بخشی از مقاله
چکیده
سرمازدگی یکی از شدیدترین شکلهاي آسیبهاي سرمایی است که اثرات جدي را بر اعضاي بدن به خصوص عضوهایی چون انگشتان دستوپا، گوشها،گونه و بینی که از قلب بهعنوان مرکز پمپاژ خون - حرارت - دور هستند، میگذارد تا جایی که موجب از دست دادن این اعضا در شرایط حاد سرمایی میشود. لذا در این مقاله سعی شده است تا با رویکردي واقعگرا مطابق با بیولوژي و آناتومی اعضاي بدن، توزیع دما در انگشت دست بهعنوان عضوي حساس در مقابل سرما، شبیهسازي شده و زمان سرمازدگی موضعی انگشتان دست، تحت شرایط مختلف جوي پیشبینی گردد.
در این تحقیق از عکسهاي MRI به عنوان مرجعی مناسب جهت شناسایی بافتهاي مختلف و رگهاي خونی انگشتان دست استفاده شده است. روش استخراج مدل سهبعدي قابل تحلیل از عکسهاي MRI یکی از نوآوريهاي این پژوهش محسوب میشود. شرایط محیطی از جمله دماي محیط و سرعت وزش باد به عنوان پارامترهاي تأثیرگذار بر رفتار حرارتی انگشت دست و پدیده سرمازدگی بررسی و با یکدیگر مقایسه شده است. نتایج برآمده از این پژوهش نشان از انطباق خوب شبیهسازيهاي عددي با دادههاي آزمایشگاهی دارد.
-1 مقدمه
در برنامههاي زمستانی، سرماي شدید هوا، بوران و حجم برف مشکلاتی هستند که همواره جان کوهنوردان، علاقهمندان به ورزشهاي زمستانی و نیز افراد و مسافرانی که در سرما گرفتار میشوند، را تهدید میکند. در این شرایط، اگر از پوشاك مناسبی استفاده نشود، امکان سرمازدگی بسیار زیاد است. سرمازدگی یکی از آسیبهاي سرمایی است که به دو صورت سیستماتیک و موضعی اتفاق میافتد که در حالتهاي حاد، پوست را که بهعنوان اولین سد دفاعی بدن شناخته میشود و بافتهاي زیرین آن را مورد هدف قرار داده و باعث یخزدگی و انجماد آنها میشود.
در ادامه، با کاهش دماي محیط و افزایش زمان قرارگیري در محیطهاي سرد، کریستالهاي یخ در فضاهاي میان سلولی ایجاد شده و شرایط را براي آسیبهاي شدیدتر فراهم میکند. سرمازدگی بهطور عمده بر دو ناحیه خاص از بدن - انگشتان دستوپا - به صورتی سریع و آنی اثر میگذارد. زیرا زمانی که بدن در معرض سرما قرار میگیرد، مغز، خون را به اندامهاي حیاتی چون قلب و ششها هدایت میکند و دیگر عضوهایی همچون انگشتان دستوپاها که دور از قلب و مرکز بدن قرار دارند، از شدت جریان خون کمتري برخوردار و خطر سرمازدگی در آنها بیشتر میگردد.
لذا بررسی و تحلیل توزیع حرارت در این اندامها و پیشبینی اثرات سرما بر روي این بافتها نهتنها یک ضرورت بلکه یک الزام جهت پیشبینی سرمازدگی و پارامترهاي تأثیرگذار در آن و بهتبع درمان هرچه سریعتر قربانیان میباشد. در اکثر کارهاي پیشین محققین، براي پیشبینی سرمازدگی در انگشتان دست بهعنوان اندامی حساس که در معرض سرما قرار میگیرد، به مدلهاي ساده یکبعدي و دوبعدي اکتفا شده است و در معدود پژوهشهاي صورت گرفتهي سهبعدي، سادهسازيهاي بسیاري جهت مدلسازي و شبیهسازي انگشت انجام شده است.
