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用紅外熱像儀研究人體皮膚溫度分布

這項(xiàng)研究的長(zhǎng)期目標(biāo)之一是能夠?qū)ι眢w灼傷迅速采取行動(dòng),避免因熱擴(kuò)散而傳播病變。進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究,以更好地了解當(dāng)暴露于強(qiáng)烈的熱變化中時(shí)皮膚的熱機(jī)械行為及其直接環(huán)境。實(shí)驗(yàn)步驟包括將冷卻的圓柱形鋼棒放在人前臂的皮膚上,并使用經(jīng)濟(jì)型人體測(cè)溫的方式測(cè)量溫度變化。可見(jiàn)靜脈中的血液循環(huán)明顯地影響了熱擴(kuò)散。測(cè)量提供了皮膚及其直接附近的數(shù)值模型。該二維多層模型使用Pennes方程對(duì)生物組織進(jìn)行建模,并使用流體中的熱量方程對(duì)血液進(jìn)行建模。數(shù)值模型不僅可以模擬實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果,還可以估計(jì)靜脈中的血流速度。

圖為熱成像下人體皮膚溫度分布狀態(tài)

 

關(guān)于皮膚熱建模的最早研究可追溯到19世紀(jì)初,但很快就與皮膚結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性發(fā)生沖突。皮膚是多層的生物材料。血液活動(dòng)在熱量分布中起主要作用。利用當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)技術(shù)(多普勒效應(yīng),紅外熱成像),觀察變得更加精確。使用紅外熱像儀測(cè)量人前臂皮膚表面溫度的變化,是一種經(jīng)濟(jì)型人體測(cè)溫方式。紅外熱成像技術(shù)是一種非破壞性技術(shù),可高度精確地獲取表面溫度。能夠通過(guò)重力作用來(lái)改變血液循環(huán)。這種方法能夠量化由于血液循環(huán)速度而引起的溫度變化。

該實(shí)驗(yàn)的目的是測(cè)量前臂皮膚在體內(nèi)的溫度變化。使用圓柱形的鋼棒,事先將其深度冷凍以研究皮膚的溫度,或者進(jìn)行加熱以研究皮膚的溫度。將該棒放置在一名28歲女性的前臂上,并使用紅外熱像儀測(cè)量溫度變化。在測(cè)量過(guò)程中,實(shí)驗(yàn)室的溫度保持在20℃。將相機(jī)放置在距測(cè)量點(diǎn)約50厘米處。當(dāng)將條形圖放置在皮膚上時(shí),測(cè)量值被限制在(6×10)cm2的表面積上。將射線為1厘米的冷卻鋼圓柱體放在皮膚表面40秒鐘,然后取出。同時(shí),紅外熱像儀開始錄制90秒鐘。必須固定前臂以獲得可利用的結(jié)果。治療前臂的兩個(gè)位置:水平位置和垂直位置。在同一位置測(cè)量表面溫度。目的是量化血液循環(huán)對(duì)熱傳遞的影響。為了進(jìn)行分析,確定了包含靜脈的部分,并期望在這些區(qū)域中加熱更快。

研究工作與眾不同之處在于對(duì)血液循環(huán)的建模以及熱量在靜脈周圍的擴(kuò)散。使用紅外熱像儀記錄人類前臂皮膚的溫度變化,進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型人體測(cè)溫,并在40秒內(nèi)冷卻。測(cè)量結(jié)果突出了復(fù)雜的現(xiàn)象。定量觀察了血液循環(huán)對(duì)溫度擴(kuò)散的某些影響。通過(guò)比較研究前臂的水平位置和垂直位置所獲得的溫度,突出了血液循環(huán)的影響。注意到在垂直位置恢復(fù)熱平衡較慢,這是由重力對(duì)血流的影響所證明的。血液在垂直位置比在水平位置循環(huán)更困難。

同時(shí),基于Pennes方程開發(fā)了一個(gè)數(shù)值多層模型,該模型能夠模擬靜脈中的血流。該模型可用于驗(yàn)證構(gòu)成各個(gè)層的生物材料的熱機(jī)械性能。它還提供了靜脈血流速度的一個(gè)數(shù)量級(jí)。非破壞性實(shí)驗(yàn)方法與數(shù)值模型之間的耦合提供了對(duì)活組織熱力學(xué)行為的洞察力,并代表了一種有前途的方法。它提供了一種工具來(lái)探索暴露在高溫下的組織的行為。