فهرست مطالب

فصلنامه مهندسی پزشکی زیستی
سال پنجم شماره 3 (پاییز 1390)

  • تاریخ انتشار: 1390/09/01
  • تعداد عناوین: 7
|
  • سیاوش مزدیسنا، امیرهمایون جعفری* صفحات 181-192
    در این مقالهبا در نظر گرفتن مواد غذایی، ماتریکس خارج سلولی و سلول های سیستم ایمنی بعنوان پارامتر های تاثیر گذار در نحوه رشد، گسترش و مورفولوژی بافت سرطانی به بررسی مدلی بر اساس اتوماتای سلولی و تیوری بازی ها در زمینه رشد سرطان پرداخته ایم. اتوماتای سلولی در بررسی مسایل زیستی از اهمیت زیادی برخوردار است و تیوری بازی ها در شناختن تعامل میان عنصر های تصمیم گیرنده حایز اهمیت می باشد. در این تحقیق برای بررسی رفتار و گسترش سلول های سرطانی دو مدل را مطرح می نماییم. در مدل اول هدف ما از ارایه مدل بررسی نحوه رشد و گسترش سلول های سرطانی با توجه به مواد غذایی (اکسیژن) موجود در بافت می باشد. در نهایت جهت اعتبارسنجی مدل، نتایج شبیه سازی ها را با نتایج مقالات دیگر مقایسه نموده ایم. در نتایج ملاحظه خواهید نمود که میزان مواد غذایی (اکسیژن) تاثیر قابل ملاحظه ای در تعداد سلول های سرطانی ایجاد شده دارد، ولی این تاثیر در رابطه با تهاجم سلول های سرطانی به مراتب کمتر می باشد. لازم به ذکر می باشد که نتایج مدل پیشنهادی از جواب های خطی فاصله گرفته است که این بیانگر بهبود نتایج مدل می باشد، همان گونه که در نتایج قابل ملاحظه می باشد این مدل قابلیت ایجاد متاستاز را نیز پوشش می دهد. در مدل دوم نحوه عملکرد متقابل سلول های سرطانی و سلول های سیستم ایمنی مورد بررسی قرار گرفته است و برای این منظور از اتوماتای سلولی و تیوری بازی ها استفاده نموده ایم. بر اساس اتوماتای سلولی دو بعدی مدلی ارایه می شود که نحوه عملکرد اتوماتای سلولی توسط تیوری بازیها تعیین می گردد. در واقع قوانین اتوماتای سلولی بر اساس جدول تیوری بازی ها تعیین می شود و هر یک از عناصر سیستم بصورت جداگانه از قابلیت تصمیم گیری برخوردار می باشند.
    کلیدواژگان: مدلسازی سرطان، اتوماتای سلولی، تئوری بازی ها، سیستم ایمنی، ماتریکس خارج سلولی
  • ملیکا ایلوخانی، محمد ربیعی*، مهوش اسکویی، فتح الله مضطرزاده، مهدیس شایان صفحات 193-204
    در سالهای اخیر تلاشهای بسیار زیادی برای تولید نانو ذرات به دلیل خواص ویژه نوری، شیمیایی و الکتریکی آنها صورت گرفته است. توسعه روش های سنتز نانو مواد برای تولید موادی با مورفولوژی و اندازه معین و توزیع مناسب اندازه ذرات، از محورهای پژوهشی چند سال اخیر محسوب می شود. در این میان روش های مبتنی بر فناوری زیستی به دلیل تمیز بودن و سازگاری بالا با محیط زیست از جایگاه ویژه ای برخوردارند. یکی از مهمترین ابعاد این بحث استفاده از میکروارگانیسم ها در نانو فناوری است. در این پژوهش از سویه 35218 باکتری اشرشیاکولی برای سنتز نانو ذرات CdS استفاده شد. ابتدا زمان مناسب و بیشینه غلظتی از یون کادمیم که به جلوگیری از رشد و لیز باکتری منتج نمی شود مشخص گردید. سپس دو فرآیند سنتز زیستی داخل و خارج سلولی بررسی شد. طبق بررسی های صورت گرفته مشخص شد که این سویه به شکل داخل سلولی قادر به سنتز نانو ذرات CdS نیست اما با غنی سازی محیط کشت با اسید آمینه سیستیین نانو ذرات CdS به شکل خارج سلولی سنتز شدند. تشکیل نانو ذرات، مورفولوژی و خاصیت فلورسانت آنها به ترتیب با کانال آنالیزور WDX ، SEM و میکروسکوپی فلورسانس بررسی شد.
