用红外热像仪研究人体皮肤温度分布

这项研究的长期目标之一是能够对身体灼伤迅速采取行动，避免因热扩散而传播病变。进行了实验和数值研究，以更好地了解当暴露于强烈的热变化中时皮肤的热机械行为及其直接环境。实验步骤包括将冷却的圆柱形钢棒放在人前臂的皮肤上，并使用经济型人体测温的方式测量温度变化。可见静脉中的血液循环明显地影响了热扩散。测量提供了皮肤及其直接附近的数值模型。该二维多层模型使用Pennes方程对生物组织进行建模，并使用流体中的热量方程对血液进行建模。数值模型不仅可以模拟实验观察结果，还可以估计静脉中的血流速度。

图为热成像下人体皮肤温度分布状态

关于皮肤热建模的最早研究可追溯到19世纪初，但很快就与皮肤结构的复杂性发生冲突。皮肤是多层的生物材料。血液活动在热量分布中起主要作用。利用当前的实验技术（多普勒效应，红外热成像），观察变得更加精确。使用红外热像仪测量人前臂皮肤表面温度的变化，是一种经济型人体测温方式。红外热成像技术是一种非破坏性技术，可高度精确地获取表面温度。能够通过重力作用来改变血液循环。这种方法能够量化由于血液循环速度而引起的温度变化。

该实验的目的是测量前臂皮肤在体内的温度变化。使用圆柱形的钢棒，事先将其深度冷冻以研究皮肤的温度，或者进行加热以研究皮肤的温度。将该棒放置在一名28岁女性的前臂上，并使用红外热像仪测量温度变化。在测量过程中，实验室的温度保持在20℃。将相机放置在距测量点约50厘米处。当将条形图放置在皮肤上时，测量值被限制在（6×10）cm2的表面积上。将射线为1厘米的冷却钢圆柱体放在皮肤表面40秒钟，然后取出。同时，红外热像仪开始录制90秒钟。必须固定前臂以获得可利用的结果。治疗前臂的两个位置：水平位置和垂直位置。在同一位置测量表面温度。目的是量化血液循环对热传递的影响。为了进行分析，确定了包含静脉的部分，并期望在这些区域中加热更快。

研究工作与众不同之处在于对血液循环的建模以及热量在静脉周围的扩散。使用红外热像仪记录人类前臂皮肤的温度变化，进行经济型人体测温，并在40秒内冷却。测量结果突出了复杂的现象。定量观察了血液循环对温度扩散的某些影响。通过比较研究前臂的水平位置和垂直位置所获得的温度，突出了血液循环的影响。注意到在垂直位置恢复热平衡较慢，这是由重力对血流的影响所证明的。血液在垂直位置比在水平位置循环更困难。

同时，基于Pennes方程开发了一个数值多层模型，该模型能够模拟静脉中的血流。该模型可用于验证构成各个层的生物材料的热机械性能。它还提供了静脉血流速度的一个数量级。非破坏性实验方法与数值模型之间的耦合提供了对活组织热力学行为的洞察力，并代表了一种有前途的方法。它提供了一种工具来探索暴露在高温下的组织的行为。