فهرست مطالب

فصلنامه مهندسی پزشکی زیستی
سال پنجم شماره 2 (تابستان 1390)

  • تاریخ انتشار: 1390/06/01
  • تعداد عناوین: 7
|
  • رضا سلیمانی، سید مجتبی روحانی* صفحات 89-103
    در این مقاله یک الگوریتم جدید وموثر جهت طبقه بندی آریتمی های مهم قلبی با استفاده از سیگنال تغییرات ضربان قلب HRV که دارای مشخصه های آشوبگونه بهتری نسبت به ECG ست پیشنهاد شده است. در مرحله استخراج ویژگی، علاوه بر ویژگی های متداول خطی زمانی و فرکانسی، ویژگی های غیرخطی (آشوبگون) نیز بررسی شده اند. برای تسهیل در تعلیم و افزایش دقت طبقه بندی کننده، از دو تکنیک استفاده شده است: الف) تعداد ویژگی های استخراج شده توسط تکنیک آنالیز تمایزی تعمیم یافته GDA کاهش یافته است بدون آنکه این کاهش محتوای اطلاعات موجود را تقلیل دهد. ب) به کمک یک نگاشت خودسازمانده SOM برای هر گروه از داده ها، داده هایی برای تعلیم انتخاب شده اند که بیشترین محتوای اطلاعات را در مورد آن گروه داشته باشند. بررسی نتایج نشان می دهد که ویژگی های آشوب گونه نقش موثری در افزایش دقت سیستم تشخیص آریتمی قلبی دارد بنحوی که دقت کلی روش از حدود 92٪ به 97٪ افزایش یافته است. همچنین این نتایج موید اهمیت بکارگیری تکنیک های GDA و SOM به نحو پیش گفته است.در مرحله طبقه بندی طبقه بندهای MLP و SVM و PNN مورد استفاده قرار گرفته و نتایج مقایسه شده است. در این مقاله7 نوع آریتمی مختلف VT, VF, LBBB, CHB, AF, AFL, PVC و نیز گروه ضربانهای طبیعی (NSR) با دقت کلی 97.4 درصد شناسایی و طبقه بندی شده اند.
    کلیدواژگان: آریتمی قلبی، سیگنال ECG، سیگنال HRV، شبکه عصبی مصنوعی، ماشینهای بردار پشتیبان SVM، تحلیل تمایزی تعمیم یافته GDA، نگاشت خودسازمانده SOM
  • رضا معصومی جهاندیزی، پرویز عبدالمالکی*، سید جواد مولی صفحات 105-115
    در این مقاله به تاثیر میدان مغناطیسی ایستا با شدتهای 15 و 30 میلی تسلا بر روی چرخه سلولی، سلولهای مزانشیمی مغز استخوان رت پرداخته شده است. سلولها بعد از کشت تحت تاثیر القاکننده های تمایز عصبی قرار گرفتند. القاء تمایز  و تابش دهی به مدت 2،4 و 6 ساعت صورت گرفت. یک گروه از سلولهای القا شده با مواد القاگر عصبی، تحت تابش میدان قرار گرفتند. در کنار این، گروه کنترل نیز وجود داشت که بدون تابش میدان بودند. برای تابش دهی از یک مولد میدان مغناطیسی ایستا که انکوباتوری در درون آن تعبیه شده بود استفاده گردید. بعد از تابش دهی، سلولها با اتانول 70 درصد تثبیت شدند. سپس با پروپیدیوم ایوداید رنگامیزی شده و توسط دستگاه فلوسایتومتر درصد فازهای G2/M,S,G1/G0  محاسبه گردید. برای محاسبه درصد مراحل مختلف چرخه سلولی از نرم افزار WinMdi2.9 استفاده شد. نتایج به صورت میانگین و انحراف معیار بدست آمد. نتایج نشان داد که میدان مغناطیسی با شدت 15 میلی تسلا تاثیری بر چرخه سلولی در سلولهای مزانشیمی رت در هیچ یک از زمانهای تابش دهی (4،2 و6 ساعت)  ندارد. میدان مغناطیسی ایستا با شدت 30 ملی تسلا و 2 ساعت تابش موجب افزایش فاز G2/M  گردید. تابش 4ساعته  30 میلی تسلا بر چرخه سلولی سلولهای مزانشیمی تاثیرگذار بوده و فاز S را بطور معنی دار کاهش داد.
