Published May 16, 2024 | Version v1
Publication Open

Mathematical modeling of heat transfer in tissues with skin tumor during thermotherapy

  • 1. Alexandria University
  • 2. Arab Academy for Science, Technology, and Maritime Transport

Description

The study of thermal therapy to tumors and the response of living cells to this therapy used to treat tumor is very important due to the complexity of heat transfer in biological tissues. In the past few years, there has been a growing interest among clinicians, mathematicians, and engineers regarding the use of computational and mathematical methods to simulate biological systems. Numerous medical proceedings also employ mathematical modeling and engineering techniques as a means to guarantee their safety and evaluate the associated risks effectively. This manuscript provides an analytical solution used for the first time to study the mechanism of biological thermal response during heat therapy on spheroidal skin tumor. The proposed method used a generalized thermoelasticity model with one relaxation time. The influence of relaxation times on the responses of diseased and healthy tissues is studied and interpreted graphically. Also, the impact of different laser irradiance on the thermal profile of the malignant tumor cells over a period of 2 minutes is interpreted graphically. To investigate the transfer of heat within biological tissues during the thermal therapy, the Laplace transform and inverse Laplace transform methods were applied. A comparison of the present generalized thermoelasticity model and different models based on Pennes bioheat transfer PBT shows that our proposed model yields more realistic and accurate predictions. The current model can be used to explain various therapeutic methods.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تعتبر دراسة العلاج الحراري للأورام واستجابة الخلايا الحية لهذا العلاج المستخدم لعلاج الورم مهمة للغاية بسبب تعقيد نقل الحرارة في الأنسجة البيولوجية. في السنوات القليلة الماضية، كان هناك اهتمام متزايد بين الأطباء وعلماء الرياضيات والمهندسين فيما يتعلق باستخدام الأساليب الحسابية والرياضية لمحاكاة النظم البيولوجية. كما تستخدم العديد من الإجراءات الطبية النمذجة الرياضية والتقنيات الهندسية كوسيلة لضمان سلامتها وتقييم المخاطر المرتبطة بها بشكل فعال. توفر هذه المخطوطة حلاً تحليلياً يستخدم لأول مرة لدراسة آلية الاستجابة الحرارية البيولوجية أثناء العلاج الحراري على ورم الجلد الكروي. استخدمت الطريقة المقترحة نموذجًا معممًا للمرونة الحرارية مع وقت استرخاء واحد. يتم دراسة تأثير أوقات الاسترخاء على استجابات الأنسجة المريضة والصحية وتفسيرها بيانياً. أيضًا، يتم تفسير تأثير إشعاع الليزر المختلف على المظهر الحراري للخلايا السرطانية الخبيثة على مدى دقيقتين بشكل بياني. للتحقيق في انتقال الحرارة داخل الأنسجة البيولوجية أثناء العلاج الحراري، تم تطبيق طرق تحويل لابلاس وتحويل لابلاس العكسي. تُظهر مقارنة نموذج المرونة الحرارية المعمم الحالي والنماذج المختلفة القائمة على Pennes bioheat transfer PBT أن نموذجنا المقترح ينتج تنبؤات أكثر واقعية ودقة. يمكن استخدام النموذج الحالي لشرح الطرق العلاجية المختلفة.

Translated Description (French)

L'étude de la thérapie thermique des tumeurs et de la réponse des cellules vivantes à cette thérapie utilisée pour traiter les tumeurs est très importante en raison de la complexité du transfert de chaleur dans les tissus biologiques. Au cours des dernières années, les cliniciens, les mathématiciens et les ingénieurs ont manifesté un intérêt croissant pour l'utilisation de méthodes informatiques et mathématiques pour simuler des systèmes biologiques. De nombreuses procédures médicales utilisent également des techniques de modélisation mathématique et d'ingénierie comme moyen de garantir leur sécurité et d'évaluer efficacement les risques associés. Ce manuscrit fournit une solution analytique utilisée pour la première fois pour étudier le mécanisme de la réponse thermique biologique lors d'une thermothérapie sur une tumeur sphéroïdale de la peau. La méthode proposée a utilisé un modèle de thermoélasticité généralisée avec un temps de relaxation. L'influence des temps de relaxation sur les réponses des tissus malades et sains est étudiée et interprétée graphiquement. De plus, l'impact de différentes irradiances laser sur le profil thermique des cellules tumorales malignes sur une période de 2 minutes est interprété graphiquement. Pour étudier le transfert de chaleur dans les tissus biologiques pendant la thérapie thermique, les méthodes de transformée de Laplace et de transformée de Laplace inverse ont été appliquées. Une comparaison du modèle de thermoélasticité généralisée actuel et de différents modèles basés sur le transfert de biochauffe Pennes PBT montre que notre modèle proposé donne des prédictions plus réalistes et plus précises. Le modèle actuel peut être utilisé pour expliquer diverses méthodes thérapeutiques.

