Modelling analysis of pyrolysis process with thermal effects by using Comsol multiphysics

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την ανάπτυξη μεθοδολογιών για τη δοσιμετρία στη φωτοδυναμική θεραπεία (ΦΔΘ), είτε αυτή εφαρμόζεται ως μονοθεραπεία, είτε εφαρμόζεται εντός ενός συνδυαστικού θεραπευτικού σχήματος. Εστιάζει στην υφιστάμενη ανάγκη εξατομικευμένης αντιμετώπισης της νόσου του καρκίνου, σε επίπεδο ασθενούς. Προκειμένου να καταστεί αυτό εφικτό, απαιτείται η ανάπτυξη υπολογιστικών μεθόδων, οι οποίες, μετά την in situ δοκιμή τους σε εργαστηριακό περιβάλλον, δοκιμάζονται σε in vivo συνθήκες. Άλλωστε, ζώντας στην εποχή της τέταρτης βιομηχανικής επανάστασης, όπου ο ψηφιακός κόσμος διαδραματίζει πρωταγωνιστικό ρόλο, η υπολογιστική μοντελοποίηση της έρευνας καλείται να γίνει το πρώτο βήμα κάθε πειραματικής μελέτης. Σήμερα, η βιοφωτονική και η νανοτεχνολογία διαδραματίζουν εξέχοντες ρόλους στη διαφορική απεικόνιση, στο σχεδιασμό της στοχευμένης ΦΔΘ καθώς και στη δοσιμετρία της. Παγκοσμίως αλλά και στη χώρα μας, οι προοπτικές δείχνουν ένα συνεχώς αυξανόμενο ενδιαφέρον για τη διάδοση της ΦΔΘ, με επιταχυνόμενες προσπάθειες για την επιστημονική τεκμηρίωση των πρωτοκόλλων θεραπείας και δοσιμετρίας της. Η ίδια η φύση της ΦΔΘ, η οποία στηρίζεται σε φαινόμενα οπτικής, βιοφωτονικής, μοριακής φυσικής, φαρμακοκινητικής, κυτταροβιολογίας και ιατρικής φυσικής, ανεβάζει τον πήχη της δυσκολίας της εξατομικευμένης δοσιμέτρησης του φαινομένου. Ως εκ τούτου, το παρόν πόνημα ξεκινά εισάγοντας τον αναγνώστη στη διαχρονική προσπάθεια αντιμετώπισης του καρκίνου. Εν συνεχεία, παρουσιάζεται η ΦΔΘ, ένας από τους λίγους μη-επεμβατικούς τρόπους αντιμετώπισης της νόσου. Δίνονται στοιχεία για τους τρεις θεμέλιους λίθους της, δηλαδή τη μονοχρωματική μη-ιοντίζουσα ακτινοβολία, τη φωτοευαισθητοποιό ουσία και το οξυγόνο. Παράλληλα, αναλύονται τόσο τα πλεονεκτήματα όσο και τα μειονεκτήματα της μεθόδου. Προς αντιμετώπιση του βασικότερου εξ αυτών, το οποίο είναι το περιορισμένο βάθος δράσης, προτείνεται η ενίσχυση του θεραπευτικού αποτελέσματος υπό ένα συνδυαστικό σχήμα θεραπείας, μέσω της προσθήκης νανοδομών. Επομένως, παρεμβάλλεται ένα σύντομο τρίτο κεφάλαιο, αφιερωμένο στη, βασιζόμενη σε νανοσωματίδια, φωτοθερμική θεραπεία. Το τέταρτο κεφάλαιο ολοκληρώνει το απαιτούμενο θεωρητικό υπόβαθρο, αναλύοντας θέματα που άπτονται της δοσιμετρίας της ΦΔΘ. Εν συνεχεία, παρουσιάζεται διεξοδικά ο κώδικας «PDT Simulator» που αναπτύχθηκε για την υπολογιστική προσομοίωση της φωτοδυναμικής δράσης στην περιοχή του όγκου και πέριξ αυτής. Αποτελείται από μικρότερους αλγόριθμους, οι οποίοι υλοποιούνται στο περιβάλλον του προγράμματος «Matlab». Αυτοί υπολογίζουν και παρουσιάζουν μέσω χρωματικών χαρτών, βασικά δοσιμετρικά μεγέθη σχετιζόμενα με τη δέσμη φωτός, όπως τη συγκέντρωση της φωτοευαισθητοποιού ουσίας, του οξυγόνου αλλά και την επαγόμενη καταστροφή του όγκου – στόχου. Επιπροσθέτως, δίνεται και ένα παράδειγμα εφαρμογής του κώδικα για την πληρέστερη κατανόησή του. Το κεφάλαιο έξι που ακολουθεί είναι αφιερωμένο στην κατασκευή προσομοιωτών βιολογικών ιστών από γέλη αγαρόζης και στη μελέτη φωτοθερμικών φαινομένων. Μοντελοποιούνται από απλές έως και σύνθετες / ρεαλιστικές γεωμετρίες, οι οποίες αναπαριστούν όγκους που έχουν ενεθεί με διαλύματα νανοσωματιδίων και ακτινοβολούνται με δέσμες