    کلیدواژگان: سنتز زیستی، سولفید کادمیم، اشرشیاکولی، نانو ذرات، میکروارگانیسم
  • ارغوان فرزادی، مهران صولتی هشجین*، فرهاد بخشی، عالیه امینیان صفحات 206-213
    استفاده از تابش مایکروویو به عنوان یک روش کمکی برای کاهش زمان سنتز و رسیدن به ساختاری همگن تر، از رویکردهای جدید در سنتز پودرهای کلسیم فسفات دوفازی است. در این پژوهش مشخصه یابی نانوپودرهای کلسیم فسفات دوفازی سنتز شده به کمک مایکروویو انجام شد. تغییرات فازی، ترکیب شیمیایی، مورفولوژی و اندازه ذرات توسط تکنیک های پراش پرتو ایکس (XRD)، اسپکتروسکوپی مادون قرمز با انتقال فوریه (FTIR) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) بررسی شدند. نتایج حاکی از آن بود که استفاده از مایکروویو به عنوان یک کمک سنتز منجر به بهبود میزان بلورینگی شده و اندازه بلورک ها در محدوده nm 16 تا nm 27 افزایش می یابد. میزان فاز هیدروکسی آپاتیت نیز در کلسیم فسفات های دوفازی در محدوده 5% تا 17% تغییر کرده است. نمونه تولید شده در محلول مایع شبیه سازی شده بدن (SBF) قرار گرفت. نتایج نشان داد که با حضور بتاتری کلسیم فسفات، pH محلول کاهش می یابد که خود گویای رفتار زیست تخریب پذیری آن است. همچنین جوانه زنی و رشد ذرات هیدروکسی آپاتیت بر روی نمونه های بتاتری کلسیم فسفات سنتز شده به کمک مایکروویو، پس از قرارگیری در محلول SBF به مورفولوژی میله ای شکل رسیدند.
    کلیدواژگان: تابش مایکروویو، هیدروکسی آپاتیت، بتاتری کلسیم فسفات، روش اسید-باز
  • راحله شفائی، سید محمدرضا هاشمی گلپایگانی* صفحات 214-228
    یکی از مسایل کلیدی در نایل شدن به کنترل موفق FES، استفاده از یک مدل مناسب و صحیح از سیستم تحت تحریک الکتریکی است که به میزان کافی بیان کننده ی رفتار آن سیستم باشد. مدل های محاسباتی کلاسیک که به طور متعارف برای این منظور استفاده می شوند، ماهیتی جزء نگر دارند؛ بنابراین نمی توانند اندرکنش موجود در سیستم بیولوژیک را لحاظ کنند. با توجه به این محدودیت ها، اخیرا مدل های رفتاری که جعبه سیاه هستند اغلب استفاده می شوند. این مدل ها روی دینامیک ورودی/ خروجی، که همانا اطلاعات مورد نیاز مدل سازی برای طراحی کنترل است تمرکز دارند؛ بدین ترتیب به سیستم به عنوان یک کل، که تعاملات بین اجزا را در خود نهفته دارد، پرداخته می شود.  تاکنون چنین مدلی برای حرکت مفصل آرنج ارایه نشده است. از این رو در این پژوهش، با استفاده از شبکه های عصبی دینامیک، شامل شبکه های جلوسو با تاخیر زمانی و بازگشتی، به ارایه و اعتبارسنجی یک مدل جعبه سیاه از حرکت مفصل آرنج در صفحه ی افق، برای کابردهای کنترل حرکت رساندن دست، در افرادی با ضایعه ی نخاعی 6C/‍5Cپرداخته شده است. نهایت انعطاف پذیری معماری جلوسو با تاخیر زمانی، در یک ساختار دو لایه با 5 نورون پنهان و استفاده از 25/1 ثانیه از سوابق ورودی، با شاخص عملکرد ضریب همبستگی متقابل %86/89 و نرمالیزه شده ی میانگین مربعات خطای % 85/4 رخ داد و به عنوان مدل برگزیده ی این معماری معرفی گردید. بهترین شبکه ی بازگشتی با معماری NARX و تعداد سوابق ورودی و خروجی برابر نیز، در ساختاری دو لایه با 12 نورون در لایه ی پنهان و استفاده از 1/0 ثانیه از سوابق، با شاخص عملکرد همبستگی متقابل %50/92  و نرمالیزه شده ی میانگین مربعات خطای % 06/4 رخ داد و به عنوان مدل برگزیده ی این معماری معرفی گردید. مقایسه ی بهترین نتایج آموزش با استفاده از شبکه جلوسو از هر دو جنبه ی کمی و کیفی به شکل آشکاری بیان کننده ی برتری شبکه های بازگشتی در شناسایی سیستم مورد مطالعه است.
