دانشکده مهندسی مکانیک
پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی مکانیک -گرایش تبدیل انرژی
شبیه سازی عددی یک میکروسنسور اندازهگیری جریان در مدل واقعی آئورت انسان
به کوشش
امین مجرب (900398)
استاد راهنما
دکتر رضا کمالی
دی 1392
به نام خدا
شبیه سازی عددی یک میکروسنسور اندازهگیری جریان در مدل واقعی آئورت انسان
به کوشش:
امین مجرب
پایان نامه:
ارائه شده به تحصیلات تکمیلی دانشگاه شیراز به عنوان بخشی از فعالیتهای تحصیلی لازم برای اخذ درجهی کارشناسی ارشد
در رشتهی
مهندسی مکانیک (تبدیل انرژی)
از دانشگاه شیراز
شیراز
جمهوری اسلامی ایران
ارزیابی کمیته پایان نامه با درجهی: عالی
دکتر رضا کمالی، دانشیار مهندسی مکانیک (استاد راهنما) ………………………………………………………..
دکتر ابراهیم گشتاسبی راد، استادیار مهندسی مکانیک (استاد مشاور) ………………………………………
دکتر محمد مهدی علیشاهی، استاد مهندسی مکانیک (داور متخصص داخلی) ………………………….
دی 1392
تقدیم به :
استوارترین تکیهگاهم، دستان پر مهر پدرم
به سبزترین نگاه زندگیم، چشمان مادرم
سپاسگزاری
سپاس و ستایش خدای بزرگ را، که درهای علم را بر ما گشود و عمری و فرصتی عطا فرمود تا بدان، در طریق علم و معرفت خویش را بیازماییم.
از استاد عزیزم جناب آقای دکتر رضا کمالی، که راهنمایی این پایان نامه را بر عهده گرفتند و در کمال سعهی صدر و با حسن خلق و فروتنی از هیچ کمکی در انجام این پایان نامه بر من دریغ ننمودند، کمال تشکر و قدردانی را دارم. همچنین از راهنماییهای استاد مشاور خود، دکتر ابراهیم گشتاسبی راد که بنده را در راه این پایان نامه همراهی کردند، کمال تشکر را دارم.
باشد که این خردترین، بخشی از زحمات ایشان را سپاس گوید.
چکیده
شبیه سازی عددی یک میکروسنسور اندازهگیری جریان در مدل واقعی آئورت انسان
به کوشش
امین مجرب
بیماریهای شریانی به خصوص تصلب شریان و اتساع عروق از مهمترین علل مرگومیر ناگهانی در جهان به شمار میروند. روشهای متفاوتی برای تشخیص این بیماریها وجود دارد که در این تحقیق به طراحی و تحلیل یک میکروسنسور، که بر مبنای ایدهای جدید برای آشکارسازی اتساع یا گرفتگی رگها عمل میکند، پرداخته شده است. با توجه به تغییر سطح مقطع شریان در هر دو بیماری ذکر شده، سرعت جریان خون نیز تغییر خواهد کرد. لذا از یک میکروسنسور اندازهگیری سرعت جریان از نوع حرارتی که بر روی یک کتتر نصب می شود، برای اندازهگیری سرعت جریان خون و در نتیجه تشخیص این بیماریها استفاده شده است. در ابتدا به طراحی ساختار میکروسنسور و بهینهسازی هندسهی آن پرداخته شد، سپس بررسی عددی تاثیرات ناشی از ورود این میکروسنسور به داخل آئورت انسان انجام شد که هندسهی واقعی آئورت از عکسهای سیتیآنژیوگرافی استخراج شده است. با قرار دادن این میکروسنسور در نواحی مختلف آئورت به بررسی توزیع فشار، سرعت و دما در آئورت پرداختیم. نتایج بیانگر تغییرات اندک در توزیع فشار و دما بود. همچنین متوسط سرعت جریان در یک مقطع با حضور میکروسنسور، افزایش اندکی داشت. در نتیجه حضور میکروسنسور دقت اندازهگیری را به میزان کمی کاهش خواهد داد. همچنین، نتایج نشان دادند که توان مصرفی میکروسنسور طراحی شده در این تحقیق، در محدوده توان مصرفی کم قرار دارد.
واژگان کلیدی: تصلب شریان، اتساع عروق، میکروسنسور، آئورت، سیتیآنژیوگرافی.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه…………………………………………………………………………………………. 1‌
1-1- مقدمه3
1-2- هدف4
1-3- مفاهیم اصلی5
1-3-1- رگهای خونی5
1-3-2- قلب8
1-3-3- سیستم گردش خون10
1-3-4- دوره قلبی11
1-3-5- خون13
1-3-6- جریان خون در آئورت16
1-3-7- سیتیآنژیوگرافی16
1-3-8- کتتر18
1-3-9- سیستمهای میکروالکترومکانیکی19
1-3-10- انواع میکروسنسورهای اندازهگیری جریان21
فصل دوم: مروری بر تحقیقات گذشته …………………………………………………………..26
2-1- مطالعات انجام شده در رابطه با میکروسنسورهای اندازهگیری جریان28
2-2- مطالعات انجام شده در رابطه با جریان خون در بدن34
فصل سوم: معادلات حاکم بر مساله ……………………………………………………………..39
3-1- جریان الکتریکی41
3-2- سیال42
3-3- جامد44
فصل چهارم: طراحی و بهینه سازیساختار میکروهیتر و تولید هندسه …………..45
4-1- طراحی و بهینه‌سازی ساختار میکروهیتر47
4-2- تولید هندسهی مربوط به میکروسنسور، جهت ورود به آئورت59
4-3- مراحل ساخت هندسهی واقعی آئورت انسان62
4-4- نحوه ورود کتتر به شریان آئورت67
فصل پنجم: حل جریان در هندسهی ساده ……………………………………………………69
فصل ششم: تحلیل نتایج …………………………………………………………………………….77
6-1- شرایط مرزی79
2-6- مشخصات سیال92
6-3- مطالعات شبکه93
6-4- بررسی رژیم جریان در آئورت103
6-5- سخت‌افزار مورد استفاده103
6-6- شرایط اولیه103
6-7- مقایسهی نتایج با نتایج حاصل از نرم افزار فلوئنت104
6-8- محاسبهی اختلاف پتانسیل لازم برای اعمال در دو سر میکروهیتر106
6-9- تحلیل و مقایسه نتایج دردوحالت وجود و یا عدم وجود میکروسنسور درآئورت106
فصل هفتم: نتیجهگیری و پیشنهادات …………………………………………………………143
7-1- نتیجهگیری145
7-2- پیشنهادات147
فهرست منابع ……………………………………………………………………………………………149
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول ‏41: خواص فیلم نازک نیکلی50
جدول ‏42: خواصPDMS 50
جدول ‏43: مقادیر پارامترهای متغیر در طی روند بهینهسازی53
جدول ‏44 : خواص پاریلینسی61
جدول ‏51 : بررسی استقلال نتایج حل عددی از شبکه72
جدول ‏61: مقایسه حداکثر سرعت در زمان‌های مختلف برای پنج شبکهی بکار رفته95
جدول ‏62: مقایسه فشار خروجی شریان سلیاک در زمان ‌های مختلف برای پنج شبکه ی بکار رفته95
فهرست شکلها
عنوان صفحه
شکل ‏11: نمایی از آئورت و شاخههای مهم منشعب شده از آن7
شکل ‏12: نمایی از آئورت و شاخه‌های جدا شده از قوس آئورتی7
شکل ‏13: تصویری از قلب و حفره‌هایش8
شکل ‏14: نمایی از نحوه ورود و خروج خون در قلب10
شکل ‏15: دستگاه گردش خون و توزیع خون (درصد نسبت به کل حجم خون بدن) در قسمت های مختلف آن11
شکل ‏16: تغییرات فشار دهلیزی، بطنی و آئورتی13
شکل ‏17: رابطه بین لزجت خون با نرخ برش بر اساس داده‌های آزمایشگاهی مختلف14
شکل ‏18: مدلهای مختلف برای بیان خاصیت غیر نیوتنی خون15
شکل ‏19: نمایی ساده از نحوه عملکرد میکروسنسور کالریمتریک22
شکل ‏110: نمایی ساده از نحوه عملکرد میکرو سنسور زمان گریز22
شکل ‏111: شیوه‌های مختلف انتقال حرارت از یک میکروسنسور فیلم نازک23
شکل ‏21: میکروسنسور ساخته شده توسط پترسن28
