شماره مدرك
21143
شماره راهنما
18127
پديد آورنده
صادقي كليشادي، حسين
عنوان
مدلسازي و بهينهسازي استراتژي دوزدهي دارو با هدف بيشينهسازي اثربخشي درمان و كمينهسازي عوارض جانبي در درمان تومور مغزي
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
تبديل انرژي
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1405
صفحه شمار
ز، 103ص.
توصيفگر ها
مدلسازي ميدانفازي , بهينهسازي تزريق دارو , شبيهسازي رشد تومور , الگوريتم PSO
تاريخ ورود اطلاعات
1405/04/07
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
دانشكده
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/04/08
كد ايرانداك
23233105
چكيده فارسي
در دنياي امروز، شناسايي و درمان مؤثر تومورهاي مغزي يكي از چالشهاي جدي علم پزشكي و مهندسي زيستي محسوب ميشود. با توجه به پيچيدگي ساختار مغز، ناهمگنيهاي بافتي و محدوديتهاي زيستي، توسعه مدلهاي پيشبينيكننده و بهينهساز رفتار دارو در بافت توموري اهميتي دوچندان يافته است. هدف اصلي اين پژوهش، ارائه يك چارچوب عددي دقيق براي مدلسازي رشد تومور و تزريق بهينه دارو با استفاده از روش ميدانفازي است؛ مدلي كه بتواند همزمان رفتار سينماتيكي و ديناميكي دارو را در يك محيط پيچيده زيستي شبيهسازي كند و بهعنوان ابزاري براي پيشنهاد پروتكلهاي شخصيسازيشده درماني بهكار رود. در اين تحقيق، ابتدا با بهرهگيري از معادلات فازي آلن-كان و كان-هيليارد مدلسازي رشد تومور در محيطي دوبعدي صورت گرفت. سپس انتقال دارو بر اساس معادله واكنش-انتشار-تجزيه مدلسازي گرديد و اثرات پارامترهايي چون ضريب نفوذ، نرخ جذب و ساختار بافت مورد تحليل قرار گرفت. براي تعيين الگوي بهينه تزريق (از لحاظ مكان، زمان و مقدار)، از الگوريتم بهينهسازي ازدحام ذرات(PSO) استفاده شد. براي تنظيم پارامترهاي اين الگوريتم نيز، از طراحي آزمايش تاگوچي بهره گرفته شد تا فرايند بهينهسازي با دقت و پايداري بيشتري انجام شود. تمامي شبيهسازيها در محيط متلب پيادهسازي گرديد و نتايج حاصل بهصورت عددي و گرافيكي تحليل شد. نتايج شبيهسازي نشان داد كه الگوي دوزدهي تطبيقي و چندنقطهاي، اثربخشترين راهبردها در كاهش يكنواخت تابع فاز و جلوگيري از رشد مجدد تومور هستند. بهينهسازي با الگوريتم ازدحام ذرات توانست مكانهاي تزريق را در نواحي مرزي نيمهفعال انتخاب كند، كه موجب نفوذ مؤثرتر دارو و حداقلسازي مصرف كل آن گرديد. همچنين روند كاهش دوز تزريق در طول زمان، از الگوي باليني «حمله اوليه قوي و كنترل نگهدارنده» پيروي كرد. اين مدل عددي نهتنها توانست رفتار پيچيده تومور و دارو را با دقت شبيهسازي كند، بلكه قابليت بالايي در طراحي پروتكلهاي شخصيسازيشده درماني براي كاربردهاي باليني آينده از خود نشان داد.
چكيده انگليسي
In the contemporary world, the effective identification and treatment of brain tumors represent one of the most critical challenges in medical science and biomedical engineering. Owing to the structural complexity of the brain, tissue heterogeneity, and biological viability constraints, the development of predictive and optimization based models for drug behavior within tumoral tissues has gained increasing importance. The principal objective of this research is to propose an accurate numerical framework for modeling tumor growth and optimizing drug administration based on the Phase Field Method. The proposed model is capable of simultaneously simulating the kinematic and dynamic behavior of therapeutic agents within a complex biological environment and serves as a computational tool for recommending personalized treatment protocols.
In this study, tumor growth was first modeled in a two dimensional domain using the Allen-Cahn and Cahn-Hilliard phase field equations. Subsequently, drug transport was formulated through a reaction-diffusion-degradation equation, and the effects of key parameters such as the diffusion coefficient, uptake rate, and tissue structure were thoroughly investigated. To determine the optimal injection pattern in terms of location, timing, and dosage, the Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm was employed. Moreover, the Taguchi design of experiments was utilized to tune the PSO parameters, thereby enhancing the robustness and stability of the optimization process. All simulations were implemented in the MATLAB environment, and the results were analyzed both numerically and graphically.
The simulation outcomes revealed that adaptive and multi site dosing strategies constitute the most effective approaches for achieving uniform reduction of the phase field variable and preventing tumor regrowth. PSO based optimization successfully selected injection sites within semi active boundary regions, leading to improved drug penetration and minimization of total drug consumption. Furthermore, the optimized decreasing dosage profile over time followed the clinical paradigm of “strong initial attack and maintenance control.” The developed numerical model not only demonstrated high accuracy in capturing the complex dynamics of tumor progression and drug transport, but also exhibited strong potential for designing personalized therapeutic protocols for future clinical applications.
استاد راهنما
احمدرضا پيشه وراصفهاني
استاد داور
مهدي نيلي احمدآبادي , مجيد رضائي