بخشی از مقاله
چکیده:
پیشرفتهای نانوتکنولوژی در زمینه دارویی باعث شده است تا سطح دقت و تشخیص بیماری تا حد قابل توجهی بالا رود. اما بعضی از این داروها برای سلولهای سالم مضر بوده و تأثیرات منفی و عوارض جانبی برای بیماران ایجاد می کنند. در نتیجه مبحث نانورباتهای پزشکی اهمیت خاصی پیدا می کند. استفاده از نانورباتها برای تشخیص و درمان پزشکی ایدهای جالب از زمان پیدایش مفهوم نانوتکنولوژی بوده است. ربات هایی در مقیاس نانو که آن قدر کوچک هستند که می توانند به راحتی از رگها عبور کنند بدون اینکه کوچکترین عوارض جانبی یا خطری برای بیمار داشته باشند.
در این میان کنترل این نانورباتها و هدایت صحیح آن ها برای رسیدن به سلول آسیب دیده و درمان آن حائز اهمیت میباشد. در این پژوهش سعی بر آن شده است تا با ارائه الگوریتمهای مختلف و ایدههای برتر، نانورباتها را در رسیدن به محل آسیب هدایت کرد.
برای این منظور محیط کار نانورباتها که رگ می باشد توسط نرم افزار انسیس شبیه سازی شده و مدل جریان خون مورد تحلیل قرار گرفته و سپس از الگوریتمهای رقابت استعماری و الگوریتم کولونی مورچگان جهت یافتن محل آسیب استفاده شده است تا بتوانند راهنمای بهتری جهت حرکت نانورباتها در رگ برای رسیدن به محل آسیب شوند و در نهایت نتایج بدست آمده این دو الگوریتم با یکدیگر مقایسه شده تا الگوریتم سریع تر و بهینه معرفی شود که الگوریتم رقابت استعماری در زمان 0/02ثانیه با تابع هزینه 1/1236نسبت به اگوریتم کولونی مورچگان که در زمان 0/06وتابع هزینه 1/1358 سریعتر و با تابع هزینه کمتری نانو ربات را به محل اسیب در رگ می رساند پس به عنوان الگوریتم بهینه انتخاب می شود.
-1 مقدمه
با توجه به پیشرفتهای نانو تکنولوژی، استفاده از فناوری نانو برای مقاصد پزشکی در زمینه نانو ربات ها روز به روز در حال گسترش میباشد. عملهای جراحی و داروها ممکن است عوارضی جانبی و تاثیرات منفی برای سلول های سالم بیماران در پی داشته باشند، یا در برخی موارد به علت ضعیف بودن بیمار - ناتوانی جسمی - یا در دسترس نبودن محل عارضه یا بیماری در بدن امکان جراحی وجود نداشته باشد لذا ازاهداف تحقیق می توان به شبیه سازی محل آسیب در رگ توسط نرم افزار انسیس و بررسی دو الگوریتم رقابت استعماری و کلونی مورچگان با استفاده از نرم افزار متلب و معرفی الگوریتم بهینه ، سریع و هوشمند برای کنترل نانو ربات ها در داخل عروق جهت جستجوی محل آسیب و شناسایی دقیق تر محل در محیط پویای عروق اشاره کرد. با این طرح نانو ربات ها می توانند به عنوان پلاکت های مصنوعی جهت درمان وجلوگیری از خونریزی درمحل آسیب در عروق بکارگرفته شوند.
-2 مروری بر تحقیقات پیشین
در زمینه نانو ربات ها کارهاو پژو هش های بسیاری انجام گرفته است که میتوان به تحقیقاتی درباره ساخت سخت افزار نانو ربات ها و انواع تکنولوژی ها مثل CMOS و حتی ساخت نانو ربات ها و اجزای بیولوژیکی برای کارایی بیشتر و هم سازگاری با ساختمان بدن انسان اشاره کرد .همچنین کارهای زیادی در زمینه تبادلات اطلاعات و شبکه بین نانو ربات ها صورت گرفته است. در زمینه کوچک سازی ربات ها نیز پیشنهادات مختلفی ارائه شده است. درباره ساخت سنسور های نانو ربات ها و انواع منابع انرژی برای بالا بردن کارایی نانو ربات ها نیز تحقیقات گسترده ای انجام گرفته است.