    کلیدواژگان: تحریک الکتریکی عملکردی، سیستم عضلانی- اسکلتی دست فلج، حرکت رسش، مدل های جعبه سیاه، شبکه عصبی
  • مریم مومنی، حمید ابریشمی مقدم*، راینهارد گرب، کامران کاظمی، فابریس والوا صفحات 231-244
    سیر تکاملی چین خوردگی های مغز نوزادان شاخص مهمی در رشد مغز انسان می باشد و تحلیل کمی این روند رشد در مطالعات عصبی سودمند می باشد. نکته مهم در تحلیل کمی رشد مغز نوزادان تفکیک پذیری زمانی1 مورد نیاز و معنادار می باشد. در این مقاله برای اولین بار تخمین بازه زمانی مورد نیاز برای مطالعه ویژگی های ماکروسکوپی و استفاده از ابزار مناسب برای تحلیل این ویژگی ها در هفته های پس از تولد بررسی شده است. بدین منظور دو بازه سنی 40-39 و 42-41 هفتگی از زمان شروع بارداری2 (GA) در نظر گرفته شده و دو مدل هندسی مبتنی بر تصاویر تشدید مغناطیسی با وزن 1T ساخته شد. انحراف مکانی و پراکندگی برخی نشانگرهای آناتومی و میانگین متوسط و بیشینه طول بردار دگردیسی3 مکانی در 25 تصویر آزمون یکسان سازی شده به مدل های هندسی مقایسه و بررسی شدند. نتایج آزمون MANOVA تفاوت معنی دار در انحراف مکان ویژگی های آناتومی و میانگین متوسط و بیشینه طول بردار دگردیسی مکانی را در این دو بازه سنی نشان داد. همچنین تحلیل کمی پراکندگی داده های یکسان سازی شده بین دو بازه سنی، تفاوت معنی دار بین ویژگی های مذکور و تاثیر یکسان سازی به مدل هندسی پویا را در مواردی که آزمون MANOVA منجر به عدم رد فرضیه پوچ می شود نیز تایید کرد. با توجه به نتایج مطروحه در رنج سنی 42-39 هفتگی GA می توان نتیجه گرفت که فاصله زمانی دو هفته، کمینه فاصله زمانی در هفته های پس از تولد برای ساخت مدل هندسی به منظور بررسی رشد مغز در سطح ماکروسکوپی می باشد.