شکل ‏22: سه نما از میکروسنسور ساخته شده توسط نگوین و دوزل30
شکل ‏23: نمایی از میکروسنسور ساخته شده توسط وو و همکاران31
شکل ‏24: نمایی از میکروسنسور ساخته شده توسط منگ و همکاران31
شکل ‏25: میکروسنسورهای نصب شده روی نوار پلیمری توسط لی و همکاران32
شکل ‏26: میکروسنسور ساخته شده توسط لیو و همکاران32
شکل ‏27: میکروسنسور ساخته شده توسط ارنس و فستا33
شکل ‏28: هندسه درخت شریانهای سیستمیک، استفاده شده در کار الافسن36
شکل ‏41: شش ساختار متفاوت برای طراحی میکروهیترها48
شکل ‏42: یک سیکل از میکروهیتر شبیه‌سازی شده50
شکل ‏43: توزیع دما در سنسور، مربوط به ردیف اول جدول 4-356
شکل ‏44: توزیع دما در سطح میکروهیتر، مربوط به ردیف اول جدول 4-356
شکل ‏45: توزیع دما در سنسور، مربوط به ردیف چهاردهم جدول 4-357
شکل ‏46: توزیع دما در سطح میکروهیتر، مربوط به ردیف چهاردهم جدول 4-357
شکل ‏47: ساختار بهینهی نهایی برای میکروهیتر مورد مطالعه58
شکل ‏48: توزیع دما در سنسور، مربوط به حالت بهینهی نهایی58
شکل ‏49: توزیع دما در سطح میکروهیتر، مربوط به حالت بهینهی نهایی59
شکل ‏410: شمایی از میکروسنسور طراحی شده در این تحقیق62
شکل ‏411: نمایی از تصاویر وارد شده به نرم‌افزار میمیکس63
شکل ‏412: نمایی از هندسهی سه بعدی تولید شده، بدون ویرایش63
شکل ‏413: نمایی از هندسهی سه بعدی شریان آئورت، پس از ویرایش64
شکل ‏414: نمایی از هندسهی هموار شریان آئورت در نرمافزار میمیکس65
شکل ‏415: نمایی از پروفایل رسم شده در یک مقطع از آئورت با استفاده از مرزهای مناطق تفکیک شده65
شکل ‏416: بخشی از پروفایلهای استخراج شده از نرم‌افزار میمیکس66
شکل ‏417: هندسهی سه بعدی نهایی شریان آئورت66
شکل ‏418: نمایی از شریانهای نیمه پایین بدن67
شکل ‏51: هندسهی مربوط به شریان کرونری71
شکل ‏52: نمایی از شبکه بندی مورد استفاده برای مدل شبیه‌سازی شده از شریان کرونری73
شکل ‏53: توزیع سرعت در مقطع ابتدایی ناحیه منحنی در زمانی که جریان ورودی بیشینه است. خط چین نتیجه حاصل از این تحقیق و خط تیره نتیجه حاصل از کار توری و همکاران را نشان میدهد.74
شکل ‏54: نمایی از حضور کتتر در مدل شبیه‌سازی شده از شریان کرونری74
شکل ‏55: توزیع سرعت در شریان کرونری زمانی که کتتر وارد آن شده است، در مقطع ابتدایی ناحیه منحنی و در زمانی که جریان ورودی بیشینه است. خط چین نتیجه حاصل از این تحقیق و خط تیره نتیجه حاصل از کار توری و همکاران را نشان میدهد.75
شکل ‏56: نمایش مکان نقاط a و b که افت فشار بین آن‌ها محاسبه خواهد شد.76
شکل ‏57: نمودار افت فشار بین نقاط a و b بر حسب زمان76
شکل ‏61: تابع فشار ورودی نسبت به زمان در ورودی شریان آئورت81
شکل ‏62: شریان آئورت و شاخههای خروجی از آن82
شکل ‏63: تغییرات دبی حجمی نسبت به زمان در شاخههای خروجی از شریان آئورت. (الف) شریان براکیوسفالیک (ب) شریان کاروتید مشترک چپ (ج) شریان تحت ترقوهای چپ. (د) شریان لگنی راست و چپ83
شکل ‏64: تغییرات دبی حجمی نسبت به زمان در شاخههای خروجی از شریان آئورت. (الف) شریان سلیاک. (ب) شریان روده‌ای پایین. (ج) شریان‌های کلیوی راست و چپ. (د) شریان روده‌ای بالا84
شکل ‏65: تابع دبی حجمی نسبت به زمان در خروجی شریان براکیوسفالیک85
شکل ‏66: تابع دبی حجمی نسبت به زمان در خروجی شریان کاروتید مشترک چپ86
شکل ‏67: تابع دبی حجمی نسبت به زمان در خروجی شریان تحت ترقوهای چپ87
شکل ‏68: تابع دبی حجمی نسبت به زمان در خروجی شریان‌های لگنی راست و چپ88
شکل ‏69: تابع دبی حجمی نسبت به زمان در خروجی شریان سلیاک89
شکل ‏610: تابع دبی حجمی نسبت به زمان در خروجی شریان روده‌ای پایین90
شکل ‏611: تابع دبی حجمی نسبت به زمان در خروجی شریان‌های کلیوی راست و چپ91
شکل ‏612: تابع دبی حجمی نسبت به زمان در خروجی شریان روده‌ای بالا92
شکل ‏613: نمایی از شبکه بندی دامنه محاسباتی در مقطع ورودی جریان خون94
شکل ‏614: نمایی از پاره خط MN جهت مطالعه شبکه96
شکل ‏615: بررسی تأثیر تغییر تعداد المان‌های شبکه بر روی توزیع سرعت در طول پاره‌خطی مشخص در دامنه محاسباتی سیال96
شکل ‏616: نمایی از شبکه بندی شریان آئورت در این تحقیق97
شکل ‏617: نمایی نزدیک از شبکه بندی شریان آئورت، (الف) ناحیهای با کیفیت شبکهی بالا، (ب) ناحیهای با کیفیت شبکهی پایین.98
شکل ‏618: نمایی از قرارگیری سنسور در سه موقعیت مختلف در آئورت. (الف) سنسور در شریان لگنی چپ، (ب) سنسور در میانهی آئورت و (ج) سنسور در قوس آئورتی.100
شکل ‏619: نمایی نزدیک از شبکه بندی دامنهی محاسباتی در حالتی که، (الف) سنسور در شریان لگنی چپ قرار دارد، (ب) سنسور در میانهی آئورت قرار دارد، (ج) سنسور در قوس آئورتی قرار دارد و (د) نمایی از شبکه بندی میکروهیتر و زیرلایه.102
شکل ‏620: منحنی تغییرات (الف) سرعت ورودی در شریان آئورت نسبت به زمان، (ب) فشار در خروجی شریان لگنی نسبت به زمان.105
شکل ‏621: نمایش زمانهایی که در آنها جریان تحلیل خواهد شد.107
شکل ‏622: نمودار تغییرات سرعت ورودی به شریان آئورت نسبت به زمان، ارائه شده توسط تای108
شکل ‏623: توزیع سرعت با نشان دادن خطوط جریان در شریان آئورت و در زمان 09/0 ثانیه، هنگامی که (الف) میکروسنسور وارد آئورت نشده است، (ب) میکروسنسور در شریان لگنی چپ قرار دارد، (ج) میکروسنسور در میانه آئورت قرار گرفته است و (د) هنگامی که میکروسنسور در قوس آئورتی قرار دارد.109
شکل ‏6-24: توزیع سرعت با نشان دادن خطوط جریان در شریان آئورت و در زمان 14/0 ثانیه، هنگامی که (الف) میکروسنسور وارد آئورت نشده است، (ب) میکروسنسور در شریان لگنی چپ قرار دارد، (ج) میکروسنسور در میانه آئورت قرار گرفته است و (د) هنگامی که میکروسنسور در قوس آئورتی قرار دارد.110
شکل ‏6-25: توزیع سرعت با نشان دادن خطوط جریان در شریان آئورت و در زمان 2/0 ثانیه، هنگامی که (الف) میکروسنسور وارد آئورت نشده است، (ب) میکروسنسور در شریان لگنی چپ قرار دارد، (ج) میکروسنسور در میانه آئورت قرار گرفته است و (د) هنگامی که میکروسنسور در قوس آئورتی قرار دارد.111
شکل ‏6-26: توزیع سرعت با نشان دادن خطوط جریان در شریان آئورت و در زمان 36/0 ثانیه، هنگامی که (الف) میکروسنسور وارد آئورت نشده است، (ب) میکروسنسور در شریان لگنی چپ
قرار دارد، (ج) میکروسنسور در میانه آئورت قرار گرفته است و (د) هنگامی که میکروسنسور در
قوس آئورتی قرار دارد.112
