Desarrollo de un sensor de calorimetría médica, aplicación al estudio del flujo de calor superficial disipado por el cuerpo humano

Abstract

Las magnitudes térmicas del tejido vivo cada vez presentan mayor interés, particularmente cuando se miden in vivo. Esta tesis doctoral trata sobre un sensor calorimétrico diseñado para medir estas magnitudes de forma directa y no invasiva. El sensor implementa los principios básicos de la calorimetría para medir in vivo el flujo de calor, la resistencia térmica equivalente y la capacidad calorífica de una región de piel de 2 x 2 (4) cm2, con una profundidad de penetración térmica de 4 mm. Se presentan varias medidas experimentales realizadas con los sensores, y se evalúa el orden de magnitud de los resultados obtenidos en varios sujetos y zonas del cuerpo humano. Para ello, ha sido necesario el desarrollo de varias herramientas matemáticas que han permitido modelizar de forma rigurosa el fenómeno de transferencia de calor cuando se coloca el sensor sobre la piel. Las herramientas empleadas son generalmente sistemas MIMO (Multiple Input – Multiple Output). Se han utilizado modelizaciones a constantes localizadas (RC) y también modelizaciones mediante funciones de transferencia (FT). Los modelos más relevantes son el modelo 4FT y el modelo RCB. Algunas aportaciones realizadas en este ámbito son aplicables a instrumentos calorimétricos de otras áreas. Se han realizado medidas en siete zonas diferentes del cuerpo humano en 16 sujetos, en varios ambientes y condiciones. El flujo de calor depende de la diferencia de temperatura entre la piel y el entorno, y varía de 36 a 362 mW en 4 cm2, para una temperatura del termostato de 26º C. La resistencia térmica equivalente varía de 20 a 58 KW-1. Es diferente en cada zona estudiada y depende de varios factores anatómicos y fisiológicos. La capacidad calorífica en reposo varía de 4.1 y 6.6 JK-1, y también presenta un valor diferente en cada zona estudiada. Esta magnitud depende principalmente de la composición del tejido analizado. Se ha efectuado un análisis comparativo en el que se contrastan nuestros resultados con los obtenidos en varios trabajos de autores distintos, in vivo e in vitro. En general existe coherencia en las hipótesis planteadas en torno a las propiedades anatómicas, el grado de hidratación de los tejidos, la realización de actividades, la influencia de las condiciones ambientales o los cambios asociados a patologías. No obstante, existen diferencias entre autores, especialmente en las medidas de flujo de calor localizado mediante sensores de contacto. Estas discrepancias han sido estudiadas, y responden a las diferencias en las características del fenómeno de transferencia de calor que tiene lugar cuando se realiza la medición con los diferentes instrumentos. Las aplicaciones y el interés por este campo han crecido notablemente en los últimos años. Las aportaciones en este ámbito pueden constituir un valioso complemento para el avance del conocimiento, y para el desarrollo de procedimientos y técnicas de diagnosis de diferentes patologías.

Thermal magnitudes of living tissue are of increasing interest, particularly when measured in vivo. This thesis deals with a calorimetric sensor designed to measure these magnitudes directly and non-invasively. The sensor implements the basic principles of calorimetry to measure in vivo heat flux, equivalent thermal resistance and heat capacity of a 2 x 2 (4) cm2 skin region, with a thermal penetration depth of 4 mm. Experimental measurements performed with the sensors are presented, and the order of magnitude of the results obtained on various subjects and areas of the human body are evaluated. For this purpose, it has been necessary to develop several mathematical tools that have allowed rigorous modeling of the heat transfer phenomenon when the sensor is placed on the skin. The tools used are generally MIMO (Multiple Input - Multiple Output) systems. Localized constant and transfer function modeling have been also used. The most relevant models are the 4FT model and the RCB model. Some contributions made in this field are applicable to calorimetric instruments in other areas. Measurements have been performed in seven different areas of the human body in 16 subjects, in various environments and conditions. The heat flux depends on the temperature difference between the skin and the environment, and varies from 36 to 362 mW in 4 cm2, for a thermostat temperature of 26º C. The equivalent thermal resistance varies from 20 to 58 KW-1. It is different in each area studied and depends on several anatomical and physiological factors. The heat capacity varies from 4.1 and 6.6 JK-1, and also presents a different value in each studied zone. This magnitude depends mainly on the composition of the tissue analyzed. A comparative analysis has been carried out, in which our results are contrasted with those obtained in several works by different authors, in vivo and in vitro. In general, there is consistency in the hypotheses put forward regarding anatomical properties, the degree of tissue hydration, the performance of activities, the influence of environmental conditions or changes associated with pathologies. However, there are differences between authors, especially in the measurements of localized heat flow by means of contact sensors. These discrepancies have been studied, and respond to the differences in the characteristics of the heat transfer phenomenon that takes place when the measurement is performed with the different instruments. Applications and interest in this field have grown significantly in recent years. Contributions in this field can constitute a valuable complement for the advancement of knowledge, and for the development of procedures and techniques for the diagnosis of different pathologies.