فهرست مطالب

مهندسی پزشکی زیستی - سال یازدهم شماره 3 (پاییز 1396)

فصلنامه مهندسی پزشکی زیستی
سال یازدهم شماره 3 (پاییز 1396)

  • تاریخ انتشار: 1396/08/01
  • تعداد عناوین: 7
|
  • مریم حاجی زاده، علیرضا هاشمی اسکویی*، فرزان قالیچی صفحات 201-210
    پار گی لیگامان صلیبی قدامی، یکی از آسیب های رایج زانو در افراد جوان به شمار می رود. در مورد پیامدهای پارگی این لیگامان در دوران پساآسیب، به مواردی چون لقی زانو، ناپایداری فعال زانو و ابتلا به آرتروز زودرس اشاره شده است. کنترل جابه جایی قدامی تیبیا و چرخش محوری تیبیا-فمورال زانو از وظایف اصلی لیگامان متقاطع قدامی می باشد. بنابراین، در غیاب لیگامان قدامی، حفظ پایداری زانو  از طریق تغییرات سینماتیکی و به کارگیری مکانیزم های جبرانی حرکتی در حین انجام فعالیت های مختلف میسر می شود. هدف از این مطالعه بررسی قابلیت اطمینان و تکرارپذیری درون جلسه ای این پارامترها برای آزمون های تکراری بالارفتن از پله بوده است. برای این منظور، پانزده بیمار با آسیب یک طرفه ی لیگامان متقاطع قدامی در این پژوهش مورد مطالعه  قرار گرفتند. مارکرهای 10- 8 تایی روی هر عضو از اندام تحتانی این افراد نصب شد، و برای ضبط فعالیت افراد در حین بالارفتن از ساختار پله با چهار گام، از دستگاه آنالیز حرکت 10-دوربینه، بهره گرفته شد. با استفاده از نتایج سینماتیکی و سینتیکی به دست آمده در نقاط کلیدی متناظر، قابلیت اطمینان پارامترهای سینماتیکی و نیروی عکس العمل زمین، از طریق ضریب همبستگی درون رده ای (ICC)، و پارامتر خطای اندازه گیری استاندارد (SEM)، محاسبه و ارزیابی شد. نتایج این مطالعه بیان گر قابل اطمینان و تکرارپذیر بودن زوایای چرخشی تیبیا-فمورال زانو و نیروی عکس العمل زمین در افراد با آسیب لیگامان قدامی هنگام بالارفتن از پله می باشد. مقادیر قابلیت اطمینان (ICC)، در هر دو پای آسیب دیده و سالم مشابه، و در محدوده ی (98/0-59/0) برای پارامترهای سینماتیکی و نیروی عکس العمل زمین به دست آمد.
    کلیدواژگان: لیگامان صلیبی قدامی، سینماتیک زانو، نیروی عکس العمل زمین، قابلیت اطمینان
  • شهریار رمضانی باجگیران، مریم سعادتمند* صفحات 211-218
    علی رغم پیشرفت های حاصل در مهندسی بافت، یکی از مشکلات تولید بافت های ضخیم، نحوه ی اکسیژن رسانی به سلول های عمقی بافت مهندسی شده و ایجاد شبکه های رگی درون بافت ها می باشد‍‍. یکی از راه های مقابله با این مشکل، ایجاد شبکه ی کانال های میکروفلوییدیک درون داربست متخلخل می باشد، که این کانال ها می توانند علاوه بر بهبود اکسیژن رسانی ، قالبی را برای ایجاد رگ های طبیعی حاصل از رشد سلول های رگ زا فراهم آورند. در این مقاله، توزیع اکسیژن محلول در آب در یک داربست دوبعدی دارای کانال های میکروفلوییدیکی شاخه ای با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی شبیه سازی شده است. بدین منظور، معادلات جریان مایع و انتقال اکسیژن با استفاده از شرایط مرزی، شرایط اولیه و پارامترهای مناسب حل شده اند. توزیع اکسیژن در داربست بدون کانال و داربست های دارای کانال برای مراحل صفرم تا سوم دو شاخه شدن با زاویه ی شاخه ای 45 درجه به دست آمده است. نتایج نشان داد که یک کانال با دو مرحله ی شاخه ای، توزیع اکسیژن مناسب به همراه سطح آزاد کافی برای رشد سلول ها را فراهم می کند، که مطابق با مراجع می باشد. در ادامه، زاویه ی دو شاخه ای در ساختار دو مرحله ای به 35 کاهش داده شد که افزایش سطح غیرهایپوکسیک را به همراه داشت. به صورت کلی، با طراحی بهینه ی زاویه ی کانال های شاخه ای در داربست، می توان سطح قابل توجهی از داربست را اکسیژن رسانی نمود، در حالی که سطح کافی برای رشد سلول ها نیز وجود داشته باشد.
    کلیدواژگان: مهندسی بافت، داربست، میکروفلوییدیک، اکسیژن رسانی، شبیه سازی
  • حسین بانکی کشکی، سید علی سیدصالحی*، فاطمه زارع میرک آباد صفحات 219-230

