TCiM sem 3, wykład 5 - Przepływ ciepła w materiałach biologicznych.pdf

(162 KB) Pobierz
bioheat
biociepło
©Ryszard A. Białecki
przepł yw ciep
yw ciepł a
a
ach
biologicznych
biologicznych
biociepło
©Ryszard A. Białecki
znaczenie ciepła w procesach biologicznych
i biotechnologicznych
• procesy Ŝyciowe zachodzą w wąskim zakresie temperatur. Ich
prędkość silnie zaleŜy od temperatury
• procesy te wiąŜą się z wydzielaniem ciepła metabolizmu które winno
być w równowadze z procesami transportu ciepła z otoczeniem
• przeróbka, produkcja i przechowywanie Ŝywności wymaga
obróbki cieplnej
• pomiary pola temperatury wykorzystywane jest w medycynie do
celów diagnostycznych
• procesy cieplne stosowane są w chirurgii onkologicznej
Û kriochirurgia – niszczenie chorej tkanki bardzo niskimi
temperaturami
Û termoablacja, niszczenie chorej tkanki wysokimi
temperaturami 60-90C (koagulacja falami radiowymi 350-500kHz,
laserowa, mikrofalowa)
Û termoresekcja – wycinanie chorej tkanki wysokimi temperaturami
1
przep
w materiał ach
w materia
24825467.012.png 24825467.013.png 24825467.014.png
biociepło
©Ryszard A. Białecki
termograficzny obraz procesu termoablacji. Igła emituje fale
radiowe niskiej częstotliwości rozgrzewając sąsiadującą tkankę
guza powodując jego martwicę
http://termoresekcja.republika.pl/termoablacja1.html
zabiegi krio i termo chirurgii winny zapewniać selektywne
niszczenie tkanki. Działanie takie wymaga to znajomości
mechanizmu transportu ciepła w tkankach.
biociepło ©Ryszard A. Białecki
Krew oprócz roli w transporcie tlenu i substancji przemiany materii jest
takŜe głównym nośnikiem ciepła w organizmie.
Przy zabiegach termoablacji krew płynąca w duŜych naczyniach krwionośnych chłodzi
okoliczną tkankę, co moŜe być mieć niekorzystny wpływ na skuteczność zabiegu
Krew jest głównym nośnikiem energii rozpraszanej do otoczenia.
Bez tego mechanizmu, równowagowa temperatura ciała w bezruchu wynosiłaby ok.
80C. Śmierć nastąpiłaby juŜ po 3 godzinach po wyłączeniu mechanizmu chłodzenia
wnętrza organizmu przez przepływ krwi.
Trudności w opisie przepływu krwi
• bardzo skomplikowana geometria naczyń
• zmienność przepływu krwi w zaleŜności od wielu czynników
(temperatura otoczenia, stęŜenie tlenu, itp.)
• bardzo małe rozmiary naczyń istotnych w wymianie ciepła (<300
m
m).
trudno zmierzyć temperaturę bezinwazyjnie
2
24825467.015.png 24825467.001.png 24825467.002.png
biociepło
©Ryszard A. Białecki
ró wnanie transportu ciep
wnanie transportu ciepła
w Ŝ ywej, ukrwionej tkance
ywej, ukrwionej tkance
biociepło
©Ryszard A. Białecki
transport ciepła w tkankach
• niejednorodność materiału biologicznego- konieczność
stosowania zastępczych właściwości materiałowych
• obecność naczyń krwionośnych i przepływu krwi
(perfuzja)
• ciepło metabolizmu
temperatura wnętrza ciała człowieka jest wyŜsza niŜ temperatura
skóry i sąsiadujących z nią tkanek. Cieplejsza krew z wnętrza ciała
transportowana jest tętnicami do tkanek sąsiadujących ze skórą.
Przepływając przez sieć coraz węŜszych naczyń krew chłodzi się a
następnie wraca do serca Ŝyłami .
3
w
24825467.003.png 24825467.004.png 24825467.005.png
biociepło
©Ryszard A. Białecki
modele transportu ciepła w Ŝywej, ukrwionej tkance
• oparte na modelu kontinuum, wpływ naczyń krwionośnych
uwzględniony przez człon źródłowy
• naczyniowe – Ŝyły i tętnice modelowane jako cylindry
zanurzone w tkance
• modele hybrydowe
biociepło
modele typu kontinuum
©Ryszard A. Białecki
T
model Pennesa
T
T
l
t
,
c
,
r
t
w
c
,
r
q
vm
k
k
T ,
t
,
T
a
T
z
temperatura tkanki, krwi w tętnicach i Ŝyłach
l
t c
t
,
r
t
wsp. przewodzenia, ciepło właściwe, gęstość tkanki
c
k
,
r
k
ciepło właściwe, gęstość krwi
m
3
/
3
s
1
w
prędkość perfuzji – strumień przepływającej
krwi na jedn. objętości tkanki
=
m
s
q
vm
źródło ciepła pochodzące od metabolizmu.
strumień wydzielonego ciepła w jedn. objęt.
J
=
W
m
3
s
m
3
4
t
,
,
24825467.006.png 24825467.007.png 24825467.008.png
biociepło
modele typu kontinuum
©Ryszard A. Białecki
zwykle krew Ŝylna przepływając przez naczynia włosowate
przyjmuje temperaturę tkanki
=
równanie zachowania energii (Pennes- 1948)
T
z T
t
c
r
T
t
=
Ñ
(
l
Ñ
T
)
+
q
+
w
c
r
(
T
-
T
)
t
t
t
t
vm
k
k
a
t
źródło- wydzielanie
ciepła metabolizmu
upust- chłodzenie
wnętrza tkanki
przez przepływającą
krew
c
r
T
=
Ñ
(
l
Ñ
T
)
+
q
v
klasyczne równanie przepływu ciepła
biociepło
modele typu kontinuum
©Ryszard A. Białecki
uproszczenie: stan ustalony, model jednowymiarowy,
temperatura krwi w tętnicy jest równa temperaturze wnętrza ciała.
Jaki jest rozkład temperatury w tkance mięśniowej
d
2
T
0
=
l
t
+
q
+
w
c
r
(
T
-
T
)
t
dx
2
vm
k
k
a
t
T
x
=
L
x
x
=
0
T
w T
=
a
5
24825467.009.png 24825467.010.png 24825467.011.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin