Проекты

Исследование теплопроводности мягких тканей человека на фантоме из пластизоля методами пассивной акустической термометрии и инфракрасной термографии

Работа призёра конкурса проектов и исследований «Старт в медицину» открытой городской научно-практической конференции «Старт в медицину» в секции «Биофизика»

Направление работы: Физиология, Термография
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1359
Предметы: Физика, Биология
Классы: 10 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Старт в медицину» открытой городской научно-практической конференции «Старт в медицину» 2021 года

Актуальность

В настоящее время всё более значимым становится бесконтактное получение информации без вредных воздействий на организм человека в текущем режиме в удобной для врача форме. В исследовании многих медицинских проблем важную роль играют свойства сосудов мягких тканей и глубинная температура тела человека. Создание модели теплопроводности мягких тканей и сосудов может помочь экспериментально рассмотреть эффективность неинвазивного метода измерения внутренней температуры тела человека и выяснить общие зависимости свойств тела человека: тканей, органов и их систем.

Цель
Экспериментально подобрать трубки определённого материала, теплопроводность которого наиболее близка к теплопроводности сосудов живого организма. 

Задачи

1. Собрать и проанализировать материал по изучаемой теме.

2. Освоить методы исследования акустотермометрии, ИК-термографии.

3. Создать модельную установку мягких тканей тела человека с имитацией кровеносной системы на основе фантома из пластизоля.

4. Подобрать части модельной установки, наиболее подходящие по своим свойствам к теплопроводности сосудов мягких тканей тела человека.

5. Провести серию экспериментов по УВЧ-нагреву модельных объектов.

6. Сделать выводы по практическому применению результатов эксперимента.

Оснащение и оборудование, использованное в работе

• Портативный компьютерный термограф ИРТИС-2000

• Многоканальный акустотермограф

• Спиртовой термометр

• Электронный термометр

• Полихлорвиниловые (ПВХ) трубки

• Стальные трубки

• Латунные трубки

• Медные трубки

• Алюминиевые трубки

Описание

На первом этапе были произведены измерения теплопроводности трубок из ПВХ.

На первом этапе автор собрал модельную установку для исследования фантома мягкой ткани человека, которая состояла из термостата с водяным насосом, УВЧ-генератора, фантома из пластизоля, трубок ПВХ, спиртового термометра, электронного термометра. Нагреваемая до 36 °С вода из термостата подавалась на экспериментальную модель, состоящую из цилиндра пластизоля и ПВХ трубки, с объёмной скоростью около 50 мл/сек и возвращалась обратно в термостат, симулируя кровоток в мягких тканях тела человека (50 мл/сек – среднестатистическая объёмная скорость кровотока в аорте кровеносной системы тела человека).  

Процесс нагревания фантома из пластизоля измерялсяс помощью спиртового и электронного термометров, ИК-термографа.

Для сравнения нагрева созданных моделей с нагревом живой мягкой ткани предплечья человека применялся УВЧ-генератор.

Трубки внутри цилиндра из пластизоля в разных моделях применялись из различного материала, однако размеры (диаметр, толщина стенки, длина) сохранялись одинаковыми (10х1х120 мм).

На втором этапе были проведены исследования теплопроводности фантома из пластизоля с трубкой из стали. На третьем стальная трубка была заменена трубкой из латуни, на четвертом – латунная на алюминиевую, на пятом – алюминиевая на трубку из меди.

Для определения модели со свойствами теплопередачи, наиболее близкими к свойствам теплопроводности мягких тканей тела человека, сравнили их функции нагрева, изменения температуры в одинаковых точках.

Результаты

1. По результатам расчётов автор определил максимальные скорости нагрева по электронному термометру. Для каждой модели по полученным данным создали индивидуальные графики.

2. Автор определил, что самые близкие результаты по распределению тепла имеет модель с полихлорвиниловой трубкой.

3. ИК-снимок предплечья человека до УВЧ-нагрева и после УВЧ-нагрева.

Выводы

1. Теплопроводность модели зависит от теплопроводности материала модели сосуда. Значит, теплопередача от сосудов к прилежащим тканям тоже зависит от теплопроводности сосудов.

2. В моделях по исследованию теплопроводности мягких тканей человека целесообразно использовать ПВХ трубку, так как у неё самая близкая по значениям теплопроводность к теплопроводности сосудов мягких тканей человека.

Перспективы использования результатов работы

Результаты можно использовать для усовершенствования экспериментальной установки с добавлением модели обратного кровотока и теплоизоляционной оболочки, которая будет более соответствовать свойствам и состоянию мягких тканей тела человека. Модель с двойным кровотоком и термооболочкой можно будет использовать для моделирования различных заболеваний, связанных с кровотоком, например: инсульта, тромбоза, ишемии, инфаркта, эмболии, стаза крови.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

1. ФГАОУ ВО Первый МГМУ им. М.И. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет), кафедра медицинской и биологической физики.

2. ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН.

Мнение автора

«Конкурс проектов и исследований «Старт в медицину» – это отличная площадка, которая помогает реализоваться начинающим исследователям. Хочу пожелать участникам проекта интенсивной работы, успехов в реализации намеченных планов!»