    استفاده از توالی های نوکلیوتیدی ژنوم به عنوان سیگنال های بیوشیمیایی در روش های یادگیری ماشین، با تبدیل این توالی ها به کدهای عددی امکان پذیر است و این تبدیل باعث افزایش غیرواقعی بعد داده ها شده و انجام عملیات های تحلیل داده، مانند بصری سازی و استخراج ویژگی را با محدودیت هایی روبه رو می سازد. از این رو، باید با استفاده از روش های کاهش بعد، داده ها را به فضای واقعی برگرداند. در این پژوهش از یک شبکه ی عصبی عمیق اتوانکودر به منظور کاهش بعد داده های توالی مربوط به جایگاه های پیوند روی ژنوم انسان استفاده شده است. به منظور بررسی میزان حفظ اطلاعات داده های اصلی در داده های کاهش بعد یافته، از یک طبقه بندی دوکلاسه به وسیله ی ماشین بردار پشتیبان استفاده می شود. نتایج به دست آمده نشان می دهد که اطلاعات تقریبا به طور کامل در فشرده سازی حفظ می شود. سپس از داده های فشرده شده برای بصری سازی و هم چنین انتخاب ویژگی با تحلیل واریانس استفاده می شود. نتایج به دست آمده نشان می دهد که مکان های اول، دهم و هشتم در توالی ها دارای بیشترین اطلاعات هستند. درحالی که عمده ی پژوهش های پیشین روی داده های بیان ژن حاصل از میکروآرایه، متمرکز شده اند و مقایسه ی محدودی بین روش های کاهش بعد در آن ها انجام شده است. این مقاله برای نخستین بار، داده های نوکلیوتیدی توالی را با شبکه ی اتوانکودر، کاهش بعد داده و مقایسه ی جامعی بین انواع روش های کاهش بعد و یادگیری ماشین ارایه می دهد.