    کلیدواژگان: نوزادان، رشد مغز، تصاویر تشدید مغناطیسی، مدل هندسی، تفکیک پذیری زمانی، دگردیسی مکانی
  • عابد خراسانی سرچشمه، عباس عرفانیان امیدوار* صفحات 245-255
    در طی دو دهه اخیر، تحریک الکتریکی درون عضلانی به عنوان یک روش بالقوه به منظور بازیابی حرکت عضو فلج مطرح شده است. اصلی ترین چالش در بازیابی حرکت مطلوب در استفاده از تحریک الکتریکی درون عضلانی توسعه یک استراتژی کنترلی مقاوم برای تعیین الگوی های تحریک می باشد. کنترل دقیق و پایدار عضو در روش تحریک الکتریکی عملکردی درون عضلانی بدلیل خواص غیر خطی و متغیر با زمان سیستم عصبی- عضلانی و همچنین خستگی عضلانی زودرس و وجود تاخیر در این سیستم، مشکل می باشد. در این مطالعه تحقیقاتی یک استراتژی مقاوم برای کنترل حرکت چند مفصله با استفاده از تحریک الکتریکی درون عضلانی مطرح شده است. در این روش پارامتر های سیستم به صورت بر خط شناسایی می شود. روش ارایه شده ترکیبی از روش کنترل لغزشی با سیستم منطق فازی و کنترل کننده عصبی می باشد. به منظور ارزیابی  مقاوم بودن، پایداری و دقت کنترل کننده، آزمایشات زیادی بر روی سه رت انجام شده است. نتایج آزمایشات نشان می دهد که روش پیشنهادی قابلیت کنترل دقیق حرکت گام برداشتن  با همگرایی سریع را دارد.
    کلیدواژگان: تحریک الکتریکی عملکردی، تحریک درون عضلانی، کنترل گام برداشتن، کنترل تطبیقی فازی-لغزشی
  • امیر حسین اسکندری، احسان صداقت نژاد، سید جواد موسوی، محسن اصغری، محمد پرنیان پور* صفحات 257-273
    انتخاب الگوی فعال شدن عضلات برای رسیدن به یک هدف خاص به علت پیچیدگی های سیستم اسکلتی عضلانی و نحوه غلبه سیستم اعصاب مرکزی به این پیچیدگی ها، چندین دهه مورد علاقه محققان در این زمینه بوده است. یکی از پاسخ هایی که در این زمینه مطرح شده است، وجود واحدهای (سینرجی) ساده ایست که از ترکیب آن هافعالیت های پیچیده صورت می پذیرند.در این تحقیق وجود و همچنین نحوه آرایش این سینرجی ها در ناحیه کمر مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور از یک مدل 18 عضله ای در سطح  L4-L5به صورت استاتیکی استفاده شده است. از ضرایب فعالیت عضلات حاصل از اعمال گشتاور در فضاهای دو بعدی و سه بعدی و اعمال سفتی زاویه به مدل، برای به دست آوردن سینرجی های عضلانی و پایداری استفاده شده است.نتایج این پژوهش نشان می دهد شش سینرجی عضلانی کافی است تا بتوان به تمامی نقاط فضای گشتاوری دست پیدا کرد. همچنین سه سینرجی پایداری قادر است بخشی از فضای سفتی زاویه ای مفصل را به وجود آورد. همچنین سینرجی های عضلانی به دست آمده نسبت به تغییر دامنه گشتاور اعمالی مقاوم می باشند. در این پژوهش نشان داده شد که می توان از ترکیب سینرجی های عضلانی و سینرجی های پایداری، هر فعالیتی را که شامل تولید گشتاور و سفتی زاویه معین در مفصل باشد، را تولید کرد.
    کلیدواژگان: کمر، مدل سازی، سینرجی عضلانی، سفتی زاویه ای مفصل، non-negative matrix factorization
|
  • Siavash Mazdeyasna, Amir Homayoun Jafari * Pages 181-192
    In this paper, two models are introduced based on cellular automata and the game theory to study behavior, growth, development and morphology of cancerous cells by assuming nutrition supplies, extracellular matrix, and immune cells. A two-dimensional cellular automaton combine with game theory is considered as the structure of model. The cellular automata modeling framework can be an efficient approach to a number of biological problems; and game theory aims to help us to understand situations in which decision-makers interact such as competitive activity. In the first model, we consider different oxygen supplies to study the growth and invasion of cancerous cell. The results of our simulation are validated by the results of other articles. The results show that the number of cancerous cells is easily changed by changing amount of oxygen supplies, but invasive distance of tumor cells is not easily affected by this factor. Furthermore the results of this model are not linear, that could show the improvement of the model. In addition, this model has the ability of producing metastasis, as it is shown. In the second model, the interaction between immune cells and cancerous cells are considered. Two-dimensional cellular automata and game theory are used for this purpose. In this model the behavior of cellular automata is determined by the game theory. The rules of cellular automata are determined by game theory table, so each element of the system could make a decision separately.
