طراحی یک سیستم کنترلی برای تحویل دارو بطور مغناطیسی|گفتارتوان گستر 09121623463

طراحی یک سیستم کنترلی برای تحویل دارو بطور مغناطیسی|گفتارتوان گستر 09121623463

چکیده

در این مقاله، یک سیستم کنترلی را توصیف می کنیم که با استفاده از چند آهنربا دارو را بطور مغناطیسی تحویل می دهد. ما در کار قبلی جهت یابی و تجمع ذرات مغناطیسی در یک لوله ی شیشیه ای Y شکل با یک نقطه ی انشعاب را بررسی کردیم. در اینجا، کار قبلی را به یک سیستم واقع بینانه تراز رگ خونی توسعه دادیم و عملی بودن و بازده جهت یابی و تجمع ذرات مغناطیسی را در نظر گرفتیم. برای انجام آزمایش در یک مدل واقعی تر، برای درک رفتار تحویل دارو بطور مغناطیسی از یک لوله ی شیشه ای Y شکل با چندین نقطه ی انشعاب استفاده کردیم و سیستم کنترل مغناطیسی را بهینه سازی کردیم. برای از بین بردن یا کاهش برهم کنش ذرات مغناطیسی با یکدیگر و با سطح داخلی لوله ی شیشه ای، دریافتیم که تنظیم بازه ی روشن و خاموش کردن نیروی مغناطیسی اعمالی می تواند موثر باشد.

لغات کلیدی- تحویل داروی مغناطیسی؛ ذرات مغناطیسی؛ سیستم کنترل مغناطیسی

 

  1. مقدمه

در روش متعارف تحویل دارو، دارو با تزریق وریدی توزیع می شود، سپس به قلب رفته و از آنجا به تمام بدن پمپ می شود. وقتی هدف دارو ناحیه ی کوچکی است، این روش بسیار ناکارامد است چرا که میزان دارویی که نیاز دارد بسیار بیشتر از مقداری است که لازم است. برای رفع این مشکل، روش های تحویل داروی متعددی ارائه شدند. یکی از این روش ها سیستم تحویل دارو بطور مغناطیسی (MT-DDS) است. در این روش دارو به ذرات مغناطیسی کوچک زیست سازگار[1]می چسبد و به جریان خون تزریق می شود و با استفاده از یک میدان مغناطیسی با گرادیان زیاد با ناحیه ی هدف کشیده می شود. در این مقاله، روشی را در محیط آزمایشگاهی توصیف کرده و برای بهبود کارایی جهت یابی، تحلیلی تئوری برای MT-DDS با تاکید بر روی روش جهت یابی اصلاح شده ارائه می دهیم. در مقاله ی قبلی [1, 2]، دریافتیم که بازده جهت یابی به 54 درصد رسید، و 27 درصد ذرات مغناطیسی قبل از رسیدن به نقطه ی انشعاب بر روی سطح داخلی لوله باقی ماندند. در این مقاله،  نشان می دهیم که با تنظیم بازه ی روشن و خاموش کردن نیروی مغناطیسی اعمالی می توان بازده جهت یابی را بهبود داد، چرا که محل ذرات قبل از رسیدن به اولین نقطه ی انشعاب یکی از فاکتورهای اصلی برای تعیین محل نهایی ذرات در سیستم گردش خون است.

 

  1. تکنیک تحلیلی و نتیجه ی مدل سیستم گردش خون

تحلیل محاسباتی دینامیک سیال با استفاده از ANSYS 9.0  برای مدل سیستم گردشی Y شکل رگ انجام شد، که در آن سرعت متوسط جریان خون 400 mm/s است. قطر داخلی رگ 2 میلیمتر است و طول ورودی رگ تا نقطه ی انشعاب، و هم چنین طول نقطه ی انشعاب تا خروجی رگ برابر و 50 mm است (شماتیک مدل در شکل 1 نشان داده می شود). این سرعت و هندسه متناظر با سرخرگ بدن انسان است. تحلیل نتایج نشان می دهد که این جریان لایه ای است و ماکزیمم سرعت آن به 250 mm/s در جلوی نقطه ی انشعاب می رسد. جریان خطی محاسبه شده در سیستم Y شکل در شکل 1 نشان داده شده است. از انجایی که ناحیه هایی که جهت جریان مشابه دارند، با رنگ یکسان به تصویر کشیده شده اند، ذرات شناور در ناحیه ی بالایی (ناحیه ی سفید در این شکل) لوله به بخش بالایی لوله بعد از نقطه ی انشعاب می روند(در بخش بالایی لوله فقط ناحیه ی سفید رنگ دیده می شود). اگر بخواهیم ذرات مغناطیسی را به بخش پایینی لوله بعد از نقطه ی انشعاب هدایت کنیم، ذرات قبل از رسیدن به نقطه ی انشعاب باید جذب نیمه ی پایینی لوله شوند. به محض اینکه ذرات جذب نیمه ی پایینی لوله قبل از نقطه ی انشعاب شدند، بطور طبیعی به بخش پایینی می روند، به جز ذراتی که خیلی نزدیک به ورودی لوله باقی بمانند (سمت چپ شکل 1).  علاوه بر این، به منظور هدایت موثر ذرات به سمت ناحیه ی مورد نظرلوله ای با چند نقطه ی انشعاب، برهم کنش میان میدان های مغناطیسی تولید شده توسط آهنربای قرار داده شده در نقطه ی انشعاب بعدی باید در نظر گرفته شود. برای حذف یا کاهش این اثر، تنظیم بازه ی روشن و خاموش بودن نیروی مغناطیسی اعمالی می تواند عاملی موثر باشد.