اما در خصوص کنترل نانو ربات ها در داخل رگ انسان که موضوع اصلی این مقاله است می توان به بعضی از ان ها اشاره کرد. کالواکانتی و همکاران در سال 2002 در کنفرانسی بر روی حرکت نانو رباتها در بدن برای جلوگیری از برخورد با موانع موجود در بدن توسط شبکه های عصبی پس خور کار کردند. در این کار محیط کار نانورباتها توسط نرم افزار NCD شبیه سازی شده و حرکت نانورباتها را آنالیز کرده اند
همچنین کالواکانتی و همکاران در سال 2003 درباره کنترل نانورباتها بر پایه سنسورهای نانوربات و اسمبل نانوربات طرحی ارایه دادند که در این طرح نیز از شبکه های عصبی پس خور استفاده شده است
کالواکانتی و همکاران در سال 2004 بر روی چالشها و مشکلات نانورباتها در داروسازی کار کرده اند . - Cavalcanti, 2004 - کالواکانتی و همکاران در سال 2005 به بعد روی کنترل نانورباتها به صورت تخصصی و بر روی بیماریهای معینی کار کردند از آن جمله بیماریهای مغزی، بیماریهای عروقی، سرطان و سیستم دفاعی بدن اشاره کرد
پینا گارسیا و همکاران در سال 2008 بر روی مقایسه روشهای موجود در کنترل حرکت نانورباتها برای جستجوی بافت سرطانی در بدن تحقیق کردند . - Pina Gareia, 2008 - پینفا بونرانگ و همکارانش در سال 2013مقاله ای بر روی روشهای کنترل نانو ربات در ترمیم رگهای خونی آسیب دیده پیشنهاداتی را ارائه کرده اند Pinfa . - Boonrong, 2013 - سوپاتچایا تریمیران و همکاران در سال 2013مقاله ای بر روی مدل سازی کنترل نانو ربات در ترمیم رگهای خونی آسیب دیده باروش غیر نیوتنی پیشنهاداتی را ارائه کرده اند
-3الگوریتم های جستجو
در علوم کامپیوتر و ریاضیات، یک الگوریتم جستجو، الگوریتمی است که یک مسأله را به عنوان ورودی می گیرد و بعد از ازریابی کردن راه حلهای ممکن، یک راه حل برای آن مسأله برمی گرداند. هنگامی که مسأله را حل میکنیم معمولا دنبال آن هستیم که بهترین راه حل و یا به بیان دیگر به یک حل بهینه از بین حلهای ممکن برای مسأله برسیم. به محدودهای که جوابهای مسأله قابل قبول میباشند به طوری که جواب بهینه هم یکی از زیر مجموعههای این محدوده است " فضای جستجو " نامیده میشود.
هر نقطه از محدوده فضای جستجو نشان دهنده یکی از روشهای حل مسأله میباشد و یا به بیانی ساده تر میتوان گفت : مجموعه راه حلهای ممکن برای یک مسأله را فضای جستجو مینامند. مهمترین عامل در حل هر مسأله، جستجو به دنبال پاسخهای احتمالی است. به طور کلی با دو دسته از الگوریتمها مواجه هستیم. بعضی از الگوریتمها که با عنوان الگوریتمهای ناآگاهانه شناخته میشوند الگوریتم هایی هستند که از روشهای سادهای برای جستجوی فضای نمونه استفاده میکنند. در حالی که الگوریتمهای آگاهانه با استفاده از روش هایی مبتنی بر دانش درباره ساختار فضای جستجو، میکوشند تا زمان جستجو را کاهش دهند.
1- 3 الگوریتمهای بهینه سازی جمعی
هوش جمعی خاصیتی است سیستماتیک که در این سیستم، عامل ها به طور محلی با هم همکاری مینمایند و رفتار جمعی تمام عامل ها باعث یک همگرایی در نقطه ای نزدیک به جواب بهینه سراسری می شود نقطه قوت این الگوریتم عدم نیاز به یک کنترل سراسری می باشد. هر ذره - عامل - در این الگوریتمها خود مختاری نسبی دارد که میتواند در سراسر فضای جوابها حرکت کند و میبایست با سایرذرات - عامل ها - همکاری داشته باشد. دو الگوریتم مشهور هوش جمعی، بهینه سازی مورچگان و رقابت استعماری می باشند.
1-1-3 الگوریتم بهینه سازی کلونی مورچگان
این الگوریتم بر مبنای حرکت جمعیت مورچه ها ارائه شده است. مورچه ها به طور تصادفی و به دنبال رد به جا مانده از فرمون حرکت می کنند و از خود فرومون که نوعی ماده شمیایی است به جا میگذارند مسیرهایی که مسافت کمتری را دارا هستند دارای فرمون بیشتری بوده و بیشتر مورد انتخاب مورچه ها در حین حرکت قرار می گیرند. مورچه ها بدون آگاهی و بر اساس همین مکانیزم کوتاهترین مسیرها را انتخاب می کنند. در شکل زیر نمونه از نحوه عملکرد مورچه ها نمایش داده شده است. مورچه ها نقاطی هستند که برروی نقاط به دست آمده از محیط رگ قرار دارند و به طور تصادفی حرکت می کنند و نقاط با هزینه کمتر را در مسیر حرکت خود گزارش می دهند.
2-1-3 الگوریتم رقابت استعماری
این الگوریتم بر اساس رقابت استعمارگران برای استعمار کلونیها مطرح شده که مراحل آن به شرح زیر می باشد:
1. در میان نقاط یا راه حل های موجود چند تا را به تصادف انتخاب می شود.
2. از میان نقاط یا راه حل های موجود مقادیر هزینه یا برازندگی را محاسبه می شود.
3. نقاطی که کمترین هزینه یا بیشترین برازندگی دارند را مشخص می شود.
4. ازمیان نقاط مناسب یکی یا چند از بهترین را به عنوان استعمارگر و بقیه به عنوان مستعمره یا کلونی انتخاب می شود.
5. کلونی ها میان استعمارگران تقسیم می شوند.
6. استعمارگران مستعمره های خود را به سمت خود جذب می کنند.
7. مستعمره که هزینه کمتری نسبت به استعمارگر خود دارد جای خود را با استعمارگر عوض کرده و جانشین آن می شود.
8. استعمارگری که از همه ضعیف تر باشد کم کم مستعمره های خود را از دست می دهد.
