فهرست مطالب

مجله دانشکده پزشکی اصفهان
پیاپی 174 (1390)

  • وی ژه نامه مهندسی پزشکی
  • تاریخ انتشار: 1390/12/20
  • تعداد عناوین: 16
|
  • علی غفاری، کیانوش عزیزی، محمدرضا امینی صفحه 1
    مدل های ریاضی رشد و تکثیر سلولی می توانند به شبیه سازی رفتار سلول های سرطانی در تقابل با سلول های سالم، دستگاه ایمنی بدن و دارو های شیمیایی مورد استفاده در درمان سرطان و نیز تخمی ن و اندازه گیری می زان سمی ت دارو ها و تاثیرات آن ها بر روی بافت های سالم بپردازند. یکی از اهداف مهم مدل سازی ریاضی سرطان، یافتن نحوه و ساختار رشد سلول های سرطانی و تعیین یک الگوی کنترلی مناسب برای تزریق دارو به بیماران است. روش متداول برای طراحی پروتکل درمانی بهینه، استفاده از روش کلاسیک کنترل بهینه است.در این مطالعه به بررسی به کار گیری روش لیاپانوف برای این کار پرداختیم.
    روش ها
    در این پژوهش، مدل ریاضی جدیدی برای توصیف تغییرات جمعیت سلول های سرطانی در فاز های مختلف چرخه ی تکثیر سلولی، جمعیت سلول های ایمنی، غلظت و میزان سمیت دارو پیشنهاد و با به کارگیری قضیه ی پایداری لیاپانوف، یک پروتکل درمانی بهینه طراحی شد.
    یافته ها
    نتایج شبیه سازی نشان داد که پس از هفت نوبت شیمی درمانی طی پنجاه روز تعداد سلول های سرطانی به حدود صفر رسیده و تا حدود شش ماه پس از آخرین نوبت شیمی درمانی، سلول های سرطانی در سطح پایینی قرار خواهند داشت.
    نتیجه گیری
    در این پژوهش، مدل ریاضی جدیدی برای توصیف یک سیستم سرطانی پیشن هاد و با به کارگیری قضیه ی پایداری لیاپانوف، یک پروتکل درمانی بهینه طراحی شد. نتایج شبیه سازی، نابودی سلول های سرطانی در کمتر از دو ماه و عدم رشد دوباره ی آن ها تا شش ماه پس از دوره ی درمان را نشان داد. به منظور پیشگیری از رشد دوباره ی سلول های سرطانی، می توان با واکسن درمانی پارامتر های سیستم را تغییر و نقطه ی تعادل مطلوب را پایدار نمود.
    کلیدواژگان: پروتکل درمانی بهینه، مدل سازی ریاضی سرطان، معادلات دیفرانسیل تاخیری، قضیه ی پایداری لیاپانوف
  • مجید وفایی زاده، عباس عرفانیان امیدوار، عباس فروتن صفحه 2
    مقدمه
    ایسکمی قلبی به وسیله ی عدم خون رسانی کافی به سلول های انقباضی ناشی می شود که باعث سکته قلبی می شود. بنابراین تشخیص غیر تهاجمی صحیح و زودهنگام ایسکمی قلبی نقش مهمی در درمان این بیماری و پیشگیری از نارسایی های قلبی متعاقب آن دارد. در طول سالیان متمادی، روش های مختلفی مبتنی بر سیگنال قلبی اخذ شده در ثبت های طولانی مدت برای تشخیص اتوماتیک ایسکمی پیشنهاده شده است. اما تاکنون تشخیص اتوماتیک ایسکمی در ثبت های کوتاه مدت به صورت یک مساله ی باز باقی مانده است. در این مطالعه روش جدیدی برای تشخیص زودهنگام ایسکمی ارائه شد.
    روش ها
    روش مورد استفاده در این مطالعه مبتنی بر تست های کوتاه مدت، تحلیل زمان-فرکانس سیگنال تغییرات ضربان قلب (Heart Rate Variability یا HRV) و شبکه های عصبی احتمالی بازگشتی به عنوان طبقه بندی کننده بود. برای این منظور ویژگی های باندهای فرکانسی در حین انجام سه آزمایش اتونومیک برخاستن، تنفس عمیق و کنترل تنفس در 98 نفر (50 فرد سالم و 48 بیمار) استخراج شه و به عنوان بردار ویژگی درنظر گرفته شد. افراد مورد آزمایش با نظر متخصص قلب و انجام تست ورزش و آنژیوگرافی مورد ارزیابی قرار گرفتند.