شکل 1- تحلیل خط جریان

 

  1. تست جهت یابی و نتیجه ی آن

به منظور تخمین درست بازده جهت یابی و طراحی روشی بهتر برای جهت یابی، مدل سیستم جریان طراحی شد و به صورت نشان داده شده در شکل 2-a ساخته شد. سرعت متوسط جریان، قطر داخلی رگ و طول رگ همگی مشابه سیستم استفاده شده برای تحلیل محاسباتی دینامیک سیال هستند. ذرات مغناطیسی استفاده شده و آهنربای دائمی فریت Mn-Zn با اندازه ی 2 میکرومتر و آهنربای نئودیمیم بودند (چگالی فلوی مغناطیسی : 0.25  و گرادیان: 26T/m). برای بهبود بازده جهت یابی، بازه ی روشن و خاموش بودن نیروی مغناطیسی اعمالی به این صورت تنظیم شد: 30s روشن باشد و در اولین نقطه ی انشعاب به تدریج در 10 ثانیه خاموش می شود، درست بعد از عبور از اولین نقطه ی انشعاب، 30 ثانیه روشن باشد. پس از هدایت، بازده جهت یابی توسط ICP-AES برای ذرات جمع شده در محل نهایی، پس از انحلال کامل ذرات، تخمین زده شد.

بازده جهت یابی ذرات مغناطیسی تحت این مدل در جدول 1 خلاصه شد. مقادیر به دست آمده نتایجی هستند که از ذرات مغناطیسی تجمع یافته در انتهای لوله برای هر لوله ی Y شکل با نقاط انشعاب متفاوت محاسبه شده اند. بازده جهت یابی برای ذرات فرومغناطیس با استفاده از رابطه ی زیر محاسبه می شود:

اعدادی که درون دایره قرار دارند از 1 تا 8، متناظر با بخش پایانی لوله ی نشان داده شده در شکل 2(b) هستند.

زمانی که هیچ آهنربایی در نقطه ی انشعاب قرار داده نشود، مقدار مشابهی ذرات مغناطیسی انباشته شد. برای مثال، وقتی که تست جهت یابی را با استفاه از لوله ای با هشت سرشاخه انجام دادیم، بازده جهت یابی بدون آهنربا 12.5% بود. از جدول 1 می توان نتیجه گرفت که بازده جهت یابی به دست آمده بطور آزمایشی تقریبا به 80 درصد می رسد، چرا که پس از یک نقطه ی انشعاب بازده 85%، پس از دو نقطه انشعاب بازده 70% ()، و پس از سه نقطه انشعاب بازده 50% () است. وقتی بهینه سازی محل آهنربا منحصرا با روش جهت یابی مغناطیسی انجام شد، بازده جهت یابی به 54% رسید و 27% ذرات مغناطیسی بر روی سطح داخلی لوله قبل از رسیدن به نقطه ی انشعاب باقی ماندند. این امر نشان می دهد که تنظیم بازه ی روشن و خاموش بودن نیروی مغناطیسی اعمالی روشی موثر در بهبود بازده جهت یابی است.

 

جدول 1- بازده جهت یابی در هر خروجی (شماره های 1 تا 8)

1st 1: (OP) نقطه ی هدف 2
 

 

شکل 2- شماتیک برپایی سیستم

 

  1. خلاصه

با انجام تحلیل محاسباتی دینامیک سیال با استفاده از ANSYS 9.0، دریافتیم که به محض اینکه ذرات جذب بخش پایینی لوله قبل از نقطه ی انشعاب شوند، بطور طبیعی به بخش پایینی می روند، مگر اینکه ذرات خیلی نزدیک به ورودی لوله باقی بمانند. هم چنین نتیجه گرفتیم که تنظیم مناسب بازه ی روشن و خاموش بودن نیروی مغناطیسی اعمالی یکی از راه های موثر در بهبود بازده جهت یابی است.   

Related posts