أدى التطور الكبير خلال الأعوام الماضية إلى محاولة فهم الخصائص الميكانيكية والحرارية لنسج الإنسان والقوانين الفيزيائية التي تحكم العمليات الحيوية عنده، وإلى استخدام العديد من المبادئ الهندسية في تحليل بعض تطبيقات انتقال الكتلة والحرارة في علوم الطب والحياة. إن انتقال الحرارة الحيوية bioheat transfer هو دراسة كيفية انتقال الحرارة في المنظومات البيولوجية من جز إلى آخر سوا كانت العملية تتم بكاملها أم جز منها داخل الجسم أو خارجه.

"> أدى التطور الكبير خلال الأعوام الماضية إلى محاولة فهم الخصائص الميكانيكية والحرارية لنسج الإنسان والقوانين الفيزيائية التي تحكم العمليات الحيوية عنده، وإلى استخدام العديد من المبادئ الهندسية في تحليل بعض تطبيقات انتقال الكتلة والحرارة في علوم الطب والحياة. إن انتقال الحرارة الحيوية bioheat transfer هو دراسة كيفية انتقال الحرارة في المنظومات البيولوجية من جز إلى آخر سوا كانت العملية تتم بكاملها أم جز منها داخل الجسم أو خارجه.

"/>

logo

logo

logo

logo

logo

انتقال الحرارة الحيوية

انتقال حراره حيويه

Bio heat transfer - Transfert biocalorimétrique

 انتقال الحرارة الحيوية

انتقال الحرارة الحيوية

نظرية انتقال الحرارة الحيوية داخل الخلايا

نماذج انتقال الحرارة الحيوية

التجهيزات المعتمدة على انتقال الحرارة الحيوية

 

أدى التطور الكبير خلال الأعوام الماضية إلى محاولة فهم الخصائص الميكانيكية والحرارية لنسج الإنسان والقوانين الفيزيائية التي تحكم العمليات الحيوية عنده، وإلى استخدام العديد من المبادئ الهندسية في تحليل بعض تطبيقات انتقال الكتلة والحرارة في علوم الطب والحياة. إن انتقال الحرارة الحيوية bioheat transfer هو دراسة كيفية انتقال الحرارة في المنظومات البيولوجية من جزء إلى آخر سواء كانت العملية تتم بكاملها أم جزء منها داخل الجسم أو خارجه. وأدى الاهتمام المتزايد بظاهرة انتقال الحرارة في التطبيقات التشخيصية والعلاجية إلى تطوير نماذج رياضية معقدة اعتماداً على التقنيات الحسابية المتقدمة، وهذا ما عزز القدرة على تحليل ظاهرة انتقال الحرارة الحيوية، ومن ثم ساعد على إدخال تحسينات في تقنيات الوقاية والعلاج للنظم البيولوجية، مثل: استخدام المعالجات الحارة أو الباردة لتدمير الكتل السرطانية وتحسين حالة المرضى بعد إصابة الدماغ، وحماية البشر من الظروف البيئية الشديدة كالبراكين والحرائق الكارثية.

نظرية انتقال الحرارة الحيوية داخل الخلايا

تُعدّ قدرة جهاز تنظيم حرارة جسم الإنسان في الحفاظ على درجة الحرارة الداخلية قرب 37 سْ تحت تأثير مجال واسع من الظروف البيئية وخلال الإجهاد الحراري المختلف: من أهم خصائص الوظائف الحيوية لجسم الإنسان، إذ يؤدي تدفق الدم في الأوعية الدموية ثلاث وظائف رئيسية:

1. نقل الكتلة لدعم عمليات الاستقلاب: فالدم ينقل الأكسجين إلى أنحاء الجسم، وينقل أيضاً ثنائي أكسيد الكربون والفضلات الأخرى من الخلايا.

2. تنظيم ضغط الدم: يؤثر الجهاز الوعائي على نحو أساسي في تنظيم ضغط الدم بفضل قدرته على تعديل توزع جريان الدم وتنظيم الناتج القلبي.

3. نقل الحرارة لتنظيم الحرارة الجهازية: يُعرف الدم بامتلاكه تأثيراً ثنائياً، أحدهما يعمل على موازنة الطاقة الحرارية إذ يمكن أن يكون منبعاً للحرارة أو مصرفاً لها اعتماداً على الحرارة الموضعية للنسيج. ففي الشتاء يُضخ الدم من القلب لتدفئة بقية أنحاء الجسم، وبالمقابل خلال المعالجة بالحرارة المفرطة لأمراض محددة - التي تُرفع درجة حرارة النسيج فيها إلى 45 سلسزيوس بأجهزة خارجية - يكوّن الدم البارد نسبياً طرقاً يمكنها إنقاص فعالية المعالجة. أما الأثر الثاني لجريان الدم فهو تبديد الحرارة من داخل الجسم إلى المحيط للمحافظة على درجة حرارة طبيعية للجسم.

لدراسة التفاعل الحراري بين الدم والنسيج لا بد من معرفة أنه من الصعب تقييم انتقال الحرارة في الجهاز الحيوي للأسباب التالية:

تعقد الجهاز الوعائي: إذ يصعب تطوير نموذج شامل يتضمن تأثير كل الأوعية التي تتحسس حرارياً في نسيج ما (نمذجة أثر دوران الدم).

الاستجابة الحرارية للجهاز الوعائي تجاه المؤثرات الداخلية والخارجية هي أيضاً مهمة ومعقدة لأن الجهاز الحي قد يتغير بحسب معدل تدفق الدم فيه وحجم الوعاء الدموي وذلك بالاستجابة للحرارة الموضعية والقيمة الموضعية لـ pH والتركيز الموضعي للأكسجين وثنائي أكسيد الكربون.

صغر الشعيرات الدموية التي هي أصغر من 300μm ، إذ من الصعب بناء أدوات تقيس الحرارة داخلها بدقة مناسبة لقياس التقلبات الحرارية.

حتى ثمانينيات القرن العشرين كان يُعتقد أن الشعيرات الدموية ذات الطول والقطر الكبير هي وحدها المسؤولة عن التبادل الحراري، وهذا بسبب اتساع مساحة التبادل الحراري بينها وبين النسج المحيطة. عُرف طول التوازن الحراري لوعاء دموي ما على أنه المسافة التي ينخفض وفقها الفرق بين درجة حرارة الدم والنسج بنسبة مئوية معينة. مثلاً، يمكن التعبير عن اختلاف درجة الحرارة المحورية للفرق بين درجة حرارة الدم والنسج عند نقطة تبعد x بالعلاقة (1):

الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\338\Image212983.jpg

حيث الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\338\Image307.jpgتمثل الفرق في درجة الحرارة عند مدخل الوعاء الدموي وL تمثل طول التوازن الحراري الذي تنخفض فيه الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\338\Image316.jpgبقيمة 37 بالمئة من القيمة الحرارية عند المدخل. لذا يمكن عَدُّ الأوعية الدموية التي طول التوازن الحراري لها مماثل لطولها الفيزيائي (x) بأنها مهمة حرارياً.

إن أول من تحقق نظرياً من عملية النقل الحراري هو شاتو Chato (1980) وافترض وجود ثلاثة أوعية دموية تشارك كوحدات أساسية في عملية انتقال الحرارة وهي: وعاء دموي وحيد، وعاءان دمويان متعاكسا الاتجاه (شريان كبير/عريض ووريد مقابل له ذو تيار معاكس ومتوضع بشكل مائل بالنسبة إلى سطح الجلد)، ووعاء دموي يسري بقرب سطح الجلد في الشبكة الجلدية وموازياً له. وقد بيّن شاتو أن عدد غراتز Graetz (المتناسب مع سرعة تدفق الدم ونصف قطر الوعاء الدموي) هو معامِل التحكم الذي يحدد التوازن الحراري بين الدم والنسج. فمثلاً في الأوعية الدموية التي لها عدد غراتز صغير جداً، تصل درجة حرارة الدم إلى درجة حرارة النسج بسرعة كبيرة والعكس صحيح. في عام 1984 أجرى وينبوم Weinbaum دراسة تشريحية على أطراف الأرانب حدد في طبقة النسيج الخارجي للجسم (بحدود 1 سم) ثلاث طبقات للأوعية الدموية: (عميقة، ووسطية، وجلدية)، وحدد بالدراسة التشريحية أيضاً ثلاثة أنواع من الأوعية الدموية التي عُرفت سابقاً من قبل شاتو. واستُخدمت هذه الأوعية الدموية مستقبَلاً أساساً في تحديد وحدات النقل الحراري في عملية تحليل التوازن الحراري البشري. تبيّن بالدراسة التجريبية أنه في الأوعية الدموية ذات القطر الأصغر من 50 μm يصل الدم بسرعة إلى درجة حرارة النسج، ومن ثَمَّ انتقال الحرارة دم- نسيج يكون قد حصل قبل الدخول إلى هذه الأوعية. أما في الأوعية الدموية التي قطرها أكبر من 300 μm فثمة تغير صغير في درجة حرارة الدم في الاتجاه المحوري بسبب زيادة طول التوازن الحراري مقارنةً بالطول الفيزيائي للوعاء الدموي. وتُعدّ الأوعية الدموية المتوسطة المقاس (بين 50 و300 μm قطري) الأهم حرارياً لتقارب طول توازنها الحراري مع طولها الفيزيائي (المادي) كما ذُكر سابقاً، إذ تؤدي هذه الأوعية الدموية دوراً أساسياً في انتقال الحرارة للنسج.

