شبیه سازی عددی و بررسی پارامتری سرمازدگی انگشتان دست با استفاده از مدل‌سازی آناتومی

STUDENT

DEGREE

YEAR

Frostbite is severest form of cold injury that can have serious consequences which may include loss of some important limbs such as digits, ears, cheek and nose which are far from heart as main heat source in human body. Therefore, simulation and prediction of thermal behavior of mentioned limbs’ tissues (fingers in this study) under the cold conditions are not only necessary but also crucial for estimating of cold injuries and the related effective parameters. In most previous researches, models of frostbite injury in fingers are limited to one- and two-dimensional schemes and in few inquiries that considered 3-D models, various simplifications and assumptions are applied. But , in this study, an anatomical 3-D model is presented for human finger and the heat transfer through it is analyzed under the cold condition numerically. A novel approach is proposed to convert the MR images to 3-D finite element model. The method has different advantages that distinguish it from the other methods. The ability to assemble different tissues and blood vessels on each other, finding the location of blood vessels, meshing the model in the software that used for numerical simulation, reducing the computational time and better converging are some of the advantages of this method. Considering the circulatory system and its influence on heat distribution through the finger, specially, in severe cold condition are the distinction of this study and similar studies. Results for temperature distribution show that vessels play an important role in heat transfer between tissue and environment. It is observed that the effect of blood thermal behavior of tissue under the cold exposure is more significant than what was assumed in previous studies. The parameters of ambient temperature, wind velocity, hand covering, and dimensions of fingers were the important parameters which investigated in this study. Regarding environmental conditions, with decreasing ambient temperature and increasing the wind speed, the temperature of the finger and endurance time are reduced rapidly. As the wind speed increases and the temperature decreases by 10 °C, the endurance time is reduced to about half. On the other hand, the thermal resistance of the glove is very important and effective, that is more sensitive at higher wind speeds. Therefore, by wearing gloves in certain conditions, the endurance time can be increased up to 7 times higher than the non-gloved mode. In addition to the endurance time (onset of frostbite), which has been used in previous studies to examine the effective parameters, the rate of necrotizing is introduced as an effective criterion to obtain thermal responses of tissues to different parameters. Also, according to the numerical results, analytical expressions are extracted for endurance time and proper glove in different cold condition to prevent cold injury. By employing linear extrapolation and real physical conditions, the proposed formulas were drawn out from numerical simulation. Analytical results show good agreement with numerical and experimental data. Keywords: Bio-heat transfer, MR image, Anatomical model, Frostbite, Finger, Circulatory systems