بهطور مثال شیتزر و همکاران[3-1] یک مدل یکبعدي و یک مدل دوبعدي براي این منظور ارائه داده و نتایج این مدلسازيها را با نتایج آزمایشگاهی مقایسه کردند. آنها پارامترهاي ابعاد انگشت، دماي محیط و ضریب انتقال حرارت را در مدلهاي خود بررسی و با یکدیگر مقایسه کردند. در کنار پژوهشگرانی همچون شیتزر و همکاران [3-1]، محققینی همچون بدر و همکارانش [4] تحقیق خود را بر روي سرمازدگی به مدلی یکبعدي از پوست دست محدود کرده و با این استدلال که در دماهاي پایین جریان خون در انگشتان کاسته میشود توزیع خون را در پوست بررسی نکردند. یا بعضی دیگر مانند فتوره چی و همکاران [5] با استفاده از نرمافزار فلوئنت و بهرهگیري از مدلی دوبعدي از انگشت دست، شبیهسازي حرارتی در بافتها و جریان خون را انجام دادهاند.
در تحقیق فتوره چی و همکاران[5]، یک سرخرگ بهعنوان حامل خون تازه و یک سیاهرگ براي انتقال خون از انگشت در نظر گرفتهشده است که با مسیر رگها در حالت واقعی در تعارض است. بیکر و ملمن [6] و ماندا [7] مدل و هندسههاي سهبعدي را هدف پژوهشهاي خود قرار داده و سرمازدگی را در انگشتان دست بررسی کردهاند، بهطوريکه انگشت را بهصورت استوانهاي ساده در نظر گرفتهاند که نیمکرهاي بر روي آن بهعنوان نوك انگشت قرار دارد. در این مدلها توزیع و انتشار خون در انگشت دست مانند مدل بیکر و ملمن [6] بهصورت یک منبع حرارتی در نظر گرفته شده و یا مانند مدل ماندا [7] از مدلی ساده براي توزیع سرخرگها و سیاهرگها بهره جسته است.
فلاحی و همکاران [8] با استفاده از یک هندسه شبه واقعی و با بهرهگیري از آناتومی انگشتان دست شبیهسازيهاي حرارتی انگشت دست را در شرایط حاد سرمایی بررسی و به آنالیز پدیده سرمازدگی در شرایط مختلف محیطی پرداختهاند. در بحث مدلسازي انگشت دست بعضی محققین مانند هی و همکارانش 9]و[10 و شاو و همکارانش 11]و [12، به دلیل ساختار پیچیده انگشت دست و شبیهسازي رفتار حرارتی آن فرضیات و سادهسازيهاي محققین پیشین را کنار گذاشته و تصمیم به مدلسازي انگشت دست بر پایهي عکسهاي MRI گرفتند تا ضمن مدلسازي بهتر انگشت دست، رفتار آن را دقیقتر آنالیز و تحلیل کنند. آنها با استفاده از عکسهاي MRI توانستند ابعاد و زیر لایههاي انگشتان دست را شناسایی و مدل خود را بر روي آن پیاده کنند.
در این پروسه ابتدا بهوسیلهي پردازش تصویر، بافت استخوان، بافتهاي نرم ازجمله پوست و تاندونها، از عکسهاي MRI شناسایی شده و با بهینه کردن شکل و مش بندي آن به بررسی رفتار حرارتی انگشت دست در دماي معمولی اتاق در مدلهاي دوبعدي [9] یا سهبعدي [12-10] پرداختند. در این مدلها، علیرغم ارائهي مدلهایی نزدیک به واقعیت بر پایه عکسهاي MRI، عدم مدلسازي مناسب توزیع خونرسانی در انگشت دست و پیچیدگیهاي کد نویسی براي مش بندي مدلها، از خلأهاي آنها محسوب میشود.
لذا در این پژوهش با استفاده از مدلهاي حرارتی موجود در بحث شبیهسازي انتقال حرارت در بافتهاي زنده، مدل سهبعدي از انگشت دست با توجه به آناتومی دست ارائه شده و رفتار حرارتی انگشت دست، در شرایط حاد سرمایی مورد تحلیل و بررسی قرارگرفته است. استخراج مدل سهبعدي از عکسهاي MRI و شناسایی زیر لایههاي انگشت دست و مدلسازي آنها ازجمله استخوان و بافتهاي نرم از نوع آوري هاي این پژوهش محسوب میشود. مسیریابی رگها، خونرسانی به انگشت و بررسی تأثیرات آن در پروفیلهاي دمایی نیز، به اعتبار و توانایی شبیهسازيها و انطباق با دادههاي آزمایشگاهی افزوده است. در ادامه نیز تأثیرات پارامترهاي تأثیرگذار ازجمله شرایط محیطی در رفتار حرارتی انگشت در شرایط سرمایی بررسی و باهم مقایسه شده است.
-2 آناتومی انگشتان دست
انگشتان دست بهعنوان یکی از مهمترین اعضاي بدن شناخته میشود. نوك انگشتان انسان بیشترین و متراکمترین پایانههاي حسی را نسبت به دیگر مناطق بدن دارد که میتواند نقش بسزایی جهت رساندن اطلاعات مکانیکی، حرارتی و آسیبهاي بافتی به مغز را داشته باشد. پیشبینی نرخ جریان خون و تولید حرارت اهمیت بسیاري در تشخیص بیماريهاي مرتبط با سیستم گردش خون و اندازهگیري گلوکز خون دارد که این مهم با رصد کردن رفتار حرارتی و نرخ جریان خون در نوك انگشتان دست میسر خواهد بود.
انگشت انسان داراي یک ساختار بسیار پیچیده است که از لایههاي مختلف تشکیل شده است. در مرکز انگشت بافت استخوان قرار دارد. سه استخوان در هر انگشت وجود دارد که بندانگشت اول1، میانی و انتهایی2 نامیده میشوند که توسط زردپیها به هم متصل شدهاند - شکل -1الف - . همچنین شکل -1ب توزیع رگها در انگشت دست را نمایش میدهد. توزیع رگها نشان میدهد که دو سرخرگ وظیفه خونرسانی و چندین سیاهرگ وظیفه برگشت خون را به عهده دارند. همچنین شایان ذکر است که دانسیته مویرگها در نوك انگشتان دست بسیار بیشتر از بقیه نواحی انگشتان میباشد.
-3 آسیب سرمایی3
آسیب سرمایی بهعنوان آسیب بافتهاي بدن، تحت اثر سرماي شدید تعریف میگردد. نوع آسیبی که به بافت میرسد به سه فاکتور میزان سردي محیطی که بدن در معرض آن قرارگرفته است، مدتزمان تماس با سرما و فاکتورهاي آب و هوایی ازجمله رطوبت و سرعت باد بستگی دارد. سرمازدگی بهنوعی از آسیب سرمایی موضعی اطلاق میشود که پوست و دیگر بافتها در شرایط حاد سرمایی تحت انجماد و یخزدگی قرار میگیرند. نواحی و اندامهاي انتهایی بدن که نسبت سطح به حجم زیادي دارند - مانند گوشها، بینی و انگشتان دستوپا - استعداد بیشتري براي وقوع یخزدگی و انجماد بافت دارند. مرحله ابتدایی سرمازدگی به نام سرمازدگی سطحی4 شناخته میشود.
سرمازدگی سطحی به انجماد لایهي فوقانی بافت پوست اطلاق میگردد. این عارضه معمولاً برگشتپذیر بوده و با احساس بیحسی همراه است. در این عارضه لایهي فوقانی پوست سفید و روغنی شده و در بعضی مواقع سخت و لاستیکی میشود و زیر بافتهاي عمیقتر هنوز نرم باقی میماند. سرمازدگی سطحی معمولاً با بازگرم کردن اندام بهطور مثال با دمیدن هواي گرم بر روي بافت، فرو بردن در آب گرم یا قرارگیري ناحیه سرمازده در مقابل قسمتهاي گرم بدن ازجمله شکم و زیر بغل، قابل کنترل است. اما سرمازدگی عمقی - سرماگزیدگی - 5 بسیار حادتر از سرمازدگی سطحی است و تمام لایههاي پوست را درگیر میکند. پوست سفید شده و حالت بیحسی و چوبی به خود میگیرد.
