فهرست مطالب

مهندسی پزشکی زیستی - سال نهم شماره 2 (تابستان 1394)

فصلنامه مهندسی پزشکی زیستی
سال نهم شماره 2 (تابستان 1394)

  • تاریخ انتشار: 1394/08/29
  • تعداد عناوین: 6
|
  • مقاله کامل پژوهشی
  • فریبرز محمودی، فرایین آیینی صفحات 113-131
    با توجه به مقاوم بودن، منحصر به فرد بودن و در دسترس بودن سوابق پزشکی دندان ها امروزه شاخه ی جدیدی از پژوهش ها برای تشخیص هویت افراد بر اساس تصاویر رادیوگرافی دندان ها در دست انجام است. این شیوه تشخیص هویت در حوادثی نظیر جنگ، آتش سوزی، سونامی و غیره که سایر ویژگی های بایومتریک به شدت آسیب می بینند از اهمیت ویژه ای برخوردار می شود. بدین منظور در این مقاله نیز یک چارچوب کاری برای تشخیص هویت افراد بر اساس ویژگی های دندان ها پیشنهاد شده است.
    این چارچوب کاری پیشنهادی شامل دو مرحله است: مرحله اول دسته بندی و شماره گذاری دندان ها و مرحله دوم بازشناسی دندان ها. در این پژوهش ویژگی های جدیدی برای هر یک از این دو مرحله پیشنهاد شده است: عرض مزیودیستال طوق و طول تاج آناتومیک برای مرحله اول و نمونه برداری وزن دار از خط محیطی دندان برای مرحله دوم. روش پیشنهادی قادر است مشکلاتی نظیر تشخیص دندان های خلفی، دسته بندی دندان های خلفی، تشخیص تعداد و نوع دندان های کشیده شده، که در کارهای گذشته نادیده گرفته شده و یا با فرض های ساده کنار گذاشته شده اند را به طرز اصولی و خودکار حل نماید.
    برای ارزیابی روش های پیشنهادی، آزمایشاتی بر روی مجموعه ای از تصاویر بایتوینگ، پری اپیکال و پانورامیک انجام شده است. نتایج عملی بهبودی 8 درصدی دقت در مرحله دسته بندی و شماره گذاری و همچنین بهبود 27 درصدی دقت در مرحله نهایی بازشناسی دندان ها، در مقایسه با روش های پیشین را نشان می دهد.
    کلیدواژگان: تشخیص هویت، دسته بندی دندان ها، شماره گذاری دندانها، بازشناسی دندانها، خط محیطی دندان، عرض مزیودیستال
  • عرفان نمکی، هانیه نیرومند اسکویی، فرزان قالیچی، مجتبی کوچکی صفحات 133-142
    بیماری های حاد قلبی در سراسر جهان رو به افزایش می باشد و پیوندهای قلبی به دلیل نبود اهداکنندگان کافی، راه حل مناسبی برای درمان تمامی بیماران قلبی نیست؛ لذا استفاده از پمپ های کمک قلبی می تواند جایگزینی مناسب برای پیوندهای قلبی حتی در درمان های طولانی مدت باشد. یک پمپ کمک قلبی علاوه بر برآورده کردن نیازهای بیولوژیکی مانند دبی و هد مناسب، باید از لحاظ آسیب های خونی نیز در ناحیه ایمن قرار بگیرد. از مهم ترین چالش ها در زمینه ی طراحی پمپ های کمک قلبی می توان به کم کردن آسیب های خونی، کوچک کردن ابعاد،کاهش زمان ماندگاری و شبیه سازی جریان قلب طبیعی اشاره کرد. یکی از مهم ترین عواملی که در تعیین میزان آسیب های خونی در پمپ تاثیر گذار است، نوع پره های قسمت های مختلف پمپ می باشد. مطالعاتی که در زمینه ی پمپ های قلبی انجام شده اند، نشان می دهند که می توان با تغییر نوع پره های ایمپلر پمپ و جایگزینی ایرفویلی مناسب تر، بازده ی پمپ را افزایش داده و نقاط سکون سیال درون پمپ که منجر به ترومبوسیز می گردد را کاهش داد. هدف از انجام این پژوهش، مقایسه ی عملکرد چندین ایرفویل برای پره های ایمپلر یک پمپ کمک قلبی به منظور بهینه سازی عملکرد و بازده ی پمپ و همچنین کاهش آسیب های خونی می باشد.
