如何利用颅脑简化分层传热模型进行温度预测

 基础医学论文     |     by 艾维学术     |      2018-08-10 15:53

1 颅脑简化分层传热模型的建立及应用

颅脑简化分层模型建立的理论依据在于将颅脑根据结构特性和参数特性可以划分为不同的物理层,进而利用解析方程对每一层的组织特性进行分析。

在理论研究中,由于人体颅脑的结构非常复杂,每一层的组织特性也不尽相同,因此比较通用的是将人颅脑分层模型进行简化和近似。HongZhou和他的团队通过将人颅脑划分为头皮、头骨、脑实质三层,形成圆面二维模型,并对每一层的电导率进行赋值,进而预测出人体头部的电位分布,并取得了不错的预测效果。之后又有一些学者对球或半球模型进行改进,用椭球或者椭半球进行代替,但改善效果并不明显。

在亚低温治疗领域,Zhu和她的团队提出了一个基于PENNES传热模型的颅脑半球传热简化模型,并将颅脑分为头皮、头骨和脑组织三个部分,并假定热量在三个部分中的热量分布是均匀的,用正常人颅脑头皮、头骨、脑实质的统计热学参数赋值给模型的对应层,从而希望将此模型应用到预测中-soXu和他的团队也建立了一个基于PENNES传热模型的颅脑半球传热简化模型,同样是三层模型,但是他们通过分离了半球模型的每一层,考虑到热度梯度的影响,将每一层分为几个部分,并使用有限元法对每一部分进行求解,以细化热量分布。

2 颅脑简化分层传热模型的缺点与不足

基于PENNES传热方程使用颅脑简化分层模型预测选择性亚低温治疗时的颅脑内部温度在理论研究中取得了一些进展和突破,研究人员分析了简化模型不同球径下的颅脑内部分布,并与动物实验相结合。但是使用该颅脑简化分层模型存在着明显的缺点与不足,主要体现在以下几点:

1)颅脑简化分层模型未考虑脑脊液层对颅脑传热特性的影响。

脑脊液((Cerebro-SpinalFluid,CSF)是一种无色透明液体,充满于动物脑室之间。脑脊液的主要作用在于供应脑细胞营养,及时带走代谢废物,并调节颅内压力,形成一个完整的液体垫,避免脑实质与颅骨直接接触,以缓冲震动。在颅脑简化分层模型中,脑脊液层一般被归为脑实质层,但是根据临床和实验数据,脑脊液新陈代谢率和血液灌注率与脑实质的差异比较明显。

2)颅脑简化分层模型不能反映真实颅脑内部温度分布。

颅脑简化分层模型采用球坐标的方式对每一层的温度分布进行模拟,其结果是在半球的同一球径上的各个点形成的面的温度是相同的。而真实人脑既不是半球结构也不是椭球结构,人脑表面充满着脑沟和脑回,大脑纵裂将大脑分为左右脑。颅脑简化模型无法真实反映颅脑的温度分布。而且在临床选择性亚低温治疗时,医护人员一般只是测量几个特定点的温度,如选右侧额叶前部脑表面下的点,而不关心在不同球径上的分布。

3)颅脑简化分层模型未考虑年龄、人种和性别的差异。

对病患进行亚低温治疗时,所要采取的治疗策略和温度深度选择是因人而异的,不同年龄、人种的颅脑形状不尽相同,同时不同病患在不同受伤情况和麻醉情况下的颅脑热学参数也有所差异。Zhu和她的团队在对颅脑简化分层模型进行仿真时采用的是正常人结构参数和热学参数的统计平均值,而真实参数值无从得知,因而所得到的颅脑内部温度分布仅在统计意义上具有参考性,不能为特定病人在亚低温治疗时的颅脑内部温度提供预测值。

由于颅脑简化分层存在着各种缺点和不足,而为了真实反映不同病患颅脑内部温度,因此基于不同病患的颅脑建立真实颅脑分层模型就显得很有必要。

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