    کلیدواژگان: سلولهای بنیادی مغز استخوان، موش صحرایی، میدان مغناطیسی ایستا، چرخه سلولی، فلوسایتومتری
  • فاطمه باقری، حمید بهنام*، جهانگیر توکلی، سیاوش رحیمیان صفحات 117-125
    در این بررسی ارزیابی پارامتر غیرخطی بودن (B/A) و پارامتر h  ازطریق اندازه گیری دامنه اولین و دومین هارمونیک بازگشتی صورت گرفته است. این روش تغییر یافته روش دامنه معین است که با اندازه گیری های پالس-اکو تطبیق داده شده است. این بررسی به صورت غیر تهاجمی روی بافت نرمال و پخته صورت گرفت. برای B/A  نتایج به صورت تصویر و برای h نتایج به صورت میانگین مطلق به دست آمد. نتایج نشان داد که این پارامترها قادر به تفکیک بافت نرمال و پخته می باشند. نتایج این بررسی نوید دهنده مفید بودن پارامتر غیرخطی بودن در زمینه کنترل و پایش HIFU است.
    کلیدواژگان: اولتراسوند کانونی با شدت بالا، پارامترغیرخطی بودن و تعیین مشخصات نسوج
  • علی فلکی، فرزاد توحیدخواه* صفحات 127-141
    با توجه به مطالعه های صورت گرفته، سیستم حرکتی انسان از دو استراتژی کنترلی، کنترل مدل مبنا و کنترل امپدانسی، به منظور یادگیری حرکتی و مقابله با اغتشاش های خارجی استفاده می کند اما نحوه تعامل این کنترل کننده ها و چگونگی هماهنگی بین آنها چندان بررسی نشده است. در این مقاله با بهره گیری از یک کنترل کننده سرپرستی، نحوه یادگیری حرکت و عملکرد کنترل کننده های امپدانسی و مدل مبنا بررسی شده است. کنترل کننده سرپرستی با پایش رفتار و خروجی سیستم، وظیفه هماهنگی مابین کنترل کننده های امپدانسی و مدل مبنا را بر عهده دارد. بر این اساس دستور حرکتی جلوسو و سفتی مفاصل به صورت جداگانه و همزمان تنظیم و اصلاح می شوند.  به منظور ارزیابی مدل ارایه شده، حرکت رسنده دست در حضور میدان نیروی اغتشاشی، شبیه سازی و با نتایج تجربی مقایسه شده است. نتایج به دست آمده نشان دهنده آن است که برای انجام حرکتی طبیعی، علاوه بر امپدانس مناسب حرکت، بایستی مدلی درونی از حرکت نیز در اختیار سیستم کنترلی باشد. علاوه بر این از آنجا که اندازه امپدانس متناسب با میزان یادگیری بهینه می شود، بیشترین یادگیری در جهتی است که خطای حرکتی بیشتر بوده و مفاصل امپدانس کمتری دارند. همچنین نشان داده شده است که سیستم حرکتی در مواجهه با اغتشاش های ناگهانی، با استفاده از تغییر امپدانس و کاهش اثر کنترل کننده مدل مبنا سعی در جبران خطای حرکتی می کند که این امر به معنای استفاده از تجربه های پیشین توسط سیستم سرپرستی است.
