مطالعات آسیب شناسی مغزی بصورت تجربی نشان می دهد که سرد کردن ملایم مغز پس از یک ایسکمی مغزی می تواند میزان صدمات وارده بر مغز را کاهش دهد. سادگی و راندمان بالای سرما درمانی مغز باعث شده است تا پزشکان از آن به عنوان یک راه حل کلینیکی جهت درمان نوزادانی که از عارضه خفگی (نرسیدن اکسیژن) در زمان تولد رنج می برند، استفاده کنند. همچنین سرد کردن فوری مغز درست در دقایق اولیه پس از حمله ایسکمی، امری مهم و ضروری در جهت کاهش پیامدها و صدمات وارده بر مغز و نجات بیمار است. این عمل موجب افت متابولیسم مغز شده و در نتیجه، نیاز آن را به دریافت اکسیژن و دفع دی اکسید کربن و بالطبع خونرسانی کاهش می دهد. مطالعه عکس العمل خنک شدن سر در مقابل مکانیزم های مختلف خنک کاری می تواند ابزاری در جهت طراحی و ساخت تجهیزات قابل حمل جهت خنک کاریهای اورژانس در وسایل نقلیه پزشکی باشد همچنین در طراحی سیستم های تهویه مطبوع و ایجاد محیط های ارگونومیک جهت راحتی افراد نیز می تواند مورد توجه قرار گیرد. در این پروژه برای اولین بار مدلی سه بعدی ارایه شده است که فارغ از اعمال ضرایب انتقال حرارت جابجایی مرزی در سطح مشترک با سیال پیرامون به بررسی انتقال حرارت سر انسان بپردازد . یک مدل سه بعدی از سر و مغز انسان با بافت های همگن مد نظر قرار گرفته است؛ این مدل از داده های پاتولوژیکی سه بعدی توموگرافیک ام.آر.آی یک انسان بالغ استخراج و هندسه مدل بر اساس مقادیر پاتولوژیکی سر فراهم شده و بنا بر این شبیه سازی بر روی یک مدل واقعی انجام پذیرفته است. مدل سه بعدی در نرم افزار کتیا ایجاد و شبکه بندی آن در نرم افزار گمبیت صورت گرفت و پس از انتقال آن در نرم افزار تحلیل عددی فلوینت ، معادله انتقال حرارت زیستی پنس به همراه معادلات پیوستگی، مومنتوم و انتقال حرارت جابجایی سیال به روش حجم محدود حل شد، بدین ترتیب توزیع دمای هوای محیط اطراف بدن و همچنین جریان جابجایی آزاد در اطراف سر شبیه سازی شده است. به منظور بررسی خنک کاری سر، مدل از مقابل صورت در معرض جریان باد سرد قرار داده شد. مشاهده می شود که با در نظر گرفتن تنها یک عامل خنک کاری خارجی، که در اینجا وزش باد سرد در نظر گرفته شده بود، عمق لایه های خنک شده خیلی زیاد نخواهد شد و مهمترین عامل که باعث گرم ماندن مغز است ورود خون با دمای مرکزی بدن به این بافت است. از دستاوردهای این پروژه می توان به دست یافتن به الگوریتم مناسبی جهت استفاده از تصاویر سه بعدی ام.آر.آی در مدل سازی و شبیه سازی های دو و سه بعدی بافت های مختلف بدن اشاره نمود.

