這項研究的長期目標之一是能夠對身體灼傷迅速采取行動，避免因熱擴散而傳播病變。進行了實驗和數值研究，以更好地了解當暴露于強烈的熱變化中時皮膚的熱機械行為及其直接環境。實驗步驟包括將冷卻的圓柱形鋼棒放在人前臂的皮膚上，并使用經濟型人體測溫的方(fang)式測量(liang)溫度變化。可(ke)見靜脈中(zhong)的血(xue)(xue)液循環明顯地影響(xiang)了熱(re)擴散(san)。測量(liang)提(ti)供了皮膚及(ji)其直接附近(jin)的數值模(mo)型。該二維多層模(mo)型使用Pennes方(fang)程對生物組織(zhi)進(jin)(jin)行(xing)建模(mo)，并(bing)使用流體中(zhong)的熱(re)量(liang)方(fang)程對血(xue)(xue)液進(jin)(jin)行(xing)建模(mo)。數值模(mo)型不僅可(ke)以(yi)模(mo)擬實驗觀察(cha)結(jie)果，還可(ke)以(yi)估計靜脈中(zhong)的血(xue)(xue)流速度。

圖為熱成像下(xia)人體(ti)皮膚(fu)溫度分布狀態

關于皮膚熱建模的最早研究可追溯到19世紀初，但很快就與皮膚結構的復雜性發生沖突。皮膚是多層的生物材料。血液活動在熱量分布中起主要作用。利用當前的實驗技術（多普勒效應，紅外熱成像），觀察變得更加精確。使用紅外熱像儀測量人前臂皮膚表面溫度的變化，是一種經濟型人體測溫方式。紅外熱成像技術是一種非破壞性技術，可高度精確地獲取表面溫度。能夠通過重力作用來改變血液循環。這種方法能夠量化由于血液循環速度而引起的溫度變化。

該(gai)實驗(yan)的(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)是測(ce)(ce)(ce)量(liang)前臂(bei)皮膚(fu)(fu)(fu)在(zai)體內(nei)的(de)(de)(de)(de)溫(wen)度(du)(du)變化。使(shi)用(yong)圓柱形的(de)(de)(de)(de)鋼棒，事(shi)先將其深度(du)(du)冷(leng)凍以研究皮膚(fu)(fu)(fu)的(de)(de)(de)(de)溫(wen)度(du)(du)，或(huo)者進行加熱(re)以研究皮膚(fu)(fu)(fu)的(de)(de)(de)(de)溫(wen)度(du)(du)。將該(gai)棒放(fang)置(zhi)在(zai)一名28歲(sui)女性(xing)的(de)(de)(de)(de)前臂(bei)上(shang)，并使(shi)用(yong)紅外(wai)熱(re)像(xiang)(xiang)儀(yi)測(ce)(ce)(ce)量(liang)溫(wen)度(du)(du)變化。在(zai)測(ce)(ce)(ce)量(liang)過(guo)程(cheng)中，實驗(yan)室的(de)(de)(de)(de)溫(wen)度(du)(du)保(bao)持在(zai)20℃。將相機放(fang)置(zhi)在(zai)距測(ce)(ce)(ce)量(liang)點約50厘(li)米處(chu)。當(dang)將條形圖放(fang)置(zhi)在(zai)皮膚(fu)(fu)(fu)上(shang)時(shi)，測(ce)(ce)(ce)量(liang)值被限制(zhi)在(zai)（6×10）cm2的(de)(de)(de)(de)表(biao)面積(ji)上(shang)。將射線(xian)為1厘(li)米的(de)(de)(de)(de)冷(leng)卻鋼圓柱體放(fang)在(zai)皮膚(fu)(fu)(fu)表(biao)面40秒(miao)鐘(zhong)(zhong)，然后取出。同(tong)時(shi)，紅外(wai)熱(re)像(xiang)(xiang)儀(yi)開始錄制(zhi)90秒(miao)鐘(zhong)(zhong)。必須固定前臂(bei)以獲得可利(li)用(yong)的(de)(de)(de)(de)結果。治療(liao)前臂(bei)的(de)(de)(de)(de)兩個位(wei)置(zhi)：水(shui)平位(wei)置(zhi)和垂(chui)直位(wei)置(zhi)。在(zai)同(tong)一位(wei)置(zhi)測(ce)(ce)(ce)量(liang)表(biao)面溫(wen)度(du)(du)。目的(de)(de)(de)(de)是量(liang)化血液循(xun)環對熱(re)傳遞的(de)(de)(de)(de)影響。為了進行分析，確(que)定了包(bao)含靜(jing)脈(mo)的(de)(de)(de)(de)部分，并期望在(zai)這些區(qu)域中加熱(re)更快。

研(yan)究工作與眾不同之處在(zai)(zai)(zai)于對血液(ye)循(xun)環的(de)(de)建模以及熱量(liang)在(zai)(zai)(zai)靜脈(mo)周圍(wei)的(de)(de)擴(kuo)散(san)。使用紅(hong)外熱像儀記錄人(ren)類(lei)前(qian)臂皮膚的(de)(de)溫度(du)變化，進行經(jing)濟型(xing)人(ren)體測溫，并在(zai)(zai)(zai)40秒內冷卻。測量(liang)結果突出(chu)(chu)了(le)復雜的(de)(de)現象(xiang)。定(ding)量(liang)觀察(cha)了(le)血液(ye)循(xun)環對溫度(du)擴(kuo)散(san)的(de)(de)某些影響。通(tong)過(guo)比較研(yan)究前(qian)臂的(de)(de)水(shui)(shui)平(ping)位(wei)置(zhi)(zhi)和垂直位(wei)置(zhi)(zhi)所(suo)獲(huo)得的(de)(de)溫度(du)，突出(chu)(chu)了(le)血液(ye)循(xun)環的(de)(de)影響。注意到在(zai)(zai)(zai)垂直位(wei)置(zhi)(zhi)恢復熱平(ping)衡較慢，這是(shi)由重力對血流的(de)(de)影響所(suo)證明的(de)(de)。血液(ye)在(zai)(zai)(zai)垂直位(wei)置(zhi)(zhi)比在(zai)(zai)(zai)水(shui)(shui)平(ping)位(wei)置(zhi)(zhi)循(xun)環更困(kun)難。

同時，基于Pennes方(fang)程開發了(le)一個數(shu)值(zhi)多層(ceng)模(mo)(mo)型，該(gai)模(mo)(mo)型能夠模(mo)(mo)擬靜脈中的(de)(de)(de)血流(liu)。該(gai)模(mo)(mo)型可(ke)用于驗證(zheng)構(gou)成各個層(ceng)的(de)(de)(de)生物材料的(de)(de)(de)熱機(ji)械性(xing)能。它還提供了(le)靜脈血流(liu)速度的(de)(de)(de)一個數(shu)量級。非破壞性(xing)實驗方(fang)法與數(shu)值(zhi)模(mo)(mo)型之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)耦合提供了(le)對活組織熱力學行為的(de)(de)(de)洞察力，并代表(biao)了(le)一種有前途的(de)(de)(de)方(fang)法。它提供了(le)一種工具來(lai)探索暴露在高(gao)溫(wen)下的(de)(de)(de)組織的(de)(de)(de)行為。