    Keywords: cancer model, Cellular automata, Game Theory, Immune system, Extracellular matrix
  • Melika Iloukhani, Mohammad Rabiee *, Mahvash Oskoui, Fathollah Moztarzadeh, Mahdis Shayan Pages 193-204
    In recent years, nanoparticles have attracted considerable attention due to their special optical, chemical, and electrical properties. Developments of nanoparticles synthesis methods for producing materials with precise size and morphology have been considered recently. Among these methods, biosynthesis has a special position for its high compatibility with environment. The use of microorganism in nanotechnology is one of the important aspects of this issue. In this survey we have used Escherichia coli 35218 to Cadmium Sulfide nanoparticles synthesis. First, appropriate time of cadmium ions addition and their maximum concentrations were determined that they don􀂶t inhibit bacterial growth. Then we studied intra and extracellular biosynthesis. According to this survey, this strain wasn't able to produce cadmium sulfide nanoparticles intracellulary but also these nanoparticles were extracellulary synthesized in the medium supplemented with L-cysteine. Formation of CdS nanoparticles, their morphologies and fluorescence properties were determined with WDX, SEM and fluorescence microscopy.
    Keywords: Biosynthesis, Cadmium Sulfide, Escherichia coli, nanoparticles, Micro organism
  • Arghavan Farzadi, Mehran Solati Hashjin *, Farhad Bakhshi, Alie Aminian Pages 206-213
    Using microwave irradiation in microwave-assisted synthesis method is a new approach employed to decrease synthesis time and to form more homogenous structures of biphasic calcium phosphate bioceramics. In this research, the microwave assisted synthesis and characterization of biphasic calcium phosphate nanopowders have been studied. The phase transformation, chemical components, morphology and particle size were characterized by X-Ray Diffraction (XRD) analysis, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and Scanning Electron Microscopy (SEM). The results showed that the use of microwave led to improve crystallinity and the crystallite size increases from 16 nm to 27 nm. Also the amount of hydroxyapatite phase in biphasic calcium phosphate changed in the range of 5% to 17%. The prepared sample was put in Simulated Body Fluid (SBF).The pH of the solution was decreased in the present of beta-tricalcium phosphate showed its biodegradable behavior. Also the nucleation and growth of hydroxyapatite particles on TCP produced by microwave -assisted synthesis method changed to be rod like in SBF solution.
    Keywords: Microwave irradiation, Hydroxyapatite, Betatricalcium Phosphate, Acid-Base Reaction
  • Rahele Shafaei, Seyed Mohammad Reza Hashemi Golpayegani * Pages 214-228
    One of main the issues in achieving to a successful FES control is using an as much as possible accurate model of the under electrical stimulation system so that it can adequately indicate the system behavior. Classical computational models that are commonly used for this purpose have a reductionism nature; so they cannot consider the interaction existed in biological systems. Considering these restrictions, recently behavioral black box models are mostly used. These models focus on input/output dynamic, which is certainly the necessary modeling information for control design; thus the system is dealt with as a whole, which has hidden the interactions between components inside. Such a model has notbeen presented for elbow angle movement so far. Therefore in this study, we have been to present and verify a black box model of elbow joint movement in the transverse plane, forreaching movement control in people with C5/C6 SCI using dynamic neural networks, including time-delayed feedforward and recurrent networks. Extreme flexibility of time-delayed feedforward architectures was obtainedin a 2 layer structure including 5 hidden neurons and using 1.25s of history of input with performance indexes of 89.89% & 4.85% for cross correlation coefficient and normalized mean square error respectively. The best recurrent network with NARX architecture and equal history of input & output was also occurred in a 2 layer structure having 12 neurons in the hidden layer and using 0.1s of history, with performance indexes of 89.89% & 4.85% for cross correlation coefficient and normalized mean square error respectively. Comparison between best results of training using feedforward and recurrent networks, clearly illustrates both qualitative and quantitative excellency of the latter one in identification of the under-study system.