    کلیدواژگان: پمپ خون، ایمپلر، دینامیک سیالات محاسباتی، همولیز، بازده
  • مهدیه روغنی یزدی، نادیا نقوی، فریده السادات حسینی صفحات 143-161
    تومور در مرحله رشد غیرعروقی نمی تواند بدون منبع خون رسانی بیش از چند میلی متر رشد کند و برای رشد بیشتر باید فرآیند رگ زایی را آغاز نماید. از سوی دیگر، تومور عروقی که عروق خونی در آن نفوذ یافته است، با فراهم شدن اکسیژن به سرعت رشد می کند. در این مطالعه، مدل ریاضی گسسته ای از فرآیند رگزایی تومور همراه با اثرات جریان خون در شکل گیری شبکه دوبعدی موردنظر ارایه شده است. این ساختار با یک مدل وفقی مکان یابی جوانه های عروقی در طول رگ اصلی، در ابتدای فرآیند رگزایی ترکیب شده است و سپس پیشروی جوانه های عروقی در ماتریس خارج سلولی و نفوذ آن ها به داخل تومور و همچنین نفوذ جریان خون از طریق ساختار مویرگی مدل شده است. در این مدل سه مرحله ی مکان یابی جوانه ها در طول رگ اصلی، پیشروی آن ها و جریان خون باهم ترکیب شده اند. سپس بر اساس شبکه عروقی به دست آمده، انتقال اکسیژن و بقیه مواد لازم برای رشد بیشتر تومور شبیه سازی شده است. همچنین فرض شده است رشد تومور درنتیجه تکثیر سلول های تومور اتفاق می افتد. مراحل رشد تومور و رگزایی به وسیله تغییرات محیط میکرو شامل تراکم اکسیژن، فاکتور رگزایی تومور و ماتریس خارج سلولی باهم ترکیب شده اند. از سوی دیگر، سعی شده است تا در پارامترهای مدل نیز تطبیق مکانی و زمانی مناسبی ایجاد شود.
    کلیدواژگان: رگزایی تومور، جوانه زنی وفقی، جریان خون، رشد عروقی تومور، روش تفاضل محدود
  • علی مالکی، مینا همتیان صفحات 163-178
    قلب انسان سیستمی آشوبناک است از این رو استفاده از بعد فرکتال به منظور شناسایی انواع آریتمی های قلبی مورد توجه قرار گرفته است. آریتمی های قلبی یکی از شایع ترین بیماری ها می باشند که شناسایی آن ها از اهمیت زیادی برخوردار است. شاخص هورست معیاری جهت ارزیابی میزان آشوبناک بودن سیستم ها و کمی سازی بعد فرکتال سیستم های آشوبناک است که توسط روش تحلیل دامنه بازمقیاس محاسبه می گردد. مطالعات صورت گرفته نشان می دهد که نمای هورست کلاسیک ویژگی مناسبی برای طبقه بندی آریتمی های قلبی نیست زیرا از یک سو، انتخاب و تعیین مقدار پارامترها به شدت بر مقدار محاسبه شده برای نمای هورست تاثیر می گذارد و از سوی دیگر، این روش به شدت به نرخ ضربان قلب وابسته است. در این مقاله نمای هورست چندگانه اصلاح شده برای طبقه بندی آریتمی های قلبی پیشنهاد شده است که نسبت به نمای هورست کلاسیک، ویژگی های مناسب تری برای طبقه بندی آریتمی های قلبی فراهم می سازد و نسبت به تغییرات نرخ ضربان قلب نیز مقاوم است. بررسی های صورت گرفته در این مقاله با استفاده از این روش بر روی 80 سیگنال شامل ریتم نرمال و آریتمی های انسداد دسته شاخه راست (RBBB)، انسداد دسته شاخه چپ (LBBB) و انقباض زودرس دهلیزی (APC) از پایگاه داده MIT-BIH توانسته است به صحت طبقه بندی 75/88%، 25/96% و 100% به ترتیب با استفاده از طبقه بندی کننده های LDA ، نزدیک ترین همسایه و شبکه عصبی منجر شود.
