基于数学模型的血流，药物以及细胞内外信号传输特性的定量分析
发布时间：2021-03-17 08:24
人体内各个系统,小至细胞,大至器官,都在通过不断地自我调节以缓冲外界扰动对内平衡的影响。当这种自我调节机制减弱时,就无法维持生命系统的正常功能,从而导致疾病的产生。因此,对生物系统调节机制的研究有助于我们深入地理解各种生理现象,从而推动新型疾病诊断技术和治疗方式的发展,改善人们的生活质量。由于生物系统的复杂性以及检测技术的局限性等原因,实验手段通常只能考察系统中部分因素的关系。为了能够系统深入地揭示生物系统的调节机理,本博士论文运用多孔介质内的传热分析,基于优化方法的医疗图像分析及复杂生物网络的系统建模方法对生物组织内的血流调节、药物输运和细胞内外信号传导等问题进行了定量分析,以期为优化心血管疾病诊断、靶向药物输运以及新药筛选技术提供理论依据。主要研究内容包括以下几个方面：1.基于手部传热分析的血流动态变化评价。首先从断层医学图像序列出发,提出了三维有限元网格模型的重构方法,构建了具有真实外形的手部三维有限元网格模型。然后,基于Darcy定律和Pennes生物传热理论构建了血流传热模型,用于考察反应性充血过程中指尖温度响应的定量特性。结果表明,指尖温度在无过载充血的情况下需要超过200...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：163 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
目录
第1章 绪论
1.1 研究背景
1.2 心血管疾病的早期诊断
1.2.1 心血管疾病与血管调节能力
1.2.2 血流传热模型的研究进展
1.3 生物组织内的药物输运
1.3.1 靶向药物输运方法
1.3.2 高能量聚焦超声波对组织药物输运的影响
1.4 药效的预测和药物的筛选
1.4.1 基于系统生物学的药物测试
1.4.2 系统生物学中的数学建模
1.5 本文研究内容
第2章 基于医疗图像序列的有限元网格模型重构
2.1 核磁共振成像技术简介
2.2 手部核磁共振图像序列的获得
2.3 手部核磁共振图像序列的预处理
2.4 基于超限差值方法的三维网格生成
2.4.1 代数映射法-超限插值
2.4.2 超限插值方法网格生成的程序实现
2.4.3 平面网格生成结果及属性设置
2.4.4 三维网格的生成
2.4.5 三维网格生成程序流程及输出文件
本章小结
第3章 基于手部传热分析的血管反应性评价
3.1 基于渗流理论的血流灌注模型
3.2 基于Pennes方程的生物传热模型
3.3 边界条件的设定
3.4 控制方程的无量纲化
3.5 控制方程的离散与求解
3.5.1 有限元方法及伽辽金法
3.5.2 基于伽辽金法的控制方程的离散
3.5.3 六面体单元形函数的选取
3.5.4 系数矩阵和离散方程的求解
3.5.5 物性参数及计算参数的设定
3.6 程序实现
3.7 DTM实验
3.8 结果分析
3.8.1 稳定状态下手部的压力、流速和温度分布
3.8.2 反应性充血过程中的压力、流速和温度分布
本章小结
第4章 脉冲高强度聚焦超声治疗对肌肉组织内药物传输特性的影响
4.1 高强度聚焦超声技术
4.2 T1加权和T2加权核磁共振成像
4.3 p-HIFU促进药物输运的动物实验设计
4.4 p-HIFU治疗过程中的聚焦点温度监测
4.5 组织水肿的识别
4.6 基于动态对比增强的T1加权磁共振图像的药物输运分析
4.6.1 钆示踪粒子的浓度计算
4.6.2 药代动力学模型
4.6.3 组织内药物输运参数的估计
4.7 核磁共振图像上聚焦点的定位
4.8 p-HIFU治疗对组织的影响
4.8.1 初期的水肿会引起后期药物输运的增强
4.8.2 组织的药物输运特性参数
4.8.4 温度对药物输运增强区域的影响
本章小结
第5章 基于细胞水平信号传输模型的药效评价
5.1 免疫系统简介
5.2 免疫系统在肌萎缩性脊髓侧索硬化症中的作用
5.3 在肌萎缩性脊髓侧索硬化症中的免疫系统模型
5.4 实验数据及参数确定
5.5 结果分析
5.5.1 无干预时免疫系统各细胞和细胞因子的变化
5.5.2 参数的敏感性分析
5.5.3 不同的治疗手段对ALS疾病的影响
本章小结
第6章 基于蛋白质调控信号通路模型的药效评价
6.1 基于细胞内网络特征的综合数据库简介
6.2 致活酶效果评估系统的建模流程
6.3 致活酶抑制剂和其目标结合能力
6.3.1 结合能力的测量
6.3.2 结合能力的预测