    کلیدواژگان: اتوانکودر، کاهش بعد، توالی ژنوم، طبقه بندی، استخراج ویژگی
  • یوسف حبیبی سوها، محدثه مظفری، محرم حبیب نژاد کورایم* صفحات 231-242
    در اغلب تیوری های تماس، که از پرکاربردترین آن ها می توان به سه مدل هرتز،DMT و JKR اشاره کرد، ذرات زیستی به صورت جسم کروی الاستیک در نظر گرفته شده اند که این فرض مناسبی نیست. الاستیک در نظر گرفتن ذرات زیستی منجر به نادیده گرفتن تاریخچه ی بارگذاری می شود که در نتیجه ی آن، تاریخچه ی تنش ها و کرنش های وارد بر ماده مورد بررسی قرار نمی گیرد. بنابراین، در بخش اول به توسعه ی سه مدل بیان شده، از حالت الاستیک به ویسکوالاستیک در هندسه ی کروی پرداخته شد. شبیه سازی و مقایسه ی این سری تیوری با داده های تجربی به دست آمده از آزمایش دندانه گذاری سلول سرطانی MCF-10A به وسیله ی میکروسکوپ نیروی اتمی در این مقاله، نشان داد که حالت ویسکوالاستیک نسبت به حالت الاستیک پیش بینی بهتری را از رفتار نیرو-دندانه گذاری این سلول ارایه می دهد. سپس، با توجه به اینکه اکثر باکتری ها دارای هندسه ای نزدیک به استوانه هستند، اقدام به توسعه و مدل سازی تیوری های تماسی ویسکوالاستیک برای تماس یک کره و یک استوانه شد. پس از آن، به شبیه سازی تماس الاستیک و ویسکوالاستیک برای سه دسته ی نانوباکتری اپیدرمیدیس، سالیویروس و آیروس، با استفاده از سری دوم تیوری های توسعه داده شده پرداخته شد. مقایسه ی نتایج شبیه سازی تماس الاستیک و ویسکوالاستیک با نتایج آزمایشگاهی موجود (دندانه گذاری به وسیله ی میکروسکوپ نیروی اتمی)، نشان داد که در نظر گرفتن حالت الاستیک برای شبیه سازی تماس نانوذرات زیستی مناسب نبوده و نتایج غیردقیقی را ارایه می دهد. هم چنین، مقایسه ی نمودار شعاع تماس برحسب عمق دندانه گذاری در دو تیوری الاستیک و ویسکوالاستیک نشان داد که به ازای میزان شعاع تماسی ایجادشده ی یک سان، میزان عمق دندانه گذاری در حالت الاستیک از ویسکوالاستیک بیشتر است.
    کلیدواژگان: میکروسکوپ نیروی اتمی، تئوری تماسی ویسکوالاستیک، تئوری تماسی الاستیک، هندسه ی استوانه ای، باکتری، MCF-10A
  • بیتا سلیمی قادی، مهدی گل سرخ تبار امیری* صفحات 243-254
    شبکه های بی سیم بدن، گونه ی خاصی از شبکه های حسگر بی سیم هستند که امروزه کاربردهای زیادی دارند. از جمله ی مهم ترین این کاربردها پایش سلامتی انسان است. پایش سلامتی با هدف بهبود خدمات سلامت انجام می شود. از مهم ترین چالش ها در این نوع شبکه ها، کارایی، توان عملیاتی بالا و طول عمر شبکه می باشد. از جمله روش های ممکن برای افزایش طول عمر شبکه های بی سیم بدن، استفاده از راه کار برداشت انرژی از بدن یا فعالیت بدنی است. در شبکه های با امکان برداشت انرژی، انرژی گره های حسگر به پایان نمی رسد، بلکه پس از رسیدن به یک حد آستانه، گره به حالت برداشت انرژی رفته و به صورت بلوکه در می آید و تا زمان رسیدن به حد انرژی مشخص، در عملیات شبکه شرکت نمی کند. در این مقاله، یک پروتکل مسیربابی انرژی برداشت برای بهبود کارایی شبکه های بی سیم بدن ارایه شده است. در شبکه ی پیشنهادی، گره های حسگر علایم حیاتی بدن، از قابلیت برداشت انرژی برخوردار هستند. در روش مسیریابی پیشنهادی از یک گره رابط برای انتقال داده ها از سایر گره های حسگر به چاهک استفاده شده است. زمانی که فاصله ی گره حسگر تا چاهک کمتر از فاصله ی گره حسگر تا گره رابط است، پروتکل پیشنهادی، برای ارسال داده ها از  مسیریابی تک گامه استفاده می کند. هم چنین، اگر نوع داده اضطراری تشخیص داده شود، برای ارسال آن از ارسال تک گامه، و در غیر این صورت از روش ارسال چندگامه استفاده خواهد شد. با هدف افزایش توان عملیاتی، گره ها در هنگام برداشت انرژی، به حالت بلوکه نمی روند، بلکه داده ها را به نزدیک ترین همسایه ی خود ارسال می کنند. پروتکل پیشنهادی توانسته در مقایسه با روش های پیشین، توان عملیاتی و طول عمر شبکه را بهبود بخشد و در سایر معیارهای کارایی، نسبت به روش های پیشین عمل کرد بهتری داشته باشد.
    کلیدواژگان: شبکه های بی سیم بدن، انرژی برداشت، مسیریابی، طول عمر شبکه، پایش سلامتی
  • سید محمدصادق موحد *، مرجان مظفری لقا صفحات 255-264

