ایجاد هندسه سه‌بعدی از سلول و اندامک‌های درون آن برای شبیه‌سازی‌های بیوالکترومغناطیس

نویسندگان

گروه بیوالکتریک، دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

چکیده
اهداف: محاسبه نحوه توزیع جریان و میزان نفوذ میدان‌های الکترومغناطیسی القاشده در بدن و بافت‌های زیستی از مباحث مطرح در حوزه بیوالکترومغناطیس است که با دسترسی به هندسه سلول و اندامک‌های درون آن می‌توان به‌طور دقیق سهم هر جزء را در دریافت میدان و توزیع جریان و محاسبه امپدانس برآورد نمود. هدف مطالعه حاضر ایجاد هندسه سه‌بعدی از سلول و اندامک‌های درون آن برای شبیه‌سازی بیوالکترومغناطیس بود.

مواد و روش‌ها: مطالعه حاضر پژوهشی از نوع محاسباتی است. در این مطالعه یک مدل الکتریکی کامل از سلول‌های قشرهای مختلف لایه اپی‌درم پوست به‌همراه اندامک‌های درونی آن با کمک نرم‌افزار ساوی ۱ ((SAVI ۱ و الگوریتم‌های جدید ابتکاری ایجاد شد. در این شکل هندسی اندامک‌هایی مانند میتوکندری، جسم گلژی، رنگدانه ملانین، ریبوزوم، لیزوزوم و هسته درون سلول در نظر گرفته شدند. در ایجاد اندامک‌ها از تصویر دو بعدی میکروسکوپی آنها استفاده شد.

یافته‌ها: شکل هندسی برای اندامک‌ها و نمونه سلولی برای تمام قشرهای لایه اپیدرم متناسب با واقعیت ایجاد شد. سلول‌های قشر بازال به صورت سلول‌های مکعبی و دارای هسته، سلول‌های قشر اسپینوزوم چندوجهی و هسته‌دار، سلول‌های قشر گرانولار مسطح و هسته‌دار بودند و قشر شاخی نیز سلول‌های کامل مسطح و فاقد هسته داشت.

نتیجه‌گیری: ایجاد هندسه سه‌بعدی از سلول و اندامک‌های درون آن برای شبیه‌سازی بیوالکترومغناطیس امکان‌پذیر است. این مدل سه‌بعدی قابلیت ذخیره‌سازی به سه فرمت mat، stl و vox و بازیابی در نرم‌افزارهای SAVI،CST studio و MATLAB را دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


Aberg P, Nicander I, Hansson J, Geladi P, Holmgren U, Ollmar S. Skin cancer identification using multifrequency electrical impedance-a potential screening tool. IEEE Trans Biomed Eng. 2004;51(12):2097-102. [Link] [DOI:10.1109/TBME.2004.836523]
Huclova S, Erni D, Fröhlich J. Modelling effective dielectric properties of materials containing diverse types of biological cells. . J Phys D, Appl Phys. 2010;43(36):365405. [Link] [DOI:10.1088/0022-3727/43/36/365405]
Urken ML, Mehra S. About the head & neck cancer guide [Internet]. New York: THANC Foundation; 2016 [cited 2016 May 22]. Available from: https://headandneckcancerguide.org/about/ [Link]
Saviz M, Faraji Dana R. Realistic cell and organelle shape modeling for computational bioengineering: A new open-source toolbox. 2014 22nd Iranian Conference on Electrical Engineering (ICEE). New Jersey: IEEE; 2014. [Link]
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 Phys D, Appl Phys. 2012;45(2):025301. [Link] [DOI:10.1088/0022-3727/45/2/025301]
Zelickson AS, Hartmann JF. An electron microscopic study of human epidermis. J Investig Dermatol. 1961;36(2):65-72. [Link] [DOI:10.1038/jid.1961.14]
Schmitz G, Müller G. Structure and function of lamellar bodies, lipid-protein complexes involved in storage and secretion of cellular lipids. J Lipid Res. 1991;32(10):1539-70. [Link]
Klein‐Szanto AJ. Clear and dark basal keratinocytes in human epidermis, a stereologic study. J Cutan Pathol. 1977;4(5):275-80. [Link] [DOI:10.1111/j.1600-0560.1977.tb00916.x]
Sathananthan AH. Human cell and tissue fine structure for teaching and research in stem cells. 1st Volume. Sri Lanka: Professor Arunachalam Henry Sathananthan; 2015. [Link]
Hartinger AE, Guardo R, Kokta V, Gagnon H. A 3-D hybrid finite element model to characterize the electrical behavior of cutaneous tissues. IEEE Trans Biomed Eng. 2010;57(4):780-9. [Link] [DOI:10.1109/TBME.2009.2036371]
Walker DC, Brown BH, Smallwood RH, Hose DR, Jones DM. Modelled current distribution in cervical squamous tissue. Physiol Meas. 2002;23(1):159. [Link] [DOI:10.1088/0967-3334/23/1/315]
Gabriel S, Lau RW, Gabriel C. The dielectric properties of biological tissues: III. Parametric models for the dielectric spectrum of tissues. Phys Med Biol. 1996;41(11):2271. [Link] [DOI:10.1088/0031-9155/41/11/003]