Skip to main content
SUPERVISOR
Mohamadreza Salimpour,Ebrahim Shirani
محمدرضا سلیم پور (استاد مشاور) ابراهیم شیرانی چهارسوقی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Marjan Zare Bezgabadi
مرجان زارع بزگ آبادی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388

TITLE

Simulation of Skin Burn Injury Induced by Radiation Heating
: Comprehension of the phenomenon of heat transfer and related thermomechanics in soft tissues is of great importance. It contributes to description of high thermal radiation on biological bodies, specifically, thermomechanical damage to tissue and a variety of medical applications. Presence of blood and its thermal roles in 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. One of the most difficult problems of heat transfer estimation in living system is the assessment of the effect of blood circulation. The vasculature geometry and mathematical description of convective heat transfer in tissues are very intricate problems. This study investigated the significance of blood vessels in living tissue which its surface is subjected to radiation by a novel approach to evaluate convective heat transfer between blood in vessels and the tissue across the vessel walls. The objective of this simulation is to reflect the structural reality of skin and blood vessels and to analyze the heat transfer. The governing equation is that of Pennes Bio-Heat Transfer Equation. Here, the convective heat exchange between pre-arteriole, post-venule vessels and the tissue across the vessel walls is considered. Furthermore, characteristics of blood which is considered to be a non-Newtonian fluid, is estimated based on Power Law model. In order to evaluate transient convective heat transfer between the tissue and vessels, temperature distributions in three-dimensional space are obtained by solving continuity, momentum and energy equations numerically. The pervious works apply a constant Nusselt number which is derived based on steady condition to evaluate heat transfer between vessels and tissue. In this paper, we consider the skin as a three-dimensional structure including three layers embedded with multi-level blood vessels, i.e. artery and vein. The countercurrent vessels, with circular cross section area, are considered to be optimally branched. The diameter ratio of the branches is determined based on extension of Murray's Law (Cube Law) as well as length-doubling rule is applied for determination of blood vessels lengths in different levels. Moreover, the angle of vessel branches is evaluated based on physiological principle of minimum work to the angle. Using temporal temperature field, the skin damage is represented as a chemical rate process based on Arrhenius equation. Simulation of skin burn injury by the novel approach to evaluate temperature distribution and convective heat transfer in living tissue has improved in this study. The present vessel network model is a realistic model that simulates many of the major features of the heat transfer in tissues and can of practical use. According to results Skin's blood vessels play a crucial role in regulating body temperature. In this study by solution of momentum and energy equations, we found that the Nusselt number in terminal branches is around of eight which is consistent with the magnitude that is derived based on analytical equations for non-Newtonian fluid using power law model. The temperature results show the low temperature contours along the artery and high temperature contours along the vein which indicate the blood in the artery acts as a heat sink and the blood in the vein is carrying heat out of upper parts of tissue. Due to the fast convection traort with blood flow in vessels and blood perfusion into tissue through terminal vessels wall and heat exchange in capillary bed blood has tremendous effects on the resulting heating temperature. Skin burn degrees based on this new approach are reported in this project. Key Words : numerical simulation, three-dimensional skin structure, branched vasculature, skin burn injury
درک پدیده ی انتقال گرما در بافت های نرم از اهمیت زیادی برخوردار است. این توانایی به توصیف اثر اعمال گرمای تشعشعی بالا بر روی بافت زنده، به طور خاص، آسیب های گرمایی ایجاد شده در بافت و انواع کاربردهای پزشکی کمک شایانی می کند. وجود خون و نقش حرارتی آن در بافت های زنده از جمله پرفیوژن خون، جابجایی، تزریق خون شریانی و وریدی از طریق مویرگ ها و فرآیندهای فیزیولوژیکی، از جمله تولید گرما ناشی از سوخت و ساز و همچنین هدایت گرمایی داخل بافت و تعامل با محیط زیست، این فرآیند را پیچیده می سازد. یکی از سخت ترین مشکلات در برآورد انتقال حرارت در سیستم زنده ارزیابی اثر گردش خون است. هندسه عروق و شرح انتقال گرمای همرفتی در بافت پیچیده ترین مسائل به شمار می روند. این مطالعه یک روش جدید برای ارزیابی انتقال گرمای همرفتی و اثر آن در بافت زنده که سطح آن در معرض تابش قرار دارد ارائه می دهد. در این مقاله، پوست را به عنوان یک ساختار سه بعدی و سه لایه ای که رگ های خونی یعنی شریان و ورید در آن در چند سطح تعبیه شده اند، در نظر گرفتیم. رگ های خونی با جهت جریان مخالف، با سطح مقطع دایره ای، که با زاویه ی بهینه منشعب شده اند مدلسازی شدند. نسبت قطر شاخه ها بر اساس بسط قانون موری (قانون مکعب) تعیین شدند و همچنین از قانون دو برابر شدن طول بعد از دو انشعاب متوالی برای تعیین طول رگهای خونی در سطوح مختلف استفاده شد. علاوه بر این، زاویه ی بهینه ی انشعاب رگ برابر با مقدار بدست آمده بر اساس اصل فیزیولوژیکی حداقل کار، در نظر گرفته شد. از معادله ی انتقال گرمای زیستی پنس بعنوان معادله ی حاکم استفاده شد. با استفاده از این معادله تأثیر حرارتی مویرگهای خونی در بافت با یک منبع انرژی معادلسازی شد. همچنین، تأثیر تبادل حرارتی بین عروق و بافت قبل از مویرگهای سرخرگ و پس از مویرگهای سیاهرگ، و پرفیوژن خون از سرخرگ به بافت و از بافت به سیاهرگ مورد بررسی قرار گرفت. علاوه بر این، ویژگی های خون به عنوان یک سیال غیر نیوتنی، بر اساس مدل توانی برآورد شد. به منظور بررسی انتقال گرمای جابجایی بین بافت و عروق در حالت گذرا ، توزیع دما در فضای سه بعدی مدل با حل عددی معادلات پیوستگی، تکانه و انرژی برای خون و انرژی برای بافت به دست آمد. لازم بذکر است که مطالعات قبلی با استفاده از یک عدد نوسلت ثابت که بر اساس حالت دائم و برای یک هندسه ی خاص بدست آمده بود، انتقال گرمای بین عروق و بافت را ارزیابی کردند. با استفاده از میدان دما در زمان های مختلف، آسیب وارد شده به پوست به عنوان تابعی از دما و زمان بر اساس معادله ی آرنیوس بدست آمد. روش حل بکار برده شده در کار حاضر بهمراه مدل استفاده شده برای شبکه ی عروق، شکلهای گوناگون تأثیر عروق بعنوان مهمترین قسمت بافت در فرآیند انتقال حرارت را پوشش می دهد و قابلیت استفاده در کاربرد های عملی را دارا می باشد. کلمات کلیدی: ساختار سه بعدی پوست ، شبکه ی عروق، انتقال حرارت جابجایی، مدل توانی، سوختگی پوست

ارتقاء امنیت وب با وف بومی