عنوان

تشخیص غیرتهاجمی نارسایی کلیوی با استفاده از سنسور فیبر نوری کریستال فوتونیکی

Number

پ۲۵۲۲۳

.Language of Text, Soundtrack etc

per

Title Proper

تشخیص غیرتهاجمی نارسایی کلیوی با استفاده از سنسور فیبر نوری کریستال فوتونیکی

First Statement of Responsibility

آرین عباسزاده اهرجانی

Name of Publisher, Distributor, etc.

مهندسی برق و کامپیوتر

Date of Publication, Distribution, etc.

۱۴۰۰

Specific Material Designation and Extent of Item

۱۱۰ص.

Accompanying Material

سی دی

Dissertation or thesis details and type of degree

دکتری

Discipline of degree

مهندسی پزشکی

Date of degree

۱۴۰۰/۰۶/۲۸

Text of Note

بیماری نارسایی کلیوی یک بیماری‌ خطرناک می‌باشد که روزانه جان بسیاری از افراد را می‌گیرد. این بیماری به علت بروز نکردن علائم در مراحل اولیه به بیماری خاموش نیز شناخته می‌شود. روش رایج در تشخیص این بیماری، روش‌های آزمایشگاهی می‌باشد. اما این روش‌ها تهاجمی، گران‌قیمت و زمان‌بر بوده و نتایج آن بسته به شرایط محیط آزمایشگاه و شناسگرها می‌تواند منفی یا مثبت کاذب باشد. یک روش غیرتهاجمی، کم‌هزینه و زمان بلادرنگ در تشخیص این بیماری اندازه‌گیری میزان درصد غلظت گاز آمونیاک از تنفس می‌باشد. نتایج نشان داده است که درصد غلظت گاز آمونیاک برای افراد سالم 960ppm و برای افراد دچار نارسایی کلیوی 4880ppm می‌باشد. تاکنون از سنسورهای الکتریکی-شیمیایی بدین منظور استفاده‌ شده است. سنسورهای الکتریکی معایبی مانند طول عمر کم، حساسیت کم، انتخاب پذیری کم، حساسیت زیاد به تغییرات دمایی و فشاری و درنهایت عدم مصونیت در برابر میدان‌های مغناطیسی دارند. در مقابل سنسورهای نوری حساسیت بالا، انتخاب پذیری بالا، طول عمر بیشتر و مصونیت در برابر میدان‌های مغناطیسی را دارند. از سنسورهای نوری بر پایه فیبرهای کریستال نوری به‌منظور تشخیص گازها در صنعت استفاده زیاده شده و نتایج نشان داده است که این سنسورها با حساسیت بسیار خوبی می‌توانند گازها را تشخیص دهند. یکی از پارامترهای مهم در فیبرهای کریستال نوری، حساسیت نسبی می‌باشد. هرچقدر مقدار این پارامتر بیشتر باشد، نشان می‌دهد که درصد نور بیشتری با مولکول‌های گازی برخورد کرده و سنسور طراحی‌شده با دقت بالاتری می‌تواند گاز را تشخیص دهد. بدین منظور پنج ساختار جدید فیبر کریستال نوری با شکل‌های شش‌ضلعی، دایروی، مثلثی و ترکیبی طراحی کرده‌ایم که در طول‌موج جذب گاز آمونیاک یعنی mμ544/1 بیشترین حساسیت نسبی را می‌دهد. شبیه‌سازی‌ها توسط نرم‌افزار کامسول انجام ‌شده است. سایر ویژگی‌های نوری فیبرهای کریستال نوری مانند تلفات حبسی، دو شکستی و ناحیه مؤثر را برای هر پنج فیبر پیشنهادی محاسبه کرده‌ایم. از بین پنج ساختار پیشنهادی فیبر کریستال نوری، شکل شش ضلعی با میکروساختار های دایروی به علت حساسیت نسبی بالا و تلفات حبسی کمتر برای کاربردهای تشخیص گاز از تنفس مناسب‌تر است. این فیبر دارای 5 لایه شش‌ضلعی در ناحیه روکش و از دو لایه دایروی با سوراخ مرکزی در ناحیه هسته تشکیل‌ شده است. نتایج نشان داده است که فیبر پیشنهادی در طول‌موج mμ544/1 به ترتیب برای حساسیت نسبی، تلفات حبسی و ناحیه مؤثر به‌اندازه %18/63، 1/9806×10-4 dB/m، 1/18×10-3 و 11/73μm2 می‌باشد. تأثیر تغییرات غلظت گاز آمونیاک بر روی فیبر کریستال نوری پیشنهادی را بررسی کرده‌ایم، نتایج نشان داده است که با افزایش غلظت گاز، نور بیشتری با گازها برخورد کرده و حساسیت نسبی نیز افزایش می‌یابد. ازآنجاکه تقریباً 80 درصد تنفس انسان رطوبت آب می‌باشد، تأثیر رطوبت آب بر حساسیت نسبی سنسور طراحی‌شده را بررسی کرده‌ایم. نتایج نشان داده است که فیبرهای پیشنهادی باوجود رطوبت آب، حساسیت همچنان بالاتری را نشان می‌دهند. درنهایت سیستمی نوری بر پایه طیف‌سنجی جذبی به‌منظور تشخیص بیماری نارسایی کلیوی پیشنهادی داده‌ایم. منبع نور این سیستم می‌تواند یک لامپ هالوژنی ساده یا یک لیزر همدوس باشد. بااین‌حال، باید حتماً طیف جذب آمونیاک یعنی mμ544/1 را پشتیبانی کند. از یک مونوکروماتور به‌منظور جدا کردن طول‌موج‌های انتشاری از بین طول‌موج جذب گاز موردنظر استفاده می‌شود. درنهایت، یک آشکارساز به‌منظور تبدیل سیگنال نوری به الکتریکی استفاده می‌شود. چون سیستم پیشنهادی کاملاً نوری می‌باشد از این سیستم می‌توانیم در محیط‌های اتاق عمل و یا در محیط‌هایی که میدان مغناطیسی وجود دارد نیز استفاده کنیم. با توجه به نتایج به‌دست‌آمده سیستم پیشنهادی می‌تواند ساخته ‌شده و به‌منظور تشخیص بیماری نارسایی کلیوی به‌صورت بلادرنگ و قابل‌حمل در محیط‌های بیمارستان یا خانه استفاده شود.

