А.Г. Козлов1, К.С. Бакланова2, М.Г. Потуданская3

1 Омский государственный технический университет (г. Омск, Россия)
2,3 Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского (г. Омск, Россия)
1 agk252@mail.ru, 2 ksyusha.m@mail.ru, 3 potudanskaiamg@omsu.ru

Постановка проблемы. Процесс терморегуляции в человеческом организме протекает при активном теплообмене с окружающей средой и требует детального изучения теплофизических параметров теплообмена, один из которых – плотность тепловых потоков на поверхности тела человека.

Цель. Экспериментально исследовать плотность тепловых потоков на локальных участках тела человека с помощью датчиков плотности теплового потока, оценить коэффициент теплоотдачи поверхности тела и разработать метод определения систематической погрешности измерения теплофизических характеристик процесса теплообмена.

Результаты. Проведен анализ факторов, влияющих на погрешность измерений датчиками плотности теплового потока. Предложен аналитический метод определения и сделана оценка систематической погрешности такого датчика, обусловленной его конечной толщиной. Представлены результаты исследования процессов теплообмена на поверхности предплечий человека, в процессе которого проведено измерение средней температуры и средней плотности теплового потока в 12 зонах левого и правого предплечий, при этом измерение температуры осуществлялось тепловизионным методом. На основании полученных средних значений температуры и средней плотности теплового потока определены значения коэффициента теплоотдачи в зонах предплечий. С использованием теплофизические параметры каждой зоны, сделана оценка изменения средней температуры, плотности теплового потока и коэффициента теплоотдачи вдоль каждого предплечья и представлены их зависимости в аналитическом виде путем аппроксимации полиномами третьей степени. Теплофизические параметры зон использованы для определения обобщенных теплофизических параметров для каждого предплечья обследуемых пациентов и статистической оценки их значений.

Практическая значимость. Полученные результаты показывают перспективность применения датчика плотности теплового потока типа «дополнительная стенка» в проведении комплексных исследований процессов теплообмена на поверхности тела человека для повышения достоверности определения различных патологий из-за нарушения микроциркуляции крови и для обеспечения оптимальных условий его жизнедеятельности.

Козлов А.Г., Бакланова К.С., Потуданская М.Г. Применение датчиков плотности теплового потока для исследования процессов теплообмена на поверхности тела человека // Биомедицинская радиоэлектроника. 2025. T. 28. № 6. С. 51−64. DOI: https://doi.org/10.18127/j15604136-202506-06

1. Namisnak L.H., Haghayegh S., Khoshenevis S., Diller K.R. Bioheat transfer basis of human thermoregulation: Principles and applications // Journal of Heat Transfer. 2022. V. 144. № 3. Article number 031203 (11 p.). https://doi.org/10.1115/1.4053195
2. Gagge A.P., Gonzalez R.R. Mechanisms of heat exchange: biophysics and physiology // Handbook of physiology, environmental physiology. Bethesda (MD): American Physiological Society. 1996. P. 45–84. https://doi.org/10.1002/cphy.cp040104
3. Togawa T., Tamura T., Öberg P.Å. Biomedical sensors and instruments // CRC Press, Taylor & Francis Group, 6000 Broken Sound Parkway NW. 2011. 398 p.
4. Wever R., Aschoff J. Die Wärmedurchgangszahl als Durchblutungsmass am Menschen // Pflüger's Archiv für die gesamte Physiologie des Menschen und der Tiere. 1957. Bd. 264. S. 272–279.
5. Close W.H., Dauncey M.J., Ingram D.L. Heat loss from humans measured with a direct calorimeter and heat-flow meters // British Journal of Nutrition. 1980. V. 43. № 1. P. 87–93. https://doi.org/10.1079/bjn19800067
6. Danielsson U. Convective heat transfer measured directly with a heat flux sensor // Journal of Applied Physiology. 1990. V. 68.
   № 3. P. 1275–1281. https://doi.org/10.1152/jappl.1990.68.3.1275
7. Xizhong Z., Zizhu D., Genhong Z. Application of the heat flux meter in physiological studies // Journal of Thermal Biology. 1993. V. 18. № 5/6. P. 473–476. https://doi.org/10.1016/0306-4565(93)90079-9
8. Perl T., Bräuer A., Weyland W., Braun U. Application of heat flux transducers to determine perioperative heat exchange // Thermochimica Acta. V. 422. Iss. 1–2. P. 35–40. https://doi.org/10.1016/j.tca.2004.03.020
9. Niedermann R., Psikuta A., Rossi R.M. Heat flux measurements for use in physiological and clothing research // International Journal of Biometeorology. 2014. V. 58. P. 1069–1075. https://doi.org/10.1007/s00484-013-0697-0
10. de Rivera P.J.R., de Rivera M.R., Socorro F., de Rivera M.R. Measurement of human body surface heat flux using a calorimetric sensor // Journal of Thermal Biology. 2019. V. 81. P. 178–184. https://doi.org/10.1016/j.jtherbio.2019.02.022
11. Kozlov A.G., Baklanova K.S., Potudanskaia M.G. Usage of heat flux density sensors to study thermal processes on the surface of the human body // Proceedings of 2023 IEEE Ural-Siberian Conference on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology (USBEREIT). 2023. P. 041–044. https://doi.org/10.1109/USBEREIT58508.2023.10158854
12. Yamakage M., Namiki A. Deep temperature monitoring using a zero-heat-flow method //Journal of Anesthesia. 2003. V. 17. P. 108–115. https://doi.org/10.1007/s005400300026
13. Feng J., Zhou C., He C., Li Y., Ye X. Development of an improved wearable device for core body temperature monitoring based on the dual heat flux principle // Physiological Measurement. 2017. V. 38. № 4. P. 652–668. https://doi.org/10.1088/1361-6579/aa5f43
14. Сапожников С.З., Митяков В.Ю., Митяков А.В. Основы градиентной термометрии. СПб.: Изд-во Политехнического ун-та. 2012. 203 с.
15. Frim J., Ducharme M.B. Heat flux transducer measurement error: a simplified view // Journal of Applied Physiology. 1993. V. 74. № 4. P. 2040–2044. https://doi.org/10.1152/jappl.1993.74.4.2040
16. Kozlov А.G. Modelling of thermal processes in heat flux sensors / Proceedings of 22nd IEEE International Workshop on Thermal Investigations of ICs and Systems (THERMINIC). Budapest, Hungary. 2016. P. 332–335. https://doi.org/10.1109/THERMINIC. 2016.7749078
17. Bianchi L., Cavarzan F., Ciampitti L., Cremonesi M., Grilli F., Saccomandi P. Thermophysical and mechanical properties of biological tissues as a function of temperature: a systematic literature review // International Journal of Hyperthermia. 2022. V. 39. № 1. P. 297–340. https://doi.org/10.1080/02656736.2022.2028908