لقد استنتج وينبوم من الدراسة التشريحية السابقة أن آلية تبادل الحرارة ذات التيار المتعاكس counter current thermal exchange (شريان عريض ووريد مقابل له ذو تيار معاكس) تُستخدم وسائل لحفظ الطاقة، إذ أنها توفر ممراً لانتقال الحرارة بين الأوعية، ولوحظ – افتراضياً- أن كل الأوعية المهمة حرارياً (أكبر من 50μm) في العضلات الهيكلية كانت أزواجاً متلاصقة (شريان- وريد). ولقد تم تقدير التوازن الحراري في الشريان (الذي قطره 50 إلى 300 μm) في زوج متعاكس التيار بناءً على تحليل بسيط للناقلية الحرارية في مستوي المقطع العرضي، ولوحظ أن طول التوازن الحراري في الشريان المتعاكس التيار كان على الأقل أقصر ثلاث مرات منه في وعاء وحيد من المقاس نفسه. وهذا يعني أن الآلية الرئيسية لتبادل الحرارة (دم- نسيج) للأوعية التي هي أكبر من 50 μm في الطبقة العميقة هي التبادل الحراري المتعاكس التيار الجزئي، وأن الأوعية العريضة في الطبقة الجلدية قد تكون بعيدة عن التوازن الحراري، ولذلك فهي قادرة على توصيل الدم الدافئ من النسيج العميق إلى طبقة الجلد، وهذا أمر مهم جداً في زيادة تدرج الحرارة الطبيعي عند سطح الجلد ويؤدي دوراً مهماً في خسارة الحرارة خلال التمرين العنيف. وعلى العكس خلال تبريد طبقة الجلد السطحية يحدث تضيق سريع للأوعية الجلدية في الجلد، إذ يوفر الجلد - المروّى بأوعية شعرية - مع الطبقة الدهنية التي تحت الجلد طبقة عزلٍ، ويصبح تدرج الحرارة من سطح الجلد إلى العضلة خطياً تقريباً، فيصبح انتقال الحرارة من الجسم أقل بكثير.

نماذج انتقال الحرارة الحيوية

ثمة طريقتان نظريتان لنمذجة ووصف تأثير تدفق الدم على النظام البيولوجي نسبة إلى تعقيد الشكل الهندسي للأوعية:

النموذج الوعائي: إذ تُمثَّل الأوعية الدموية بأنابيب أسطوانية مغموسة في النسيج، ولها شكل هندسي معقد. وتجري النمذجة بدراسة بعض هذه الأوعية وبإهمال البقية، وهو نموذج معقد ويحتاج إلى الكثير من المعطيات والافتراضات التي تعقد افتراض هذا النموذج وحله.

النموذج المتصل: وهو حساب تأثير معدّل تدفق الدم في منطقة (اهتمام) مختارة بحجم التحكم في الدم، لذا لا يؤخذ بالحسبان - في المنطقة المختارة - الأوعية الدموية الموجودة فيها، وهو نموذج سهل الاستخدام ويمكن الاستغناء فيه عن المعلومات الهندسية للأوعية الدموية في النسيج المعتبر مادامت تتوفر متغيرات بديلة تُعَبِّر عن تدفق الدم في المنطقة. لكن هذا الغياب للأوعية الدموية يؤدي إلى فقدان معلومات عن تغيرات درجات الحرارة عند كل نقطة من الوعاء الدموي. لكن من عيوبه الأساسية ارتباطه بالافتراضات الأولية التي بُني على أساسها هذا النموذج المتصل. ففي المناطق النسيجية في أنحاء الجسم المختلفة والظروف الفيزيولوجية المختلفة أيضاً؛ تختلف هذه الافتراضات أو ربما تكون غير صحيحة. يُعدّ نموذج بينس Pennes أول نوع من النماذج وأكثرها شيوعاً:

نموذج بينس للنقل الحراري الحيوي: يعتمد أساساً على وظيفة تدفق الدم الحيوية وقدرته على تسخين أو تبريد حرارة النسج المحيطة بالاعتماد على الحرارة الموضعية لهذه النسج. فوجود فرق في درجات الحرارة بين الوعاء الدموي والنسيج المحيط هو دليل على وظيفة هذا التدفق في إزالة الحرارة أو إطلاقها. اقترح بينس (1948) نموذجه المشهور معتبراً أن تدفق الدم في النسج يمكن أن يُنمذَج بإضافة مصدر حراري أو مصرف حراري إلى المعادلة المعبرة عن النقل الحراري (2):

الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\338\Image230152.jpg

حيث الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\338\Image331.jpgهي الحرارة الاستقلابية المتولدة في النسج، والوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\338\Image339.jpg تأثير تدفق الدم في التوزع الحراري ضمن الأنسجة، والوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\338\Image348.jpg درجة حرارة الأنسجة المحيطية، والوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\338\Image355.jpg معامل الناقلية الحرارية للأنسجة، وتمثل الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\338\Image363.jpgكثافة النسج الفعالة، وتعبر C عن الحرارة النوعية عند ضغط ثابت. يظهر الشكل (1) رسماً بيانياً لمنطقة صغيرة من النسج التي يجري ترويتها بزوجٍ من شريان-وريد، حيث تُروى منطقة النسيج بشبكةٍ من الأوعية الشعرية المتشعبة من الشرايين الصغيرة العرضية، ويصرَّف الدم عن طريق مجموعة من الأوردة العرضية.

الشكل (1): رسم بياني لمنطقة صغيرة من النسج التي يتم ترويتها بزوجٍ من شريان_وريد

بافتراض أن الثنائي شريان-وريد يحافظان على الحرارة ثابتة عند المرور في منطقة النسيج، فإن الحرارة الكلية المنبعثة تساوي الكميةَ الكلية من التروية الدموية لحجم النسيج المعطى خلال ثانية q مضروبة بكثافته الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\338\Image371.jpgوبالحرارة النوعية الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\338\Image378.jpgوبالفرق الحراري بين الشريان والوريد، ويعطى ذلك بالمعادلة (3):

الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\338\Image238936.jpg

يعرف معدل إنتاج الحرارة الحجمي الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\338\Image395.jpgعلى أنه معدل إنتاج الحرارة لكل وحدة حجم للنسيج (المعادلة 4):

الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\338\Image242644.jpg

حيث الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\338\Image410.jpgهي كمية دم التروية لكل وحدة حجم من النسيج في كل ثانية، و الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\338\Image417.jpgو الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\338\Image425.jpgهي- بحسب بينس- عملية الانتقال الحراري التي تحدث في الأوعية الشعرية بسبب مساحة سطحها الكبيرة للتبادل الحراري. وهذا يؤدي إلى إمكان حساب درجة حرارة الشريان الموضعي الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\338\Image432.jpgكمعامِل ثابت ومساوٍ لدرجة حرارة الجسم الداخليةالوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\338\Image440.jpg. وكذلك الأمر فيما يتعلق بالوريد الموضعي، يجب أن يُعدّ ثابتاً ومساوياً للدم الوارد من الأوردة الصغيرة ومساوياً لحرارة الأوعية الشعرية. وبهذا تصبح معادلة بينس كما يلي (المعادلة 5):

الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\338\Image234008.jpg

وهي معادلة تفاضلية جزئية لدرجة حرارة النسيج. وإذا كانت الظروف الأولية ملائمة والشروط الحدية موصوفة جيداً، فيمكن تحديد حقل درجة الحرارة في النسج في الحالة الانتقالية والحالة المستقرة. تأتي حدود معادلة بينس من الافتراضات الأولية لهذا النموذج وهي:

1. يفترض النموذج أن درجة حرارة الدم داخل الشريان لا تتغير بدءاً منذ صدوره من القلب حتى وصوله إلى الأوعية الشعرية، وتحصل تغيرات صغيرة في درجات الحرارة في الأوعية الدموية التي يزيد قطرها على mµ 300فقط.