    کلیدواژگان: آشوب، بعد فرکتال، طبقه بندی آریتمی های قلبی، نمای هورست
  • مهدی مرادخانی، بهمن وحیدی صفحات 179-190
    بررسی تحریکات مکانیکی موثر بر سلول بنیادی در شرایط طبیعی بدن و همچنین شرایط کشت آزمایشگاهی، موضوعی بسیار مهم در جهت دستیابی به توانایی کنترل بر رفتار و پاسخ های سلولی همچون رشد، تکثیر و تمایز می باشد. در مورد عوامل بیومکانیکی دخیل در این پدیده پژوهش های فراوانی انجام شده و امروزه ثابت شده است که عواملی همچون، مورفولوژی سلول، آرایش اجزای زیرسلولی، هندسه ی داربست، سختی بسترو تحریک مکانیکی اعمالی از جانب بستر و یا جریان سیال تاثیر بسزایی در پاسخ های سلولی دارند. در پژوهش حاضر سعی شده است تا با استفاده از روش تحلیل اجزای محدود، یکی از این عوامل مهم در تحریکات مکانیکی موثر بر سلول بنیادی مزنشیمال یعنی اثر سختی و ضخامت بستر و پاسخ سلول از جنس تنش و کرنش به این عامل ارزیابی شود. برای این منظور از بستر های پایه کلاژنی به عنوان ماتریس خارج سلولی مصنوعی استفاده شد و شرایط کشت سلول درون یک بیوراکتور و در حضور جریان سیال شبیه سازی شد. با به کار گیری روش برهمکنش سیال و سازه برای شبیه سازی و حل آن به شیوه ی جفت شوندگی دو طرفه ی معادلات سیال و جامد، تاثیر افزایش سختی بستر و ضخامت آن به ترتیب در افزایش و کاهش تنش های وارده بر سلول از جانب بستر به میزان حداکثر 15 درصد در نتایج مشاهده شد. همچنین مشاهده شد که تغییر سختی بستر تنها در بازه ی 1/0 تا 100 کیلو پاسکال می تواند در تغییر رفتار سلول در مقابل تحریک خارجی موثر باشد. نتایج به دست آمده از این تحقیق در کنار سایر تحقیقات مشابه می توانند به عنوان یک راهنما برای محققین جهت بهینه سازی شرایط ریزمحیطی سلول بنیادی در محیط کشت آزمایشگاهی و در نهایت دستیابی به نتایج کارآمدتر در پژوهش های مرتبط با مهندسی سلول های بنیادی قلمداد شوند.
    کلیدواژگان: تنظیمات مکانیکی، تحلیل اجزای محدود، برهمکنش سیال و سازه، سختی و ضخامت بستر، کلاژن، سلول بنیادی
  • حسین احسانی، مصطفی رستمی، محمد پرنیان پور صفحات 191-203
    در مطالعه حاضر، روشی نوین برای به دست آوردن معادلات حاکم بر سیستم اسکلتی بدن انسان ارائه شده است. در این روش، رویکردی نوین برای واردکردن ویژگی های سینماتیکی مفاصل زیستی و همچنین اثر زنجیره های پیچیده سینماتیکی سیستم اسکلتی در معادلات حرکت ارائه شده است. روش پیشنهادی در این مقاله، با استفاده از حساب دیفرانسیل توابع ماتریسی معادلات حاکم بر سیستم اسکلتی را به صورت معادلات دیفرانسیل معمولی تحصیل می کند. علاوه بر این، ازآنجا معادلات حاصل به صورت بازگشتی ارائه شده اند، این روش رویکردی به لحاظ محاسباتی کارا برای به دست آوردن معادلات دیفرانسیل حرکت سیستم اسکلتی بدن انسان پیشنهاد می کند. به منظور بررسی صحت روابط پیشنهادشده در این مقاله، یک مکانیزم استاندارد شامل سه حلقه سینماتیکی بسته موردتوجه قرار گرفت. نتایج حاصل از حل دینامیک مستقیم این مکانیزم با روش پیشنهادی در این مقاله با نتایج ارائه شده در سایر مراجع معتبر مقایسه و روش پیشنهادی صحت سنجی شد. علاوه بر این، به منظور بررسی کاربرد روش پیشنهادی در این مقاله در شبیه سازی سیستم اسکلتی بدن انسان، مدل سازی دینامیکی کمربند شانه ای در حضور ریتم شانه در دستور کار قرار گرفت. برای توصیف ریاضی ریتم شانه از دو مدل ریاضی استفاده شد: مدل اصلی و مدل ساده شده. تفاوت میان نتایج شبیه سازی این دو مدل ضرورت استفاده از داده های آزمایشگاهی اصلی برای مدل سازی ریتم شانه را تاکید می کرد. ازآنجاکه علت علاقه مندی محققان به استفاده از داده های ساده شده ریتم شانه ریشه در محدودیت در فرمول های مجود برای مدل سازی سیستم اسکلتی دارد، با استفاده از روش پیشنهادی در این مقاله این مشکل مرتفع می گردد.
