Preliminary survey on the mechanisms of the wave-like behaviors of heat transfer in living tissues

Abstract

 The mechanism of the wave like behaviors of heat transfer in living tissues were studied through introducing a new concept of multi-mode energy coupling. A phenomenological thermal wave model of bioheat transfer was obtained. A new conceptual equation was proposed to correlate the heat flux with the temperature gradient, thus the intriguing high magnitude of the characteristic time in living tissues was better understood. A hypothesis was proposed for further testing the current theory. Numerical calculations were performed to study the temperature transients in the skin stratified as three layers with different thermal parameters. Deviations between the thermal wave model of bio-heat transfer and the Pennes' equation were studied for several typical transient bio-heat processes and the possible practical implications were discussed. A simple temperature criterion has been established to determine when the thermal wave propagation dominates the principal heat transfer process.

Zusammenfassung

Die Mechanismen des Wärmeüberganges in lebenden Geweben mit sog. wellenartigem Charakter wurden unter Einbeziehung eines neuen Konzeptes für die Wechselbeziehung unterschiedlicher Energieformen analysiert und in einem empirischen Berechnungsmodell zusammengefaßt. Eine neue Gleichung wird für den Zusammenhang zwischen Wärmestromdichte und Temperaturgradient vorgeschlagen, mittels derer der Einfluß der ungewöhnlich hohen Werte der Zeitkonstanten von lebenden Geweben erfaßt werden kann. Zusätzlich werden Arbeitshypothesen aufgestellt, die für zukünftige Untersuchungen der hier vorgestellten Berechnungsansätze als Basis dienen können. Für Untersuchungen des Temperaturfeldes in realen Häuten oder Membranen, die als aus drei Schichten mit unterschiedlichen thermischen Parametern aufgebaut angenommen wurden, wurden numerische Berechnungen ausgeführt. Der Unterschied zwischen der neuen Berechnungsmethodik und der als bisheriger Standard gültigen Pennes-Gleichung [4, 5] wird anhand einiger typischer Beispiele vorgestellt und deren praktische Bedeutung diskutiert. Zusätzlich wird ein einfaches Kriterium vorgestellt, anhand dessen festgestellt werden kann, in welchen Fällen der wellenartige den konventionellen Wärmeübergang dominiert.