2. تقارب درجة حرارة الدم في الأوردة درجة حرارة النسج المحلية، وهذا الافتراض مقبول فيما يتعلق بالأوعية الدموية التي يقل قطرها عن 50µm، أي من دون عدّ الموازنة الحرارية في الوريد والشريان في أشكال الأوعية المختلفة. هذه المعادلة سهلة الاستخدام نسبياً، وهي تسمح بتداول متغيرين اثنين متعلقين بالدم (معدل التروية الحجمية ودرجة حرارة الشريان المحلي) لتعديل النتائج. أجرى بينس مجموعة من التجارب ليوثق نموذجه، وعُدّ النموذج الأول موصِّفاً لتبادل الحرارة الحيوية، ومنه اشتُق العديد من النماذج المعدلة إما على المتغيرات (تغيرات في قياسات الأوعية الدموية) وإما بعدّ الحدود المهملة في معادلة بينس.

التجهيزات المعتمدة على انتقال الحرارة الحيوية

معظم الأجهزة التي تعتمد على الحرارة هي أجهزة علاجية إذ يخفف ارتفاع درجة حرارة النسج إلى 40-42 سْ من الألم (تسكينه)، ويمكن تعزيز التئام الجروح بزيادة بسيطة في درجة الحرارة. كما تستخدم الحزم الحرارية الساخنة أو الباردة في طرائق علاج الإصابات بالقرب من سطح الجلد، فمثلاً الحزم الدافئة فعالة للإصابات مثل الالتواء والشد العضلي إذ تسبب درجات الحرارة المرتفعة الزيادة في التروية الدموية، وتوريد المواد الغذائية إلى النسج المتضررة. أما في حالات التورم بعد العمليات الجراحية، فالحزم الباردة مفيدة حيث تخفض التروية خلال 12-24 ساعة الأولى بعد الإصابة، ومن ثمّ تقلل ضغط الأوعية الدموية وتورم النسج. وبعد ذلك تُطبق حزم حرارية عالية الدرجة تصل إلى 45سْ في حالة تعزيز الشفاء.

يتطلب العلاج الأعمق حرارةً أعلى، مثل استخدام الترددات الراديوية، وترددات الموجات المِكروية الكهرطيسية، واستخدام الموجات فوق الصوتية. يُنظر إلى ثلاثة أسس هندسية عند تصميم جهاز علاجي معتمد على الحرارة: كمية الحرارة المولدة، وشكل حقل التدفئة، وأخيراً عمق الاختراق. فمثلاً: استخدام ترددات أعلى (بطول موجة أصغر) قد يسبب امتصاص أو اختراق أعلى للنسج. وتؤثر أيضاً الخصائص الكهربائية للنسج بقوة في فاعلية المعالجة الحرارية باستخدام الترددات الراديوية والحقول المكروية. وبالمثل، تُعدّ الخصائص الصوتية للنسج مهمة في نظم المعالجة بالموجات فوق الصوتية. وغالباً ما تعتمد فعالية تصميم الجهاز العلاجي على مراقبة الظروف الحدية في نقل الطاقة عبر الجهاز - الأنسجة.

ومن أهم استخدامات العلاج الحراري علاجُ مرض السرطان؛ الذي يُستخدم إما علاجاً مفرداً وإما مع العلاج الإشعاعي والأدوية، ويُعدّ أقل كلفة وخطورة من العلاج الجراحي، إذ يجري العلاج برفع درجة الحرارة لأعلى من 43سْ لمدة من 30 إلى 60 دقيقة مع الحفاظ على درجات الحرارة في النسج المحيطة قريبة من الحد الطبيعي، أي تحت 43سْ. وقد يسبب قتل الخلايا السرطانية و/ أو يخفف من الآثار الجانبية للإشعاع والأدوية. ويعتمد هذا كله على حجم توضع الكتلة الورمية ومكانها.

رنا حداد

مراجع للاستزادة:

- M. Kutz, L. Zhu, Biomedical Engineering and Design Handbook: Heat Transfer Application in Biological Systems, McGraw-Hill Edition, 2009.

- J. G. Webster, J. W. Valvano, Encyclopedia of Medical Devices and Instrumentation: Bioheat Transfer, Wiley- Interscience Edition, 2006.

 


التصنيف : الهندسة الطبية
النوع : الهندسة الطبية
المجلد: المجلد الثالث
رقم الصفحة ضمن المجلد :
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 28
الكل : 10414524
اليوم : 1148