    یافته ها
    نتایج این تحقیق نشان داد که می توان با استفاده از روش پیشنهادی و انجام تست های کوتاه مدت، افراد دچار ایسکمی را با دقت 88 درصد تشخیص داد. میزان دقت تشخیص افراد سالم 82 درصد بود.
    نتیجه گیری
    نتایج این تحقیق نشان داد که می توان از سیگنال ضربان قلب اخذ شده در حین آزمایشات کوتاه مدت اتونومیک و شبکه های عصبی، به عنوان روشی برای تشخیص غیر تهاجمی و زود هنگام ایسکمی استفاده کرد. روش ارائه شده ساده، سریع و غیر تهاجمی بود و نیازی به ثبت های طولانی مدت و تست ورزش نداشت.
    کلیدواژگان: ایسکمی، تحلیل زمان، فرکانس تطبیقی، شبکه های عصبی احتمالی بازگشتی، تغییرات ضربان قلب
  • محسن صادقی مهر، داود نادری، مصباح الرضا شریفی صفحه 4
  • منصور علیزاده، سید مرتضی سیدپور، محمد هادی پاچناری صفحه 5
  • محمدتقی صادقی، وحید ابوطالبی، محمدتقی صادقی، سمیه نوشادی صفحه 6
    مقدمه
    طراحی سیستم های ارتباط مغز با رایانه (Brain computer interface یا BCI)، از دغدغه های بشر امروز به شمار می رود. این سیستم ها بر اساس سیگنال مغز عمل می کنند و تاکنون تحقیقات زیادی در این راستا انجام شده است. مرسوم ترین آن ها، سیستم های بر پایه ی سیگنال های مغزی مربوط به فعالیت های ذهنی می باشد. در طراحی سیستم های BCI بر پایه ی فعالیت های ذهنی، انتخاب یک فضای ویژگی با قدرت تفکیک بالاتر و زمان پردازش کمتر، امری مهم به شمار می رود. در این مطالعه، سیگنال های مغزی مربوط به فعالیت های ذهنی گروه Andersonکه جزء دادگان معروف و در دسترس این گونه سیستم ها می باشد، استفاده شده است.
    روش ها
    این مطالعه به بررسی و اعمال الگوریتم جدید EMD (Empirical mode decomposition) با توجه به خصوصیات منطبق آن بر سیگنال EEG (Electroencephalography) در کنار روش های مرسوم و موفقی چون طیف AR و آنتروپی پرداخت.
    یافته ها
    الگوریتم EMD به طور کامل با خواص غیرخطی و غیرایستان سیگنال های EEG سازگار بود. لذا به کار بردن مفاهیم آنتروپی، برای مدل کردن مقادیر پیچیدگی، و طیف AR، به عنوان تابعی معنی دار در حوزه ی فرکانس، در ادامه ی الگوریتم EMD انتظار تفکیک خوبی را به وجود آورد.
    نتیجه گیری
    اعمال الگوریتم EMD و تمهیدات موازی با آن (آنتروپی EMD) نسبت به روش های قبل، علاوه بر دارا بودن بعد بسیار کمتر بردار ویژگی، به زمانی کمتر از 2 ثانیه برای استخراج ویژگی و حداکثر زمانی برابر با 1/0 ثانیه، برای تفکیک سیگنال های 10 ثانیه ای نیاز دارند. این نتایج برای یک سیستم BCI، real-time بسیار مفید می باشد.
    کلیدواژگان: آنتروپی، ارتباط مغز با رایانه، تجزیه به مدهای تجربی، الکتروانسفالوگرام، فعالیت های ذهنی
  • محرم حبیب نژاد کورایم، منیژه ذاکری، علی متقی صفحه 7
  • وهاب نکوکار، عباس عرفانیان امیدوار * صفحه 8
    مقدمه