در پایان نامه حاضر هدف، بررسی بعضی خواص خون به عنوان یک سیال مهم در زندگی بشر می باشد. از آنجایی که خون متشکل از ذرات بسیار زیادی است و در واقع یک سیال غیرهمگن محسوب میشود در بررسیهای علمی معمولاً آنرا به قسمتهای مختلف تقسیم بندی می کنند. خون را می توان به دو بخش اصلی ذرات جامد و مایع تقسیم کرد. ذرات جامد خون متشکل از گلبولهای قرمز، گلبولهای سفید و پلاکتها می باشد. بخش سیال خون که به پلاسما شهرت دارد شامل آب، پروتیین و محلولهای دیگر است. تقریباً 92 درصد پلاسما را آب، 7 درصد پروتیینها و 1 درصد باقی مانده را مواد دیگر تشکیل می دهند. همانطور که مشاهده میگردد بخش عظیمی از پلاسما را آب تشکیل داده است. از آنجایی که هدف ما بررسی خون به عنوان یک سیال در نظر گرفته شده است و بخش پیوسته خون همان پلاسما می باشد تحقیق حاضر بر روی پلاسمای خون متمرکز گشته است. با استفاده از روش دینامیک مولکولی خواص ترمودینامیکی سیالات مانند ضریب ویسکوزیته سیال در سیستم ها در مقیاس نانو به خوبی قابل پیش بینی می باشند. در کار حاضر ضرایب دیفیوژن و ویسکوزیته سیال لنارد-جونز و مقدار تراوش آن از یک نانولوله در دماهای و چگالی های مختلف محاسبه شده اند. به سبب آنکه در روش دینامیک مولکولی احتیاج به داشتن پتانسیل بین تمام ذرات می باشد و پلاسمای خون دارای چندین نوع ذره ی مختلف با پتانسیلهای مختلف می باشد و پتانسیل این ذرات هنوز به صورت کامل شناخته شده نیست، کل پلاسما را آب فرض کرده و شبیه سازی انجام گردیده است. بدین معنی که سیال لنارد-جونز شبیه سازی شده آب می باشد. البته توجه به این نکته که درصد زیادی از حجم خون را آب تشکیل داده است ما را به این نتیجه می رساند که این فرض دور از واقعیت نمی باشد. بررسی ضرایب دیفیوژن و ویسکوزیته در دماها و چگالی های مختلف نشان می دهد که با افزایش چگالی، ضریب دیفیوژن کم و با افزایش دما، ضریب دیفیوژن افزایش می یابد. همچنین وابستگی ضریب ویسکوزیته به دما و چگالی بررسی گردیده است. علاوه بر تاثیر دما و چگالی بر ضرایب انتقالی، وابستگی این ضرایب به اندازه ی سیستم نیز بررسی گشته و مشاهده شده است که با کاهش اندازه ی سیستم(رسیدن اندازه ی سیستم به چند نانومتر)، ضریب ویسکوزیته به شدت افزایش می یابد، در حالی که در مقیاسهای بزرگتر (بزرگتر از 100 نانومتر)، اندازه ی سیستم بر ویسکوزیته تاثیری ندارد. همچنین این بررسی نشان می دهد که در چگالی های مربوط به فاز مایع با کاهش اندازه ی سیستم ضریب دیفیوژن کاهش می یابد. تاثیر اندازه در چگالی های خیلی کم، رو به کاهش می رود، همچنین با افزایش اندازه سیستم، وابستگی ضریب دیفیوژن به اندازه سیستم از بین می رود. نتایج حاصل از شبیه سازی دینامیک مولکولی با نتایج موجود برای ضریب دیفیوژن در سیستم های با مقیاس ماکرو مقایسه و مشاهده گردید که با کاهش اندازه ی سیستم (به سمت مقیاسهای نانو) نتایج پیش بینی شده قبلی برای ماکرو سیستمها اعتبار ندارند. این بررسی نشان می دهد که روش دینامیک مولکولی اثرات ناشی از کاهش اندازه سیستم بر روی ضرایب انتقالی سیال مانند ضرایب دیفیوژن و ویسکوزیته را به خوبی پیش بینی می کند. همچنین با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی تراوش مولکولی تراوش مولکول های آب از درون نانو لوله کربن بررسی شده است. تراوش نفوذی و تراوش اسمزی دو کمیتی هستند که در سه نوع نانولوله کربن متفاوت مطالعه شدند. یک نانولوله کربن خنثی و دو نوع نانولوله کربنی که با توجه به مدل های ارایه شده، دارای بارهایی بر روی جداره خود هستند برای بررسی اثر توزیع بار بر روی تراوش دیفیوژنی و تراوش اسمزی مورد استفاده قرار گرفتند. در تراوش اسمزی، مولکول های آب تحت اثر یک اختلاف پتانسیل شیمیایی که ناشی از یک اختلاف فشار القایی است از درون نانولوله کربنی عبور می کنند. در حالی که در تراوش نفوذی، تعداد مولکول های آب عبوری از درون نانولوله کربنی در حالتی صورت می گیرد، که هیچ اختلاف پتانسیل شیمیایی وجود ندارد. میزان تراوش نفوذی و تراوش اسمزی در نانولوله کربنی خنثی تقریباً یکسان مشاهده شد در حالیکه در نوع اول نانولوله کربن دارای پخش بار تراوش اسمزی حدود 50 برابر بیشتر از تراوش دیفیوژنی بود. این تفاوت در تعداد مولکول های عبوری باعث می شود تا نوع پخش بار در نانولوله کربنی نوع دوم بتواند گزینه ای مناسب و بهینه برای فرایندهای تصفیه آب باشد و نیز کارایی مورد سوم که توزیع بارهای آن مشابه یک گزینه برای مجاری بیولوژیک انتخاب شده است، اثبات شود. در این پژوهش، همچنین، اثر دما بر مقدار تراوش نفوذی در نانولوله ی خنثی بررسی شده است.