سرمازدگی یکی از شدیدترین شکل‌های آسیب‌های سرمایی است که اثرات جدی را بر اعضای بدن به‌خصوص عضوهایی چون انگشتان دست‌وپا، گوش‌ها،گونه و بینی که از قلب به‌عنوان مرکز پمپاژ خون(حرارت) دور هستند، می‌گذارد تا جایی که موجب از دست دادن این اعضا در شرایط حاد سرمایی می‌شود. لذا بررسی و تحلیل توزیع حرارت در این اندام‌ها و پیش‌بینی اثرات سرما بر روی بافت‌های اندام‌های مذکور (به طور خاص در این تحقیق برای انگشت دست) نه‌تنها یک ضرورت بلکه یک الزام جهت پیش‌بینی سرمازدگی و پارامترهای تأثیرگذار در آن و به‌تبع درمان هرچه سریع‌تر قربانیان می‌باشد. در اکثر کارهای پیشین محققین، برای پیش‌بینی سرمازدگی در انگشتان دست به‌عنوان اندامی حساس که در معرض سرما قرار می‌گیرد، به مدل‌های ساده یک‌بعدی و دوبعدی اکتفا و در معدود پژوهش‌های صورت گرفته‌ی سه‌بعدی، ساده‌سازی‌های بسیاری جهت مدل‌سازی و شبیه‌سازی انگشت انجام‌شده است؛ اما در این تحقیق مدلی سه‌بعدی از هندسه انگشت دست با توجه به آناتومی دست ارائه و رفتار حرارتی انگشت دست در شرایط مختلف دمایی پایین مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است. استفاده از عکس‌های MRI به‌عنوان مرجعی مناسب جهت شناسایی لایه‌های مختلف بافت‌ها و مدل سازی سه‌بعدی بافت‌های زنده، یکی از نوآوری‌های این تحقیق محسوب می شود. روش نوین ارائه‌شده برای تبدیل تصاویرMRI به فایل‌های سه‌بعدی قابل‌تحلیل دارای مزیت‌هایی ازجمله قابلیت مونتاژ زیر بافت‌های مختلف و عروق خونی بر روی‌هم، مسیریابی و مدل‌سازی دقیق‌تر عروق خونی، شبکه‌بندی مدل در خود نرم‌افزار تحلیلی، کاهش زمان محاسبات و همگرایی هرچه بیشتر شبیه‌سازی‌ها است، که نمی‌توان از آن چشم‌پوشی کرد. در بحث خون‌رسانی در انگشت، مسیریابی رگ‌ها و تبادل حرارت با بافت‌های مجاور از دغدغه‌ها و نکاتی است که در تمامی شبیه‌سازی‌ها لحاظ شده است. نتایج توزیع دما نشان می‌دهد که عروق نقش مهمی در انتقال حرارت بین بافت و محیط در شرایط حاد سرمایی ایفا می‌کنند. به طوری که با در نظر نگرفتن اثرات رگ‌ها در شبیه‌سازی‌ها، نتایج، انحراف زیادی را با داده‌های آزمایشگاهی نشان می‌دهند. پارامترهای دمای محیط، سرعت وزش باد، میزان پوشش و ابعاد و اندازه‌ی انگشتان دست جزو پارامترهای مهم در توزیع دما و پدیده سرمازدگی بودند که در این پژوهش موردبررسی قرارگرفته‌اند. نتایج در خصوص شرایط محیطی نشان می دهد که با کاهش دمای محیط و افزایش سرعت وزش باد، دمای انگشت به‌سرعت کاسته شده و زمان پایداری آن در مقابل آسیب‌های سرمازدگی نیز کاهش می‌یابد. به‌طوری که با کاهش 10 درجه‌ای دمای محیط و افزایش سرعت باد زمان پایداری تا حدود نصف تقلیل می‌یابد. اما در این میان میزان مقاومت حرارتی دستکش از اهمیت خاصی برخوردار بوده و بسیار اثربخش می‌باشد و این تأثیر در سرعت‌های بالاتر وزش باد حساس‌تر هم می شود تا جایی که با پوشیدن دستکش در شرایط خاص، زمان پایداری تا 7 برابر نسبت به حالت بدون دستکش افزایش می‌یابد. علاوه بر زمان پایداری (زمان شروع سرمازدگی) که در پژوهش‌های پیشین برای بررسی پارامتر‌های تأثیرگذار مورد استفاده قرار گرفته است، در این تحقیق، نرخ تخریب شدن بافت در اثر سرما به‌عنوان معیاری کارآمد برای به دست آوردن پاسخ‌های حرارتی بافت‌ها و تحلیل اثرات پارامترهای مختلف بر روی رفتار حرارتی انگشت، معرفی شده است. همچنین، با استفاده از نتایج شبیه‌سازی‌های عددی، روابطی تحلیلی برای پیش‌بینی زمان پایداری و میزان پوشش دست تحت شرایط مختلف محیطی جهت جلوگیری از سرمازدگی استخراج و ارائه گردیده است. با بهره‌گیری از برون‌یابی خطی و الهام از شرایط فیزیکی واقعی، روابط مذکور استخراج شده‌اند. قابل‌توجه است که روند نتایج حاصل از معادلات تحلیلی با داده‌های عددی و تجربی قابل مقایسه است. کلمات کلیدی: انتقال حرارت در بافت زنده، تصویر ام‌آرآی، مدل آناتومی، سرمازدگی، انگشتان دست، خون‌رسانی