皮肤热损伤温度场的建模与仿真研究

发布时间：2017-05-21 09:17

  本文关键词：皮肤热损伤温度场的建模与仿真研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：作为人体最大的器官,皮肤是人体抵御外界不良环境的第一道保护屏障,是位于身体外部的包裹在肌肉外面的组织。皮肤覆盖全身,因而皮肤的烧伤现象是一种十分常见的人体外部伤害事故。根据皮肤烧伤所产生的原理不同,可以将其分为热烧伤、电烧伤、化学烧伤及放射线烧伤等,其中热烧伤所发生的比例占80%以上。因为热水烫伤是在日常生活中极易发生的烧伤事故,所以有必要对该过程进行更加深入地研究。准确分析皮肤组织在热水烫伤过程中的传热规律有助于对皮肤烧伤的快速诊断和治疗,为此国内外许多学者采用了许多研究方法对其进行了深入研究。通常采用的数值模拟方法有FDM、FEM、BME等,数值计算结果的准确性有待进一步的实验来进行验证。因此,有必要结合数值模拟与实验手段进行更加细致地研究。本文主要内容及研究成果如下:介绍了生物组织的传热机理及模型,然后基于ANSYS在合理假设的前提下,建立了皮肤组织的有限元模型,对该有限元模型施加合适的热源载荷来模拟皮肤组织在100℃烧伤情况下的温度场变化情况,并对其进行有限元计算,得出了在典型数据下皮肤组织的温度场分布情况。发现在热源撤离之后,热量会继续在皮肤组织中扩散,受热区域也随之扩大。这说明热源对皮肤组织的作用具有一定的延时性。为验证有限元模型及计算结果的准确性,在现有实验条件下构建了以铂电阻PT100为温度传感器的皮肤表面组织的温度测量系统,对前文计算得出的数值结果进行了实验验证。通过对比发现,实验所测量得到的温度变化趋势与理论计算结果大致相同,但是并没有完全重合,误差主要来源于温度测量手段及系统,也可能是生物体自身的复杂性所致。由于数值计算模型的准确性依赖于组织的热物理参数,而实际上随着组织烫伤的发生,其热学参数也随之改变,因此使用数值模拟的方法来计算皮肤温度变化时,其复杂性与生物体自身的调温机制相比,存在着简单和粗糙的缺点,但对于生物传热的数值计算仍有助于了解皮肤烧伤的过程及温度变化规律,可以为烫伤的预测提供一定的参考依据。通过数值模拟与实验手段相结合的方法,本文建立了皮肤有限元模型,研究了皮肤表面组织在热水烫伤过程中的温度变化情况,为研究皮肤热损伤过程中的热量传递规律提供一定的帮助,也为今后从事相关方面的研究提供思路。
【关键词】：皮肤 热损伤 温度场 数值模拟 有限元法 温度测量
【学位授予单位】：河南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R644
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-13
• 1.1 课题研究背景及国内外研究现状9-12
• 1.2 本文主要研究内容12-13
• 第2章 生物传热机理及模型13-19
• 2.1 生物传热机理13-15
• 2.2 生物传热模型15-18
• 2.3 本章小结18-19
• 第3章 皮肤组织有限元模型的建立19-29
• 3.1 ANSYS软件基本知识19-20
• 3.2 热学参数基本知识20-24
• 3.2.1 热学参数概念20-21
• 3.2.2 经验公式21-23
• 3.2.3 皮肤热学参数23-24
• 3.3 模型假设24
• 3.4 皮肤有限元模型的建立24-27
• 3.5 本章小结27-29
• 第4章 皮肤热损伤温度场的有限元计算29-35
• 4.1 有限元加载求解29-30
• 4.2 有限元计算结果30-32
• 4.3 计算结果分析32-33
• 4.4 本章小结33-35
• 第5章 皮肤表面组织温度测量系统设计35-49
• 5.1 系统结构与原理35-38
• 5.2 系统硬件选择38-42
• 5.2.1 温度传感器38-39
• 5.2.2 恒流源及AD转换器39-40
• 5.2.3 微处理器40-42
• 5.3 系统硬件电路设计42-44
• 5.4 系统软件设计44-47
• 5.4.1 下位机软件设计45-46
• 5.4.2 上位机软件设计46-47
• 5.5 本章小结47-49
• 第6章 动物实验49-54
• 6.1 实验准备49-51
• 6.1.1 实验材料50
• 6.1.2 实验方法50-51
• 6.2 实验结果与分析51-52
• 6.3 本章小结52-54
• 第7章 结论与展望54-56
• 7.1 主要结论54
• 7.2 研究展望54-56
• 参考文献56-60
• 附录60-70
• 致谢70-71
• 攻读学位期间的研究成果71

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 张修太;胡雪惠;翟亚芳;秦长海;张继军;;基于PT100的高精度温度采集系统设计与实验研究[J];传感技术学报;2010年06期

2 李小霞,范世福,赵友全;CO_2激光照射活体皮肤的光热效应研究[J];光电子·激光;2005年10期

3 梁超英;钱志余;;人体组织传热及应用研究[J];生物医学工程研究;2007年02期

4 孙书鹰;陈志佳;寇超;;新一代嵌入式微处理器STM32F103开发与应用[J];微计算机应用;2010年12期

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本文编号：383246