سعی شده است در قالب یک تحقیق بی سابقه ودر نتخستین تلاش در کشور برای تصویربرداری کمی جریان خون، مشخصات ونحوه پردازش و کاربردهای این نوع تصویربرداری مورد بحث قرار گیرد. در رساله حاضر ابزارهای لازم برای استفاده از سیستم های تصویربرداری پزشکی جهت اندازه گیری مشخصه های جریان خون در سیستم قلبی-عروقی بررسی شده است. دامنه وسیعی از فعالیت ها شامل تصویربرداری، جداسازی، حل ریاضی، محاسبات عددی، توسعه الگوریتم های کاربردی و همینطور طراحی و ساخت دستگاه های تولید کند جریان پالسی و دستگاه فانتوم قلب در اینجا گرد هم آمده اند. با وجود دامنه گسترده این مطالعات، همه آنهادر قالب موضوع واحد این رساله بوده و از سطحی نگری در آنها اجتناب شده است. در این گزارش ابتدا سیستم های تصویربرداری مرسوم برای اندازه گیری جریان خون معرفی و محدودیت های هر یک ارایه شده اند. در ادامه، مشخصه های کاربردی جریان خون مورد بحث قرار گرفته اند. هدف این رساله تبیین کاربردهای پزشکی، تحلیل روشهای محاسباتی موجود، تذکر محدودیت های مربوطه و ارایه روشهای جدید برای تخمین مشخصه های جریان خون می باشد. مشخصه هایی که مورد توجه قرار گرفته اند عبارتند از : تخمین میدان جریان، دبی جریان، توزیع فشار، تنش برشی دیواره، مسیر حرکت ذرات و نهایتا لزجت خون. انتخاب این مشخصه ها با توجه به احتمال اقبال آنها در کاربردهای کلینیکی می باشد. در راستای اهداف تعیین شده مذکور، ابزارهای ارزیابی الگوریتم های تخمین مشخصه های جریان خون نیز در بحث ویژه ای در قالب سه دسته ابزارهای فیزیکی، عددی و ریاضی تقسیم بندی شده و به تفصیل توصیف شده اند. در اینجا نوآوری های مختلفی در پردازش تصاویر جریان صورت گرفته است. برای جداسازی میدان جریان و برای تشخیص منطقه جریان، از ترکیب جداسازی بر پایه مرز و جداسازی بر پایه میدان استفاده شده است. برای یافتن معادل میدانی جداسازی بر پایه مرز از قضیه گرین استفاده شده است. همچنین پیشنهادات مختلفی جهت تخمین میدان فشار و حل معادله فشار پواسون از روی داده های حاصل از تصویر ارایه شده است. محاسبه این میدان به کمک فرم دیفرانسیلی (شامل شبکه های جداشده و انباشته) و فرم انتگرالی حل معادلات، در میدان با هندسه پیچیده، از نوآوریهای آن در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی (cfd) می باشد. در این راستا یک روش تخمین میدان فشار بر اساس انطباق حداقل مربعات بر میدان سرعت توسعه یافته است. برای تخمین توزیع تنش برشی دیواره نیز یک روش ویژه برای اصلاح روشهای موجود جهت تخمین این مشخصه جریان خون ارایه شده است. در روش مذکور از تیوری تخمین توابع برای تقریب مقادیر پارامترها در نقطه دلخواه از میدان شبکه استفاده شده است. برای اعمال این نوع تخمین در میدان تصویر بایستی از جداسازی بر پایه مرز استفاده شود. همچنین ابزار ریاضی خاصی نیز برای ارزیابی مشخصه های مختلف جریان توسعه یافته است. این ابزار شامل روابط ریاضی توصیف کننده میدان جریان نوسانی در راستای دو استوانه هم مرکز می باشد که دارای دوران نسبی حول محور تقارن خود می باشند. بدین ترتیب یک میدان سه بعدی زمانی و متحرک فراهم شده است که مشابه جریانهای داخل بدن بوده و می تواند روشهای تخمین مشخصه های جریان خون از تصاویر را با دقت مناسبی ارزیابی کند. در قالب فعالیتهای عملی نیز یک فانتوم فیزیکی جریان بطن چپ قلب طراحی و ساخته شده است. ساز و کار این نوآوری، سازگار با دستگاه تصویربرداری mri بوده و از مزایای متعددی در مطالعات مربوط به تصاویر جریان برخوردار می باشد. برای تحریک این فانتوم نیاز به یک محرک شبیه ساز جریان نوسانی وجود دارد. در طی انجام این پروژه همچنین یک پمپ شبیه ساز جریان نوسانی نیز طراحی و ساخته شده است.