23891

MEC3 23

دكتري

مهندسي مكانيك - تبديل انرژي

فني و مهندسي

1403/06/27

91 ص.

حسين احمدي كيا , مهدي مشرف دهكردي

سرطان كبد , روش تاگوچي , امواج مايكروويو , نانو ذرات مغناطيسي , زمان نكروز , درمان گرمايي

اثرات درمان سرطان كبد با امواج مايكروويو و نانوذرات مغناطيسي بررسي شده و معادلات با روش المان محدود نرم‌افزار Comsol Multiphysics 5.5 گسسته و حل مي‌شوند. براي بررسي كمّي درمان تومور از زمان نكروز و نسبت نكروز است. زمان نكروز زماني است كه 99% از تومور درمان شده و نسبت نكروز، نسبت بافت سالم از بين‌رفته به حجم تومور در اين زمان است. به عنوان متغيرهاي اثرگذار بر درمان، تأثير متغيرهاي مختلف فيزيكي مانند نوع و غلظت نانوذرات، فركانس و توان مايكروويو، و متغيرهاي هندسي تعداد و مكان شكاف‌هاي آنتن، فاصله شكاف‌ها و قطر تومور بررسي شده و با الگوريتم تاگوچي بهينه‌سازي مي‌شود. سه نوع نانوذره مگميت، مگنتيت و FccFePt با درصدهاي وزني مختلف تزريق شدند. نتايج نشان دادند كه نوع نانوذره با اثرگذاري 43% بيشترين تأثير را دارد و مگميت به دليل خواص بهتر مغناطيسي درمان بهينه‌تري ارائه مي‌دهد. هرچه غلظت نانوذرات بيشتر باشد، توليد گرما و اثربخشي درمان بيشتر مي‌شود، و غلظت نانوذرات تأثيري 21% بر درمان دارد. فركانس مايكروويو نيز با 17% تأثيرگذاري باعث تقويت ميدان‌هاي الكتريكي و مغناطيسي و درمان بهتر با اثرات جانبي كمتر مي‌شود. مكان هندسي آنتن با تأثيرگذاري 11% بر درمان تأثير دارد؛ وقتي آنتن در انتهاي تومور قرار گيرد، ميدان‌هاي دمايي و نكروز به قسمت‌هاي پاييني متمايل مي‌شوند. به تدريج با جابجايي آنتن به بالا، ميدان دما و نكروز هم به سمت بالاي تومور حركت مي‌كند. كمترين تأثير مربوط به توان مايكروويو است كه با 7% اثرگذاري، تقريباً مستقل از درمان عمل مي‌كند. استفاده از آنتن سه‌شكاف به دليل ايجاد ميدان يكنواخت‌تر، درمان بهتري نسبت به آنتن تك‌شكاف و پنج‌شكاف دارد. همچنين فاصله بين شكاف‌ها تأثير چنداني ندارد و درمان مستقل از آن است. نتايج تغيير قطر تومور نشان دادند كه امواج مايكروويو در تومورهاي بزرگ‌تر اثرگذاري بيشتري دارند و كارايي اين امواج در تومورهاي بزرگ‌تر بار ديگر تأييد مي‌شود.

Liver cancer , Taguchi method , microwaves , magnetic nanoparticles , necrosis time , heat treatment

Optimization of liver cancer treatment by using microwave thermal ablation method and injection of magnetic nanoparticles

مهندسي مكانيك

In this study, the effects of liver cancer treatment using microwaves and magnetic nanoparticles are examined, and the governing equations are discretized and solved using the finite element method in Comsol Multiphysics 5.5. The most significant innovation of this research is the introduction of the variables "necrosis time" and "necrosis ratio." Necrosis time refers to when 99% of the tumor has been treated, at which point the tumor is considered cured. The necrosis ratio is the ratio of healthy tissue lost to tumor volume at this time. The study investigates the impact of various physical factors such as the type and concentration of nanoparticles, microwave frequency and power, and geometric variables including the number and position of antenna slots, slot spacing, and tumor diameter, optimized using the Taguchi algorithm. Three types of nanoparticles—maghemite, magnetite, and FccFePt—were injected at different weight percentages. Results showed that the type of nanoparticle, with an effect of 43%, had the greatest impact on treatment, and maghemite provided the most optimal treatment due to its superior magnetic properties. Higher nanoparticle concentrations resulted in more heat generation and more effective treatment, with a 21% effect on treatment efficiency. Microwave frequency, with a 17% impact, improved both electric and magnetic fields, leading to better treatment outcomes with fewer side effects. Antenna geometry influenced treatment by 11%; when the antenna was placed at the tumorʹs lower end, the thermal and necrosis fields shifted toward the lower parts. As the antenna was moved upward, these fields followed, causing an initial decrease in the necrosis ratio, followed by an increase. The least effective variable was microwave power, which had a 7% impact, indicating that treatment is almost independent of it. A three-slot antenna provided better treatment than single-slot and five-slot antennas due to a more uniform electromagnetic field. Additionally, slot spacing had little effect on treatment. Finally, the results showed that microwave treatment was more effective in larger tumors, further confirming the advantages of microwaves in treating larger tumors.

5