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Doctoral Thesis
DOI
Document
Author
Full name
Cyro Albuquerque Neto
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2010
Supervisor
Committee
Yanagihara, Jurandir Itizo (President)
Barbosa, Marcos Pinotti
Ferreira, Maurício Silva
González Lima, Raúl
Tanaka, Harki
Title in Portuguese
Modelo integrado dos sistemas térmico e respiratório do corpo humano.
Keywords in Portuguese
Bioengenharia
Biotransferência de calor
Modelagem matemática
Sistema respiratório
Abstract in Portuguese
O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um modelo matemático dos sistemas térmico e respiratório humanos que permita, a partir das condições do ambiente e do nível de atividade física, determinar a distribuição da temperatura e das concentrações de oxigênio e dióxido de carbono ao longo do corpo. No modelo representou-se o corpo humano dividido em quinze segmentos: cabeça, pescoço, tronco, braços, antebraços, mãos, coxas, pernas e pés. Cada segmento contém um compartimento arterial e um compartimento venoso, os quais representam os grandes vasos. O sangue nos pequenos vasos foi considerado juntamente com os tecidos músculo, gordura, pele, osso, cérebro, pulmão, coração e vísceras. Os gases O2 e CO2 são transportados pelo sangue e armazenados nos tecidos, dissolvidos e reagidos quimicamente. Nos tecidos ocorre metabolismo, que consome oxigênio e produz dióxido de carbono e calor. A pele troca calor com o ambiente por condução, convecção, radiação e evaporação. O trato respiratório o faz pela ventilação, por convecção e evaporação. Nos pulmões ocorre transferência de massa, por difusão entre um compartimento alveolar e diversos compartimentos capilares pulmonares. Para modelar o transporte de massa e o transporte de calor nos tecidos foram usadas duas formas distintas. No caso da transferência de massa, os tecidos foram representados por compartimentos nos segmentos modelados. No caso da transferência de calor, foram representados por camadas nos segmentos, sendo que estes ora têm a geometria de um cilindro (seção transversal circular), ora a de um paralelogramo no caso das mãos e dos pés. O sistema regulador do corpo humano foi divido em quatro formas de atuação: metabolismo, circulação, ventilação e sudorese. O metabolismo varia com o calafrio (que depende da temperatura corporal) e a atividade física; a circulação depende da concentração dos gases no corpo, da temperatura e do metabolismo; a ventilação, da concentração dos gases; a sudorese, da temperatura. Para solucionar as equações diferenciais do modelo foram usados métodos numéricos implícitos. As equações diferenciais parciais foram discretizadas pelo método dos volumes finitos. Comparações com trabalhos experimentais encontrados na literatura mostraram que o modelo é adequado para representar variações climáticas, exposições a quantidades reduzidas de oxigênio e elevadas de dióxido de carbono, e situações de exercício físico. Outros resultados gerados pelo modelo demonstraram que acidentes de descompressão tornam-se mais severos quando associados à queda da temperatura ambiente, por causa do aumento do consumo de O2 pelo calafrio. Este também aumenta o risco de uma intoxicação por CO2, devido ao aumento da sua produção. O modelo mostrou-se ainda capaz de prever diversas interações entre os sistemas térmico e respiratório, como a diminuição da temperatura corpórea pelo aumento da ventilação (que depende das concentrações de O2 e CO2), ou a diminuição da pressão parcial dos gases nos segmentos mais extremos, em consequência do efeito da temperatura na capacidade do sangue de transportá-los.
Title in English
Integrated model of the thermal and respiratory systems of the human body.
Keywords in English
Bioengineering
Bioheat transfer
Mathematical model
Respiratory system
Abstract in English
The aim of this work is the development of a mathematical model of the human body respiratory and thermal systems. The model allows the determination of the temperature, oxygen and carbon dioxide distributions, depending on the ambient conditions and the physical activity level. The human body was divided into 15 segments: head, neck, trunk, arms, forearms, hands, thighs, legs and feet. Each segment contains an arterial and a venous compartment, representing the large vessels. The blood in the small vessels is considered together with the tissues muscle, fat, skin, bone, brain, lung, heart and viscera. The gases O2 and CO2 are transported by the blood and stored by the tissues dissolved and chemically reacted. Metabolism takes place in the tissues, where oxygen is consumed generating carbon dioxide and heat. The skin exchanges heat with the environment by conduction, convection, radiation and evaporation. The respiratory tract exchanges heat by convection and evaporation. In the lungs, mass transfer happens by diffusion between an alveolar compartment and several pulmonary capillaries compartments. Two different forms were used to model the transport of mass and heat in the tissues. For the mass transfer, the tissues were represented by compartments inside the segments. For the heat transfer, the tissues were represented by layers inside the segments, which have the geometry of a cylinder (circular cross-section) or a parallelogram hands and feet. The regulatory systems were divided into four mechanisms: metabolism, circulation, ventilation and sweating. The metabolism is modified by the shivering (which depends on the body temperature) and the physical activity; the circulation depends on the body gas concentrations, the temperature and the metabolism; the ventilation depends on the gas concentrations; the sweating depends on the temperature. Implicit methods were used to solve the differential equations. The discretization of the partial differential equations was obtained applying the finite volume method. Comparisons with experimental works found in literature show that the model is suitable to represent the exposure to cold and warm ambients, to low amounts of oxygen, to carbon dioxide, and physical activity. Other results of the developed model show that decompression accidents become more severe when associated to low ambient temperatures, because of the increase in the O2 consumption by shivering. The shivering also increases the danger of a CO2 intoxication, due to the increase of its production. The model showed as well the capacity to represent the several interactions between the thermal and respiratory systems, as the decrease of the body temperature because of the increase in the ventilation (which depends on the O2 and CO2 concentrations), or the decrease of the O2 and CO2 partial pressures in the more extreme segments, consequence of the temperature effect on their blood transport capacity.
 
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Publishing Date
2011-04-13
 
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