    کلیدواژگان: حرکت رسنده دست، کنترل امپدانس، کنترل سرپرستی، کنترل مدل مبنا، مدل سازی، یادگیری حرکت
  • حامد خالصی، هانیه نیرومند اسکویی*، فرزان قالیچی صفحات 143-149
    تنشهای دیواره شریان یکی از عوامل اصلی ایجاد تغییر در سیستم شریانی هم در دوران رشد طبیعی و هم در زمان پیشرفت بیماری های شریانی محسوب می شود. بنابراین تعیین مقدار تنشهای دیواره در مراحل بیولوژیکی و پاتالوژیکی مهم است. از آنجایی که هندسه و ساختمان شریان در پاسخ به تغییر بارگذاری تغییر می کند، به عنوان یک قاعده اصلی می توان گفت که دیواره شریان قابلیت سازگاری با شرایط خارجی را دارد تا در مقابل افزایش تنش مقاومت کند. نتایج تجربی نشان می دهند، سخت شدن آیورت با افزایش سن منجر به افزایش دامنه پالس فشاری می شود. با افزایش فشار خون تنش محیطی دیواره افزایش می یابد. در حالی که بیشترین تنش محیطی در داخلی ترین بخش دیواره شریان اتفاق می افتد و باعث بالا رفتن کرنش محیطی شده که باعث آسیب سلولهای اندوتلیال می شود. بنابراین جراحت سلولهای اندوتلیال فاکتور کلیدی برای از بین رفتن شریان است. مکانیزم بازسازی منجر به کاهش تنش محیطی دیواره برای حفظ کارکرد شریان و کاهش جراحت سلولهای اندوتلیال می شود. این تغییرات منجر به بازسازی آیورت شده که این بازسازی به صورت افزایش قطر داخلی و ضخامت گزارش شده است. هدف از این تحقیق تحلیل تغییر تنشهای محیطی در طی این فرایند است. با به کارگیری روش المان محدود در ساختار دیواره شریان، فرایند بازسازی مورد بررسی قرار گرفته است. در مدل عددی، فشار نوسانی به عنوان بار دینامیکی و کشش طولی و زاویه باز به عنوان بار استاتیکی به مدل اعمال شده است. نتایج نشان می دهد که افزایش زاویه باز در پیری باعث افزایش تنش مانده محیطی می شود. این عامل باعث کاهش تنشهای محیطی در بازسازی دینامیکی شده است. همچنین وجود تنش مانده محیطی در افزایش سن باعث افزایش مقدار تنش دیواره خارجی نسبت به داخلی در توزیع تنش محیطی در راستای ضخامت شده است.
    کلیدواژگان: روش المان محدود- بار دینامیکی- بار استاتیکی-کشش طولی- زاویه باز- تنشهای محیطی- بازسازی
  • صهبا مبینی صفحات 151-159
    فیبرویین ابریشم، پروتئینی فیبری با خواص مکانیکی بسیار مطلوب است که توسط دسته بزرگی از جانوران از جمله کرم بومبیکس موری به شکل رشته ای ساخته می شود. ساختار منحصر به فرد ابریشم، تنوع فرآوری، زیست سازگاری، در دسترس بودن آن به شکل های گوناگون، امکان اعمال مهندسی ژنتیک بر روی گونه های مختلف، قابلیت استریل شدن، شیمی سطح مناسب و تخریب پذیری کنترل شده، ابریشم را در کاربرد های بالینی، پزشکی، آرایشی-بهداشتی و غذایی به ماده ای بی نظیر بدل کرده است. در پژوهش حاضر استحصال و بررسی پروتئین فیبرویین از تار ابریشم بومبیکس موری با هدف کاربردهای پزشکی و بهداشتی انجام شد. خواص فیزیکی، شیمیایی و ساختاری ابریشم توسط FTIR،   XRDو SEM مورد بررسی قرار گرفت. سلول های استیوبلاستی G292 به منظور بررسی خواص زیستی این بیومتریال بر روی آن کشت داده شد. نمودار طیف FTIR فیبرویین استخراج شده است که پیک هایی را در  1-cm 1655، 1-cm 1530، 1-cm 699  و 1-cm 1239 نشان می دهد. فیبرویین ابریشم همچنین پس از استخراج و پس از بازیابی با متانول از نظر میزان بلورینگی با دستگاه XRD مورد بررسی قرار گرفت که ظهور پیک  در نمونه بازیابی شده نشان از تشکیل مجدد صفحات بتا داشت. از الیاف ابریشم نیز قبل و بعد از صمغ زدایی با SEM تصویر برداری شد و قطر نسبی الیاف ابریشم بین 14 تا 24 میکرومتر تعیین شد. آزمون های زیست سازگاری بیرون تنیMTT برای بررسی قابلیت کاربرد آن در بدن انجام شد و سازگاری سلول ها در مجاورت فیبرویین به اثبات رسید. استیوبلاست های چسبیده بر روی داربست ها توسط SEM مورد بررسی قرار گرفت. بررسی های فیزیکی و زیستی اولیه بر روی پروتئین فیبرویین سازگاربودن آن با سیستم های زیستی را تایید کرد. به نظر می رسد پروتئین حاضر می تواند پیش ماده مناسبی برای تولید مواد مرتبط با سیستم های زیستی باشد.
