شبیه‌سازی عددی گرما درمانی سیال مغناطیسی، با استفاده از میدان مغناطیسی متغیر، تحت تأثیر انتقال حرارت جابه‌جایی

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

2 استاد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

3 دانشیار، دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیر کبیر

چکیده

در این تحقیق، تحلیل عددی در ارتباط با اثر گرمادرمانی (افزایش دمای بدن) با استفاده از نانوذرات مغناطیسی فریت پلاتینیوم و در شرایط متغیر میدان مغناطیسی برای درمان سرطان پوست انجام شده است. حل عددی برای تحلیل مسئله انتقال گرمای زیستی و همچنین القای مغناطیسی در تومور استوانه‌ای پوست، درون بافت سالم با در نظر گرفتن تبخیر سطحی پوست و انتقال حرارت جابجایی سطح پوست ارائه گردیده است. نتایج کار با مطالعات پیشین مقایسه شده و صحت نتایج عددی تائید می‌شود. معادله انتقال حرارت زیستی برای پیش‌بینی افزایش دما با توجه به مشخصه‌های نانوذرات مغناطیسی، میدان مغناطیسی و خصوصیات بافت و شرایط محیطی به کار می‌رود. نتایج نشان می‌دهد که بین پارامترهای مؤثر بر تغییر دما، تغییرات قطر اهمیت بیشتری داشته و تأثیر فراوانی در گرمادرمانی دارد. همچنین از نتایج کار مشخص شده که، با افزایش ضریب انتقال گرمای جابجایی، میدان دمایی در راستای محوری (ارتفاع از سطح پوست) بافت کاهش یافته و از اثرات گرمادرمانی کاسته می‌شود. بنابراین گرمادرمانی در شرایط جابجایی آزاد محیطی مؤثرتر است. همچنین با تغییرات مقدار ضریب انتقال حرارت جابجایی، محل بیشینه دما درون تومور تغییر می‌کند. همچنین مشخص شده میزان تبخیر سطحی پوست، تأثیر کمی در فرایند گرمادرمانی دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Cavaliere R, Ciocatto EC. Gionanella BC, Heidelberger C, Johnson RO, Margottini M, Mondovi B, Moricca G, Fanelli AR (1967) Selective heat sensitivity of cancer cells biochemical and clinical studies. Cancer 20: 1351-1381.

[2] Robinson JE, Wizenberg MJ, Mccready WA (1974) Combined hyperthermia and radiation, an alternative to heavy particle therapy for reduced oxygen enhancement ratios. Nature  251: 521-522.

[3] Steeves RA (1992). Hyperthermia in cancer therapy: Where are we today and where are we going? Bull NY Acad Med 68: 342-350.

[4] Dewey W (1994) Arrhenius relationships from molecule and cell to clinic. Int J Hyperthermia 10: 457-483.

[5] Moroz P, Jones SK, Gray BN (2002) Magnetically mediated hyperthermia: Current status and future directions. Int J Hyperthermia 18: 267-284.

[6] Lagendijk JJW (2000). Hyperthermia treatment planning. Phys Med Biol 45: 61-76.

[7] Maenosono S, Saita S (2006) Theoretical assessment of FePt nanoparticles as heating elements for magnetic hyperthermia. IEEE Trans Magn 42: 1638-1642.

[8] Lin ChT, Liu KCh (2009( Estimation for the heating effect of magnetic nanoparticles in perfused tissues.  Int Commun Heat Mass Transfer 36: 241-244.

[9] Andrä W, D’Ambly CG, Hergt R, Hilger I, Kaiser WA (1999) Temperature distribution as function of time around a small spherical heat source of local magnetic hyperthermia. J Magn Magn Mater 194: 197-203.

[10] Jordan A, Scholz R, Wust P, Schirra H. Schiestel T, Schmidt H, Felix R (1999) Endocytosis of dextran and silancoated magnetite nanoparticles and the effect of intracellular hyperthermia on human mammary carcinoma cells in vitro. J Magn Magn Mater 194: 185-196.

[11] Jordan A, Scholz R, Maier-Hauff K, Johannsen M, Wust P,  Nadobny J, Schirra H, Schmidt H, Deger S, Loening S, Lanksch W, Felix R (2001) Presentation of a new magnetic field therapy system for the treatment of human solid tumors with magnetic fluid hyperthermia. J Mag Mag Mater 225: 118-126.

[12] Thiesen B, Jordan A (2008) Clinical applications of magnetic nanoparticles for hyperthermia. Int J Hyperthermia 24: 467-474.