    کلیدواژگان: سیستم اسکلتی، مدل سازی ریاضی، ریتم شانه
|
  • Fariborz Mahmoudi, Faraein Aeini Pages 113-131
    Due to teeth robustness, uniqueness and availability of medical records, today a new branch of research for human identification is ongoing based on dental radiograph images. This method of identification has particular importance especially in events such as wars, fires, tsunamis and other similar events with other biometrics features heavily damaged. In this article also a framework for human identification based on dental characteristics is proposed.
    The proposed framework consists of two stages: the first stage is teeth classification and numbering, and the second stage is teeth recognition. In this study, a new feature has been proposed for each of these two stages: Crown mesiodistal neck and anatomic crown length for the first and weighted sampling of teeth contours for the second. The proposed method is capable to solve principally and automatically problems such as diagnosis of posterior teeth, posterior teeth classification, diagnosis of number and kind of pulled teeth, which are overlooked or have been left with the simple premises in previous works.
    To evaluate the proposed method, experiments on a set of bitewings, periapical and panoramic images are done. The practical results show an improvement of 8% in accuracy of classification and numbering, and also 27% improvement in accuracy of teeth recognition, in comparison with the preceding works.
    Keywords: Human Identification, Teeth Classification, Teeth Numbering, Teeth Recognition, Teeth contours, Mesiodistal neck
  • Hanieh Niroomand Oscuii Pages 133-142
    Myocardial diseases are on the rise all over the world and due to lack of sufficient donors, heart transplants are not the perfect solutions to treat all patients with heart failure. Therefore, in recent years, blood pumps have received a worldwide admissibility and have become the unrivalled tools for replacing a failed heart. In addition to biological needs such as sufficient head and flow rate, an assist blood pump should be in an acceptable margin of safety in terms of blood injuries such as hemolysis and thrombosis. Reducing blood damages, minimizing dimensions, reducing exposure time and simulating blood flow of natural heart are amongst the greatest challenges in designing assist blood pumps. One of the most important factors in determining the amount of blood injuries inside the pump is the blades’ shape of different parts of the pump. Studies have been conducted about heart pumps show that it is feasible to increase the efficiency of the pump and reduce the stagnation points that lead to thrombus formation by changing the type of blades of the impeller. The purpose of this study is to compare the performance of several airfoils for the blades of the impeller of an assist heart pump in order to optimize the performance and efficiency of the pump and reduce blood damages.
    Keywords: blood pump, impeller, computational fluid dynamics (CFD), hemolysis, efficiency
  • Pages 143-161
    A tumor cannot grow more than a few millimeters without a blood supply (avascular tumor), and for further growth it must initiate angiogenesis process. A vascularized tumor, which is permeated with blood vessels, rapidly increases in mass because of the new source of oxygen. In this study, a discrete mathematical model of angiogenesis process with considering the penetration of blood flow through the vessels in the two-dimensional network is presented. This structure is coupled with an adaptive model of sprouts spacing along the parent blood vessel at the beginning of the angiogenesis process. Then, progression of these sprouts in the extracellular matrix and their penetration into the tumor as well as penetration of blood flow through the capillary structure is presented. This model incorporates three steps of adaptive sprout spacing along the parent blood vessel, sprout progression, and blood flow and network remodeling. Then, based on the simulated vasculature network, oxygen transmission and other vital chemicals needed for continuous tumor growth are simulated. In this model we assumed that the growth of the tumor is driven by cell division. The tumor growth and angiogenesis are coupled by the changes of micro environment including oxygen, tumor growth factor, and the extracellular matrix concentration. Also, we have tried to create space and time adaptations in parameters of the model.