    کلیدواژگان: ابریشم بومبیکس موری، پلیمر طبیعی، پروتئین فیبروئین، بیومتریال، زیست سازگاری
  • کریم لیل نهاری، ناصر فتورائی*، محمد صالح گنجویان صفحات 161-170
    هدف این مطالعه در دو بخش ،  بررسی عملکرد یک نوع جدید تشک با چیدمان سفارشی است .  در مرحله اول  راستای ستون مهره های مردان بر روی سطح سفت، نرم و تشک سفارشی چیدمان شده، استخراج و مورد مقایسه قرار گرفته است. در ابتدا پس از اخذ داده های ابعاد سنجی، از 25 داوطلب مرد خواسته شد تا بر روی  سطوح مذکور  بر اساس پروتکل از پیش تعیین شده ای، در وضعیت خواب به پهلو قرار گیرند. سپس مختصات مکانی نشانگرهای نصب شده بر روی زواید خاری ستون مهره های آنان توسط روش ردیابی نوری در صفحه فرونتال اخذ گردید و  زاویه π-P8  از این راستا استخراج شد. مدل آماری آنالیز واریانس یک  طرفه   و آزمون تعقیبی نشان داد که  تفاوت معنی داری بین زاویه  π-P8  (p=0.001<0.05)  در بین سه تشک سفت، نرم و سفارشی وجود دارد. مشخص گردید که تشک با چیدمان سفارشی روشی مناسب برای نگهداری بهینه ستون مهره ها در هنگام خواب می باشد و تشکهای متداول با سفتی یکنواخت توانایی نگهداری راستای ستون مهره ها در وضعیت طبیعی را ندارند.  دربخش دوم جهت بررسی دقیق وضعیت بدن هنگام استقرار بر روی تشک، نرم افزار بی آرجی لایف مد  برای مدل سازی مورد استفاده قرار گرفت. از داده های ابعادسنجی 4 نفر شاخص از گروه های مختلف ابعادی برای مدل استفاده شد. مدل های ساخته شده بر روی سطوح مشابه آزمون تجربی  از لحاظ خصوصیات مکانیکی، قرار گرفته و توسط نرم افزار تحلیل گردیدند. پس از تطبیق داده های مدلسازی و آزمون تجربی مدلسازی ابزارتقریبا مناسبی برای پیش بینی رفتار ستون مهره ها بر روی سیستم خواب مشاهده شد و توانست تا حدود بسیاری رفتار ستون مهره ها را پیش بینی کند. و نیاز به سفتی سطح خواب چهار گروه مردان از لحاظ آنتروپومتری مشخص گردید.