    از ویژگی های پردازش های ساقه مغز، حضور پیچیدگی و تاثیرگذاری عوامل فردی در رمزگذاری اصوات، است. تشریح این پردازش ها برمبنای تحلیل های خطی دشوار بوده و این خود انگیزه ای است مبنی بر استفاده از روش های غیرخطی که قادر به تحلیل مناسب تر سیگنال های غیرمانا است. هدف این تحقیق بررس�

    کلیدواژگان: پاسخهای شنوایی ساقه مغز برانگیخته با گفتار، تحلیل چندفراکتالی، نمای هارست، پیچیدگی
  • سعیده داودی، محمدرضا دلیری* صفحات 265-273
    تنوع وظایف مغز نشان می دهد که تعامل بین فعالیت نوسانی در باندهای فرکانسی مختلف، مکانیزم های کلی ارتباط عصبی را شکل می دهد. روشی که اخیرا برای کدگذاری اطلاعات در مغز مورد استفاده قرار می گیرد، روش هم گامی فاز می باشد، که به فرایندی اطلاق می شود که از طریق آن دو یا چند سیگنال چرخه ای، با نوسان تکراری از زاویه های فاز نسبی نوسان می کنند. برخی مطالعات، نقش محوری هم گامی فاز را در آزمایش های شناختی نشان داده اند. در این مقاله، ما نقش این معیار را در یک وظیفه ی جدید بینایی تمایز رنگ بررسی کرده ایم. بدین منظور، سیگنال الکتروانسفالوگرافی را برای 15 سوژه، در طی وظیفه ی بینایی تمایز رنگ جمع آوری نموده ایم. سپس، از الگوریتم یادگیری ماشین، ماشین بردار پشتیبان، استفاده شد تا توانایی معیار هم گامی فاز در تمایز دو حالت، یعنی تفکیک دو رنگ آبی و نارنجی،  در وظیفه ی بینایی مورد نظر مشخص گردد. نتایج نشان می دهد که این معیار با دقت کلاس بندی 75%  می تواند در طبقه بندی دو حالت مختلف در وظیفه ی بینایی مورد استفاده قرار گیرد. هم چنین، باندهای فرکانسی موثر و الکترودهایی که موثرترین ویژگی ها از آن ها استخراج شده اند، نشان داده شده است.
    کلیدواژگان: سیگنال الکتروانسفالوگرافی، تمایز رنگ، هم گامی فاز، ماشین بردار پشتیبان
|
  • Maryam Hajizadeh, Alireza Hashemi Oskouei *, Farzan Ghalichi Pages 201-210
    Anterior cruciate ligament (ACL) rupture is one of the most costly knee injuries, usually occurring to young athletes, often leading to functional instability, inability to return to previous levels of physical activity, and premature osteoarthritis (OA). The main function of ACL is controlling anterior tibia translation as well as axial tibia rotation. Therefore, patients with ACL deficiency (ACLD) have to use different compensatory mechanisms and kinematic changes to maintain their stability during different activities. The study aims to measure the reliability of knee kinematics and ground reaction force during stair negotiation. Fifteen participants with unilateral ACLD ascended 4-step staircase, where 8-10 reflective markers was inserted on each segment of lower extremity. Five-camera VICON system and 10-camera VICON system were used in the first and second phase of study, respectively. Intra-class correlation coefficient (ICC) and standard error of measurement (SEM) was calculated for each parameter in the knee events during stair climbing. The results showed high consistency of kinematic parameters and GRF components was handled through reliability and repeatability calculations. ICC (2,5) showed similar values in injured and healthy contralateral leg with the range of (0.59-0.98) for all knee joint rotation and GRF components.
    Keywords: Anteriour Cruciate Ligament (ACL), Knee Kinematics, Ground Reaction Force, Reliabilty
  • Shahryar Ramezani Bajgiran, Maryam Saadatmand * Pages 211-218
    Despite the advancements made in the tissue engineering, one of the obstacles in producing thick tissues is the means of oxygen transport to the deep layered cells of the engineered tissue and creating the network of veins inside the tissue. One way to overcome this problem is to create a microfluidic network of channels inside the porous scaffold. These channels can both enhance the oxygenation and produce a mold for the natural vessels created by the angiogenesis cells. In this paper the dissolved oxygen distribution inside a 2D scaffold, which contains bifurcation based microfluidic channels, has been simulated by the means of computational fluid dynamics. To achieve this, the liquid flow and oxygen transport equations have been solved with considerations to the boundary conditions and suitable parameters. The oxygen transport has been found for the static scaffold, and the scaffolds made from the 0 order to third order of bifurcation with a bifurcation angle of 45 degrees. The results have shown that the scaffold with the second order of bifurcation has a better oxygen distribution and also more free area for the cell proliferation, which is consistent with the references. Next, the bifurcation angle was reduced to 35 degrees for the second order scaffold which resulted in an increase in the non-hypoxic area. Generally, by designing optimized angle of bifurcation based channels, a significant area can be oxygenated, while there will be sufficient surface available for cell proliferations.
    Keywords: Tissue engineering, Scaffold, Microfluidics, Oxygenation, Simulation
  • Hossein Bankikoshki, Seyed Ali Seyyedsalehi *, Fatemeh Zare Mirakabad Pages 219-230