Translated Description (Spanish)

El estudio de la terapia térmica a los tumores y la respuesta de las células vivas a esta terapia utilizada para tratar el tumor es muy importante debido a la complejidad de la transferencia de calor en los tejidos biológicos. En los últimos años, ha habido un creciente interés entre los médicos, matemáticos e ingenieros con respecto al uso de métodos computacionales y matemáticos para simular sistemas biológicos. Numerosos procedimientos médicos también emplean técnicas de modelado matemático e ingeniería como un medio para garantizar su seguridad y evaluar los riesgos asociados de manera efectiva. Este manuscrito proporciona una solución analítica utilizada por primera vez para estudiar el mecanismo de la respuesta térmica biológica durante la terapia térmica en tumores de piel esferoidales. El método propuesto utilizó un modelo de termoelasticidad generalizada con un tiempo de relajación. Se estudia e interpreta gráficamente la influencia de los tiempos de relajación sobre las respuestas de los tejidos enfermos y sanos. Asimismo, se interpreta gráficamente el impacto de diferentes irradiancias láser sobre el perfil térmico de las células tumorales malignas durante un periodo de 2 minutos. Para investigar la transferencia de calor dentro de los tejidos biológicos durante la terapia térmica, se aplicaron los métodos de transformada de Laplace y transformada inversa de Laplace. Una comparación del presente modelo de termoelasticidad generalizada y diferentes modelos basados en la transferencia de biocalor de Pennes PBT muestra que nuestro modelo propuesto produce predicciones más realistas y precisas. El modelo actual se puede utilizar para explicar varios métodos terapéuticos.

Files

journal.pone.0298256&type=printable.pdf

Files (937.1 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:e4991100545e822781cf0be09ae45894
937.1 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
النمذجة الرياضية لنقل الحرارة في الأنسجة المصابة بورم جلدي أثناء العلاج الحراري
Translated title (French)
Modélisation mathématique du transfert de chaleur dans les tissus avec tumeur cutanée pendant la thermothérapie
Translated title (Spanish)
Modelación matemática de la transferencia de calor en tejidos con tumor de piel durante la termoterapia

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4396977799
DOI
10.1371/journal.pone.0298256

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Egypt

References

  • https://openalex.org/W122011259
  • https://openalex.org/W1796027951
  • https://openalex.org/W1948181060
  • https://openalex.org/W1969202999
  • https://openalex.org/W1973038067
  • https://openalex.org/W1983331564
  • https://openalex.org/W1986405716
  • https://openalex.org/W1990872315
  • https://openalex.org/W2000761434
  • https://openalex.org/W2006445875
  • https://openalex.org/W2015682585
  • https://openalex.org/W2027676568
  • https://openalex.org/W2029341128
  • https://openalex.org/W2043165921
  • https://openalex.org/W2058467220
  • https://openalex.org/W2059301195
  • https://openalex.org/W2059958316
  • https://openalex.org/W2060064321
  • https://openalex.org/W2060197999
  • https://openalex.org/W2060473871
  • https://openalex.org/W2064022289
  • https://openalex.org/W2068075482
  • https://openalex.org/W2075526957
  • https://openalex.org/W2076744585
  • https://openalex.org/W2077413858
  • https://openalex.org/W2081576073
  • https://openalex.org/W2083210472
  • https://openalex.org/W2084082991
  • https://openalex.org/W2084113934
  • https://openalex.org/W2084591235
  • https://openalex.org/W2086653951
  • https://openalex.org/W2091664414
  • https://openalex.org/W2104919848
  • https://openalex.org/W2109171921
  • https://openalex.org/W2117637160
  • https://openalex.org/W2120325697
  • https://openalex.org/W2123911739
  • https://openalex.org/W2129309475
  • https://openalex.org/W2132958339
  • https://openalex.org/W2154935750
  • https://openalex.org/W2156124327
  • https://openalex.org/W2160794987
  • https://openalex.org/W2166369838
  • https://openalex.org/W2171617423
  • https://openalex.org/W2200943351
  • https://openalex.org/W2253106376
  • https://openalex.org/W2297360937
  • https://openalex.org/W2337628613
  • https://openalex.org/W2350901410
  • https://openalex.org/W2440283821
  • https://openalex.org/W2462048362
  • https://openalex.org/W2474485144
  • https://openalex.org/W2551374619
  • https://openalex.org/W2752306520
  • https://openalex.org/W2766543115
  • https://openalex.org/W2767074976
  • https://openalex.org/W2898506423
  • https://openalex.org/W2905383812
  • https://openalex.org/W2951302865
  • https://openalex.org/W2963590577
  • https://openalex.org/W2972582180
  • https://openalex.org/W2991676671
  • https://openalex.org/W3017475905
  • https://openalex.org/W3081991516
  • https://openalex.org/W3087844814
  • https://openalex.org/W3089828868
  • https://openalex.org/W3122643574
  • https://openalex.org/W3126266451
  • https://openalex.org/W3127271110
  • https://openalex.org/W3137834624
  • https://openalex.org/W3174294541
  • https://openalex.org/W3204018565
  • https://openalex.org/W3215275900
  • https://openalex.org/W4229842459
  • https://openalex.org/W4239526824
  • https://openalex.org/W4285498389
  • https://openalex.org/W4310067446
  • https://openalex.org/W4378189269
  • https://openalex.org/W4380685144
  • https://openalex.org/W92838255