مقاله کنترل فازی سرطان روده

بخشی از مقاله

چکیده

بررسی چگونگی پیشرفت و فعالیت سلول های سرطانی به عنوان یکی از عوامل مهم بیماری در انسان مورد توجه سازمان های دارویی و پزشکی جهان قرار گرفته است. گسترش روز افزون مبتلایان به بیماری های سرطانی، مطالعه روش های پیشرفت این بیماری خاص را چند برابر کرده است. در این مقاله، معادلات دیفرانسیل مورد استفاده برای بررسی رفتار سلول های سرطانی روده بزرگ بر اساس تعداد سلول های سرطانی، تأثیرپذیری از سیستم ایمنی بدن، تأثیر دارو بر رفتار این سلول ها بدست آمده است.

در این معادلات مطرح شده، تأثیر دو نوع داروی شیمی درمانی و درمان آنتی بادی مورد بررسی قرار گرفته است. کنترل فرایند یعنی کنترل میزان داروی تزریقی به منظور کاهش رشد سلول های سرطانی مورد بررسی قرار گرفته است.

به این منظور ابتدا کنترل کننده ای فازی طراحی شده است که ورودی آن تعداد سلول های سرطانی و خروجی های آن میزان داروی اعمالی در وضعیت شیمی درمانی و یا داروی آنتی بادی است. سپس این کنترل کننده در سیستم قرار داده شده و خروجی آن به عنوان میزان داروی شیمی درمانی و یا درمان آنتی بادی جایگزین تابع ورودی در معادلات دارویی شده است. شبیه سازی معادلات بدست آمده، نتایج مناسب استفاده از کنترل کننده فازی را نمایش می دهد. لازم به ذکر است مقادیر دارویی انتخاب شده برای کنترل کننده در محدوده مجازی تعیین شده است که توسط سازمان غذایی و دارویی ×مجاز شناخته شده است.

.1 مقدمه

همه سرطان ها از سلول ها شروع می شوند که واحد سازنده بدن و اساس زندگی محسوب می شوند. سلول ها بافت را می سازند و بافت های بدن، اندام ها را تشکیل می دهند. به طور طبیعی، سلول ها به گونه ای که بدن به آنها نیاز دارد، رشد می کنند و تقسیم می شوند. سلول های پیر می میرند وسلول های جدید جای آنها را می گیرند.گاهی نظم مراحل رشد به هم می خورد. سلول های جدید زمانی که لزومی به وجود آنها نیست، به وجود می آیند و یا سلول های پیر در زمان مرگ به حیات خود ادامه می دهند. این سلول های اضافی توده بافتی به نام تومور تشکیل می دهند. تومورها خوش خیم یا بد خیم می باشند. زمانی که سرطان از بافت اصلی به سایر قسمت های بدن گسترش پیدا می کند، تومور جدید شبیه همان نوع سلول های غیر طبیعی تومور اولیه بوده و به همان اسم تومور اولیه خوانده می شود.

به بیان دیگر، سلول های سرطانی در بدن انسان به دلیل نافرمانی تعدادی سلول و در اصل به دلیل عدم انجام وظیفه محول به آنها بوجود می آید. شروع سرطان دلایل متعدی دارد که می توان به ژنتیک، شرایط محیطی نامناسب، استفاده از مواد غذایی شیمیایی به میزان بالا، قرار گرفتن در مقابل تشعشعات با قدرت نفوذ بالا و غیره اشاره کرد. رشد سلول های سرطانی در بدن به شرایط محیطی سلولی - یعنی محل تومور در بدن - ، مقدار قدرت دفاعی بدن، مقدار داروی مصرفی و ... مربوط می شود.

به دلیل زیاد شدن بیماریهای مربوط به سرطان در جوامع انسانی، بررسی این بیماری از دیدگاه های مختلف در محال علمی-پزشکی مورد توجه قرار گرفته است. امروزه یکی از مسایل مورد بررسی سازمان های وابسته به پزشکی، بررسی رفتار سرطان از دیدگاه های مختلفی همچون رفتار تومور، چگونگی رشد و انتشار سلول های سرطانی در بدن و رفتار سلولهای سرطانی در مواجهه با درمان می باشد. مدلسازی رفتار تومور به منظور شبیه سازی رفتار تومور مورد توجه متخصصین این رشته قرار گرفته است. بحث مدلسازی رفتار تومور بیشتر جنبه بیولوژیکی داشته و عمدتاً در رشته های پزشکی مورد بررسی قرار می گیرد. به این صورت که با بررسی میدانی چند نمونه آزمایشگاهی، پارامترهای تأثیر گذار در رشد و یا توقف سلول های سرطانی را شناسایی کرده و در نهایت به صورت فرمول های ریاضی مدلسازی می شوند.

با پیشرفت علم پزشکی، عمدتاً این مطالعات با دقت بالاتری صورت گرفته و هر از چندگاه معادلات حاکم بر سلول های سرطانی دست خوش تغییرات خواهند شد. مقاله [2] معادلات سلول های سرطانی را به صورت معادلات دیفرانسیل در نظر گرفته و با استفاده از روش شبیه سازی یه بعدی گسسته، معادلات را شبیه سازی کرده است. روش های خطی پایداری در این مقاله نشان می دهد که تجمع ذرات تومور با استفاده از کاهش ترشحات شیمیایی، ضرایب کوموتاکسی و تراکم سلول ها و یا افزایش تخریب شیمیایی در مدل ، به صورت خود به خودی تخریب تجمع تومور را بوجود خواهد آورد.