شکل ‏627: توزیع سرعت با نشان دادن خطوط جریان در شریان آئورت و در زمان 7/0 ثانیه، هنگامی که (الف) میکروسنسور وارد آئورت نشده است، (ب) میکروسنسور در شریان لگنی چپ قرار دارد، (ج) میکروسنسور در میانه آئورت قرار گرفته است و (د) هنگامی که میکروسنسور در قوس آئورتی قرار دارد.113
شکل ‏628: مقاطع مشخص شده برای بررسی جریان ثانویه115
شکل ‏629: (الف) خطوط جریان و (ب) بردارهای سرعت، مربوط جریان ثانویهی تشکیل شده در مقطع A در زمان 37/0 ثانیه و در حالت عدم حضور کتتر در آئورت116
شکل ‏630: (الف) خطوط جریان و (ب) بردارهای سرعت، مربوط به جریان ثانویهی تشکیل شده در مقطع B در زمان 51/0 ثانیه و در حالت عدم حضور کتتر در آئورت.118
شکل ‏631: (الف) خطوط جریان و (ب) بردارهای سرعت، مربوط به جریان ثانویهی تشکیل شده در مقطع B در زمان 51/0 ثانیه و در حالتی که کتتر در قوس آئورتی قرار دارد.119
شکل ‏632: (الف) خطوط جریان و (ب) بردارهای سرعت، مربوط به جریان ثانویهی تشکیل شده در مقطع C در زمان 6/0 ثانیه و در حالت عدم حضور کتتر در آئورت.121
شکل ‏633: (الف) خطوط جریان و (ب) بردارهای سرعت، مربوط به جریان ثانویهی تشکیل شده در مقطع C در زمان 6/0 ثانیه و در حالتی که کتتر در قوس آئورتی قرار دارد.122
شکل ‏634: توزیع تنش برشی در دیوارههای شریان آئورت و در زمان 09/0 ثانیه، (الف) هنگامی که میکروسنسور وارد آئورت نشده است، (ب) میکروسنسور در شریان لگنی چپ قرار دارد، (ج) میکروسنسور در میانه آئورت قرار گرفته است و (د) هنگامی که میکروسنسور در قوس آئورتی قرار دارد.124
شکل ‏635: توزیع تنش برشی در دیوارههای شریان آئورت و در زمان 14/0 ثانیه، (الف) هنگامی که میکروسنسور وارد آئورت نشده است، (ب) میکروسنسور در شریان لگنی چپ قرار دارد، (ج) میکروسنسور در میانه آئورت قرار گرفته است و (د) هنگامی که میکروسنسور در قوس آئورتی قرار دارد.125
شکل ‏636: توزیع تنش برشی در دیوارههای شریان آئورت و در زمان 2/0 ثانیه، (الف) هنگامی
که میکروسنسور وارد آئورت نشده است، (ب) میکروسنسور در شریان لگنی چپ قرار دارد، (ج) میکروسنسور در میانه آئورت قرار گرفته است و (د) هنگامی که میکروسنسور در قوس آئورتی قرار دارد.126
شکل ‏637: توزیع تنش برشی در دیوارههای شریان آئورت و در زمان 36/0 ثانیه، (الف) هنگامی که میکروسنسور وارد آئورت نشده است، (ب) میکروسنسور در شریان لگنی چپ قرار دارد، (ج) میکروسنسور در میانه آئورت قرار گرفته است و (د) هنگامی که میکروسنسور در قوس آئورتی قرار دارد.127
شکل ‏638: توزیع تنش برشی در دیوارههای شریان آئورت و در زمان 7/0 ثانیه، (الف) هنگامی که میکروسنسور وارد آئورت نشده است، (ب) میکروسنسور در شریان لگنی چپ قرار دارد، (ج) میکروسنسور در میانه آئورت قرار گرفته است و (د) هنگامی که میکروسنسور در قوس آئورتی قرار دارد.128
شکل ‏639: نحوه قرار گرفتن سنسور نزدیک دیواره جهت بررسی تنش برشی روی دیواره129
شکل ‏640: توزیع تنش برشی در دیوارههای شریان آئورت و در زمان 14/0 ثانیه، (الف و ج) هنگامی که سنسور وارد شریان لگنی چپ نشده است و (ب و د) سنسور نزدیک دیوارهی شریان لگنی چپ قرار دارد.130
شکل ‏641: توزیع تنش برشی در دیوارههای شریان آئورت و در زمان 25/0 ثانیه، (الف و ج) هنگامی که سنسور وارد شریان لگنی چپ نشده است و (ب و د) سنسور نزدیک دیوارهی شریان لگنی چپ قرار دارد.131
شکل ‏642: افت فشار بین نقطهای در نوک کتتر و مقطع خروجی شریان لگنی چپ، هنگامی که کتتر در قوس آئورتی قرار دارد و مقایسه نتیجه با حالت عدم حضور کتتر.133
شکل ‏643: خط رسم شده در مقطعی که سنسور قرار دارد، برای بررسی پروفیل سرعت در طول آن134
شکل ‏644: توزیع سرعت در طول خط نشان داده شده درشکل 6-43 و در زمان 09/0 ثانیه134
شکل ‏645: توزیع سرعت در طول خط نشان داده شده درشکل 6-43 و در زمان 14/0 ثانیه135
شکل ‏646: توزیع سرعت در طول خط نشان داده شده درشکل 6-43 و در زمان 2/0 ثانیه135
شکل ‏647: توزیع سرعت در طول خط نشان داده شده درشکل 6-43 و در زمان 7/0 ثانیه136
شکل ‏648: تغییرات میانگین سرعت نسبت به زمان، هنگام قرار گرفتن کتتر در شریان لگنی و در مقطعی که میکروسنسور در آن قرار دارد.137
شکل ‏649: تغییرات میانگین سرعت نسبت به زمان، هنگام قرار گرفتن کتتر در میانهی آئورت و در مقطعی که میکروسنسور در آن قرار دارد.137
شکل ‏650: تغییرات میانگین سرعت نسبت به زمان، هنگام قرار گرفتن کتتر در قوس آئورتی و در مقطعی که میکروسنسور در آن قرار دارد.138
شکل ‏651: پاره خط رسم شده از نقطهای روی سطح داخلی زیرلایه تا دیوارهی شریان، به منظور بررسی توزیع دما در طول آن139
شکل ‏652: توزیع دما در طول خط نشان داده شده در شکل 6-51، در زمانهای مختلف و در حالتی که سنسور در شریان لگنی قرار دارد.139
شکل ‏653: توزیع دما در طول خط نشان داده شده در شکل 6-51، در زمانهای مختلف و در حالتی که سنسور در میانهی آئورت قرار دارد.140
شکل ‏654: توزیع دما در طول خط نشان داده شده در شکل 6-51، در زمانهای مختلف و در حالتی که سنسور در قوس آئورتی قرار دارد.140
شکل ‏655: توزیع دما در طول خط نشان داده شده در شکل 6-51، در زمانهای مختلف و در حالتی که سنسور در شریان لگنی و در فاصلهی بسیار نزدیک به دیواره قرار گرفته است.141
شکل ‏656: تغییرات بیشینه دما در سطح میکروهیتر، نسبت به زمان، در حالتی که سنسور در شریان لگنی قرار دارد.142
شکل ‏657: تغییرات توان مصرفی سنسور نسبت به زمان142
فهرست نشانه‌های اختصاری
Grعدد گراشف
Reعدد رینولدز
Iجریان الکتریکی
Rمقاومت الکتریکی
hضریب انتقال حرارت جابجایی
Awمساحت تصویر شدهی المان حرارتی
Twدمای المان حرارتی
Tfدمای سیال
Rrefمقاومت الکتریکی المان حرارتی در دمای مرجع
Trefدمای مرجع
αضریب دمایی مقاومت الکتریکی
Vfسرعت سیال
Jچگالی جریان الکتریکی
σرسانش الکتریکی
Eمیدان الکتریکی
Jeچگالی جریان الکتریکی خارجی
∇Vگرادیان پتانسیل الکتریکی
Qjمنبع جریان الکتریکی
∇tگرادیان مماسی
dsضخامت لایه رسانا
ρچگالی
uبردار سرعت جریان خون
pفشار
Iماتریس همانی
τتانسور تنش
Fبردار نیروی حجمی
μویسکوزیته دینامیک
Cگرمای ویژه
Tدمای مطلق
Kضریب رسانش گرمایی
Qمنبع حرارتی
μ0لزجت برشی صفر
μ∞لزجت برشی بینهایت
فصل اول
مقدمه و مفاهیم اصلی
مقدمه
امروزه ميزان مرگ و مير ناشي از بیماری‌های غير واگير به‌ ويژه بیماری‌های قلبي-عروقي در كشورهاي جهان به خصوص كشورهاي در حال توسعه در حال افزايش است .از مهمترین بیماریهای عروقی میتوان به اتساع عروق1 و تصلب شریان2 اشاره کرد.
اتساع عروق یا آنوریسم، عبارت‌ است‌ از بزرگ‌ شدن‌ یا بیرون زدگی‌ دیوارهی‌ رگ که‌ در اثر ضعف‌ دیواره‌ رخ میدهد و معمولاً در آئورت‌ یا سرخرگ‌هایی‌ كه‌ مغز، پاها، یا دیواره‌ قلب‌ را تغذیه‌ می‌كنند، ایجاد می‌شود. آنوریسم در آئورت3 باعث وارد آمدن فشار به اعضای مجاور شده و بر حسب محل آنوریسم، علائم فشاری و تنگی نفس ایجاد میکند. آنوریسم در یک سرخرگ در پا باعث نرسیدن خون کافی به نقاط مختلف پا می‌شود که باعث ضعف و رنگ‌پریدگی در پا میشود. وجود آنوریسم در قلب باعث نامنظم شدن ضربان قلب میشود. وجود آنوریسم در یک سرخرگ مغزی عوارضی مانند ضعف، فلج و تغییر بینایی را خواهد داشت.
تصلب شریان زمانی به وجود میآید که رسوبات چربی و سایر مواد در شریانهای بدن تجمع یافته و باعث گرفتگی آنها میشوند، که این گرفتگی جریان خون در بدن را کند و یا حتی متوقف خواهد کرد. حال برای اینکه جریان خون سیر طبیعی خود را با فشار ثابت بپیماید قلب مجبور است خون را با فشار زیادتری از میان این شریانها عبور دهد که نتیجه آن بزرگ شدن قلب و آسیب دیدن آن است. همچنین اگر قلب خون کافی برای فعالیت نداشته باشد دچار درد سینه یا حمله قلبی خواهد شد. درد سینه یک درد فشاری یا احساس فشار در قفسه سینه است. هم چنین ممکن است قطعه‌ای از رسوبات از جدار شریان جدا شده و همراه با جریان خون حرکت کند و در مکانی دورتر یک شریان کوچک را مسدود کند.
با توجه به خطرات ذکر شده برای بیماریهای عروقی، تشخیص زودهنگام این بیماریها اهمیت ویژهای مییابد. با توجه به اینکه در هر دو نوع بیماری عروقی ذکر شده سطح مقطع و در نتیجه سرعت جریان خون در شریان تغییر پیدا میکند، از این رو استفاده از یک میکروسنسور اندازهگیری جریان4 با دقت بالا که کمترین تغییرات را در سیستم گردش خون بدن ایجاد کند، ایده خوبی برای تشخیص گرفتگی و یا اتساع در رگها خواهد بود. استفاده از تجهیزات ساخته شده در ابعاد میکرو برای کاربردهای پزشکی به خاطر اتلاف انرژی کم، دقت بالا، حساسیت بالا و سایز کوچک و هم چنین به دلیل نتیجه بخشتر و کم هزینهتر بودن در اقدامات لازم برای مراقبت از سلامت، در حال گسترش است.
1-2- هدف
هدف ما در این مطالعه، شبیهسازی یک نوع میکروسنسور اندازهگیری جریان از نوع فیلم داغ در مدل واقعی آئورت انسان میباشد که بر مبنای ایدهای جدید، اتساع یا گرفتگی رگها را آشکار میسازد. سنسورهای فیلم داغ دارای مزیتهای زیادی از جمله حجم کوچک، دقت بالا، پاسخ زمانی کوتاه، ساخت آسان و قیمت ارزان در تولید انبوه میباشند[1]. از مزیتهای این نوع میکروسنسور در تشخیص و درمان بیماریهای عروقی, نسبت به آنژیوگرافی, عدم استفاده از ماده حاجب که عوارض زیادی را به همراه دارد، میباشد. اما نحوه درمان همانند آنژیوگرافی میباشد. برای مثال میتوان در ناحیهای که گرفتگی عروق، توسط میکروسنسور تشخیص داده میشود، از عمل بالون زدن و استنت5 گذاری استفاده کرد. تزریق هر نوع ماده حاجب احتمال بروز عوارضی مانند ریسک واکنش حساسیتی، نارسایی کلیه، اختلال ضربان قلب و تشنج را در پی خواهد داشت.
1-3- مفاهیم اصلی
1-3-1- رگهای خونی
رگهای خونی به سه دسته اصلی تقسيم می‌شوند:
سرخرگها6 ( شريانها ) که خود به دو گروه سرخرگها و سرخرگهای کوچک7 ( آرتريولها) تقسيم می‌شوند.
سياهرگها8 (وريدها) که خود به دو گروه سياهرگها و سياهرگهای کوچک9 ( ونولها ) تقسيم می‌شوند.
مويرگها10 که عروق بسيار ظريفی هستند و در حد فاصل آرتريولها و ونولها قرار دارند.
سرخرگهای بزرگ رگهای خونی پرفشاری هستند که خون را از قلب دور کرده و به سرخرگهای کوچک می‌رسانند. سپس خون وارد مويرگها شده و تبادل اکسيژن، دی اکسيدکربن و مواد مغذی و فضولات متابوليسمی صورت گرفته و وارد سياهرگهای کوچک می‌شود. از آنجا خون کم فشار وارد سیاهرگ‌های بزرگ شده و به قلب بازمی‌گرد.
تمام سرخرگها خون را از قلب دور کرده و تمام سياهرگها خون را به قلب نزديک میکنند. در نتيجه تمام سرخرگها حاوی خون تصفيه شده هستند، غير از سرخرگ ششی که خون تصفيه نشده را از بطن راست به ششها می‌برد تا تصفيه شود. تمام سياهرگها حاوی خون تصفيه نشده هستند، غير از چهار سياهرگ ششی که خون تصفيه شده را از ششها به دهليز چپ برمی‌گردانند[2].
مهم‌ترین سرخرگ بدن آئورت می‌باشد که خون را از بطن چپ قلب دریافت و به اعضای بدن می‌رساند. در ابتدای محل خروج آئورت از بطن چپ، دریچه آئورت قرار دارد. کار دریچه آئورت این است که هنگام انبساط بطن چپ بسته شده و مانع از برگشت خون از آئورت به قلب می‌شود. آئورت پس از خروج از بطن چپ به سه قسمت آئورت صعودی11، قوس آئورت12، و آئورت نزولی13 تقسیم می‌شود. شریانهای کرونری از ابتدای آئورت منشأ گرفته و بنابراین اولین شریان‌هایی هستند که خون حاوی اکسیژن زیاد را دریافت کرده و به عضلات قلب میرسانند. دو شریان کرونری (چپ وراست) نسبتاً کوچک بوده و هر کدام فقط ۳ یا ۴ میلی‌متر قطر دارند. بعد از آئورت صعودی به قوس آئورت میرسیم. از قوس آئورت ابتدا شریان براکیوسفالیک14 جدا می‌شود که این شریان خود به دو شاخه شریان تحت ترقوه‌ای راست15 و کاروتید راست16 تقسیم می‌شود. دومین شریان اصلی که از آئورت جدا می‌شود شریان کاروتید چپ17 و سومین شریان، شریان تحت ترقوه‌ای چپ18 است. بعد از قوس آئورت، آئورت نزولی قرار دارد. آئورت نزولی را در قفسه سینه، آئورت سینه‌ای19 و در محوطه شکم، آئورت شکمی20 می‌نامند. شریانهای سلیاک21، شریانهای کلیوی22 راست و چپ و شریان‌های روده‌ای23 بالا و پایین از آئورت نزولی جدا می‌شوند. آئورت در انتهای مسیر خود به دو شریان لگنی24 راست و چپ منشعب شده و به اندام تحتانی خون رسانی می‌کند. شکل 1-1 سرخرگ آئورت و شاخههای منشعب شده از آن را نشان میدهد. شکل 1-2 شاخه‌های منشعب شده از قوس آئورتی را به وضوح نشان میدهد.
