SUPERVISOR
نغمه سادات مویدیان (استاد راهنما) شقایق حق جو جوانمرد (استاد مشاور)
STUDENT
Shirin Salehi
شیرین صالحی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391
TITLE
Rate Control in Molecular Communication Networks with Emphasis on Targeted Drug Delivery Systems
Molecular communication is a new communication paradigm among nanomachines , biological and artificial , which is iired by biological systems . Nanomachines have limitations in terms of energy and reservoir . Drug molecules may also be expensive and releasing a large amount of them has an adverse effect on the healthy parts of the body . In this dissertation , a multiple transmitter local drug delivery system is suggested with fixed rate . In this scenario , only transmitters inside the target area release medications . Therefore , the non-target areas of the body are not intoxicated . The minimum density of required nanotransmitters to synthesize an ideal concentration is obtained . Then a single and multiple transmitter local drug delivery system is designed with optimal releasing rates . The optimal release rate of each nanotransmitter is derived in order to minimize the total rate of drug release while maintaining the least effective concentration in every part of the tumor . Subsequently , three protocols are introduced to improve the lifetime of this drug delivery system . The first two protocols are the direct extension of the proposed drug delivery system , while the third protocol makes farther inactive nanomachines release encapsulated drugs . This protocol , with a smarter design , is capable of extending lifetime with less adverse effects and more ease of use . Encapsulated drugs are incapable of reaction unless they are unpacked in a drug transmitter nanomachine and converted to free drugs . It is shown that we can assume equal rates for all backup nanomachines . This protocol increases the time interval between consecutive administrations which improves the mental health of patients and reduces the costs of treatment . Afterward , the diffusion-based molecular communication channel impulse response is studied in presence of a probabilistic absorber in 1-D to 3-D environments . This probabilistic absorber can be considered as a receptor model . To this end , the system is analyzed with random walk and Markov chain and the concentration due to an instantaneous or continuous emission is obtained in presence of the probabilistic absorber . Then , modeling the receptor with M/M/1/1 queue , the absorption probability , arrival rate and absorption rate can be obtained versus the transmitter emission rate . Keywords: Diffusion-based Molecular Communication , Nanomachine Releasing Rate Control , Targeted Drug Delivery , Lifetime Improvement , Channel Impulse Response , Receptor Modeling .