    Keywords: Functional electrical stimulation, paralyzed arm musculoskeletal system, Reaching movement, black box models, Neural Networks
  • Maryam Momeni, Hamid Abrishami Moghaddam *, Reinhard Grebe, Kamran Kazemi, Fabrice Wallois Pages 231-244
    Reliable gradation of neonatal brain development is important for clinical investigation of neurological disorders. A prerequisite for such quantification of development is knowledge about an appropriate temporal resolvability. For this purpose, we investigated the evolution of macroscopic morphological features of the neonatal brain to estimate, for the first time, the required temporal interval in the early weeks after birth. In a first step, we constructed two neonatal templates for the age ranges of 39-40 and 41- 42 weeks' gestational age using T1-weighted MR images. We compared the spatial variation of anatomical landmarks and the average and the maximal length of spatial deformation in 25 subjects normalized to the two templates along x, y and z directions. MANOVA confirmed the significant difference between spatial variations of the above macroscopic features in the two age ranges. Furthermore, quantitative analysis of feature scattering yielded the same result even in features for which the null hypothesis was not rejected by MANOVA. We conclude that minimal temporal interval of two weeks is required for acute macroscopic morphological studies of the developing brain in the early weeks after birth.
    Keywords: neonate, Brain Development, Template, Temporal Resolvability, Spatial Deformation, Magnetic resonance imaging
  • Abed Khorasani, Abbas Erfanian Omidvar * Pages 245-255
    During the last decade, functional neuromuscular stimulation (FNS) has been proposed as a potential technique for restoring motor function in paralyzed limbs. A major challenge to restoring a desired functional limb movement through the use of intramuscular stimulation is the development of a robust control strategy for determining the stimulation patterns. A major impediment to stimulating the paralyzed limbs and determining the stimulation pattern has been the highly non-linear, time-varying properties of electrically stimulated muscle, muscle fatigue, large latency and time constant which limit the utility of pre-specified stimulation pattern and open-loop FES control system. In this paper we present a robust strategy for multi-joint control through intramuscular stimulation in which the system parameters are adapted online and the controller requires no offline training phase. The method is based on the combination of sliding mode control with fuzzy logic and neural control. Extensive experiments on three rats are provided to demonstrate the robustness, stability, and tracking accuracy of the proposed method. The results show that the proposed strategy can provide accurate tracking control with fast convergence.
    Keywords: Functional electrical stimulation, intramuscular stimulation, Fuzzy logic, sliding mode control
  • Amir Hosein Eskandari, Ehsan Sedaghat Nejad, Seyed Javad Mousavi, Mohsen Asghari, Mohammad Parnianpour * Pages 257-273
    Selection of muscle activation pattern to reach a specific goal by considering the complexities of neuromuscular system and the way it overcomes these complications, is of researchers􀂶interest in motor control. One proposed solutionfor resolving thesecomplexities is the concept of simple module (synergies) that the combination of them leads to more complex activities. In the present work, the existence and arrangement of synergies in the lumbar spine are proved. For this purpose, a model with 18-muscles in level L4-L5 is utilized in the static condition. In order to obtaina muscular and stability synergies, muscle activation, which are obtained by exerting moments in 2D and 3D spaces and angular stiffness to the model,are used. The results show that six muscular synergies suffice to be able to reach any point in the moment space. Also, three stability synergies can reconstruct a part of joint angular stiffness space. In addition, the obtained muscular synergies are robust against changes in the amplitude of exerted moment. In this study, it is shown that one can generates any task involves producing determined moment and angular stiffness in the joint, by combining muscular and stability synergies together.
    Keywords: lumbar, Modeling, muscular synergy, joint angular stiffness, non-negative matrix factorization