شکل ‏11: نمایی از آئورت و شاخههای مهم منشعب شده از آن[3]
شکل ‏12: نمایی از آئورت و شاخه‌های جدا شده از قوس آئورتی[4]
1-3-2- قلب
قلب انسان از چهار حفره تشکيل شده است که وظيفه آن پمپ کردن خون به سراسر بدن میباشد. قلب دارای چهار حفره است. دهلیز25 راست، بطن26 راست، دهلیز چپ و بطن چپ[2].
شکل 1-3 شمایی از این چهار حفره را نشان میدهد که علایم به‌کاربرده شده برای حفرهها عبارتند از :
LV=Left Ventricle, LA=Left Atrium, RA=Right Atrium, RV=Right Ventricle
شکل ‏13: تصویری از قلب و حفره‌هایش[5]
قلب توسط یک دیواره عضلانی عمودی به دو نیمه راست و چپ تقسیم می‌شود. هر یک از دو نیمه راست و چپ نیز مجدداً به وسیله یک دیواره عضلانی افقی نازک‌تر به دو حفره فرعی مجزا تقسیم می‌شوند. حفره‌های بالایی دهلیز نام داشته و دریافت‌کننده خون می‌باشند و حفره‌های پایینی بطن نام دارند که وظیفه آنها پمپ کردن خون دریافتی به اعضای بدن میباشد. بين بطنها و دهليزها و همچنين بين قلب و سرخرگهای بزرگ (آئورت و سرخرگ ریوی) دريچههايی وجود دارد که در مجموع چهار دریچه میباشند. وظيفه دريچههای قلبی جلوگيری از بازگشت جريان خون از بطنها به دهليزها يا از سرخرگهای بزرگ به بطنها میباشد. دريچههای دهليزی- بطنی27 شامل دريچه سه لتی28 و دریچه دولتی (میترال29) میباشند، که به ترتيب بين دهليز و بطن راست و بين دهلیز و بطن چپ قرارگرفته‌اند. دريچه ریوی30 بين بطن راست و سرخرگ ریوی قرار گرفته است و دريچه آئورتی31 بين سرخرگ آئورت و بطن چپ قرار دارد. جريان خون از بطن چپ به آئورت میرود و پس از گردش در نواحی مختلف بدن (بجز ششها) از طریق دو سیاهرگ به نامهای اجوف فوقانی32 و اجوف تحتانی33 به دهلیز راست وارد میشود. این گردش خون به عنوان گردش سيستميک34 شناخته میشود. خون وارد شده به دهلیز راست از طریق دریچه دهلیزی- بطنی وارد بطن راست می‌شود. جريان خون از بطن راست از طریق شریان ریوی به سمت ریه‌ها فرستاده میشود که دهلیز چپ در برگشت این خون فرستاده شده به ریهها را دریافت میکند. این گردش خون به عنوان گردش ریوی35 تعريف میشود. نرخ پمپاژ خون از راه گردشهای سيستميک و ریوی در شرايط معمولی حدود 2/5 ليتر در دقيقه میباشد. میتوان گفت قلب از دو پمپ که به صورت سری خون را در گردش سيستميک و ریوی بدن پمپ میکنند، تشکيل شده است. بطن راست که يک پمپ کم فشار میباشد، خون گردش ریوی را تأمین میکند، در حالی که بطن چپ که يک پمپ پرفشار میباشد، خون گردش سيستميک را تأمین میکند[6]. شکل 1-4 نمایی از این ورود و خروج خون به قلب را نشان میدهد.
شکل ‏14: نمایی از نحوه ورود و خروج خون در قلب[7]
1-3-3- سیستم گردش خون36
وظیفه سیستم گردش خون برآوردن نیازهای بافت‌ها است، یعنی حمل مواد غذایی به بافت‌ها، حمل فرآوردههای زائد به خارج از بافت‌ها، رساندن هورمونها از یک قسمت بدن به قسمت دیگر و به طور کلی حفظ یک محیط مناسب در تمام مایعات بافتی برای بقا و عمل مناسب سلولها میباشد.
خون پمپ شده از قلب که حاوی مواد غذایی و اکسیژن میباشد، توسط سرخرگ‌ها در بدن توزیع می‌گردد. همان طور که قبلتر توضیح داده شد، سرخرگها (شریانها) پس از انشعاب به شاخه‌های باریک، سرخرگهای کوچک (آرتریولها) را به وجود میآورند. سرخرگهای کوچک نیز به انشعابات باریک‌تری به نام مویرگ ختم می‌شوند. مبادله مواد بین خون و سلولهای اندام‌های مختلف در سطح مویرگ‌ها انجام می‌شود. پس از مبادله مواد، خون مویرگی به سیاهرگهای کوچک (ونول) منتقل شده و نهایتا توسط سیاهرگها (وریدها) مجددا به قلب بازمی‌گردد[2]. شکل 1-5 دستگاه گردش خون و میزان خون در قسمتهای مختلف آن را نشان میدهد.
شکل ‏15: دستگاه گردش خون و توزیع خون (درصد نسبت به کل حجم خون بدن) در قسمتهای مختلف آن[7]
1-3-4- دوره قلبی37
هر ضربان قلب شامل دو مرحله انقباض و انبساط میباشد. مرحله انقباضی قلب را سيستول و مرحله انبساطی قلب را دياستول مینامند. دوره قلبی مجموعه يک سيستول و يک دياستول و يا به عبارت ديگر، مدت زمانی است که از انتهای يک انقباض قلب تا انتهای انقباض ديگر طول میکشد. تعداد ضربان قلب به طور طبیعی حدود 75 بار در دقیقه میباشد که در این صورت هر سیکل قلبی 8/0 ثانیه طول میکشد که در آن سیستول بطنی 3/0 ثانیه و دیاستول بطنی 5/0 ثانیه میباشد. اتفاقاتی که در طی یک دوره قلبی، یعنی از ابتدای یک سیستول بطنی تا ابتدای سیستول بطنی بعد رخ میدهد، به شرح زیر است:
با شروع سیستول بطنی، در اثر افزایش فشار داخل بطن‌ها و زیادتر شدن فشار داخل بطن‌ها از فشار دهلیزها، دریچه‌های دهلیزی- بطنی بسته می‌شوند، اما هنوز دریچه آئورت و دریچه ریوی باز نشده‌اند. برای باز شدن این دریچهها باید فشار درون بطن چپ بیشتر از فشار درون شریان آئورت و فشار درون بطن راست بیشتر از فشار درون شریان‌ ریوی گردد. این مرحله را مرحله انقباض حجم ثابت میگویند. در پایان این مرحله، بطن فشار كافی برای باز کردن دریچههای آئورتی و ریوی در برابر فشار شریان آئورت و شریان ریوی تولید میكند. در حالت طبیعی حداقل فشار داخل شریان آئورتی 80 میلیمتر جیوه و در شریان ریوی 8 میلی‌متر جیوه است. بنابراین هنگامی كه فشار بطن چپ کمی بیشتر از 80 میلیمتر جیوه و فشار بطن راست کمی از 8 میلیمتر جیوه بالاتر میرود، دریچههای آئورت و ریوی باز شده و بلافاصله خون شروع به بیرون ریختن از بطنها میكند. خروج در ابتدا سریع بوده ولی با پیشرفت سیستول آهسته میشود. حدود 70 درصد تخلیه در طی ثلث اول مرحله خروج خون و 30 درصد باقیمانده در طی دو ثلث بعدی انجام میشود. بنابراین ثلث اول، مرحله خروج سریع و دو ثلث آخر، مرحله خروج آهسته نامیده میشوند.
وقتی فشار داخل بطن‌ها آن قدر کاهش یافت که از فشار درون شریان‌های آئورتی و ریوی کمتر شد، دریچه‌های آئورتی و ریوی بسته می‌شوند. کاهش فشار داخل بطنی طی دیاستول بطنی ادامه می‌یابد تا اینکه فشار داخل بطنها از فشار دهلیزها کمتر شود. در این هنگام دریچه‌های دهلیزی-بطنی باز شده و خون از دهلیزها وارد بطن‌ها می‌شود. در این زمان یک دوره قلب کامل شده است. شکل 1-6 تغییرات فشار دهلیزی، بطنی و آئورتی را طی یک سیکل قلبی نشان میدهد[7].
