نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

2 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

10.22041/ijbme.2017.72896.1268

چکیده

هدف از انجام این پژوهش، بررسی عددی و آزمایشگاهی استفاده از روش عکس­برداری حرارتی (ترموگرافی) برای تشخیص غدة تیروئید در بافت گردن است. برای این کار، ابتدا مدلی واقعی و سه­بعدی از گردن انسان و اندام­های اصلی قرار‌گرفته در آن شامل نای، غدة تیروئید و سرخرگ و سیاهرگ گردنی، بر‌اساس عکس­های گرفته‌شده با استفاده از روش عکس­برداری مقطع نگاری رایانه­ای (سی تی اسکن) از بیمار سالم و بیمار مبتلا به سرطان تیروئید، ساخته می­شود. سپس، از مدل ساخته‌شده برای تحلیل انتقال حرارت در بافت گردن استفاده می­شود. در تحلیل حرارتی غدة تیروئید، به‌عنوان یک منبع حرارتی که گرمای تولیدی در آن تابع دمای لحظه­ای بافت است، در‌نظر‌گرفته می­شود. انتقال گرما نیز در اثر پدیدة جا­به­جایی بین لایة درونی نای و هوای تنفس‌شده، بین سطح پوست گردن و محیط اطراف و همچنین انتقال گرما از سرخرگ و سیاهرگ گردنی، در مدل­سازی لحاظ می­شود. نتیجة مدل­سازی، نقشة حرارتی (ترموگرام) سطح پوست گردن است که نشان­دهندة افزایش دمای 5/0 تا 4/1 درجة سلسیوس ناحیه­ای از گردن در مجاورت غدة تیروئید، برای نمونة سالم است. بررسی تأثیر وجود تودة سلولی سرطانی در بافت تیروئید نیز روی نقشة حرارتی، نشان­دهندة افزایش دمای 7/0 تا 6/1 درجة سلسیوس است، که در اثر متابولیسم بالاتر تودة سرطانی نسبت به بافت سالم رخ می­دهد. برای بررسی عملی کاربردی بودن روش ترموگرافی، ارزیابی آزمایشگاهی روی یک نمونة سالم در شرایط مشابه با مدل­سازی، توسط یک دوربین حرارتی با دقت بالا انجام می­شود. تشابه نقاط سطح گردن با دمای افزایش­یافته در تست آزمایشگاهی با نتایج مدل­سازی، نشان‌دهندة توانایی روش عکس­برداری حرارتی برای تشخیص غدة تیروئید از روی سطح گردن است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Assesment of Thermography Technique for Detection of Thyroid Gland: A Numerical Approach Accompanied by an Experimnetal Study

نویسندگان [English]

  • Farshad Bahramian 1
  • Afsaneh Mojra 2

1 M. Sc. Student, Department of Mechanical Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran

2 Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran

چکیده [English]

The aim of this study is to investigate the use of thermography technique for detection of thyroid gland embedded in the neck through a numerical and an experimental approach. To this end, a real 3D model of the human neck and its primary organs including trachea, thyroid gland, common carotid artery and internal jugular vein is constructed based on the computerized tomography (CT) scan images of a healthy case and a case of thyroid cancer. The model is used for analyzing bio-heat transfer in the neck. In the thermal analysis the thyroid gland is considered as a heat source via specific function that generates heat based on the thyroid temporal temperature. Moreover, external convection through the neck skin surface and the ambient air, an internal convection through the inner layer of trachea and breathed air and heat transfer through the artery and the vein are considered. The result is the temperature distribution (thermogram) on the skin surface of the neck which reveals an approximate 0.5 -1.4 ˚C temperature increase on the area above thyroid gland for the healthy case. Studying effects of the thyroid cancer on the thermogram shows an approximate 0.7 -1.6 ˚C temperature increase due to the increased metabolic rate of the cancerous tumor compared to the healthy tissue. In order to practically investigate the applicability of thermography technique, a healthy case is examined by a high precision thermographic camera in similar conditions to the numerical simulation. Similar temperature increase due to the existence of the thyroid gland by the simulation and experiment affirmed the capability of the thermography method in the thyroid gland detection on the skin surface of the neck.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Thyroid gland
  • Thermography
  • Bio-heat transfer
  • Thyroid cancer
  • finite element analysis

[1]     American Cancer Society www.cancerstatisticscenter.cancer.org

[2]     Amirican Cancer Society; www.cancer.org

[3]     Morris, L.G., R.M. Tuttle, and L. Davies, Changing Trends in the Incidence of Thyroid Cancer in the United States. JAMA Otolaryngol Head Neck Surg, 2016. 142(7): p. 709-11.