مخابرات مولکولی ارسال و دریافت سیگنال‌های شیمیایی یا مولکول‌هاست و یک حوزه بین رشته‌ای متشکل از نانوتکنولوژی، بیولوژی و مخابرات است. از مخابرات مولکولی می‌توان برای اتصال نانو ماشین‌ها بهره برد. به چنین مجموعه به هم متصلی از نانوماشین‌ها ، نانو شبکه گفته می‌شود. روش انتقال مولکول‌ها در این رساله پراکنش آزاد یا حرکت براونی است. در پراکنش آزاد مولکول‌ها آزادانه در رسانه منتشر می‌شوند. برخی از این مولکول‌ها به طور تصادفی با گیرنده برخورد کرده و دریافت می‌شوند. حرکت براونی همیشه در دسترس است و مصرف انرژی آن صفر است. تحویل دارو ، یکی از مهم‌ترین کاربردهای مخابرات مولکولی است. با استفاده از سیستم‌های تحویل دارو امکان تحویل دارو در مکان و زمان دلخواه و با نرخ مناسب امکان‌پذیر است. تحویل دارو می‌تواند به دو شکل محلی و سیستمیک صورت گیرد. در تحویل محلی نانوماشین‌های آزاد کننده دارو در نزدیکی محل هدف قرار دارند ، در صورتی که در حالت سیستمیک دارو در سیستم گردش خون وارد می‌شود. در این رساله تمرکز بر روی تحویل داروی محلی است. فرستنده‌های دارو از نظر انرژی و انباره منابع محدودی دارند و این محدودیت‌ها باید در طراحی سیستم‌های تحویل دارو در نظر گرفته شوند. مولکول‌های دارو همچنین ممکن است گران‌قیمت باشند و آزاد کردن مقدار زیاد آن‌ها می‌تواند منجر به اثرات زیان‌بار بر روی قسمت‌های سالم بدن شود. در این رساله ، ابتدا یک سیستم تحویل داروی محلی چند نانو فرستنده‌ای با نرخ ثابت ارائه شده است. در این سناریو ، تنها نانو ماشین‌های قرار گرفته در محل هدف آزادسازی دارو را انجام می‌دهند. به این ترتیب از آلوده شدن نواحی غیر هدف جلوگیری می‌شود. برای این سناریو حداقل چگالی مورد نیاز برای سنتز یک غلظت ایده‌آل محاسبه می‌شود. در ادامه ، یک سیستم تحویل داروی محلی تک نانو فرستنده‌ای و چند نانو فرستنده‌ای با نرخ بهینه طراحی شده است. نرخ بهینه آزادسازی هر نانو فرستنده در این سیستم به گونه‌ای محاسبه می‌شود که نرخ آزادسازی کل حداقل شده و حداقل غلظت مؤثر در ناحیه هدف تأمین شود. پس از آن ، پروتکلی برای افزایش طول عمر سیستم تحویل دارو ، معرفی شده است. در این پروتکل ، نانوماشین‌های غیرفعال نیز به طور همزمان با فرستنده‌های فعال شروع به آزادسازی داروی کپسول شده می‌کنند. داروی کپسول شده قادر به انجام واکنش با محیط اطراف نیست ، مگر اینکه توسط یک نانوماشین فعال باز شده و به داروی آزاد تبدیل شود. مشاهده می‌شود که می‌توان برای تمام نانو ماشین‌های کمکی نرخ آزادسازی واحدی در نظر گرفت. این نرخ بایستی در محدوده دو کران بالا و پایین قرار گیرد. در صورتی که نرخ ارسال داروی کپسول شده توسط نانو فرستنده‌های کمکی از کران بالا بیشتر باشد ، انباره نانو فرستنده‌های کمکی با حداقل طول عمر ، سرریز می‌شود. در صورتی که این نرخ از کران پایین کمتر باشد ، داروی نانو فرستنده با حداقل طول عمر ، پیش از رسیدن آخرین داروی کپسول شده پایان می‌یابد. با استفاده از این پروتکل فاصله بین مصارف متوالی دارو افزایش می‌یابد که منجر به آسایش روانی بیمار و کاهش هزینه‌های درمان می‌شود. در ادامه ، تأثیر پارامترهای توپولوژی بر طول عمر بررسی می‌شوند. مشاهده می‌شود که متوسط طول عمر با جذر چگالی رابطه مستقیم دارد. همچنین طول عمر با افزایش تعداد فرستنده‌های کمکی افزایش می‌یابد. در انتها ، یک باند پایینی برای طول عمر این سیستم محاسبه شده است. در ادامه ، پاسخ ضربه کانال مولکولی مبتنی بر پراکنش ، در حضور یک جاذب احتمالی در محیط یک تا سه‌بعدی مورد بررسی قرار می‌گیرد. این جاذب احتمالی را می‌توان مدل یک پذیرنده دانست. به این منظور ، سیستم به کمک قدم زدن تصادفی و زنجیره مارکف ، تحلیل شده و غلظت ناشی از انتشار لحظه‌ای و پیوسته در حضور جاذب احتمالی محاسبه می‌شود. سپس با فرض مدل صف M/M/1/1 برای این پذیرنده ، می‌توان احتمال جذب این پذیرنده ، نرخ ورود و نرخ جذب را بر حسب نرخ آزادسازی ذره توسط فرستنده به‌دست آورد. کلمات کلیدی: 1 - مخابرات مولکولی مبتنی بر پراکنش ، 2- کنترل نرخ ارسال نانو ماشین ، 3- تحویل داروی هدفمند ، 4- افزایش طول عمر ، 5- پاسخ ضربه کانال ، 6- مدل کردن پذیرنده