شکل ‏16: تغییرات فشار دهلیزی، بطنی و آئورتی[7]
1-3-5- خون
به طور کلی خون از دو جزء سلولهای خونی و پلاسما تشکيل شده است. حدود 45-40 درصد حجم خون سلولهای خونی و بقيه آن پلاسما میباشد. درصد حجمی سلولهای خونی تحت عنوان هماتوکريت38 شناخته میشود. سلولهای خونی شامل گلبولهای قرمز39، گلبولهای سفيد40 و پلاکتها41 میباشند. گلبولهای قرمز وظيفه حمل اکسيژن و دیاکسيدکربن را دارند. گلبولهای سفيد در ايمنی بدن نقش داشته و پلاکتها در لخته شدن خون نقش ايفا میکنند. پلاسما مايعی میباشد که درون آن سلولهای خونی معلق میباشند. پلاسما شامل پروتئينها، الکتروليتها، هورمونها و . . . میباشد. خون حدود 6 تا 8 درصد وزن بدن انسانهای سالم و معمولی را تشکيل میدهد. اغلب انسانها حدود 5/4 تا 6 ليتر خون در بدن خود دارند. چگالی خون کمی از چگالی آب بيشتر و حدودKg/m3 1060 می‌باشد. لزجت خون يک ويژگی بسيار مهم میباشد، چون کاری که نياز است تا خون درون سرخرگها جريان يابد را تحت تاثير قرار می‌دهد. سیال پلاسما را می‌توان به عنوان سیال نیوتنی تلقی نمود، اما خون را به خاطر داشتن سلولهای خونی قرمز نمی‌توان سیال نیوتنی فرض نمود. بنابراین خون آدمی یک سیال غیرنیوتنی است[2]. لزجت خون تابع دما، نرخ برشی و درصد سلولهای خونی است. شکل 1-7 رابطه بین لزجت خون، به عنوان یک سیال غیرنیوتنی، و نرخ برش را در یک دمای ثابت با هماتوکریت در محدوده 33 تا 45 نشان میدهد. با توجه به شکل متوجه میشویم که هرچه مقدار نرخ برش افزایش یابد، لزجت خون کاهش مییابد. ولی برای مقادیر نرخ برش بیشتر از 100 به دلیل تغیر شکل گلبولهای قرمز لزجت خون به یک مقدار حدی میل میکند و در واقع از این ناحیه به بعد خون رفتار نیوتنی دارد.
شکل ‏17: رابطه بین لزجت خون با نرخ برش بر اساس داده‌های آزمایشگاهی مختلف[8]
به دلیل خاصیت غیر نیوتنی خون نمی‌توان از فرض ثابت بودن لزجت در معادلات حاکم بر جریان خون استفاده کرد. برای حل این مشکل پژوهشگران روابط مختلفی را برای مدل کردن رفتار غیرنیوتنی خون بیان کرده‌اند. از مدلهای ارائه شده برای رفتار غیرنیوتنی خون میتوان به مدل توانی42، توانی تعمیم یافته43،کسون44، کاریا45 و والبرن- اشنک46 نام برد که مدل کاریا در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی از دقت بالایی برخوردار است[9].
شکل 1-8 نمودار لزجت برشی آشکار بر حسب نرخ برش را برای مدلهای غیرنیوتنی مختلف نشان میدهد.
شکل ‏18: مدلهای مختلف برای بیان خاصیت غیر نیوتنی خون[9]
مدل لزجی مورد استفاده در این تحقیق کاریا می‌باشد که از رابطه زیر برای بیان لزجت خون استفاده می‌کند :
(1-1)μ(γ ̇ )=μ_∞+(μ_0-μ_∞ ) (1+(λγ ̇ )^2 )^((n-1)/2)
در رابطه بالا μ_0 لزجت برشی صفر و μ_∞ لزجت برشی بینهایت و پارامترهای λ و n مقادیر ثابتی هستند. این مقادیر عبارتند از[10] :
λ=3.313 s, n=0.3568, μ_0=0.056 Pa.s, μ_∞=0.00345 Pa.s
1-3-6- جریان خون در آئورت
جریان خون در رگهای بزرگ معمولاً به صورت آرام در نظر گرفته میشود. زیرا به علت کوچک بودن میانگین سرعت جریان، عدد رینولدز نیز نسبتاً مقادیر کوچکی خواهد داشت [11, 12].
برای بررسی رژیم جریان و تعیین آرام یا آشفته بودن آن در جریانهای نوسانی از پارامتر بی بعدی به نام عدد ومرسلی استفاده میشود. این پارامتر توسط رابطه زیر بیان میشود :
(1-2)α=R(ω/ν)^(1⁄2)
در این رابطه R مقیاس طول مناسب (در این تحقیق شعاع هیدرولیکی)، ω فرکانس نوسانات زاویهای و ν لزجت سینماتیک سیال است.
به دلیل متغیر بودن لزجت سینماتیک سیال در این تحقیق، از مقدار متوسط آن در این رابطه استفاده خواهد شد.
بر اساس مطالعات آزمایشگاهی نرم47 و همکاران، عدد رینولدز بحرانی برای جریان نوسانی در آئورت از رابطه Rec=kα بدست میآید که در این رابطه ضریب k در بازه 250 تا 1000 قرار دارد و α عدد ومرسلی میباشد[13]. که برای تعیین رژیم جریان باید بیشینهی عدد رینولدز در جریان محاسبه شده و با مقادیر رینولدز بحرانی مقایسه گردد. این بررسی در بخش 6-1-4 آورده شده است.
1-3-7- سیتیآنژیوگرافی48
به خاطر برخی عوارض و مشکلات آنژیوگرافی تهاجمی و همچنین ترس و نگرانی‌هایی که برخی بیماران از انجام آنژیوگرافی دارند، پزشکان تلاش کردند تا روشهای دیگری را ابداع کنند که برای بیماران مقبول‌تر و راحت‌تر باشد. سیتیآنژیوگرافی روشی جدید و نوپا و فعلاً فقط روشی تشخیصی (بدون امکان مداخله درمانی) برای بررسی رگهای مختلف بدن، بدون نیاز به آنژیوگرافی تهاجمی است. در تصاویر رادیوگرافی معمولی چون رگهای خونی کنتراست زیادی نسبت به بافتهای اطرافشان ندارند، به وضوح قابل تشخیص نیستند. لذا در این روش از یک ماده حاجب که معمولاً مادهای با چگالی بالا مانند ید می‌باشد، استفاده می‌کنند. چگالی بالای این ماده باعث جذب فوتونهای اشعه ایکس49 و وضوح بالای رگها در تصاویر میشود. در این روش با استفاده از اشعه ایکس و با همان تکنیکهای مورد استفاده در دستگاههای سیتیاسکن و تزریق ماده حاجب، الگوی جریان خون در رگها تصویربرداری می‌شود. امواج اشعه ایکس از یک تیوپ چرخشی برای درست کردن تصاویر با برش مقطعی باریک ساطع شده، سپس تصاویر بهدست آمده با کمک نرمافزارهای پیشرفته کامپیوتری بازسازی سه بعدی شده و به صورت تصویر سه بعدی ناحیه مورد نظر نمایش داده می‌شوند. این تصویربرداری چند دقیقه بیشتر طول نمیکشد و با استفاده از آن پزشکان میتوانند تصاویری با وضوح و دقت بالا از رگهای بدن تهیه و از آن در تشخیص بیماریها استفاده کنند.
در این روش تصویربرداری، هیچ کتتری50 به عروق بزرگ بیمار وارد نمی‌شود و ماده حاجب با پمپ مخصوص از طریق آنژیوکت، به داخل سیاهرگهای محیطی کوچک (معمولاً دست)، تزریق می‌شود. در این روش بیمار هیچ دردی حس نمی‌کند و فقط برخی اوقات در طول تزریق ماده حاجب، احساس گرم شدن بدن به بیمار دست می‌دهد. بعد از اتمام آزمون، نیاز به بستری نبوده و بیمار میتواند به منزل مراجعه کند و به فعالیتهای روزمره خود برگردد. البته این روش تصویربرداری هم مانند همه روشهای دیگر بدون مشکل نیست. از معایب این روش می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
ریسک واکنش حساسیتی نسبت به ماده حاجب وجود دارد.
احتمال نارسایی کلیه در اثر تزریق ماده حاجب، مخصوصاً برای بیمارانی که دارای بیماری خفیف کلیوی و یا دیابت هستند وجود دارد. زیرا ماده حاجب به عملکرد کلیه‌ها صدمه می‌زند و ممکن است حتی نیاز به دیالیز پیش آید.
خطرات ناشی از تابش اشعه ایکس وجود دارد.
این روش فقط یک روش تشخیصی است که در آن امکان انجام مداخلات درمانی همانند آنژیوپلاستی، که در آنژیوگرافی در صورت لزوم انجام می‌شود، وجود ندارد.