    کنترل لغزشی از روش های موثر برای کنترل حرکت در سیستم های عصبی-عضلانی-اسکلتی است. از مشکلات مهم استفاده از کنترل لغزشی کلاسیک در این سیستم ها، همگرایی خطای ردیابی مسیر مطلوب مفصل ها به صورت نمایی است. یکی از روش های حل این مشکل استفاده از کنترل لغزشی ترمینال می باشد. نکته ی برجسته ی کنترل لغزشی ترمینال، مقاوم بودن آن در مواجه شدن با نامعینی در مدل و اغتشاشات خارجی است در حالی که هم زمان می تواند همگرایی خطای ردیابی به سمت صفر را در زمان محدود تضمین کند.

    روش ها

    در این مطالعه یک روش کنترل غیرمتمرکز مبتنی بر کنترل لغزشی ترمینال به منظور کنترل حرکت مفصل مچ پا در افراد دچار ضایعه ی نخاعی با استفاده از تحریک الکتریکی عملکردی پیشنهاد شد. روش ارائه شده برای کنترل حرکت مفصل مچ پای سه فرد دچار ضایعه ی نخاعی در شرایط معمولی و خستگی عضلانی به کار گرفته شد. در این روش، کنترل مفصل مچ پا با استفاده از فعال سازی گروه عضلات بازکننده و جمع کننده انجام شد. برای این منظور برای هر یک از گروه عضلات بازکننده و جمع کننده، یک کنترل کننده ی لغزشی ترمینال مستقل در نظر گرفته شد.

    یافته ها

    . وظیفه ی کنترل کننده، تعیین الگوهای تحریک عضلات بود به نحوی که زاویه ی مچ پا مسیر معینی را دنبال کند. نتایج نشان داد که کنترل کننده قادر به کنترل دقیق حرکت مچ پا با دقت خوبی بود. همچنین کنترل کننده با تنظیم سریع الگوهای تحریک قادر به جبران خستگی عضلانی بود.

    نتیجه گیری

    نتایج این تحقیق نشان داد که کنترل کنننده ی پیشنهادی، یک روش موثر برای کنترل حرکت در بیماران ضایعه ی نخاعی با استفاده از تحریک الکتریکی عملکردی است.