    The use of genomic nucleotide sequences as biochemical signals in machine learning methods is possible by converting these sequences into numerical codes. This conversion results in an unrealistic increase in the dimension of the data and encounters some data analysis operations such as visualization and feature extraction with constraints. Therefore, one should use the dimensionality reduction technics in order to return the data to its real dimension. In this study, a deep autoencoder neural network has been used to reduce the dimension of binding site sequence data on the human genome. In order to determine whether the information of real data is preserved in compressed data, we perform a two-class classification using a support vector machine. The results show that information is almost entirely preserved in compression. Then, compressed data is used for visualization as well as feature selection by analysis of variance. The results show that the first, the tenth and eighth positions in the sequences are the most informative positions. While the majority of the previous works deal with gene expression data of microarrays and compare a few dimension reduction algorithms, this paper for the first time uses an autoencoder on nucleotide sequence data and provides a comprehensive comparison between the performance of the dimension reduction technics and machine learning algorithms.

    Keywords: Autoencoder, Dimensionality Reduction, Genome Sequence, Classification, feature selection
  • Yousef Habibi Sooha, Mohadese Mozafari, Moharam Habibnejad Korayem * Pages 231-242
    In the most contact theories such as Hertz, DMT and JKR, which are the most practical contacts models, biological particles are considered as a spherical elastic particle, which is not the best assumption. In this assumption, the history of loadings are not considered in that the history of strains and stresses will not analyzed properly. Therefore, in the first part of this paper, three models of elastic in spherical geometry have been developed to the viscoelastic models. By simulations and comparing the results with the experimental data of MCF-10A (breast-cancer cell), which is derived by Atomic Force Microscopy, it is revealed that viscoelastic models are more accurate than elastic models in the force-indentation curves. Then, according to the fact that most bacteria's geometry is cylindrical, contact theory for a sphere and cylinder have been developed and simulated for three groups of nanobacteria (Epidermidis, SallyVirus, and Aureus). By comparing simulations results with experimental data we observe that elastic models are not reasonable and contacts radius in viscoelastic model are smaller than they were for elastic models.
    Keywords: Atomic Force Microscopy, Viscoelastic Contact Theory, Elastic Contact Theory, Cylindrical Geometry, Bacteria, MCF-10A
  • Bita Salimi Qadi, Mehdi Golsorkhtabaramiri * Pages 243-254
    Wireless body area networks (WBANs) are specific kinds of wireless sensor network which have been widely used in many areas, especially for health monitoring in the areas of health services and healthcare. Among the most important challenges concerning these networks are performance, high throughput and increasing network lifespan. One of the possible ways to increase network lifetime is to use energy harvesting possibility. In energy harvesting WBANs, the energy of the sensor nodes does not end, but upon reaching a threshold, the node goes into a power-consuming mode and becomes blocked and does not participate in the network operation until it reaches the required energy. In this paper, an energy-efficient routing protocol for energy harvesting WBANS is proposed. In this protocol, the medical sensor nodes on the patient's body have the ability of energy harvesting while the routing method and transmitter node are used to transfer data from sensor nodes to the sink. This method uses single hob routing when the distance between the sensor node and the sink is less than that of the sensor node to the transmitter node. Also, if emergency data is detected, a single hob routing is used to send data, otherwise, multi hob routing is used to do so. Also, to increase throughput during energy harvesting, the sensor node does not block, but sends the data to its nearest neighbor. This protocol has been able to improve network throughput and lifetime. We used energy harvesting to increase network lifetime and routing techniques to reduce energy consumption.
    Keywords: Wireless Sensor Body Area Networks, Energy Harvesting, Routing, Network Life-Time, Health Monitoring
  • M. Mozaffarilegha, S. M. S. Movahed* Pages 255-264