    کلیدواژگان: تشک، چیدمان سفارشی، مدلسازی سیستم خواب
|
  • Reza Soleimani, Seyed Mpjtaba Rouhani * Pages 89-103
    in this paper, a novel and effective algorithm for classification of important heart arrhythmia is presented. The proposed algorithm uses heart rate variation (HRV) signal which has better chaotic characteristics. In addition to commonly used linear time domain and frequency domain features, nonlinear (chaotic) features are examined, too. To increase classification accuracy and facilitate learning, two techniques are used: a) extracted features are reduced by generalized discriminant analysis (GDA) and b) by a self organizing map (SOM), the most informant data are selected. Chaotic features help to improve diagnosis accuracy from 92% up to 97%. The results indicate the importance of GDA and SOM in efficiency of proposed algorithm. MLP, SVM and PNN classifiers are examined and compared. The proposed algorithm was able to diagnose 7 arrhythmias PVC, AFL, AF, CHB, LBBB, VF, VT and normal sinus rhythm (NSR) with 97.4% accuracy.
    Keywords: Heart arrhythmia, Electrocardiography (ECG), Heart rate variability (HRV), Neural Networks, Support vector machines (SVM), self organizing maps (SOM), generalized discriminant analysis (GDA)
  • Reza Masoomi Jahandizi, Parviz Abdolmaleki *, Seyed Javad Mowla Pages 105-115
    The effect of 15 and 30 mT of static magnetic field on the cell cycle of neural inductive rat BMSC was evaluated. The BMSC was inductived by neural inductive medium (NIM). Duration of inductive and Exposure time were 2, 4 and 6 hours. The cells induction to neural inductive medium associated with SMF as exposed group, besides we have a control group. The apparatus we used to generate the SMF was a locally designed SMF generator in which there was an incubator instrument capable to maintain the humidity, temperature and CO2 concentration in predefined level. After exposing, the cells were fixed, stained and their percent of cell cycle phases; G1, S, G2/M were elucidated using flowcytometer instrument. The WinMdi 2.9 Software was used to process data from flowcytometer and elucidation of phase's percents. The results showed SMF with 15 mT intensity did not significantly alter the cell cycle in three different (2, 4 and 6 hours) exposing times. Exposing 2 hours with 30 mT increased the G2/M phases in neural inductive BMSC comparing to the corresponding control. Static magnetic field decreased the percent of S phase in BMSC, during 4 hours exposure.
    Keywords: Bone marrow stem cells, Rat, Static magnetic fields, Cell cycle, Flowcytometry
  • Fateme Bagheri, Hamid Behnam *, Jahangir Tavakoli, Siavash Rahimian Pages 117-125
    In this study we evaluate parameter of nonlinearity and parameter of h by measuring of the amplitude of the second harmonic component and the fundamental component.This method is a variation of the finiteamplitude that has been adopted for pulse echo measurements. We used normal and cooked pork muscle in-vitro. For B/A the result is showed as image and for h the result obtain as absolute mean.The result showed that these parameters can distinguish between normal and cooked tissue.This method was considered to be usable for control and monitoring HIFU.
    Keywords: High Intensity Focused Ultrasound, Parameter of Nonlinearity, tissue characterization
  • Ali Falaki, Farzad Towhidkhah * Pages 127-141
    Based on previous studies, human motor control system may apply two control strategies, impedance control and model based control, for learning motor skills and counteracting environmental instabilities. Since interaction among these controllers is not fully studied, the investigation of impedance and model based controllers function during learning period seems desirable. In this study a supervisory controller was used to coordinate the model based and impedance controllers. Coordinating model based controller and impedance controller by using supervisory unit will result in simultaneously adjustment of forward motor command and joint stiffness. In order to evaluate performance of the suggested model, it was applied to arm reaching movements in the presence of external force fields. Results showed that both suitable impedance values and a proper internal model are required to fulfill movements similar to those of humans under different circumstances. Research has shown that central nervous system is able to purposefully modulate arm impedance to counteract environmental disturbances. This study showed that beside this modulation, the maximum motor learning may occur in direction with the least impedance and the most kinematic error. It also concluded that confronting abrupt changes in disturbance, the system managed to decrease error without learning the new dynamic using previous knowledge by supervisory system. A part of this compensation is due to stiffness variations and another part is due to decreasing the influence of model based controller.