    کلیدواژگان: تحریک الکتریکی عملکردی، کنترل غیر متمرکز، کنترل لغزشی ترمینال، کنترل گام برداشتن
  • سمیرا عباسی، مجید محمد بیگی صفحه 10
    هدف
    بررسی عملکرد روش یادگیری ماشین های بردار پشتیبان برای پیش بینی مقاومت دارویی ویروس HIV با استفاده از تحلیل دنباله آمینو اسیدها.
    مواد و روش ها
    در این مطالعه از ماشین های بردار پشتیبان استفاده شده است، همچنین برای آموزش و آزمایش ماشین های بردار پشتیبان از نرم افزار LIBSVM استفاده شده است.
    یافته ها
    در این مطالعه بررسی عملکرد روش یادگیری ماشین های بردار پشتیبان برای پیش بینی مقاومت دارویی ویروس HIV با استفاده از تحلیل دنباله آمینو اسیدها ارائه شده است و نتایج حاصل بر روی چهار روش بیولوژیکی که برای تفسیر نتایج تست های ژنوتیپی ارائه گردیده بود، بررسی شده است و با مقایسه نتایج، بهترین روش بیولوژیکی برای هر دارو مشخص شده است. ماشین های بردار پشتیبان، به عنوان یک جدا ساز بسیار قوی برای تعیین مقاومت دارویی ویروس HIV با دقت 27/86- 77/98 عمل می کند. اعمال ماشین های بردار پشتیبان بر روی نتایج روش HIVDB برای داروهای APV، NFV،ABC، AZT، D4T، DDI، TDFو DLV بهترین نتایج را با توجه به پارامترهای اندازه گیری شده داشته است. روش ماشین های بردار پشتیبان برای داروهای IDV، 3TC، TDF، EFV و NVP بهترین نتایج را بر روی روش ANRS داشته است. برای دارو های LPV و AZT ماشین های بردار پشتیبان برای نتایج روش REGA عملکرد خوبی داشته است و برای داروهای IDV، LPV،RTV، SQV و DDI ماشین های بردار پشتیبان برای روش VGI عملکرد خوبی داشته است.
    نتیجه گیری
    ماشین های بردار پشتیبان، به عنوان یک جدا ساز بسیار قوی برای تعیین مقاومت دارویی ویروس HIV عمل می کند. می توان هنگام استفاده از هر دارو برای درمان، قبل از شروع درمان ابتدا مقاومت دارویی را با استفاده از روش های یادگیری ماشین، تعیین کرد.
    کلیدواژگان: ایدز، ماشین بردار پشتیبان، مقاومت دارویی
  • امیرحسین کیوان پور، محمدرضا یزدچی، ریحانه سادات دانشمند*، امید خوش نیت آرام صفحه 11
  • شهروز گشمرد، علیرضا مهری دهنوی، حسین ربانی صفحه 12
  • محسن رادمهر، سعید کرباسی، مرتضی صادقی، سعید نوری خراسانی، عباس سعادت صفحه 13
  • محمدرضا فروغی، بهمن نصیری تبریزی، سعید کرباسی، رضا ابراهیمی کهریزسنگی صفحه 14
|
  • Ali Ghaffari, Kianoosh Azizi, Mohammadreza Amini Page 1
    Background
    Mathematical models can provide insights into cancerous cell's growth and their interaction with healthy cells, immune cells and chemotherapeutic drugs that are used in cancer therapy. Moreover, mathematical models have been developed to aid in describing the mechanisms of cytotoxic drug availability and effects on healthy cell populations. Finding a desirable treatment protocol for patients is one of the most important objectives of mathematical modeling. The convention in designing the optimal chemotherapy strategies is making use of classical optimal control theory.
    Methods
    In this study, a new mathematical model is developed for analysis of dynamics of cancerous cells in different phases of cell cycle, immune cells, chemotherapeutic drug concentration and toxicity. Finally, the theorem of Lyapunov stability is applied to design an optimal treatment protocol.
    Finding
    The results of simulation shows that after seven times of chemotherapy during fifty days, all the cancerous cells have been diminished, and the disease will remain in this desirable state up to six months.
    Conclusion
    In this research, a new mathematical model for describing the dynamics of a cancerous system have been proposed, and an optimal treatment protocol has been designed applying Lyapunov stability theorem. The population of cancerous cells has been decreased to zero and will be remained in this state for six months. By Applying vaccine therapy cancerous cells’ growth could be prevented. Vaccine therapy changes the parameters of the system and stabilizes tumor free equilibrium point.
  • Majid Vafaeezadeh, Abbas Erfanian Omidvar, Abbas Forotan Page 2
    Background
    Myocardial ischemia is caused by a lack of sufficient blood flow to the contractile cells and may lead to myocardial infarction with its severe sequel of heart failure, arrhythmias, and death. Therefore, its early diagnosis and treatment is of great importance. During past several years, several strategies have been proposed for automatic detection of ischemic cardiac beats using the ST-T complex of the electrocardiogram (ECG) which is recorded during long-term Holter monitoring. However, automatic detection of ischemic subjects using short-term analysis of the ECG is an open problem. In this paper, we presented a new method for automated detection of ischemic patients.
    Methods
    The study was conducted based on short-term analysis of the ECG, time-frequency analysis of heart-rate variability (HRV) and recurrent log linearized Gaussian mixture neural network (RLLGMN) as the classifier. For this purpose the feature vector was extracted from the energy of HRV was obtained from 98 subjects (50 healthy and 48 patients) at different frequency bands during different autonomic tests (i.e. controlled normal breathing, controlled deep breathing and active transition tests) and classified using a probabilistic neural network.
    Finding
    The results showed that a correct classification rate of 82% for the healthy subjects and 86% for the ischemic subjects was achieved using the proposed method.
    Conclusion
    The results indicated that HRV signals and recurrent probabilistic neural network can be used as a noninvasive method for identifying ischemia. The proposed method is simple, fast and noninvasive, and does not require the long-term recording of ECG signals as well as exercise treadmill test.
  • Mohammad Parsa Hosseini, Hamid Soltanian-Zadeh, Shahram Akhlaghpoor Page 3
    Background
    Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is one of the most prevalent and dangerous pulmonary diseases in the world. It is forecasted that COPD will be the third deadly disease in the future. Therefore, developing non-invasive methods for diagnosis of the disease would be helpful for physicians and patients.
    Methods
    Based on clinical investigations and spirometry tests, ten adult patients with COPD (6 male and 4 female) with mean age of 49.8 years were enrolled as the case group. In addition, ten age and sex-matched healthy, non-COPD individuals (6 male and 4 female) with mean age of 45.4 years were recruited as the controls. Lung CT-scan images of the subjects were processed and analyzed by a computer to find a relationship.
    Findings
    The elasticity of lung parenchyma variation was obtained with digital image processing. The normalized average of this pattern was found to be 21.6% in patients and 40.7% in controls. In addition, normalized mean value of Hounsfield unit variations in square 10 pixel × 10 pixel windows in the expiratory images were calculated as a parameter of air-trapping in COPD. Differences between the groups were shown by student t-test (P < 0.05).
    Conclusion
    This study showed that the variation of lung parenchyma elasticity and Hounsfield units are found by processing and analysis of the full inspiration and expiration images. These factors can be used as criteria in diagnosis of COPD. Moreover, the severity of the disease can be presented by the proposed method.
  • Mohsen Sadeghimehr, Davood Naderi, Mesbaholreza Sharifi Page 4
    Background
    Since muscle force depends on various factors, presenting explicit equations for predicting it is difficult. Due to the importance of these equations in different musculoskeletal problems and analysis of motion, proposing solutions for estimating muscle force is indisputable. Although numerous relations have been suggested, the complexity of relations between the caused musculotendon force and the effective factors leads to a lot of problems in suggesting efficient comprehensive computational equations. Thus, the previous proposed relations either do not have universality for estimating muscle force, or are too nonlinear, massive and inefficient.
    Methods
    In this study, after reviewing previous mathematical relations for predicting muscle force, an artificial neural network was implemented to predict force in musculotendon actuators.
    Finding
    The present study provided an appropriate and computationally efficient mathematical model with limited parameters. The model can be used to determine the forces generated by musculotendon actuators in various lengths and contraction velocities.
    Conclusion
    Utilizing a neural network lets us estimate muscle force quicker and more accurately. This could fundamentally increase the computational efficiency in different musculoskeletal problems.
  • Vahid Abootalebi, Mohmmad Taghi Sadeghi Page 6
    Background
    Designing brain-computer interface (BCI) systems is one of the concerns of people today. These systems operate by brain signals and so far, much research has been done in this regard. The most conventional systems are based on mental task signals. In the design of BCI systems based on mental activity, selecting a feature space with higher resolution and less processing time is important. In this study, Anderson mental task signals, a known and available database in such systems, were used.
    Methods
    According to the nonlinear and non-stationary properties of electroencephalogram (EEG) signals, this study tried to review and analyze new empirical mode decomposition (EMD) algorithms, as well as conventional and successful methods such as autoregressive (AR) spectrum and entropy, for discrimination of mental task signals.
    Findings
    EMD algorithm is compatible with nonlinear and non-stationary properties of EEG signals. Therefore, using an EMD algorithm along with the concept of entropy for modeling complexity values and AR spectrum, as a significant function in the frequency domain would provide great discrimination.
    Conclusion
    Application of EMD algorithm and its parallel schemes (EMD entropy) would result in a feature vector with less dimensions requiring less than 2 seconds to extract features. Thus, such combination would require a maximum of 0.1 seconds to separate 10-second signals which can be beneficial in real-time BCI systems.
  • Moharram Habibnejad Korayem, Maneezheh Zakeri, Ali Motaghi Page 7
    Background
    Dynamic behaviors of probe tip and nanoparticles have been investigated by modeling the manipulation of nanoparticles in the air using atomic force microscopy (AFM) as a nano manipulator. This study evaluated the manipulation of submerged nanoparticles in liquid environment.
    Methods
    The artificial nanoparticle manipulation was analyzed by theoretical analysis of forces in liquids and dynamics of spherical nanoparticle pushing. Hydrodynamic drag force and surface tension of the liquid were then calculated and used in the new dynamic modeling. The problem was simulated for a gold nanoparticle on a silicon substrate in water.
    Results
    The results showed that the required manipulation force and time for nanoparticle sliding and rolling increased by respectively 7% and 3% in water as compared to the air. Moreover, for various submerged lengths of the cantilever in water, the critical values related to sliding and rolling were delayed for 9% and 10.5%, respectively.
    Conclusion
    The required critical force and time for the manipulation in water showed a little increase over the existing values for air.
  • Vahab Nekoukar, Abbas Erfanian Page 8
    Background

    Sliding mode control is an effective method for controlling the neuromusculoskeletal systems. A major problem of conventional sliding mode control is exponential convergence of the tracking errors. To solve this problem, researchers proposed a robust control strategy called terminal sliding mode control. The main advantages of the terminal sliding mode control are not only robustness against uncertainties and external disturbances but also finite time convergence of tracking errors.

    Methods

    In this paper, we propose a decentralized control strategy which is based on terminal sliding mode control, for control of the ankle joint in paraplegic subjects using functional electrical stimulation. Agonist-antagonist co-activation is used to control the ankle movement.

    Finding

    The proposed control strategy was employed for control of ankle joint in three paraplegic subjects. The control task was to determine the stimulation pattern in order to converge the ankle movement trajectory to the desired trajectory. The experimental results on three paraplegic subjects showed that the proposed controller provided an excellent tracking control of reference trajectories. It could also generate control signals to compensate the effects of muscle fatigue.

    Conclusion

    The results of this study showed the proposed control strategy as an effective approach for controlling movements in paraplegic subjects using functional electrical stimulation.

  • Mostafa Rostami, Maida Ranjbar Page 9
    Background
    In this study, we tried to choose the proper material to use on a magnetic resonance imaging (MRI)-compatible robot. The robot is to take soft tissue samples in an image guided process. Since this robot is made of MRI-compatible material, its links are invisible in the MR images. Finding such markers would enable us to distinguish the position of links in the images and as a result in the real world.
    Methods
    Four materials compatible with magnetic environments, including liquid paraffin, nitroglycerin, vitamin E pills, and silicon oil, were tested to find the most appropriate one to be used as the marker. In addition to compatibility with MRI environment, the material had to have suitable contrast to avoid blurry images. The tests were performed in a Philips MRI system at 1 and 1.5 Tesla.
    Findings
    Liquid paraffin, nitroglycerin, vitamin E pills, and silicon oil scored 50, 62.35, 45.6, and 53.15, respectively. Most of the evaluated factors were satisfied by nitroglycerin.
    Conclusion
    After all tests and considerations, nitroglycerin was selected as the best material.
  • Samira Abbasi, Majid Mohmmad Beigi Page 10
    Background
    The purpose of this study was to investigate the performance of SVMs in predicting the drug resistance of HIV, using amino acids sequence analysis.
    Methods
    support vector machines were used in this study. LIBSVM software was used to train and test SVMs.
    Results
    This paper presents the performance of SVMs in predicting the drug resistance of HIV, using amino acids sequence analysis. The results of four algorithms (HIVDB, ANRS, REGA and VGI) have been developed to interpret results of HIV genotypic resistance tests, are explored. The most efficient method for each drug is determined. Also, it is indicated that SVMs are a highly successful classifier with accuracy between 86.27- 98.77, for predicting of HIV drug resistance. Using SVMs for HIVDB method results, has best performance for APV, NFV, ABC, AZT, D4T, DDI, TDF and DLV drugs. Using SVMs for ANRS method results has best performance for IDV, 3TC, TDF, EFV and NVP drugs. Using SVMs for REGA method results has best performance for LPV and AZT drugs and using SVMs for VGI method results has best performance for IDV, LPV,RTV, SQV and DDI.
    Conclusion
    The results show that SVMs are a highly successful classifier for predicting of HIV drug resistance. Before starting treatment with each drug, one can determine HIV drug resistance with machine learning methods.
  • Amir Hossein Keyvanpour, Mohammad Reza Yazdchi, Reihaneh Sadat Daneshmand, Omidkhoshniat Aram Page 11
  • Shahrouz Gashmard, Alireza Mehridehnavi, Hossein Rabbani Page 12
  • Mohsen Radmehr, Saeed Karbasi, Morteza Sadeghi, Saeid Nouri Khorasani, Abbas Saadat Page 13
  • Mohammad Reza Foroughi, Bahman Nasiri Tabrizi, Saeed Karbasi, Reza Ebrahimi-Kahrizsangi Page 14
  • Farhad Rahimi, Hossein Rabbani, Saeed Kermani Page 15
  • Amir Omidvar, Hassan Khaleghi, Elham Amini Page 16