laser. Τα εξαχθέντα αποτελέσματα είναι απαραίτητα για την παραμετροποίηση και έλεγχο του κώδικα που παρουσιάζεται στο κεφάλαιο επτά. Σε αυτό, αναλύεται η ανάπτυξη μίας εύχρηστης εφαρμογής, υπό το όνομα «Thermal Effects Simulator». Στηρίζεται στη χρήση του προγράμματος «COMSOL Multiphysics» και μοντελοποιεί τα επαγόμενα φωτοθερμικά φαινόμενα, μετά την ακτινοβόληση ζώου (μυός) που φέρει καρκινικό όγκο, είτε πρόκειται περί φωτοδυναμικής είτε περί φωτοθερμικής θεραπείας. Το επόμενο κατά σειρά κεφάλαιο παρουσιάζει την in silico αλλά και in vivo εφαρμογή ΦΔΘ σε μύες, δίνοντας έμφαση στη δοσιμετρία του φαινομένου, υπό το πρίσμα της δέσμης ακτινοβόλησης. Με βάση τα αποτελέσματα που προκύπτουν σχεδιάζεται, μοντελοποιείται, εκτελείται και σχολιάζεται, στο κεφάλαιο εννέα, μία βελτιστοποιημένη, συνδυαστική εκδοχή της προαναφερθείσας μελέτης, μέσω της χρήσης των υπολογιστικών μεθόδων που αναπτύχθηκαν κατά τη διεξαχθείσα έρευνα. Επιπροσθέτως, παρουσιάζεται μία διάταξη φωτοδυναμικής και φωτοθερμικής θεραπείας, με έμφαση στη φορητότητα. Τέλος, στο κεφάλαιο δέκα παρατίθενται τα συμπεράσματα της παρούσας διατριβής καθώς και οι μελλοντικοί στόχοι. Αξίζει να σημειωθεί πως μετά τη βιβλιογραφία ακολουθεί εντός παραρτήματος, ένα σύντομο δείγμα της απόδοσης στα ελληνικά, του μοναδικού πλήρους και διεθνώς αναγνωρισμένου πρωτοκόλλου φωτοδυναμικής θεραπείας, όπως και ο κώδικας «PDT Simulator» που αναπτύχθηκε. Όπως προκύπτει από την παρούσα έρευνα, η δοσιμετρία της ΦΔΘ, αν και ιδιαιτέρως πολύπλοκη, δύναται να προσεγγιστεί με τη βοήθεια υπολογιστικών μεθόδων. H χρήση δέσμης ακτινοβόλησης κατάλληλου μήκους κύματος, είναι καθοριστικής σημασίας για την ενεργοποίηση της φωτοευαισθητοποιού ουσίας και την εκκίνηση κυτταροτοξικών φαινομένων. Μάλιστα, ακόμα και αυξημένοι χρόνοι θεραπείας δεν μπορούν να αντισταθμίσουν πλήρως μία πιθανώς μη-κατάλληλη επιλογή πηγής φωτός. Όσον αφορά παράπλευρα θερμικά φαινόμενα, επαγόμενα από την ακτινοβόληση κατά τη ΦΔΘ, αυτά μπορούν να θεωρηθούν αμελητέα. Αναφορικά με τη δράση της θεραπείας, αν και εξαιρετικά εντοπισμένη, αποτελεί ταυτόχρονα και την αχίλλειο πτέρνα της καθότι, υπό επιφανειακή ακτινοβόληση του όγκου, οι εν τω βάθει περιοχές αυτού σαφώς υποδοσιάζονται. Μάλιστα, η επιπρόσθετη ύπαρξη υποξικών περιοχών υποβαθμίζει έτι περαιτέρω το θεραπευτικό αποτέλεσμα. Προς ενίσχυση του τελευταίου μπορεί να εφαρμοστεί επικουρικά φωτοθερμική θεραπεία, μέσω της χρήσης νανοσωματιδίων, λόγω του μεγαλύτερου βάθους δράσης της και της απουσίας εξάρτησής της από το διαθέσιμο οξυγόνο. Σε κάθε περίπτωση, τα θερμικά φαινόμενα δεν έχουν τον ίδιο τοπικό χαρακτήρα. Επομένως, ο πολύ προσεκτικός ορισμός των παραμέτρων της φωτοθερμικής θεραπείας είναι εκ των ουκ άνευ. Μόνο τότε, μπορεί να αντιμετωπιστεί η περιφέρεια του όγκου, χωρίς βλαπτικά αποτελέσματα για τους πέριξ υγιείς ιστούς. Συμπερασματικά, ο κώδικας «PDT Simulator» και η εφαρμογή «Thermal Effects Simulator» που αναπτύχθηκαν, φαίνεται πως είναι σε θέση να προσομοιώσουν επιτυχώς τη συνδυαστική φωτοδυναμική και φωτοθερμική θεραπεία, προφυλάσσοντας από φαινόμενα υπέρ- ή υποδοσιασμού. Μετά την κλινική επιβεβαίωσή τους, δύναται να αποτελέσουν ένα ιδιαιτέρως χρήσιμο εργαλείο στα χέρια του ιατρού και του φυσικού ιατρικής, για το σχεδιασμό, τη δοσιμέτρηση της θεραπείας καθώς και την πρόγνωση του θεραπευτικού αποτελέσματος.

Download Full-text

Thermal Considerations in Lens Regulator Systems

Proceedings, annual meeting, Electron Microscopy Society of America ◽

10.1017/s0424820100068783 ◽

1970 ◽

Vol 28 ◽

pp. 358-359

Author(s):

K.C. Newton

Keyword(s):

Electron Microscope ◽

Thermal Effects ◽

Environmental Control ◽

Reference Networks ◽

Better Than

Thermal effects in lens regulator systems have become a major problem with the extension of electron microscope resolution capabilities below 5 Angstrom units. Larger columns with immersion lenses and increased accelerating potentials have made solutions more difficult by increasing the power being handled. Environmental control, component choice, and wiring design provide answers, however. Figure 1 indicates with broken lines where thermal problems develop in regulator systemsExtensive environmental control is required in the sampling and reference networks. In each case, stability better than I ppm/min. is required. Components with thermal coefficients satisfactory for these applications without environmental control are either not available or priced prohibitively.

Download Full-text

Direct measurement of electron-diffraction-pattern intensities using an energy loss spectrometer

Proceedings, annual meeting, Electron Microscopy Society of America ◽

10.1017/s0424820100155311 ◽

1989 ◽

Vol 47 ◽

pp. 668-669

Author(s):

A. G. Jackson ◽

M. Rowe

Keyword(s):

Thermal Effects ◽

Dynamic Range ◽

Scattering Amplitude ◽

Dynamical Theory ◽

Site Symmetry ◽

Proof Of Concept ◽

Parallel Acquisition ◽

Kinematic Approximation ◽

Speed Up ◽

Structure Calculations

Diffraction intensities from intermetallic compounds are, in the kinematic approximation, proportional to the scattering amplitude from the element doing the scattering. More detailed calculations have shown that site symmetry and occupation by various atom species also affects the intensity in a diffracted beam. [1] Hence, by measuring the intensities of beams, or their ratios, the occupancy can be estimated. Measurement of the intensity values also allows structure calculations to be made to determine the spatial distribution of the potentials doing the scattering. Thermal effects are also present as a background contribution. Inelastic effects such as loss or absorption/excitation complicate the intensity behavior, and dynamical theory is required to estimate the intensity value.The dynamic range of currents in diffracted beams can be 104or 105:1. Hence, detection of such information requires a means for collecting the intensity over a signal-to-noise range beyond that obtainable with a single film plate, which has a S/N of about 103:1. Although such a collection system is not available currently, a simple system consisting of instrumentation on an existing STEM can be used as a proof of concept which has a S/N of about 255:1, limited by the 8 bit pixel attributes used in the electronics. Use of 24 bit pixel attributes would easily allowthe desired noise range to be attained in the processing instrumentation. The S/N of the scintillator used by the photoelectron sensor is about 106 to 1, well beyond the S/N goal. The trade-off that must be made is the time for acquiring the signal, since the pattern can be obtained in seconds using film plates, compared to 10 to 20 minutes for a pattern to be acquired using the digital scan. Parallel acquisition would, of course, speed up this process immensely.

Download Full-text