    Keywords: Arm Reaching Movements, Impedance control, supervisory control, Model based control, Modeling, Movement learning
  • Hamed Khalesi, Hanie Niroomand Oscuii *, Farzan Ghalichi Pages 143-149
    Prediction of the relationship between different types of mechanical loading and the failure of the intervertebral disc is so important to identify the risk factors which are difficult to study in vivo and in vitro. On the basis of finite element methods some of these issues may be overcome enabling more detailed assessment of the biomechanical behavior of the intervertebral disc. The objective of this paper is to develop a nonlinear axisymmetric poroelastic finite element model of lumbar motion segment and show its capability for studying the time-dependent response of disc. After comparison of the response of different models in quasi-static analysis, the poroelastic model of intervertebral disc is presented and the results of short-term, long-term creep tests and cyclic loading were investigated. The results of the poroelastic model are in agreement with experimental ones reported in the literature. Hence, this model can be used to study how different dynamic loading regimes are important as risk factors for initiation of intervertebral disc degeneration.
    Keywords: Spine, Finite element, intervertebral disc, Porous media theory, Time-Dependent Response
  • Sahba Mobini Pages 151-159
    Silk fibroin is fibrous proteins with excellent mechanical properties which are produced by wide group of animals such as Bombyx Mori. Silk fibroin with specific molecular structure can be processed into a diverse set of morphologies. Additionally, biotechnologically produced silk proteins will allow the preparation of a new generation of protein-based bio-polymeric materials with programmed properties for a wide variety of exciting medical applications. In this study, silk protein was extracted from Bombyx Mori’s cocoons and evaluated by FTIR and XRD methods. Results showed sharp amide peaks in 1655 cm-1 and 1530 cm-1 wavelength in FTIR spectrum pattern confirming existence of fibroin. SEM images of the fibers showed continuous fibers with cross-section between 14 to 24 μm. Biocompatibility tests were carried out through seeding osteoblasts cell line G292 on 2D film as well as fibers. Adhesion and proliferation of osteoblasts were investigated by MTT assay which showed no cytotoxicity. Therefore, fibroin appears to be remarkable material for prospect application in biomedicine.
    Keywords: Bombyx Mori’s cocoons, Natural polymers, fibroin, Biomaterials, Environmental compatibility
  • Karim Leilnahari, Nasser Fatouraee *, Mohammad Saleh Ganjavian Pages 161-170
    Ergonomic factors have a direct influence on the quality of spine support during sleep. Previous studies have shown that a mattress with a homogeneous stiffness can not necessarily maintain the natural spinal alignment. Using mattresses with components of different stiffness could be considered as a possible solution instead. In this research a new mattress system having elements with different stiffness has been designed. The springs used in this mattress has been combined with a special slice of polyurethane foam, and each of them has its own specific spring constant. After acquiring the anthropometrical data of 25 male volunteers, they were asked to lie in a lateral position on soft and very stiff surfaces according to predefined conditions. Then the coordinates of the markers mounted on their spinous processes were registered through the optical tracking methods. In the next step the arrangement of the foam-spring elements were changed for each subject several times, in order to spinal alignment in a frontal plane was close to his normal alignment corresponding to the upright position. The post-processing of acquired data was considered off line.In order to qualify our experiments the BRG.LifeMod was used to model body position when lying on a mattress. The anthropometrical data of 4 subjects were used for the dimensional indexes of model. Several numerical models were built with several surfaces corresponding to the experimental essays. Once again the spinal alignment extracted. Results of both experimental and numerical modeling showed that the mattress with custom-made arrangement of the elements is an appropriate solution for the optimal support of the spine during sleep. The numerical modeling was able to predict the spinal alignment. The results of this research can be very useful in designing the custom-made sleep systems according to the ergonomic factors.
    Keywords: Ergonomics, mattress stiffness, lateral sleep position, sleep system modeling, custom-made