در شخصی که بسیار چاق است، تصاوير كيفيت خوبي نخواهند داشت.
اگر بيمار ضربان نامنظم قلب داشته باشد، ممكن است سیتیآنژیوگرفی به سختی تفسیر شود.
سیتیآنژيوگرافی در عكس‌برداري از عروق پيچدرپيچ، مخصوصاً شریانهای کرونری، به اندازه آنژيوگرافي با كتتر، قابل اطمينان نيست.
1-3-8- کتتر
در علوم پزشکی، کتتر یک لوله نازک است که از موادی ساخته میشود که با مایعهای موجود در بدن، واکنشی نداشته باشد. کتترها معمولاً از جنس سیلیکون و یا دیگر پلیمرها بوده و میتوانند وارد حفرههای بدن و یا رگها شده و بر اساس نوع کتتر، کارهای متفاوتی را انجام دهند. از جمله کاربردهای کتترها میتوان به موارد زیر اشاره نمود :
تخلیه ادرار از مثانه
تخلیه مایعهای جمع شده در قسمتهای مختلف بدن
آنژیوگرافی، بالن زدن و استنت گذاری
اندازهگیری مستقیم پارامترهای مختلف خون
اندازهگیری مستقیم فشار در رگها و بسیاری کاربردهای دیگر
در این تحقیق نیز از یک کتتر برای نصب میکروسنسور اندازهگیری جریان حول آن استفاده شده است.
1-3-9- سیستمهای میکروالکترومکانیکی (ممز)51
ممز یک فرایند تکنولوژی است که برای به وجود آوردن سیستمها و وسایل یکپارچهی خیلی کوچک به کار میرود و از ترکیب عناصر الکتریکی و مکانیکی به وجود میآید. سایز این سیستمها و اجزای آنها در ابعاد صد نانومتر تا سانتیمتر طبقهبندی میشوند. این سیستم‌ها می‌تواند در حالتی ساده، ابزاری بدون قطعه‌ی متحرک، و یا در حالت‌های پیچیده، دارای اجزاء متحرک متعدی باشد که با سیستم‌های کنترل الکترونیکی هدایت می‌شوند. در شکل عمومی ممزها شامل میکروساختارها52، میکروسنسورها53، میکرومحرکها54 و قطعات میکروالکترونیک55 میباشند که میتوانند با هم یکپارچه شوند. نکته مهم در این سیستمها این است که اصول عملکردی سیستمهای میکروالکترومکانیکی، با سیستمهای الکترومکانیکی در ابعاد بزرگ، یکسان بوده و از همان قوانین مکانیک کلاسیک تبعیت میکنند[14].
اسم این‌گونه سیستم‌ها در جاهای مختلف دنیا متفاوت می‌باشد. در ایالات‌متحده دقیقاً از همین نام سیستم‌های میکروالکترومکانیکی استفاده می‌شود، درحالی‌که در برخی نقاط دیگر دنیا، این سیستم‌ها را با عناوینی چون تکنولوژی میکروسیستمها56 در اروپا یا میکروماشین57 در ژاپن می‌شناسند. ممز به عنوان یکی از تکنولوژیهای برتر قرن بیستویکم به شمار میرود که پتانسیل لازم برای متحول کردن تولیدات مصرفی و صنعتی را با ترکیب تکنولوژی میکرومکانیک و میکروالکترونیک دارد. اگر تکنولوژی ساختن ساختارهایی در ابعاد میکرو از نیمههادیها58 را به عنوان اولین انقلاب در تولیدات میکرو در نظر بگیریم، ممز دومین انقلاب در این زمینه است. ممز در رشتههای مختلفی مانند مهندسی مکانیک، علم مواد، مهندسی برق، مهندسی شیمی و ابزار دقیق و برای کاربردهایی گوناگون در زمینههای دفاعی، دارویی، پزشکی، الکترونیکی، مخابراتی و بسیاری زمینههای دیگر استفاده میشود. به عنوان مثال از سیستمهای ممز کنونی میتوان به شتابسنجهای سیستمهای کیسهی هوا در خودروها، هد چاپگرهای جوهرافشان، میکروسنسورهای فشارخون، میکروسنسورهای اندازهگیری سرعت جریان، میکروشیرها59 و بیوسنسورها60 که در حجمهای عظیم تجاری تولید میشوند، نام برد.
تکینیکهای ساخت ممز ما را قادر میسازد که اجزا و وسایل با کارآیی و بازده بالا، در کنار مزیتهایی همانند کاهش اندازهی فیزیکی، وزن و هزینه کم بسازیم. علاوه بر آن، این تکنیکها شرایطی را فراهم میکنند که سیستمهایی که با دیگر روشهای معمول ساخت قابل تولید نیستند، با این روش ساخته شوند. در قياس بين مدارهای مجتمع61 و ممزها اين نکته قابل ذکر است كه گرچه براي ساخت هردو، تقریباً از تكنولوژي مشابه استفاده ميشود، اما ممكن است از نظر فرايندها و مواد اوليه با يكديگر منطبق نباشند. اگر مدارهاي مجتمع ميكروالكترونيك داراي سرعت، دقت و هوشمندي بالا در محاسبات را به عنوان مغز سيستم در نظر بگيريم، ممزها نيز همچون بازوها و چشمها در حس كردن و كنترل محيط اطراف، به منظور بالا بردن توانايي تصميمگيري، به سيستم كمك ميكنند. به اين صورت كه ابتدا حسگرها با اندازهگيري و سنجش پديدههاي مختلف، اطلاعاتي را از محيط اطراف جمعآوري كرده و در اختيار سيستم قرار ميدهند. سپس بخش الكترونيكي سيستم، به كمك اين حسگرها و انجام يك سري فرآيندهاي تصميمگيري، دستورهايي را به عملگرهاي موجود در سيستم ارسال ميكند و آنها نيز واكنشهايي را جهت کنترل محیط و ایجاد خروجی مطلوب انجام میدهند.
اگرچه چهار زیرمجموعه اصلی سیستم‌های میکروالکترومکانیکی، شامل میکروساختارها، میکروسنسورها، میکروعملگرها و میکروالکترونیک است، مهم‌ترین و شاید جذاب‌ترین آن‌ها میان جوامع علمی، میکروسنسورها و میکروعملگرها می‌باشند. میکروسنسورها و میکروعملگرها از جنبه‌ای دیگر، در مجموعه‌ای دیگر تحت عنوان مبدلها قرار می‌گیرند، که عبارتند از ابزارهایی که انرژی را از حالتی به حالتی دیگر تبدیل می‌کنند. میکروعملگر نوعی موتور است که بهوسیلهی یک منبع انرژی کار میکند و وظیفه آن تولید حرکت یا کنترل یک سیستم یا مکانیسم میباشد. میکروسنسورها تغییرات پیرامون سیستم را به وسیلهی دریافت اطلاعات پدیدههایی همانند پدیدههای مکانیکی، حرارتی، مغناطیسی، شیمیایی، الکترومغناطیسی و تبدیل آنها به سیگنالهای الکتریکی نشان میدهند.
میکروسنسورهای اندازهگیری سرعت جریان که هدف اصلی این تحقیق هستند، به دستههای مختلفی تقسیم میشوند که در ادامه به شرح آن میپردازیم.
1-3-10- انواع میکروسنسورهای اندازهگیری جریان
میکروسنسورهای اندازهگیری جریان را به دو دسته حرارتی و غیرحرارتی تقسیم می‌کنند. اندازهگیری جریان یک زمینه کاربردی از تکنولوژی اندازهگیری است که اصول کار آن تقریباً بر اساس تمام زمینههای فیزیکی میباشد، اما به خاطر اینکه بسیاری از میکروسنسورهای اندازهگیری جریان بر پایه اصول حرارتی ساخته شدهاند، میتوان آنها را به دو دسته حرارتی و غیرحرارتی تقسیم کرد. سنسورهای حرارتی بر پایه میزان انتقال حرارت عمل میکنند، حال آنکه سنسورهای غیرحرارتی بر پایه اصولی غیر از انتقال حرارت عمل میکنند. وی همچنین میکروسنسورهای اندازهگیری جریان بر پایه اصول حرارتی را به سه دسته مجزا تقسیم کرد:
میکرو سنسورهای سیمداغ و صفحهداغ: نوع سیم داغ از یک سیم الکتریکی و نوع صفحه داغ از یک صفحه نازک به عنوان المان حرارتی استفاده میکند. با وجود تفاوت در شکل این دو سنسور، هر دو بر اساس یک اصل فیزیکی کار میکنند. المان حرارتی به صورت الکتریکی گرما داده شده و در مجاورت و یا داخل جریان سیال قرار داده میشود. همزمان با افزایش جریان سیال عبوری از روی المان حرارتی، انتقال حرارت جابجایی از المان به سیال نیز افزایش مییابد و در نتیجه دما و در پی آن مقاومت الکتریکی المان حرارتی کاهش مییابد. پس انتقال حرارت به یک سیگنال الکتریکی تبدیل میشود که با تغییر سرعت جریان، این سیگنال نیز تغییر خواهد کرد.
