生物傳熱學，是生物醫學領域內交叉於生物、熱物理、臨床醫學等諸多領域的最新的學科之一。其核心在於探索生命最基本的特徵之一——物質和能量的傳輸規律並加以有效套用。
基本介紹
- 中文名：生物傳熱學
- 外文名：Biological heat transfer
- 類型：學科
- 套用：生物、醫療領域
- 學科：傳熱學
- 開始時間：1824年
發展歷程,研究方向,生物傳熱模型,展望,
發展歷程
1824年，薩狄·卡諾 提出了卡諾循環和卡諾定理，為全新的熱力學打下了基礎，同時創造了熱力學第二定律的起步點；
19世紀，卡諾，卡爾文和克勞修斯等人建立了經典熱力學，但同時也發現了經典熱力學僅適用於單一或自發系統的局限性；
20世紀20年代，人們認識到生物化學領域存在大量經典熱力學無法解釋的問題，英國熱力學家烏貝洛德正式開始了生物熱力學的研究，並提出了其最初的概念，例如local entropy decrease；
1931年，美國生物化學家勃歐克直接根據熱力學第二定律提出熱力學耦合或耦合反應(coupled reactions)的概念， 而不需要任何其他熱力學以外的假定或模型，還寫出吉布斯自由能形式的熱力學耦合數學表達式；
1961年，英國生物化學家米切爾提出了ATP(三磷酸線苷)生物合成的化學滲透學說，又稱化學滲透耦合學說，該學說是熱力學耦合在現代熱力學核心中的明確定性證明， 因此是現代熱力學發展中的重大貢獻；
20世紀50年代，比利時化學家伊利亞普里高津提出生命是 “遠離平衡態”的現象，只能用非平衡熱力學方法研究，俄國物理學家格拉季舍夫指出生命現象可以運用化學熱力學方法進行研究。傳統化學熱力學向生命體系滲透。
研究方向
其主要方向包括：
（1）對各種生命層次上熱參數的測量並建立相應的測試儀器；
（2）對在傳熱、傳質過程中具有重要意義的物性參數的測定；
（3）對人體器官、系統的正常和異常熱生理過程的解釋和闡明，並套用複雜而精確的數學模型對其進行描述；
（4）對各種熱物理因子作用於人體及各種生物材料時產生的熱學效應的研究；
（5）熱物理學套用於醫療實踐等。它已成為橫跨諸多領域的最新的學科生長點之一，是當今學術界競相關注的前沿。
生物傳熱模型
在臨床診斷和治療中，體內溫度的分布預測與控制是至關重要的，要預測甚至控制體內的溫度分布，首先必須實現對體內溫度場的數學描述，這就是所謂的預測和控制模型。
套用最廣泛的模型方法就是根據連續介質假設，將質量守恆、動量守恆和能量守恆等基本物理定律套用於生物機體的任一微元體，結合體現各種質能遷移規律的本構方程，導出生物傳熱傳質方程。這些方程通常表現為一組偏微分方程，在一定的初邊值條件下求解體內溫度分布。
但目前在理論和實驗上尚不能完全了解機體各個部分所有相關的物理性質，另外對代謝熱的定量研究尚不能滿足實際的套用要求。因此，在實際研究中採用的是簡化模型，如假定毛細滲流區靜脈血與當地機體溫度相等的Pennes模型，將血流作用歸入導熱的Weinbaum各向異性介質模型，以及將人體組織看作多孔介質的多孔體模型。
Pennes模型
Pennes方程第一次將生物組織的傳熱問題與一般工程材料的傳熱問題從根本上區別開來，其形式為：
其中，血流項
與一般固體熱傳導不同，它反映了出入控制體的血流所傳輸的熱量，而源項
(代謝率項)則反映了局部代謝引起的化學能向熱能的轉變。
該模型能較為真實地反映生物體的傳熱規律，而且只用兩個與血液有關的參數即體積血液灌注率和局部動脈血溫度來描述結果，計算過程簡單，因而Pennes模型套用最為廣泛。
展望
生物傳熱學在臨床治療和診斷中的套用越來越廣泛，生物傳熱學的研究也有很大的進展，但還有很多方面需要進一步研究和探討。在物性測量方面，無損測量是一大難題，近年出現了不少新技術，在測量血液灌注率、熱療手術監控方面有長足發展，但是，還遠遠不能同時測取生物活體組織中隨空間變化的熱導率、熱擴散率、代謝熱產率以及血液灌注率等多種非均勻熱參數。測量生物熱物性技術還處於動物實驗和實驗模擬階段，不能套用於測量人體。
生物體的溫度場重構近年來發展很快，廣泛套用於臨床治療和物性測量中，對生物活體的溫度場分布特性有了更深了解，近年三維重構有較大進步，但三維模型只能研究定態，常物性的生物體，對於複雜多變的生物活體，溫度場重構技術還需要大力研究發展。
