皮膚熱損傷溫度場(chǎng)的建模與仿真研究.pdf

1、作為人體最大的器官，皮膚是人體抵御外界不良環(huán)境的第一道保護(hù)屏障，是位于身體外部的包裹在肌肉外面的組織。皮膚覆蓋全身，因而皮膚的燒傷現(xiàn)象是一種十分常見(jiàn)的人體外部傷害事故。根據(jù)皮膚燒傷所產(chǎn)生的原理不同，可以將其分為熱燒傷、電燒傷、化學(xué)燒傷及放射線燒傷等，其中熱燒傷所發(fā)生的比例占80％以上。因?yàn)闊崴疇C傷是在日常生活中極易發(fā)生的燒傷事故，所以有必要對(duì)該過(guò)程進(jìn)行更加深入地研究。準(zhǔn)確分析皮膚組織在熱水燙傷過(guò)程中的傳熱規(guī)律有助于對(duì)皮膚燒傷的快速診斷和

2、治療，為此國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者采用了許多研究方法對(duì)其進(jìn)行了深入研究。通常采用的數(shù)值模擬方法有FDM、FEM、BME等，數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。因此，有必要結(jié)合數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行更加細(xì)致地研究。本文主要內(nèi)容及研究成果如下：
　　介紹了生物組織的傳熱機(jī)理及模型，然后基于 ANSYS在合理假設(shè)的前提下，建立了皮膚組織的有限元模型，對(duì)該有限元模型施加合適的熱源載荷來(lái)模擬皮膚組織在100℃燒傷情況下的溫度場(chǎng)變化情況，并

3、對(duì)其進(jìn)行有限元計(jì)算，得出了在典型數(shù)據(jù)下皮膚組織的溫度場(chǎng)分布情況。發(fā)現(xiàn)在熱源撤離之后，熱量會(huì)繼續(xù)在皮膚組織中擴(kuò)散，受熱區(qū)域也隨之?dāng)U大。這說(shuō)明熱源對(duì)皮膚組織的作用具有一定的延時(shí)性。
　　為驗(yàn)證有限元模型及計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下構(gòu)建了以鉑電阻PT100為溫度傳感器的皮膚表面組織的溫度測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)前文計(jì)算得出的數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)所測(cè)量得到的溫度變化趨勢(shì)與理論計(jì)算結(jié)果大致相同，但是并沒(méi)有完全重合，誤差主要

4、來(lái)源于溫度測(cè)量手段及系統(tǒng)，也可能是生物體自身的復(fù)雜性所致。由于數(shù)值計(jì)算模型的準(zhǔn)確性依賴于組織的熱物理參數(shù)，而實(shí)際上隨著組織燙傷的發(fā)生，其熱學(xué)參數(shù)也隨之改變，因此使用數(shù)值模擬的方法來(lái)計(jì)算皮膚溫度變化時(shí)，其復(fù)雜性與生物體自身的調(diào)溫機(jī)制相比，存在著簡(jiǎn)單和粗糙的缺點(diǎn)，但對(duì)于生物傳熱的數(shù)值計(jì)算仍有助于了解皮膚燒傷的過(guò)程及溫度變化規(guī)律，可以為燙傷的預(yù)測(cè)提供一定的參考依據(jù)。
　　通過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)手段相結(jié)合的方法，本文建立了皮膚有限元模型，研究