آناليز دمايي بافت زيستي بر اساس مدل انتقال گرماي اصلاح شده در محيط متخلخل

Temperature analysis of biological tissue based on a modified heat transfer model in porous medium

سرطان رشد و گسترش كنترل نشده سلول‌ها مي‌باشد. يك راه حل شايع در درمان سرطان، در معرض گرما قرار‌دادن تومور است. در اين مقاله جهت اين­كه مشكل پاسخ آني تغييرات به گسيل شار گرمايي در درمان­هاي زيستي برطرف شود، از مدل غير ‌فوريه­اي استفاده مي­شود. يك ايراد ديگر كه در معادلات گرمايي زيستي وجود دارد عدم تاثير جهت جريان خون روي توزيع دما است. در اين مطالعه از دو مدل انتقال گرماي زيستي، مدل محيط متخلخل و مدل پنس در دو حالت فوريه‌اي و غير‌فوريه‌اي، جهت پيش‌بيني دماي يك بافت خاص با هندسه كروي، استفاده مي­كنيم. معادلات حاكم با روش المان محدود توسط نرم افزار COMSOL حل شده است. اين مطالعه در دو اندازه و سرعت جريان خون در ضرايب تخلخل و پراكندگي مختلف، بررسي مي‌شود. تعادل گرمايي در اندازه­هاي كوچك خون، مشاهده مي‌شود. نتيجه جالب توجه در حالت غير‌فوريه‌اي مدل پنس رخ مي­دهد،كه پس از پايان اعمال شار گرمايي، دماي بافت ثابت مي­ماند. با افزايش ضريب تاخير زماني دماي بافت تقريبا مستقل از ضريب پراكندگي شده، به طوري‌كه با ضريب تاخير زماني 10 ثانيه دماي بافت در محدوده 38 درجه سلسيوس، ثابت مي‌ماند.

Cancer is defined as uncontrolled growth and spread of cells. Thermal therapy is a prevalent tumor treatment in which body tissue is exposed to high temperatures. In this study, a non-Fourier model is applied to circumvent the problem of quick response of changes to the thermal gradient in biological therapies. Another drawback in the biological thermal equations is that blood direction does not affect the thermal distribution. In the current study, two bio-heat transfer models, porous medium model and Pennes’ model in both Fourier and non-Fourier conditions are used to predict the temperature response of a spherical tissue. Governing equations are solved by using the finite-element code COMSOL software. This study considers two pairs of blood vessel sizes and velocities for several values of porosity and perfusion coefficients. Thermal equilibrium is observed in the smaller blood diameter sizes. Another interesting result obtained in the non-Fourier condition of Pennes model is that the temperature of the tissue remains constant after finishing the implementation of thermal dose. By increasing the relaxation time, the temperature of the tissue becomes independent of perfusion coefficient in such a way that the tissue temperature becomes constant in 38 °C for relaxation time of 10 sec.