[13] Bagaria HG, Johnson DT (2005) Transient solution to the bioheat equation and optimization for magnetic fluid hyperthermia treatment. Int J Hyperthermia 21: 57-75.

[14] Salloum M. Ma RH, Weeks D, Zhu L (2008) Controlling nanoparticle delivery in magnetic nanoparticle hyperthermia for cancer treatment: Experimental study in agarose gel. Int J Hyperthermia 24: 337-345.

[15] Salloum M, Ma RH, Zhu L (2008) An in-vivo experimental study of temperature elevations in animal tissue during magnetic nanoparticle hyperthermia. Int J Hyperthermia 24: 589–601.

[16] Bellizzi G, Bucci OM (2010) On the optimal choice of the exposure conditions and the nanoparticle features in magnetic nanoparticle hyperthermia. Int J Hyperthermia 26: 389-403.

[17]  Gilchrist RK, Medal R, Shorey WD, Hanselman R C, Parrott JC, Taylor CB (1957) Selective inductive heating of lymph nodes. Ann surg 146: 596-606.

[18] Gilchrist RK, Medal R, Shorey WD, Hanselman RC, DePeyster FA,  Yang J,  Medal R (1965)  Effects of electromagnetic heating on internal viscera a preliminary to the treatment of human tumors. Ann surg 161: 890-895.

[19] Rosensweig RE (2002) Heating the magnetic fluid with alternating magnetic field. J Mag Mag Mater, 252: 370–374.

[20] Mahjoob Sh, Vafai K (2009) Analytical characterization of heat transport through biological media incorporating hyperthermia treatment.  Int J Heat Mass Transfer 52: 1608-1618, 2009.

[21] Lv YG, Deng Z-Sh, Liu J (2005) 3-D numerical study on the induced heating effects of embedded micro/nanoparticles on human body subject to external medical electromagnetic field. IEEE trans nanobiosci 4: 284-292.

[22] Dhar P, Dhar R, Dhar R (2009) An analytical study of temperature control in hyperthermia by microwave. J Phys Sci 13: 39-56.

[23] Hegret R (1998) Physical limits of hyperthermia using magnetic fine particle. IEEE Trans Magn 34: 3745-3754.

[24] Hegret R (2006) Magnetic particle hyperthermia: nanoparticle magnetism and materials development for cancer therapy. J Phys 18: 2919-2934.

[25] Hegret R (2007) Magnetic particle hyperthermia-biophysical limitations of a visionary  tumor therapy. J Magn Magn Mater 311: 187-192.

[26] Rahimi-Gorji M, Pourmehran O, Gorji-Bandpy M, Gorji TB (2015) CFD simulation of behavior and particle transport and deposition in different breathing conditions through the realistic model of human airways. J Mol Liq 209: 121-133.

[27] Pourmehran O, Rahimi-Gorji M, Gorji-Bandpy M, Gorji  TB  (2015)   Simulation  of  magnetic  drug       targeting through tracheobronchial air-ways in the presence of an external non-uniform magnetic field using Lagrangian magnetic particle tracking. J Mag Mag Mater 393: 380-393.

[28] Attar, MM, Haghpanahi M, Amanpour S, Mohaqeq M (2014) Analysis of bioheat transfer equation for hyperthermia cancer treatment. J Mech Sci Tech 28: 763-771.

[29] Singh R, Das K, Mishra SC (2014) Laser-induced hyperthermia of nanoshell mediated vascularized tissue – A numerical study. J Thermal Biol 44: 55-62.

[30] Zakariapour M, Hamedi MH, Fatouraee N (2015) Numerical investigation of nanoparticles hyperthermia under influence of alternating magnetic field. Modares Mechanical Engineering 15: 298-304.

[31] Pennes HH (1948) Analyzing tissue and arterial blood temperatures in resting the human forearm. J Appl Physiol1: 93-122.

[32] Askarizadeh H, Ahmadikia H (2013) Analytical solution of the classical and generalized dual phase lag heat transfer equations in skin tissue under transient heating. Modares Mechanical Engineering13: 14-25.

[33] Yang D, Converse MC, Mahvi DM, Webster JG (2007) Expanding the bioheat equation to include tissue internal water evaporation during heating. IEEE Trans biomed eng 54: 1382-1388.

[34] Ghassemi M, Pasandeh R (2003) Thermal and electromagnetic analysis of an electromagnetic launcher. IEEE Trans  Magn 39: 1819-1822.