6.4 致活酶抑制剂相关的细胞周期信号通路模型
6.5 PC9癌细胞株的细胞周期信号通路模型
6.6 人原代肝细胞的信号通路模型
6.7 致活酶抑制剂综合效果的评估
6.8 致活酶抑制剂的联合效果
6.9 致活酶抑制剂综合效果预测在线工具的开发
本章小结
第7章 总结与展望
7.1 总结
7.2 创新点
7.3 展望
参考文献
附录1 PC9癌细胞信号通路模型模拟结果
附录2 遗传算法
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果
本文编号：3086851
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：163 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
目录
第1章 绪论
1.1 研究背景
1.2 心血管疾病的早期诊断
1.2.1 心血管疾病与血管调节能力
1.2.2 血流传热模型的研究进展
1.3 生物组织内的药物输运
1.3.1 靶向药物输运方法
1.3.2 高能量聚焦超声波对组织药物输运的影响
1.4 药效的预测和药物的筛选
1.4.1 基于系统生物学的药物测试
1.4.2 系统生物学中的数学建模
1.5 本文研究内容
第2章 基于医疗图像序列的有限元网格模型重构
2.1 核磁共振成像技术简介
2.2 手部核磁共振图像序列的获得
2.3 手部核磁共振图像序列的预处理
2.4 基于超限差值方法的三维网格生成
2.4.1 代数映射法-超限插值
2.4.2 超限插值方法网格生成的程序实现
2.4.3 平面网格生成结果及属性设置
2.4.4 三维网格的生成
2.4.5 三维网格生成程序流程及输出文件
本章小结
第3章 基于手部传热分析的血管反应性评价
3.1 基于渗流理论的血流灌注模型
3.2 基于Pennes方程的生物传热模型
3.3 边界条件的设定
3.4 控制方程的无量纲化
3.5 控制方程的离散与求解
3.5.1 有限元方法及伽辽金法
3.5.2 基于伽辽金法的控制方程的离散
3.5.3 六面体单元形函数的选取
3.5.4 系数矩阵和离散方程的求解
3.5.5 物性参数及计算参数的设定
3.6 程序实现
3.7 DTM实验
3.8 结果分析
3.8.1 稳定状态下手部的压力、流速和温度分布
3.8.2 反应性充血过程中的压力、流速和温度分布
本章小结
第4章 脉冲高强度聚焦超声治疗对肌肉组织内药物传输特性的影响
4.1 高强度聚焦超声技术
4.2 T1加权和T2加权核磁共振成像
4.3 p-HIFU促进药物输运的动物实验设计
4.4 p-HIFU治疗过程中的聚焦点温度监测
4.5 组织水肿的识别
4.6 基于动态对比增强的T1加权磁共振图像的药物输运分析
4.6.1 钆示踪粒子的浓度计算
4.6.2 药代动力学模型
4.6.3 组织内药物输运参数的估计
4.7 核磁共振图像上聚焦点的定位
4.8 p-HIFU治疗对组织的影响
4.8.1 初期的水肿会引起后期药物输运的增强
4.8.2 组织的药物输运特性参数
4.8.4 温度对药物输运增强区域的影响
本章小结
第5章 基于细胞水平信号传输模型的药效评价
5.1 免疫系统简介
5.2 免疫系统在肌萎缩性脊髓侧索硬化症中的作用
5.3 在肌萎缩性脊髓侧索硬化症中的免疫系统模型
5.4 实验数据及参数确定
5.5 结果分析
5.5.1 无干预时免疫系统各细胞和细胞因子的变化
5.5.2 参数的敏感性分析
5.5.3 不同的治疗手段对ALS疾病的影响
本章小结
第6章 基于蛋白质调控信号通路模型的药效评价
6.1 基于细胞内网络特征的综合数据库简介
6.2 致活酶效果评估系统的建模流程
6.3 致活酶抑制剂和其目标结合能力
6.3.1 结合能力的测量
6.3.2 结合能力的预测
6.4 致活酶抑制剂相关的细胞周期信号通路模型
6.5 PC9癌细胞株的细胞周期信号通路模型
6.6 人原代肝细胞的信号通路模型
6.7 致活酶抑制剂综合效果的评估
6.8 致活酶抑制剂的联合效果
6.9 致活酶抑制剂综合效果预测在线工具的开发
本章小结
第7章 总结与展望
7.1 总结
7.2 创新点
7.3 展望
参考文献
附录1 PC9癌细胞信号通路模型模拟结果
附录2 遗传算法
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果
本文编号：3086851
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