در [3] تحت عنوان مدلسازی سیستم ایمنی و سرطان پرداخته شده است. در این پایان نامه ابتدا رابطه دینامیکی پیشرفت سرطان به عنوان پیش فرض در نظر گرفته شده است و نتایج شبیه سازی آن ارائه شده است. در این پایان نامه نتایج بررسی تأثیر سیستم ایمنی بدن بر سلول های سرطانی مورد بررسی و شبیه سازی قرار گرفته است. مقاله [4] به توصیف مباحث مقدماتی در مدلسازی ریاضی رشد سرطان پرداخته و در این مقاله به برخی نتایج مقدماتی و برجسته این مدلسازی ها اشاراتی کرده است.مقالات و پایان نامه های دیگری نیز در زمینه مدلسازی های مختلف و شیوه های مختلف مدلسازی به چاپ رسیده است که می توان به مقالات [6, 7, 8] اشاره کرد.

همچنین در مقالات [12, 13] به معرفی روش های استفاده از معادلات دیفرانسیل به منظور مدلسازی رفتار سلولی و سلول های سرطانی پرداخته شده است و نتایج بدست آمده از این روش مدلسازی ارائه شده است. مقاله [11] که در دانشگاه تگزاس به چاپ رسیده است، رفتار سلول ها و سلول های سرطانی با یکدیگر را به صورت یک مدلسازی غیر خطی در نظر گرفته است. همچنین در این مقاله به بررسی رابطه غیر خطی فرایند درمان پرداخته شده است و نتایج شبیه سازی ارائه شده است.

در این مقاله اشاره شده است که بررسی غیر خطی رفتار سلول های بدن می تواند بررسی حالت های ناپایدار در رفتارهای سلولی را بهتر نمایش دهد. همچنین مقالاتی در زمینه مدلسازی سرطان به چاپ رسیده اند که در این مقالات، از روش های تکاملی و یا هوش مصنوعی برای شبیه سازی رفتار سرطان و تومور استفاده شده است. در مقاله [9] از شبکه های عصبی برای شبیه سازی ارتباط هوشمند سلول ها با محیط اطراف خود استفاده شده است. در این شبیه سازی، شرایط محیطی به عنوان ورودی های شبکه عصبی و رفتار سلول به عنوان خروجی در نظر گرفته شده است و نتایج استفاده از این مدل ارائه شده است.

همچنین مقاله [10] که توسط نویسندگان مقاله قبل به چاپ رسیده است، به بررسی مدلسازی رفتار سلولی با استفاده از شبکه عصبی و کاربرد آن در شبیه سازی رشد تومور پرداخته است. در مقاله [14] هدف بررسی پایداری رفتار سلولی در حضور پرتو درمانی است. به منظور این بررسی ابتدا معادلات رفتاری سلول ها به صورت معادلات دیفرانسیل در نظر گرفته شده و سپس شرایط مرزی پایداری به منظور از بین رفتن همزمان سلول های سرطانی و عملکرد مناسب دیگر سلول ها مورد بررسی قرار گرفته است و نتایج حاصل از آن در شبیه سازی ارائه شده است.

مقاله [15] که در سال 2014 به چاپ رسیده است، از معادلات رفتاری سلول های سرطانی معرفی شده در منبع [5] استفاده کرده و به این معادلات پارامترهای درمان را اضافه کرده است. این منبع به همراه منبع [5] به عنوان مراجع اصلی شبیه سازی معادلات مورد استفاده قرار گرفته اند. هدف از این مقاله، معرفی و شبیه سازی معادلات سرطانی روده در حضور فرایند درمان است.

.2 کنترل فازی سرطان روده

به منظور کنترل ورودی داروهای مورد استفاده در معادلات توصیفی رفتار سلول های سرطانی، از کنترل کننده فازی استفاده شده است. کنترل کننده فازی از قسمت های متعددی تشکیل شده است. این قسمت ها را می توان به صورت زیر تقسیم بندی کرد که در بخش های آتی به هر کدام از آنها پرداخته خواهد شد. شکل - 1 - نمودار بلوکی کنترل کننده فازی را نمایش می دهد که چگونگی ارتباط میان قسمت های مختلف بلوک فازی را نمایش می دهد.

با توجه به ورودی کنترل کننده فازی می بایست جمعیت سلول های سرطانی مهاجم به عنوان ورودی کنترل کننده فازی به سیستم فازی اعمال شود. مشکل بوجود آمده در این مرحله، بزرگ بودن مقادیر عددی جمعیت سلول های سرطانی است. این مقادیر به گونه ای هستند که انتخاب آن به عنوان محدوده قابل تعریف برای توابع عضویت فازی امکان ناپذیر است. برای حل این مشکل، از یک طرفند کوانتیزه کردن ورودی استفاده شده است. به این صورت که به ازای بازه های خاصی از تعداد جمعیت سلول های سرطانی، یک مقدار عددی بین 0 و 10 تولید می شود. جدول - 1 - نشان دهنده این تبدیل داده های ورودی به مقدار عددی محدود شده است.

جدول -1داده های ورودی و مقدار عددی نسبت داده شده به آن

به منظور تولید کردن داده های جدول - - 1، از یک منحنی خطی استفاده شده است. این منحنی در شکل - - 2 نمایش داده شده است. به ازای تعریف مقادیر مختلف برای   و   می توان بازه های مختلفی از خروجی را بوجود آورد.