فراگرما درمانی بافت سرطانی، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

فراگرما (hyperthermia) درمانی بافت سرطانی، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

شرح پروژه (فراگرما درمانی)

هدف از مسأله حاضر، شبیه سازی عددی فراگرما درمانی یک بافت سلول سرطانی با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) است.

روش‌های رایج درمان سرطان شامل جراحی، رادیوتراپی و شیمی درمانی است. این روش‌ها دارای معایبی از جمله تهاجمی بودن، برگشت ناپذیری و عوارض جانبی هستند. گرم شدن در فراگرما (Hyperthermia) درمانی از ورود اکسیژن و مواد مغذی به بافت‌های ناسالم جلوگیری می‌کند. بدین ترتیب، پروتئین‌های درون بافت تغییر ماهیت داده و می‌توانند سلول‌های سرطانی را احاطه کنند. این امر باعث می‌شود که سیستم ایمنی بتواند سلول‌های سرطانی را شناسایی کند.

پروژه حاضر جریان خون در مویرگ‌های عبوری از بافت حاوی تومورهای سرطانی را بررسی کرده است. برای این منظور، فضای کروی را نمونه‌ای از بافت یا سلول سالم بدن فرض می‌کنیم که خون به آرامی در آن جریان دارد.

چندین سیاهرگ درون این بافت وجود دارد. ساختار سیاهرگی سلول‌ها و بافت‌های بدن مانند بوته‌ها هستند. برای ساده کردن مسأله، ما فرض کردیم که همه سیاهرگ‌ها به طور یکنواخت در بافت (در راستای محور x) قرار دارند.

چهار تومور سرطانی کروی شکل با قطرهای مختلف در مرکز این بافت و روی سطح سیاهرگ‌ها به عنوان بافت بیولوژیکی وجود دارد. خواص ترموفیزیکی بافت سالم با سلول‌های سرطانی متفاوت است. با این حال، برای ساده کردن این موضوع، فرض می‌کنیم که خواص ترموفیزیکی بافت سالم مشابه سلول‌های ناسالم است.

هر بافت سرطانی به عنوان یک منبع گرمایی (heat source) با انرژی گرمایی در واحد حجم است تا باعث انتقال حرارت و درنتیجه، افزایش قابل توجه جریان خون شود. این پروژه با هدف بررسی پاسخ عروق خونی و بافت‌های بدن به این گرما در درمان فراگرما انجام شده است.

جریان خون ورودی به مویرگ دارای قدر 0.08 متربرثانیه و دمای 310.15 کلوین است. همچنین جریان خون در اطراف مویرگ دارای سرعتی برابر با 0.000035 متربرثانیه و دمای 310.15 کلوین است.

هندسه مدل حاضر را با استفاده از نرم افزار انسیس دیزاین مدلر (ANSYS Design modeler) طراحی کردیم.

سپس مدل را با استفاده از نرم افزار انسیس مشینگ (ANSYS Meshing) مش بندی کردیم. مش بندی از نوع بدون سازمان (unstructured) بوده و تعداد717087سلول ایجاد شده است.

روش‌های استفاده شده

ما معادله انرژی این شبیه‌سازی را فعال می‌کنیم تا اثر انتقال حرارت فراگرما درمانی را در نظر بگیریم.

این بافت به صورت یک محیط متخلخل (porous medium) است؛ زیرا خون از طریق مویرگ‌ها از حفره‌های خالی درون بافت‌ها جریان می‌یابد. مقدار ضریب تخلخل (porosity) برابر است با نسبت حجم فضای خالی به حجم کل فضاست که برابر با 0.05 تعریف شده است.

با توجه به شرح مسئله، ما گرما را به هر یک از چهار بافت سرطانی کروی توسط امواج اولتراسونیک (ultrasonic ) اعمال می‌کنیم. میزان حرارت‌دهی در واحد حجم بافت‌ها در مدت زمان ده ثانیه است. بنابراین از گزینه ترم منبع (source term) استفاده می‌کنیم.

یک تابع تعریف شده توسط کاربر (UDF) مقدار گرمای اعمال شده در واحد حجم را تعریف می‌کند. تولید گرما در نقطه مرکزی هر کره حدود 10000000 W/m³ است. در حالی که در سایر نقاط کره، در فاصله معینی از مرکز، کمتر از گرمای تعریف شده است. بنابراین یک کد UDF برای تعریف مقدار گرما در واحد حجم حجم کره‌ها مورد نیاز خواهد بود.

این شبیه سازی به صورت وابسته به زمان بوده و از این‌رو، از حلگر گذرا (transient) استفاده شده است.

نتایج

پس از پایان فرایند حل، کانتورهای (contour) دو بعدی و سه بعدی مربوط به سرعت، فشار و دما را ارائه دادیم. همان‌طور که از نتایج مشخص است، دمای اطراف تومورهای خونی در شکل‌ها نشان داده شده است که چالش اصلی این پروژه است.