    The complexities and the effects of inter-subject variations on the encoding of sounds are features of the brainstem processing. Examining such data based on linear analysis is not reliable, encouraging to take into account non-linear methods which are effective ways of explaining such non-stationary signals. The purpose of this study is to explore the behavior of the brainstem in response to complex auditory stimuli /da/ using Multifractal Detrended Fluctuation Analysis modified by Singular Value Decomposition (SVD), Adaptive Detrending (AD) and Empirical Mode Decomposition (EMD). Auditory brainstem responses to synthetic /da/ stimuli were recorded for 40 normal subjects with a mean age of 22.7 years. MFDFA is carried out on the s-ABR time series data to evaluate the variation of their complexity and multiscaling. To utilize optimal Detrending of s-ABR time series, AD, SVD and EMD algorithms are applied on time series. By computing the fluctuation function and evaluating scaling behavior, scaling exponents such as generalized Hurst exponent and multifractal spectrum are determined. Given results in this method indicate that underlying signal has non-stationary nature in small scales, but property of system is controlled by trend in large scales. There is a crossover at msec on the behavior of fluctuation function corresponding to dominant sinusoidal trend in all samples. The average of Hurst exponent is at 68% confidence interval in small scales msec. The -dependency of demonstrate that underlying data sets have multifractality nature and are almost due to long-range correlations. The width of singularity spectrum which is a measure of the signal complexity of underlying data in average equates to at confidence interval.

    Keywords: Speech-Auditory Brainstem Responses, MFDFA, Hurst Exponent, ComplexityIranian Journal of Biomedical Engineering11 (3) (2017) 255-264, www.ijbme.orgDOI: 10.22041, ijbme.2018.78126.1309© Copyright
  • Saeideh Davoodi, Mohammad Reza Daliri * Pages 265-273
    Variety of brain region function represent that interactions between different frequency bands, employ general mechanisms of neural communications. Moreover, a method which recently used for information encoding in the brain is phase synchronization that is a process by which two or more cyclic signals tends to oscillate with a repeating sequence of relative phase angle. Some evidence demonstrated the important role of phase synchronization in cognitive tasks. In this paper we investigated the role of phase synchronization in a new visual discrimination task. For this purpose we collected electroencephalography signals from fifteen subjects during a color discrimination task. The machine learning algorithm, support vector machine (SVM), was used to find out whether this criterion can distinguish two different colors in the mentioned task. The results show that classification accuracy of 75% is achieved using phase synchronization feature. Also efficient frequency bands and contribution of effective electrodes were shown.
    Keywords: Electroencephalography Signal, Color Discrimination, Phase Synchronization, Support Vector Machine