بررسی توزیع دما دست و پیش‌بینی یخ‌زدگی انگشتان با استفاده از مدل تنظیم دمای بدن و مدل زیست‌گرمایی مبتنی بر تصاویر پزشکی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی مقطع دکتری، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران

2 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران

3 استاد، گروه مهندسی مکانیک ، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران

4 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک ، دانشگاه صنعتی شیراز، شیراز، ایران

چکیده

دست به دلیل تفاوت ساختاری، عملکرد ویژه در خون‏‏رسانی و درصد حجمی متفاوت بافت‏‌‌های تشکیل دهنده آن، از شرایط ویژه‌‏‌ای در انتقال گرما برخوردار است. مدل‌های اولیه تنظیم دمای بدن اکثر صفر بعدی بوده و قادر به محاسبه تغییرات مکانی دما دست نمی‏باشند. در مدل‏سازی حاضر از تصاویر پزشکی، جهت ارائه یک مدل سه بعدی کامل مبتنی بر هندسه دقیق و آناتومی واقعی بافت دست استفاده شده است. نتایج نشان داده که مقادیر دمای کمینه، متوسط و بیشینه بر روی سطح پوست دست بسیار متفاوت می‏باشند، که بیانگر توزیع کاملا غیر یکنواخت دمای روی دست است. افت دمای کمینه به کمتر از نقطه انجماد پوست در دو سرعت 7/2 و 5/5 متر بر ثانیه مشاهده گردیده که در سرعت 5/5 متر بر ثانیه در مدت زمان کمتری رخ داده است. نوک انگشتان از دمای کمتری نسبت به سایر نقاط دست برخوردار است، بطوریکه اختلاف دمای نوک انگشتان دست با دمای میانگین می‏تواند به حدود 14 درجه سلسیوس نیز برسد که بر اهمیت توجه به این بخش بخصوص در شرایط حاد سرمایی و پیش‎بینی امکان یخ‏زدگی در انگشتان تاکید دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مراجع