    Keywords: Tumor angiogenesis, Adaptive sprouting, Blood flow, vascular tumor growth, Finite difference method
  • Ali Maleki, Mina Hemmatian Pages 163-178
    The humans’ heart is a chaotic system so use of fractal dimension to identify cardiac arrhythmias has been considered. Cardiac arrhythmias are prevalent diseases that is very important to be diagnosed. Hurst index which is calculated using rescaled range analysis method, is used as a criterion to evaluate chaotic systems and to quantify the fractal dimensions. Previous studies have shown that classical Hurst index is not appropriate for classification of cardiac arrhythmias because not only selection of algorithm parameters affect the value of determined Hurst index, but also it significantly varies as the heart rate changes. In this paper, modified multiple Hurst index has been proposed to classify the cardiac arrhythmias. The presented index is resistant against changes in heart rate and can be used to identify appropriate features to classify the cardiac arrhythmias. 80 signal from four types of ECG beats (normal, left bundle branch block, right bundle branch block and atrial premature beats) obtained from the MIT-BIH Arrhythmia dataset has been used to validate the algorithm. Results show that this method is able to detect normal rhythm and right bundle branch block (RBBB), left bundle branch block (LBBB) and atrial premature complex (APC) arrhythmias with accuracy of 100%, 96.25% and 88.75% using artificial neural network, k nearest neighbor and LDA classifiers respectively.
    Keywords: chaos, fractal dimension, cardiac arrhythmia classification, Hurst exponent
  • Mahdi Moradkhani, Bahman Vahidi Pages 179-190
    Investigating the mechanical stimuli on stem cells under in vitro and in vivo conditions is a very important topic to achieve an ability to control the cellular responses like growth, proliferation and differentiation. Many investigations carried out about biomechanical factors involved in this phenomenon and nowadays, it is proved that some factors like as cell morphology, subcellular elements configuration, scaffold architecture, substrate stiffness and mechanical stimulation via substrate displacement or fluid flow, have got an important effect on cellular responses. In this study, we have tried to evaluate the responses of a stem cell to the stiffness and thickness of the substrate by the means of finite element method. For this purpose, we have used collagen-based scaffolds as the artificial ECM and a cell culture in a bioreactor with fluid flow was simulated.by use of fluid-structure interaction method and solving the equations in two-way coupling scheme, the results show that the increase in thickness and stiffness of the substrate will result in 15 percent change in cell-substrate stresses, respectively. Also, it was seen that the change of substrate stiffness only in the range of 0.1-100 KPa could affect the cell response to an external stimulation.These results, along with other similar investigations, could be used as an instructor by the researchers to optimize the stem cell’s microenvironment in vitro, and finally get the most out of their stem cell related Investigations.
    Keywords: Mechanical Modulation, Finite element method, Fluid Structure Interaction, Substrate Thickness, Stiffness, Collagen, Stem Cell
  • Hossein Ehsani, Mostafa Rostami, Mohammad Parnianpour Pages 191-203
    In the current study, a novel method for deriving the governing equations of the skeletal system of the human body has been presented. In this method, a novel approach for incorporating the kinematic characteristics of biological joints and also the effects of complex kinematic chains of the skeletal system has been proposed. The suggested method while utilizing the calculus of matrix-valued functions, derives the governing equations of the skeletal system in the form of ordinary differential equations. Moreover, since the formulations were presented in a recursive fashion, this paper suggests a computationally efficient algorithm to derive the differential equations of motion for the skeletal system. In order to examine the validity of the proposed formulations, a benchmark mechanism with three closed-loop kinematic constraints were considered. We compared the results obtained from our formulations with the outcomes presented in other studies and validated the proposed formulations. Besides, in order to investigate the application of the suggested method in simulation of the skeletal system of the human body, dynamical modeling of the shoulder rhythm was taken into consideration. Two models were employed for describing the shoulder rhythm: Original model and simplified model. The discrepancies observed between the outcomes of these two models delineate the necessity of using the original data for the shoulder rhythm. While the limitations of the available formulations have compelled the researchers to employ the simplified model for the shoulder rhythm, with the method we propose in this study this problem is obviated.
    Keywords: skeletal system, mathematical modeling, shoulder rhythm