Analiza i primena distribuirane (smeared) metodologije u modeliranju transporta u deformabilnim biološkim sistemima
Analysis and application of smeared methodology in modelling of transport within deformable biological systems
Докторанд
Simić, VladimirМентор
Filipović, NenadЧланови комисије
Milošević, MiljanŽivković, Miroslav
Jorgovanović, Nikola
Rakić, Dragan
Метаподаци
Приказ свих података о дисертацијиСажетак
Osnovu svih vitalnih procesa u ljudskom organizmu predstavlja razmena
mase, koja se paralelno odvija na nekoliko skala: od krvnih sudova ka
unutrašnjosti ćelija i do organela unutar ćelija. Molekuli, kao što su
kiseonik, produkti metaboličkih procesa, lekovi i slično, prolaze kroz
različita okruženja- krv, međućelijski prostor unutrašnjost ćelija i
unutrašnjost samih organela; kao i biološke barijere (zidovi krvnih sudova,
membrane ćelija i organela).
Ogroman broj aspekata transporta mase je i dalje nepoznat, pre svega
biofizički mehanizmi transporta lekova u organizmu. Još jedan izazov u
modeliranju ovih procesa, predstavlja kompleksnost kapilarne mreže,
Poredeći nivoe u ljudskom organizmu, od reda veličine organa pa sve do
kapilarnog nivoa, nije izvodljivo modelirati svaki pojedinačni kapilar u
okviru računskog modela stoga jepoželjno imati razvijenu metodologiju
upotrebljivu za praktičnu primenu.
Osnovni cilj disertacije je predstavljanje, kreiranje i razvoj distribuirane
(eng. smea...red) metodologije, kompozitnog distribuiranog konačnog elementa
(eng. Composite Smeared Finite Element- CSFE) kao i KTM (engl. Kojic Transport
Model- KTM), razvijenog od strane akademika Miloša Kojića. Takođe,
korišćenjem pratećih softvera za simuliranje različitih procesa u
biološkim sistemima (difuzije, konvekcije, mehanike tkiva) kao rezultat,
biće prikazane i različite vrste jednostavnih i složenih numeričkih
modela koji služe za validaciju metodologije. Numerička metoda koja će biti
korišćena je metoda konačnih elemenata (MKE) kao i softverski paket PAK
(Program za Analizu Konstrukcija), u kome su implementirane sve jednačine
prikazane u teorijskim proglavljima. Za vizualizaciju i analizu dobijenih
rezultata koristiće se CADFIS (eng. Computer- Aided Design Fields and Solids)
softver.
Rezultat korišćenja ove metodologije je jedan novi koncept, sposoban da
zameni modeliranje kompleksnih bioloških sistema i kapilarne mreže
unutar njih, ekvivalentnim modelima koji su robusniji i nude ogromnu
uštedu vremena prilikom modeliranja, kao i prilikom izvršavanja
simulacija. Tačnost primenjene metodologije je još jedna velika prednost u
odnosu na konvencionalne načine modeliranja, kao i korišćenje merljivih
parametara.
One of the crucial processes in living organisms is mass transport, that occurrs
simultaneously from blood vessels to tissues and– in the reverse– transport from
organelles to blood vessels. Molecules, such as, oxygen, waste products of cell
metabolism, drugs etc, are being transported throughout different barriers- blood,
extracellular space, cell and organelle interior; as well as biological barriers (blood
vessel wall, cell membranes and organelles).
There are still many ascpects of mass transport procces that are not discovered,
primarily biophysical drug transport mechanisms inside living organisms. Another
challenge present during this modeling process is complexity of capillary network
inside complex biological systems (i.e. organs and tumors). Comparing different
scales in human organism, starting from organ level up to capillaries, due to
complexity and heterogeneity of capillary systems, it is however not feasible to
model in silico individual capillaries, hence there is a ne...ed for simplified and robust
computational models that address mass transport in capillary–tissue systems for
practical purposes.
Main goal of this doctoral dissertation is introducing and development of smeared
modeling concept, formulation of a new Composite Smeared Finite Element (CSFE)
and Kojic Transport Models, defined by academician Milos Kojic. Also, using
accompanied softwares for simulating different transport processes inside biological
systems (diffusion, convection and tissue mechanics) as a result here will be
presented different types of simple and complex numerical models used for
validation and application of methodology. Numerical method used in this
dissertation is finite element method as well as PAK software, in which are
implemented all equations listed in theoretical chapters. Regarding visualization and
analyzis of numerical results, we will use CAD FIS (Computer-Aided Design Fields
and Solids) software package.
Main result of using this methodology is a novel concept, capable to replace
modeling of complex biological systems and capillary network within, equivalent
(smeared) models, more robust which saves time during modeling process, as well as
simulation execution. Accuracy of this methodology is another advantage of applied
methodology, regarding conventional modeling processes, as well as usage of
measurable parameters.