کاربرد مهندسی مکانیک – تبدیل انرژی در علوم پزشکی

یکی از موضوعاتی که در مهندسی مکانیک – تبدیل انرژی مورد بحث فراوان قرار گرفته است تأثیر نحوه جرکت سیالات بر روی راندمان و کیفیت دستگاهها می باشد . در سال های اخیر مهندسین مکانیک با استفاده از همین ویژگی قدرت رشته تحصیلی خود را به دانشمندان صاحب نظر در علوم پزشکی نشان داده اند . همچنین با استناد به تحقیقات خود روش هایی را برای     بهینه تر شدن دستگاههای مورد استفاده در پزشکی و همچنین سودمند تر واقع شدن تصمیمات خود در بهبود حال بیماران به آنها پیشنهاد نموده اند .

به همین خاطر قصد دارم شما را به یکی از این تحقیقات آشنا سازم . امیدوارم مورد نظر شما واقع شود .

شبيه سازی عددی جريان تصفيه خون در کليه مصنوعی

  معمولاً افرادي كه دچار مشكل نارسائي كليه مي باشند ،عمليات تصفيه خون را توسط دستگاه مخصوصي كه وظيفه كلي مصنوعي را بر عهده دارد انجام مي دهند. اين عمل موسوم به همودياليز مي باشد . کلا دیالیز یه معنی تصفیه کردن و همو نیز به معنی خون می باشد . درباره تاريخچه انجام دياليز هوفارت مي نويسد ، کولف در سال ١٩٤٣ كليه مصنوعي را ساخت . اگر چه او اولين فردي نبود كه خارج كردن مواد بر اساس انتشار از خون را مورد توجه قرار داد اما او اولين پزشكي كه توانست افراد مبتلا به بيماري كليوي را مورد درمان قرار دهد.  تقريباً سه سال قبل از وي، آبل و ورن جهت خارج كردن اسيد ساليسيليك از خون خرگوش از دياليز استفاده نموده بودند . بدين ترتيب اعلاميه جنجال برانگيز دكتر كولف در سال ١٩٤٣ مبني بر اين كه او توانسته یک دستگاه كليه مصنوعي بسازد كه كار اين عضو از بدن را انجام دهد كه به عنوان اولين نوآوري تكنولوژيك و متعاقب آن اعلاميه دكتر بلدينگ اسكريبنه در سال ١٩٦٠ مبني بر اين كه وي توانسته شيوه اي را ابداع نمايد كه انجام دياليزهاي مكرر براي يك بيمار كليوي را امكان پذير سازد، به عنوان دومين نوآوري تكنولوژيك در تاريخ ثبت شده است . نوآوري سوم جنبه اجتماعي داشت ، در سال ١٩٤٣ كنگره آمريكا قانوني وضع كرد كه به موجب آن كليه بيماران نيازمند دياليز از خدمات رايگان برخوردار شوند . سيال تحت تاثير عوامل مختلف از جمله فشار، دما، ساختار مولکولی سيال می باشد. علاوه بر عوامل فوق، خون سيالی است که در داخل محيطی به نام پلاسما قرار دارد و خواص پلاسما نيز روی ويسکوزيته خون تاثير دارد که پيچيدگی بيشتری در بررسي جريان خون ايجاد می کند .

دياليز بر سه اصل استوار است : پديدة انتشار ، اسمز و اولترافيلتراسيون . در این تحقیق سعی شد به بررسی پديده انتشار يعني حركت ذرات از يك ناحيه با غلظت زياد به ناحيه اي با غلظت كمتر پرداخته شود . در بدن ، انتشار معمولاً از طريق يك غشاء نيمه تراوا  انجام مي شود.  در دياليز صفاقي و همودياليز دفع املاح از بدن توسط پديدة انتشار انجام مي گردد.  انتشار باعث حركت اوره ، كراتينين و اسيد اوريك از خون بيماران به داخل محلول دياليز مي شود . همين اصل در مورد حركت يونهاي پتاسيم نيز صادق است . در اين بررسی انتقال جرم در محيط کليه مصنوعی به عنوان نمونه اي از پديده انتقال در محيط متخلخل اشباع شده مورد بررسي قرار گرفته است  .