  • Baker N, Mehlman J, editors. Transient Heat Transfer and Frostbite, 2012.
  • Zhang M, Li R, Wu Y, Song G. Thermoregulation of human hands in cold environments and its modeling approach: A comprehensive review. Building and Environment. 2024; 248:111093.
  • Salloum M, Ghaddar N, Ghali K. A new transient bioheat model of the human body and its integration to clothing models. International Journal of Thermal Sciences. 2007; 46(4):371-84.
  • Stolwijk JA. A mathematical model of physiological temperature regulation in man. NASA; 1971.
  • Taylor N, Machado-Moreira C, van den Heuvel A, Caldwell Odgers J, Taylor EA, Tipton MJ. The roles of hands and feet in temperature regulation in hot and cold environments. University of Wollongong; 2024.
  • Gagge AP, Fobelets APR, Berglund L. A standard predictive index of human response to the thermal environment. Ashrae Transactions. 1986;92:709-31.
  • Stolwijk JAJ, Hardy JD. Temperature regulation in man — A theoretical study. Pflüger's Archiv für die gesamte Physiologie des Menschen und der Tiere. 1966;291(2):129-62.
  • Fiala D, Psikuta A, Jendritzky G, Paulke S, Nelson DA, Lichtenbelt WD, et al. Physiological modeling for technical, clinical and research applications. Front Biosci (Schol Ed). 2010;2(3):939-68.
  • Kobayashi Y, Tanabe S-i. Development of JOS-2 human thermoregulation model with detailed vascular system. Building and Environment. 2013;66:1–10.
  • Tanabe S-i, Kobayashi K, Nakano J, Ozeki Y, Konishi M. Evaluation of thermal comfort using combined multi-node thermoregulation (65MN) and radiation models and computational fluid dynamics (CFD). Energy and Buildings. 2002;34:637-46.
  • Yang J, Weng W, Zhang B. Experimental and numerical study of physiological responses in hot environments. J Therm Biol. 2014;45:54-61.
  • Salloum M, Ghaddar N, Ghali K. A new transient bioheat model of the human body and its integration to clothing model. International Journal of Thermal Sciences. 2007;46:371-84.
  • Zhao J, Wang H, Li Y, Xiao F, Deng Q. Heatstroke recovery at home as predicted by human thermoregulation modeling. Building and Environment. 2020;173:106752.
  • Lai D, Chen Q. A two-dimensional model for calculating heat transfer in the human body in a transient and non-uniform thermal environment. Energy and Buildings. 2016;118:114-22.
  • Pennes HH. Analysis of Tissue and Arterial Blood Temperatures in the Resting Human Forearm. Journal of Applied Physiology. 1948;1(2):93-122.
  • Zolfaghari A, Maerefat M. A new simplified thermoregulatory bioheat model for evaluating thermal response of the human body to transient environments. Building and Environment. 2010;45:2068-76.
  • Khiavi N, Maerefat M, Zolfaghari A. A new local thermal bioheat model for predicting the temperature of skin thermoreceptors of individual body Journal of Thermal Biology. 2018;74.
  • افضلیان م, ذوالفقاری س. مدلسازی اثرات عوامل فردی بر دمای موضعی بدن با توسعه یک مدل گرما تنظیم چند بخشی فردی. مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز. 2022;52(2):319-28.
  • Shitzer A, Stroschein LA, Vital P, Gonzalez RR, Pandolf KB. Numerical Analysis of an Extremity in a Cold Environment Including Countercurrent Arterio-Venous Heat Exchange. Journal of Biomechanical Engineering. 1997;119(2):179-86.
  • Ley O, Deshpande CV. Comparison of two mathematical models for the study of vascular reactivity. Computers in Biology and Medicine. 2009;39(7):579-89.
  • Manda PKV, editor study of the risk of frostbite in humans with the help of a transient 3d finger model2013.
  • Fallahi A, Reza Salimpour M, Shirani E. A 3D thermal model to analyze the temperature changes of digits during cold stress and predict the danger of frostbite in human fingers. J Therm Biol. 2017;65:153-60.
  • Yang J, Wang F, White MD, Li R, Song G, Etter CV, et al. A 7-segment numerical hand-glove/mitten model for predicting thermophysiological responses of the human hand in extremely cold conditions. Computers in Biology and Medicine. 2022;151:106351.
  • Kang Z, Wang F, Raj U. An Advanced Three-dimensional Thermoregulation Model of the Human Body: Development and Validation. International Communications in Heat and Mass Transfer. 2019;107:34-43.
  • Zhang M, Li R, Li J, Wang F, Subramaniam S, Lang J, et al. A 3D multi-segment thermoregulation model of the hand with realistic anatomy: Development, validation, and parametric analysis. Building and Environment. 2021;201:107964.
  • Castellani MP, Rioux TP, Castellani JW, Potter AW, Xu X. A geometrically accurate 3 dimensional model of human thermoregulation for transient cold and hot environments. Computers in Biology and Medicine. 2021;138:104892.
  • Castellani MP, Rioux TP, Castellani JW, Potter AW, Notley SR, Xu X. Finite element model of female thermoregulation with geometry based on medical images. Journal of Thermal Biology. 2023;113:103477.
  • Joshi A, Li R, Wu Y, Zhang M, Song G. Analysis of glove local microclimate properties for various glove types and fits using 3D scanning method. Heliyon. 2024;10(1):e23596.
  • رئیسی م,حسنزاده ح, ذوالفقاری س، امیدوار ا. بررسی تاثیر سرعت و دمای وزش بر پاسخ حرارتی انگشتان توسط مدل زیست- گرمایی دست انسان. بیست و یکمین کنفرانس دینامیک شاره ها1403.
  • Vallez L, Plourde B, Abraham J. A new computational thermal model of the whole human body: Applications to patient warming blankets. 2015.
  • Zolfaghari SA, Hassanzadeh H, Raeesi M, Taheri M. Cooling performance evaluation of overhead mixing and floor displacement ventilation systems inside a bus by using 65-nodes thermal comfort model. Modares Mechanical Engineering. 2017;17(2):333-42.
  • ذوالفقاری س, حسن زاده ح, رئیسی م, طاهری م. کاهش اثرات نامطلوب عدم تقارن تابشی برای مسافران اتوبوس از طریق عدم تقارن وزشی تحت شرایط تابستانه. مکانیک سازه ها و شاره ها. 2018;8(1):135-46.
  • ذوالفقاری س, حسن زاده ح, طاهری م, رئیسی م, افضلیان م. ارزیابی تأثیر ناهمگونی پوشش تابستانه بر احساس حرارتی موضعی مسافران در یک اتوبوس تحت دو نوع سیستم تهویه متداول. نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر. 2019;51(4):11-20.
  • Li C, Ito K. Numerical and experimental estimation of convective heat transfer coefficient of human body under strong forced convective flow. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2014;126:107-17.
  • Li X, Tu J. Evaluation of the eddy viscosity turbulence models for the simulation of convection–radiation coupled heat transfer in indoor environment. Energy and Buildings. 2019;184:8-18.
  • Zhang M, Li R, Wu Y, Wang L, Song G, Li J. Numerical study of the convective heat transfer coefficient of the hand and the effect of wind. Building and Environment. 2021;188:107482.
  • Versteeg HK, Malalasekera W, editors. An introduction to computational fluid dynamics - the finite volume method2007.
  • Bernard V, Staffa E, Mornstein V, Bourek A. Infrared camera assessment of skin surface temperature--effect of emissivity. Phys Med. 2013;29(6):583-91.
  • Munir A, Takada S, Matsushita T. Re-evaluation of Stolwijk's 25-node human thermal model under thermal-transient conditions: Prediction of skin temperature in low-activity conditions. Building and Environment. 2009;44(9):1777-87.
  • Chen F, Liu Z, Holmér I. Hand and finger skin temperatures in convective and contact cold exposure. European Journal of Applied Physiology and Occupational Physiology. 2004;72:372-9.
  • Wang D, Zhang H, Arens E, Huizenga C. Observations of upper-extremity skin temperature corresponding overall-body thermal sensations and comfort. Building and Environment. 2007;42:3933-43.
  • رئیسی م,حسن زاده ح, ذوالفقاری س, امیدوار ا. پیکربندی یک مدل زیست-گرمایی دست انسان با اتکا به هندسه واقعی مبتنی بر تصاویر پزشکی. مجله مهندسی مکانیک. 2025.
  • Keatinge WR, Cannon P. FREEZING-POINT OF HUMAN SKIN. The Lancet. 1960;275(7114):11-4.
  • Fallahi A, Reza Salimpour M, Shirani E. A 3D thermal model to analyze the temperature changes of digits during cold stress and predict the danger of frostbite in human Journal of Thermal Biology. 2017;65:153-60.
مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز
دوره 56، شماره 1 - شماره پیاپی 114
در حال تکمیل
اردیبهشت 1405
صفحه 11-20

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار