Reševanje inverznih problemov prenosa toplote v tkivu z metodo robnih elementov : doktorska disertacija

slovenski

doktorska dela

2012

bioheat   blood perfusion   boundary element method   inverse problems   inverzni problemi   metoda robnih elementov   non-homogeneous tissue   optimizacija   optimization   perfuzijski pretok krvi   prenos toplote v tkivu

Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo

Delo obravnava inverzni problem prenosa toplote v tkivu, tj. numerično določitev krajevno odvisnega perfuzijskega pretoka v nehomogenem tkivu na osnovi neinvazivnih meritev temperature in toplotnega toka. Pri tem obravnavani problem temelji na Pennesovem matematičnem modelu. Tako pridemo dorealnejšega opisa problema oziroma stanja tkiva ter možnosti določitve perfuzijskega pretoka v posameznem tkivu, ki pa je še kako pomemben tako za diagnostiko kot tudi nekatere klinične aplikacije. Problem je bil zaradi svoje zahtevnosti obravnavan numerično, pri čemer je bil postavljen nov numerični algoritem na osnovi MRE (Metode Robnih Elementov) in optimizacije. Pri tem je bila MRE uporabljena za reševanje direktnega problema prenosa toplote v nehomogenem tkivu ob predpostavljeni neznani spremenljivki ter s temdoločitve namenske funkcije, ki jo želimo minimizirati s primerno optimizacijsko metodo. Izbrani sta bili dve optimizacijski metodi; BFGS (Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno) in LM (Levenberg-Marquardt), ki smo ju zaradi nestabilnosti obravnavanega inverznega problema nadgradili z uporabo Tihonove regularizacije prvega reda, pri tem pa uporabili metodo L-krivulje zadoločitev optimalnega regularizacijskega parametra. Numerični algoritem je bil pri tem testiran za različne testne funkcije perfuzijskega koeficienta tako homogenega kot nehomogenega tkiva, pri čemer robni in začetni pogoji zadostijo enoličnosti inverznega problema. S tem je bil analiziran numerični algoritem kot tudi reševanje inverznega problema za primer eksaktnih meritev in meritev s šumom. Tako smo prišli do celovite analize primernosti optimizacijske metode, uporabljene regularizacije za reševanje tovrstnih primerov, kot tudi vpliva nehomogenosti, začetne vrednosti, šuma v meritvah inporazdelitev neznane funkcije, ki jo želimo rekonstruirati. Rezultati pri tem kažejo, da je numerični algoritem z uporabo LM metode ter uporabljene regularizacije primernejši od BFGS metode za podani inverzni problem, saj je rešitev globalno stabilna, natančneje določi neznano funkcijo in tudi hitreje konvergira. Regularizacija prvega reda je primerna le za gladke monotone funkcije z nizko vrednostjo prvega odvoda, drugače je rekonstrukcija funkcije možna le v območju blizu meritev, pri čemer ima nehomogenost snovnih lastnostivelik vpliv, še zlasti ob prisotnosti tkiva z nižjo toplotno prevodnostjo. Rekonstrukcija je možna tudi ob prisotnosti nižje stopnje šuma, medtem ko je resolucija pri višji stopnji na račun regularizacije izgubljena, kar oteži reševanje problema. Delo je usmerjeno le v numerični del problema in tako predstavlja osnovo za nadaljnji razvoj neinvazivnih metod določitve perfuzijskega pretoka krvi v realnem nehomogenem tkivu.

08.08.2023