میکروسنسورهای کالریمتریک: این نوع از میکروسنسورها دارای دو سنسور دمایی که یکی در پایین‌دست و دیگری در بالادست المان حرارتی نصب میشود، هستند. با حرکت سیال بر روی این میکروسنسور، توزیع دمای نامتقارنی اطراف المان حرارتی ایجاد میشود که مبنایی برای اندازه‌گیری سرعت جریان میباشد. نمایی از این نوع میکروسنسور در شکل 1-9 دیده میشود.
شکل ‏19: نمایی ساده از نحوه عملکرد میکروسنسور کالریمتریک[15]
میکروسنسورهای زمان گریز: عملکرد این نوع از سنسورها به این صورت است که یک پالس حرارتی کوتاه از المان حرارتی به جریان سیال اطراف آن اعمال میشود. یک سنسور دمایی نیز در پایین‌دست جریان قرار دارد. اختلاف بین زمان اعمال پالس حرارتی و زمان حس کردن دما در سنسور حرارتی، مبنای عملکرد این نوع از میکروسنسورها میباشد[16]. نمایی از این نوع میکروسنسور در شکل 1-10 دیده میشود.
شکل ‏110: نمایی ساده از نحوه عملکرد میکرو سنسور زمان گریز[15]
میکروسنسور مورد استفاده در این تحقیق از نوع فیلم نازک میباشد که عملکرد آن به طور مختصر ذکر شد. در اینجا به تفصیل عملکرد آن را شرح میدهیم.
همانطور که برای این نوع از میکروسنسورها ذکر شد، انتقال حرارت از المان حرارتی به سیال مبنایی برای اندازه‌گیری سرعت میباشد. این انتقال حرارت مطابق شکل 1-11 به سه شکل میتواند صورت بپذیرد :
1- جابجایی طبیعی 2- جابجایی اجباری 3- رسانش 4- تشعشع
شکل ‏111: شیوه‌های مختلف انتقال حرارت از یک میکروسنسور فیلم نازک[17]
چون حداکثر افزایش دمای میکروسنسور در این تحقیق، 5 درجه سانتی‌گراد است، از انتقال حرارت به شیوه تشعشع صرف‌نظر میشود.
کل62 و رشکو63 نشان دادند که برای سنسورهای اندازه‌گیری سرعت که بر اساس اصول بادسنج‌های حرارتی کار می‌کنند، اگر رابطه Gr<〖Re〗^3 برقرار باشد، میتوان از اثر انتقال حرارت به روش جابجایی طبیعی صرف‌نظر کرد[18]. در این تحقیق نیز، این رابطه در تمام مقادیر سرعت جریان پالسی، برقرار است. لذا از انتقال حرارت به روش جابجایی طبیعی صرفنظر میشود.
همچنین با انتخاب یک زیرلایه با ضریب هدایت حرارتی بسیار کوچک میتوان از انتقال حرارت به طریق رسانش نیز صرفنظر کرد. حال فرض کنید المان حرارتی که از طریق عبور جریان الکتریکی گرم شده است در معرض عبور جریان سیال قرارگرفته و به تعادل دمایی رسیده است. در این حالت توان الکتریکی ورودی برابر توان گرمایی اتلافی ناشی از انتقال حرارت جابجایی میباشد :
(1-3)I^2 R_w=h.A_w (T_w-T_f)که در اینجا I جریان الکتریکی ورودی، Rw مقاومت الکتریکی المان حرارتی، Tf و Tw به ترتیب دمای سیال و دمای المان حرارتی، Aw مساحت تصویر شده المان حرارتی و h ضریب انتقال حرارت المان حرارتی میباشند.
مقاومت المان حرارتی خود تابعی از دما میباشد که تابعیت آن توسط رابطه 1-4 تعریف میشود.
(1-4)R_w=R_Ref [1+α(T_w-T_Ref)]در این فرمول α ضریب دمایی مقاومت و Rref مقاومت المان حرارتی در دمای مرجع یعنی Tref میباشد.
مطابق قانون کینگ برای بادسنج‌های حرارتی، ضریب انتقال حرارت یعنی h تابعی از سرعت سیال میباشد. این تابعیت توسط رابطه 1-5 بیان میشود.
(1-5)h=a+b.〖V_f〗^cکه Vf سرعت سیال و ثابت‌های a,b,c از روی کالیبراسیون سنسور به دست میآیند.
ترکیب کردن سه معادله بالا باعث حذف ضریب انتقال حرارت جابجایی خواهد شد. در این صورت Vf توسط رابطه 1-6 تعریف میشود.
(1-6)V_f={({[(I^2 R_Ref [1+ α(T_w-T_Ref )])/(A_w (T_w-T_Ref ) )]}-a)/b}^(1/c)
میکروسنسورهای جریان از نوع فیلم داغ در دو حالت دما ثابت و جریان ثابت می‌توانند عمل کنند، که در ادامه عملکرد هر یک از دو حالت، به اختصار توضیح داده میشود.
میکروسنسور دما ثابت: این نوع میکروسنسور به دلیل حساسیت بالا نسبت به تغییرات جریان استفاده بیشتری را نسبت به نوع جریان ثابت دارد. در این حالت باید دما و در نتیجه مقاومت الکتریکی المان حرارتی ثابت بماند. چون با عبور حریان سیال دمای المان حرارتی کاهش مییابد، باید جریان الکتریکی را به اندازه‌ای زیاد کنیم که دمای المان حرارتی به حالت اول برگردد. در این حالت، جریان الکتریکی اعمالی و سرعت جریان سیال، طبق معادله 1-7 به هم مرتبط میشوند.
(1-7)a+b.〖V_f〗^c= (I^2 R_w)/(A_w (T_w-T_f))=f(I,T_f)که Tf دمای سیال می‌باشد و به طور مستقل قابل اندازه‌گیری است.
میکرو سنسور جریان ثابت: در این حالت جریان الکتریکی ثابتی را به میکروسنسور اعمال میکنیم. دمای المان حرارتی به دلیل عبور جریان سیال کاهش مییابد. در این حالت سرعت جریان سیال و دمای المان حرارتی طبق رابطه زیر به هم مرتبط میشوند :
(1-8)a+b.〖V_f〗^c=(I^2 R_Ref [1+ α(T_w-T_Ref )])/(A_w (T_w-T_f))=g(T_w,T_f)که دمای سیال به صورت مستقل قابل اندازه‌گیری است. هم چنین به دلیل اینکه دما و مقاومت الکتریکی المان حرارتی به هم مرتبط هستند، پس سرعت جریان سیال و مقامت الکتریکی المان حرارتی نیز به هم مرتبط میشوند.
فصل دوم
مروری بر تحقیقات گذشته
مطالعات انجام شده در رابطه با میکروسنسورهای اندازهگیری جریان
ونپوت64 و میدلهوک65 اولین میکروسنسور جریان بر پایه سیلیکون را برای اندازهگیری جریان گازها ساختند[19].
به خاطر گسترش سیستمهای میکروفلویدیک66 و نیاز به اندازهگیری جریانهای بسیار کوچک، پترسن67 و همکاران میکروسنسوری که دارای میکروکانالهای68 متصل به آن بود را برای اندازهگیری جریانهای بسیار کوچک ساختند. در این نوع سنسور برای اندازهگیری جریان، سیال باید داخل میکروکانالها جریان بیابد. نمایی از این سنسور را در شکل 2-1 میبینیم[20].
شکل ‏21: میکروسنسور ساخته شده توسط پترسن[20]
نگوین69 میکروسنسورهای اندازهگیری جریان را به دو دسته حرارتی و غیرحرارتی تقسیم کرد. اندازهگیری جریان یک زمینه کاربردی از تکنولوژی اندازهگیری است که اصول کار آن تقریباً بر اساس تمام زمینههای فیزیکی میباشد، اما به خاطر



قیمت: تومان

دسته بندی : مقاله و پایان نامه

دیدگاهتان را بنویسید