[4]     Rahib, L., et al., Projecting cancer incidence and deaths to 2030: the unexpected burden of thyroid, liver, and pancreas cancers in the United States. Cancer Res, 2014. 74(11): p. 2913-21.

[5]     Rizkalla, J., et al., Computer simulation/practical models for human thyroid thermographic imaging. Biomedical Science and Engineering, 2015. 8: p. 246-256.

[6]     Ring, F., Thermal imaging today and its relevance to diabetes. Journal of Diabetes Science and Technology 2010. 4: p. 857-862.

[7]     Gavriloaia, G., A.M. Ghemigian, and A.E. Hurduc, Early cancer diagnosis by image processing sensors measuring the conductive or radiative heat. 13th International Conference on Biomedical Engineering, 2009: p. 427-430.

[8]     Cholewka, A., et al., Does the temperature gradient correlate with the photodynamic diagnosis parameter numerical colour value (NCV)? Photodiagnosis Photodyn Ther, 2013. 10(1): p. 33-8.

[9]     Gonnermann, J., et al., Dry eye symptoms in patients after eyelid reconstruction with full-thickness eyelid defects: using the Tomey TG-1000 thermographer. Ophthalmic Res, 2012. 48(4): p. 192-8.

[10] Strangi, T., et al., Peripheral vascular hyperactivity in aterial hypertension. 1989. 25: p. 57-61.

[11] Tan, J.-H., et al., Infrared thermography on ocular surface temperature: A review. Infrared Physics & Technology, 2009. 52(4): p. 97-108.

[12] Gautherie, M., Thermobiological assessment of benign and malignant breast diseases. American Journal of Obstetrics and Gynecology, 1983. 147(8): p. 861-869.

[13] Keyserlingk, J.R., et al., Infrared imaging of breast: Initial reappraisal using high-resolution digital technology in 100 successive cases of stage I and II breast cancer. The Breast Journak 1998. 4: p. 241-251.

[14] Deng, Z.S. and J. Liu, Enhancement of thermal diagnostics on tumors underneath the skin by induced evaporation. in: Proc. 27th Annual Conference of IEEE Engineering in Medicine and Biology, Sanghai, China, 2005.

[15] Ahdy Helmy, Michael Holdmann, and M. Rizkalla, Application of Thermography for Non-Invasive Diagnosis of Thyroid Gland Disease. 2008.

[16] Alves, M.L. and M.H. Gabarra, Comparison of power Doppler and thermography for the selection of thyroid nodules in which fine-needle aspiration biopsy is indicated. Radiol Bras, 2016. 49(5): p. 311-315.

[17] HH, P., Analysis of tissue and arterial blood temperatures in the resting human forearm. J Appl Physiol., 1948. 1: p. 93-122.

[18] Xu, X., P. Tikuisis, and G. Giesbercht, A mathematical model for human brain coolingduring cold-water near-drowning. J Appl Physiol., 1999. 86: p. 265-272.

[19] Ng, E.Y.K. and N.M. Sudharsan, Numerical computation as a tool to aid thermographic interpre tation. Journal of Medical Engineering &Technology, 2001. 25: p. 53-60.

[20] Yg, L. and J. Liu, Theoretical evaluation of burns to the human respiratory tract dueto inhalation of hot gas in the early stage of fires. Burns, 2006. 32: p. 436-46.

[21] Tungjitkusolmun, S., et al., Three-Dimensional Finite-Element Analyses for Radio-Frequency Hepatic Tumor Ablation. IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING, 2002. 49.

[22] Deng, Z.S. and J. Liu, Mathematical modeling on temperature mapping over skinsurface and its implementation in disease diagnostics. Computers in Biology and Medicine, 2004. 34(6): p. 495-521.

[23] Niemz, M., Laser-tissue interactions: fundamentals and applications. Springer, 2002.

[24] Jin, C., Z. He, and J. Liu, MRI-based finite element simulation on radiofrequency ablation of thyroid cancer. Comput Methods Programs Biomed, 2014. 113(2): p. 529-38.