Text of Note

Kidney failure is a dangerous disease that kills many people every day. This disease is also known as silent disease due to the absence of symptoms in the early stages. The most common method for diagnosing this disease is laboratory methods. However, these methods are invasive, expensive, and time-consuming, and the results can be false negative or positive, depending on the conditions of the laboratory environment and the sensors.A non-invasive, low-cost, real-time method of diagnosing the disease is to measure the percentage of ammonia gas concentration in the breath. The results show that the percentage of ammonia gas concentration is 960ppm for healthy people and 4880ppm for kidney failure. So far, electrochemical sensors have been used for this purpose. Electrical sensors have disadvantages such as short life, low sensitivity, low selectivity, high sensitivity to temperature and pressure changes, and finally lack of immunity to magnetic fields. In contrast, optical sensors have high sensitivity, high selectivity, longer life, and immunity to magnetic fields. Optical sensors based on photonic crystal fibers have been used extensively to detect gases in industry and medical applications. The results show that these gas sensors can detect gases with great sensitivity. One of the most important parameters in photonic crystal fibers is relative sensitivity. This parameter is calculated directly from Beer-Lambert law to measure the concentration of gases. The higher value of this parameter shows more light interact with the gas. Therefore, the sensor will detect gases with high accuracy. For this purpose, we have designed five new photonic crystal fiber structures with hexagonal, circular, triangular and hybrid shapes, which give the highest relative sensitivity during the ammonia gas absorption wave, ie 1.544μm. The simulations have been performed by COMSOL multi-physics software. The finite element method, which is an accurate and reliable method, can calculate complex physical problems with high accuracy. Other Optical Properties of photonic crystal fibers such as confinement losses, birefringence, and effective area for all five proposed fibers are calculated.Between the five proposed optical crystal fiber structures, the hexagonal shape with circular microstructures is more suitable for breathing applications due to its high relative sensitivity and lower confinement losses. This fiber has five hexagonal layers in the cladding area and consists of two circular layers with a central hole in the core area. The results have shown that the proposed fiber for relative sensitivity, confinement losses, and effective area of 63.18%, 1.9806×10-4dB / m, 1.18×10-3 and 11.73μm2, respectively, at the wavelength of 1.544μm.We have studied the effect of changes in ammonia gas concentration on the proposed optical crystal fiber. The results show that with increasing gas concentration, more light hits the gases and the relative sensitivity increases. Since approximately 80% of human respiration is water moisture, we have investigated the effect of water moisture on the relative sensitivity of the designed sensor. The results show that the proposed fibers are still more sensitive despite the water moisture. Finally, we propose an optical system based on absorption spectroscopy for the diagnosis of renal failure. The light source of this system can be a simple halogen lamp or a coherent laser. However, it must support the ammonia absorption spectrum of 1.544μm. A monochromator is used to separate the emitted wavelengths from the absorption wavelength of the desired gas. Finally, a detector is used to convert the optical signal into electrical. Because the proposed system is completely optical, this system can be used in operating room environments or in environments where there is a magnetic field. According to the obtained results, the proposed system can be built and used to diagnose kidney failure in a real and tolerable manner in hospital or home environments.

Variant Title

Non-invasive diagnosis of renal failure using photonic crystal fiber sensor

Entry Element

‏عباسزاده اهرجانی،

Entry Element

‏ماکویی،

Part of Name Other than Entry Element

‏‏ آرین

Part of Name Other than Entry Element

‏ سمیه

Relator Code

تهيه کننده

Relator Code

استاد راهنما

Entry Element

‏مشگینی،

Part of Name Other than Entry Element

‏ سعید

Dates

استاد مشاور

Entry Element

‏ تبریز