به بافت سالم مجاور تومور از 36% به 14% کاهش پیدا می کند. لذا بهینه سازی چند هدفه می تواند ضمن حفظ پوشش کامل ناحیه تومورال، آسیب الکتریکی به بافت سالم را کاهش دهد. علاوه براین با در نظر گرفتن جنبه حرارتی جراحی ire، بهینه سازی انجام گرفته می تواند پارامترهایی را برای الکترودهای مورد استفاده معرفی کند که منجر به ایجاد حداقل آسیب حرارتی به بافت سالم و تومورال شود.