Skip to main content
SUPERVISOR
Mohamadreza Salimpour,Ebrahim Shirani
محمدرضا سلیم پور (استاد راهنما) ابراهیم شیرانی چهارسوقی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Meisam Kashcooli
میثم کشکولی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391

TITLE

Heat Transfer Analysis in Skin During Thermal Therapy
Specifying exact geometry of vessel network and its effect on temperature distribution in living tissues is one of the most complicated problems of bioheat field. Presence of blood and its thermal role in the living tissues such as blood perfusion, convection, perfusion of arterial-venous blood through capillaries and physiological processes, including metabolic heat generation and also heat conduction and interaction with environment, make this process complicated. Therefore in this project the effects of blood vessels on temperature distribution in a skin tissue subjected to various thermal therapy conditions are investigated. A precise and realistic model for skin and blood vessels is used to analyze the transient heat transfer through skin. Counter-current vessels are embedded in a three-dimensional Skin structure including three layers. Branching angles of vessels are calculated using the physiological principle of minimum work. Length and diameter ratios are specified using length doubling rule and Cube law, respectively. Temperature distributions in three-dimensional space are evaluated by solving the continuity, momentum and energy equations for blood flow and modified Pennes bioheat (TWMBT) equation for tissue. TWMBT model assumes heat is propagated by waves with finite speed and therefore there is a relaxation time for temperature elevation in the skin tissue. Since blood reaches to equilibrium with tissue within capillary bed, convection of blood can be neglected. Hence, thermal effects of the capillary bed are replaced with an energy source. Blood is considered non-Newtonian fluid using the power law model. Results for temperature distribution show low temperature contours along the artery meaning that arteries act as heat sinks; while high temperature contours along the veins indicate that veins carry heat out of the upper part of the tissue. Due to low thermal conductivity of biological tissue, lower skin levels are warmed sooner by convection than by conduction. Also, cooling effect of blood in the capillary bed is calculated precisely. It is observed that as the tissue temperature increases, perfusion rate in lowering the tissue temperature enhances. Totally, it is observed that the role of blood for cooling the tissue at high temperature is significant. The effects of different parameters such as vascular network, boundary conditions, relaxation time, thermal properties of skin, metabolism, convection coefficient, ambient temperature and pulse heat flux on temperature distribution are investigated. Tremendous effect of boundary condition type at the lower boundary is noted. It seems that neither insulation nor constant temperature at this boundary can completely describe the real physical phenomena. It is expected that real temperature at the lower levels be somewhat between two predicted values. The effect of temperature on the thermal properties of skin tissue is considered. It is shown that considering temperature dependent values for thermal conductivity is important in the temperature distribution estimation of skin tissue; however the effect of temperature dependent values for heat capacity is negligible. It is seen that considering modified Pennes equation in processes with high heat flux during low time (such as some thermal treatments) is very significant and leads to results completely different from the classic Pennes equation. Keywords: Triple layered skin, counter-current vessels, thermal therapy, modified Pennes equation, relaxation time
یکی از مشکلات عدیده در برآورد انتقال حرارت در بافت زنده ارزیابی اثر گردش خون و نقش حرارتی آن است. تعیین هندسه دقیق عروق و تاثیر آن‌ها در توزیع دمای بافت زنده از پیچیده‌ترین مسائل در این زمینه است. به این منظور در این پروژه پوست به صورت یک ساختار سه‌بعدی و سه لایه‌ای که یک جفت رگ جریان مخالف در چهار سطح در آن قرار دارد، در نظر گرفته می‌شود. زاویه انشعاب رگ‌ها بر اساس اصل فیزیولوژیکی حداقل کار انتخاب می‌شود. نسبت طول و نسبت قطر رگ‌ها بر اساس روابط تئوری ساختاری تعیین می‌شود. انواع مدل‌های انتقال گرما در بافت‌های زنده بررسی شده و شکل موجی معادله پنس به دلیل کارایی مناسب و با توجه به پیچیدگی ذاتی مدل‌های دیگر، انتخاب شده و در مواردی با مدل پنس مقایسه می‌‌شود. در این مدل فرض می‌شود گرما از طریق امواجی با سرعت محدود انتشار یابد و یک تاخیر زمانی برای افزایش دمای نقاط داخل بافت وجود داشته باشد. تاثیر حرارتی مویرگ‌های خونی در بافت با یک چشمه انرژی معادل‌سازی می‌شود. همچنین تاثیر تبادل حرارتی بین عروق قبل از مویرگ‌های سرخرگ و پس از مویرگ‌های سیاهرگ با بافت به صورت جداگانه بررسی می‌شود. ویژگی های خون به عنوان یک سیال غیرنیوتنی بر اساس مدل توانی بیان می‌شود. توزیع دما در پوست با حل معادلات پیوستگی، تکانه و انرژی برای خون داخل عروق و انرژی برای پوست به صورت عددی و به روش المان محدود به کمک نرم‌افزار کامسول به‌دست می‌آید. انتقال حرارت در بافت‌های زنده سطح پوست تحت اثر روش‌های مختلف گرماد‌رمانی سطحی بررسی می‌شود. نتایج توزیع سرعت و دما در رگ و بافت در مقاطع مختلف بررسی می شود. سپس تاثیر پارامترهای مختلف از جمله هندسه عروق، شرایط مرزی سطوح بالا و پایین پوست، میزان تاخیر زمانی، نرخ تراوش خون، خواص فیزیکی پوست، گرمای متابولیسم، ضریب انتقال حرارت جابجایی و دمای منبع داغ و شرایط شار پله‌ای روی توزیع دما بررسی می‌شود. بیشترین تاثیر در نظر گرفتن شکل موجی معادله پنس در فرآیندهایی با شار شدید گرما در مدت زمان کم (که قسمتی از فرآیندهای گرمادرمانی هستند) می‌باشد. در نظر گرفتن تاخیر زمانی در این نوع فرآیندها در تعیین دقیق توزیع دما بسیار تعیین‌کننده است. کلمات کلیدی: گرمادرمانی، ساختار سه‌لایه‌ای پوست، رگ‌های جریان مخالف چهار سطحی، شکل موجی معادله پنس، سرعت محدود انتشار، تاخیر زمانی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی