نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 محقق پسادکتری، آزمایشگاه بیوالکترومغناطیس، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه تهران

2 دانشجوی کارشناسی مهندسی برق، آزمایشگاه بیوالکترومغناطیس، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه تهران

3 استاد، قطب علمی سیستم‌های الکترومغناطیسی کاربردی، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه تهران

10.22041/ijbme.2012.13111

چکیده

این مقاله رویکرد محاسباتی جدیدی را معرّفی می‌کند که می‌تواند تخمین مناسبی را از میدان‌های القایی در کلّی‌ترین تا جزئی‌ترین اجزای بدن حاصل کند. اساس نظری این رویکرد استفاده از تحلیل چندمقیاسی و تحریک مدل‌های مقیاس‌های کوچک‌تر با میدان‌های به دست آمده در حل مقیاس بزرگ‌تر است. شیوه اجرای روش در این مقاله تشریح و با مثالی کاربردی، میدان الکتریکی القایی بر‌ غشای سلولی با موفقیت در چند نقطه از مدل بدن انسان محاسبه شده است. همچنین در مورد منشأ فیزیکی رفتار وابسته به فرکانس نتایج به دست آمده و اهمیت نتایج در حوزه بیوالکترومغناطیس بحث شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

A Novel Approach to Computing Induced Electric Fields in Biological Structures Based on Sequences of Transfer Functions

نویسندگان [English]

  • Mehrdad Saviz 1
  • Sina Shirinpour 2
  • Ashkan Abedi 2
  • Reza Faraji-Dana 3

1 Post-Doctoral Researcher, Bioelectromagnetics Laboratory, School of Electrical and Computer Eng., University of Tehran

2 B.Sc. Student, School of Electrical and Computer Eng., University of Tehran

3 Professor, Center of Excellence on Applied Electromagnetic Systems, University of Tehran

چکیده [English]

We introduce a new computational approach which is capable of providing estimations of the electric field strength induced in biological bodies at large to ultra-fine scales. The method is theoretically based on multi-scale analysis and excitation of the smaller-scale models by the computed fields at the larger-scale model. The method and its implementation are shown, and as a practical example, the electric field induced inside the plasma membrane has been successfully computed for cells residing at different locations in the human body-model. Also discussed are the origins of the frequency-dependent behavior of the induced field strength and the significance of its practical consequences for bioelectromagnetics.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Computational Bioelectromagnetics
  • Multiscale analysis
  • Dosimetry
  • Tissue structure
  • computation of induced fields within the body

[1]     Sheppard A., Roland G., FGF. [Online]. http://www.fgf.de/english/research_projects/workshops.html; 2001

[2]     Hochmuth R., Deuflhard P., Multiscale analysis for the Bio-heat transfer equation; Final Report, ZIB (Konrad-Zuse Zentrum fuer Informationstechnik Berlin), April 2003.

[3]     Corovic S., Lackovic I.,  Sustaric P., Sustar T.,  Rodic T., Miklavcic D., Modeling of electric field distribution in tissues during electroporation; BioMedical Engineering OnLine,  2013; 12 (16).

[4]     Liberti M., Apollonio F., Merla C., D’Inzeo G., Microdosimetry in the microwave range: a quantitative assessment at single cell level; IEEE Trans. Antennas and Wireless Propag. Lett., 2009;  8: 865-869.

[5]     Apollonio F., Liberti M., D’Inzeo G., Tarricone L., Integrated Models for the Analysis of Biological Effects of EM Fields Used for Mobile Communications; IEEE Trans Microwave Theory Tech., 2000; 48(11): 2082-20950.

[6]     Esser A.T., Smith K.C., Gowrishankar T.R., Weaver J.C., Towards Solid Tumor Treatment by Irreversible Electroporation: Intrinsic Redistribution of Fields and Currents in Tissue; Technology in Cancer Research and Treatment, 2007; 6(4): 261-276.

[7]     Zubal I.G., et al., Computerized three-dimensional segmented human anatomy; Medical Physics, 1994; 21(2): 299-302.

[8]     Alekseev S.I., Radzievsky A.A., Logani M.K., Ziskin M.C., MillimeterWave Dosimetry of Human Skin; Bioelectromagnetics, 2008; 29: 65-70.

[9]     Huclova S., Erni D., Fröhlich J., Modelling and validation of dielectric properties of human skin in the MHz region focusing on skin layer morphology and material composition; J. Physics D: Applied Physics, 2012; 45: 025301.

[10]  ساویز م، تحلیل ساختارهای الکترومغناطیسی پریودیک با استفاده از معادلات انتگرالی و کاربرد آن در ساختارهای زیستی در ابعاد سلولی؛ رساله دکتری، دانشگاه تهران، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، بهمن ماه 1392.

[11]  Saviz M., et al., A new open-source toolbox for estimating the electrical properties of biological tissues in the terahertz frequency band; Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 2013; 34(9): 529-538.

[12]  Gabrieiel S., Lau R.W., Gabriel C., The dielectric properties of biological tissues: III. Parametric models for the dielectric spectrum of tissues; Phys. Med. Biol., 1996; 41: 2271-2293.

[13] http://www.cst.com.

[14]  Simeonova M., Gimsa J., The influence of the molecular structure of lipid membranes on the electric field distribution and energy absorption; Bioelectromagnetics, 2006; 27: 652-666.

[15]  Grosse C., Schwan H.P., Cellular membrane potentials induced by alternating fields; Biophys. J., 1992; 63: 1632-1642.

[16]  Gimsa J., Müller T., Schnelle T., Fuhr G., Dielectric Spectroscopy of Single Human Erythrocytes at Physiological Ionic Strength: Dispersion of the Cytoplasm; Biophysical Journal, 1996; 71: 495-506.

[17]  Gowrishankar T.R., Weaver J.C., An approach to electrical modeling of single and multiple cells; PNAS , 2003; 100(6): 3203-3208.