اصول دياليز

پديدة اسمز يعني حركت آب از يك غشاء نيمه تراوا از ناحيه با غلظت پایين به ناحيه اي با غلظت بالاتر، اسمز مسئول برداشت مايع اضافي و اوره از بدن بيمار مي باشد . مواد زائد با وزن مولكولي كم به دنبال اوره در داخل خون تجمع پيدا مي كند در حالي كه در داخل محلول دياليز اين مواد وجود ندارد . به همين دليل وقتي كه خون بيمار در معرض مايع دياليز قرار مي گيرد بلافاصله حركت ذرات از طرف خون به طرف مايع دياليز شروع مي شود.  پس از گذشت زمان ، تركيبات دو طرف با يكديگر برابر خواهد شد.  در هنگام دياليز از متعادل شدن غلظت دو محلول بايد جلوگيري كرد . براي دستيابي به اين امر ، بايد به طور مرتب بخش مربوط به مايع دياليز سريعاً با مايع دياليز تازه پر گردد و خون دياليز شده با خون جديد مكرراً تعويض گردد  .

دستگاه همودياليز

قسمت اصلي اين دستگاه يك فيبر توخالی به شكل استوانه مي باشد كه در دو قسمت انتهايي محل هايي براي ورود و خروج خون وجود دارد كه از طريق سوزن ها به بدن بيمار متصل مي شود . روي استوانه نيز دو قسمت براي ورود و خروج مایع دیالیزی قرار دارد كه از طريق كانكتورهايي به دستگاه دياليز وصل مي شود.  داخل استوانه لوله هايي از جنس لوله هاي موئين قرار دارد كه به صورت يك رشته كنار هم قرار گرفته اند. اين لوله ها قطر ميكروني دارندكه خون حتي اگر فشار هم نداشته باشد براحتي در آنها نفوذ مي كنند و در طول استوانه پيش مي رود .

بعد از شبیه سازی عددی نتایج گرفته شده به شرح زیر می باشد .

استفاده از روش عددي، تاثير زيادي را در كاهش هزينه هاي تجربي و زمان مورد نياز براي بهينه سازي دارا مي باشد . در اين مقاله، هدف مدلسازی و حل عددی معادلات انتقال جرم، جهت ارائه روشي براي بهينه سازی عمل همودياليز می باشد .از معادلات ناوير استوكس و دارسي حاكم برخون و مايع تصفيه كننده، براي حل استفاده مي شود .نتايج بدست آمده در توزيع غلظت ، نشاندهنده وجود بيشترين ميزان تبادل اوره در ورودي مي باشد . همچنين با بررسي محل تشكيل جريان چرخشي مي توان با تغيير پارامترهايي مانند طول موثر تبادل جرم، از وقوع آن جلوگيري كرد .بررسي بردارهاي سرعت نيز نشاندهنده افزايش آن با دور شدن از سطح ديواره غشا است .تمركز خطوط جريان در نزديكي ديواره غشا مويد ساير نتايج ميباشد .با كاربرد ا ين نتايج مي توان براحتي فرآيند دياليز را از جهت زمان و هزينه مصرفي بهينه ساخت .

امیدوارم این مطالب برای شما عزیزان سودمند و مورد توجه واقع شود .

از تمام پزشکان و دانشجویان پزشکی بافقی دعوت می کنم اگر در زمینه پزشکی ( مشکلات جریان خون در رگ ها ) ایده ای دارند ( جهت مقاله شدن ) ، برای تحقیق و رفع مشکل با توسل بر علم مکانیک سیالات ما را در جریان بگذارند .

احسان فتوحی بافقی

Ehsansytif@gmail.com