[論文レビュー] Nondiffusive heat transfer in muscle tissue. Preliminary results

Eugene Davydov, Ihor Lubashevsky+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2001

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 19被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、強い局所加熱下における筋肉組織内の熱伝達が、熱的に誘発される間隙液の流れによって古典的拡散から逸脱することを提案している。これにより、異方的で非線形的かつ可逆的な温度ダイナミクスが生じる。実験結果は、筋線維に沿った熱伝達が強化されていることを示しており、これは非一様加熱によって駆動される流体の移動に起因する。これにより、組織を単にフィックの法則に従う受動的媒体と仮定する考え方が揺るがされる。

ABSTRACT

We present preliminary experimental data that enable us to suggest that heat transfer in cellular tissue under local strong heating is a more complex phenomenon than a simple heat diffusion. Namely, we demonstrate that under local strong heating of a muscle tissue heat transfer in it exhibits substantial anisotropy unexplained in the context of the standard diffusion model. The observed temperature dynamics is also characterized by nonlinear behavior as well as by a certain repeat reversibility. The latter means that the time variations in the temperature of a cellular tissue undergoing repeated acts of heating go in the same way at least approximately. We explain the observed anomalous properties of heat transfer by suggesting the flow of the interstitial liquid to appear due to nonuniform heating which, in turn, affects the heat transfer. A possible mechanism responsible for this effect is discussed.

研究の動機と目的

• 強い局所加熱下における生きた筋肉組織内の熱伝達が、古典的拡散モデルから逸脱するかどうかを調査すること。
• 観察された温度ダイナミクスの異方性が、単に受動的熱伝導によって説明できるのか、それとも追加のメカニズムを要するのかを特定すること。
• 非一様加熱に対する反応として、間隙液の流れが熱伝達挙動に与える影響を調査すること。
• 繰り返し加熱サイクルにおける筋肉組織の熱的応答の可逆性と非線形性を評価すること。
• 生物学的組織が生体熱伝達モデルにおいて単に受動的・等方的媒体として振る舞うという従来の仮定に疑問を呈すること。

提案手法

• 局所的で制御可能な熱源を形成するために、牛の脚部筋肉組織に抵抗性ヒーターを埋め込み、実験を実施した。
• ヒーターから1 cm 離れた位置に配置した熱電対を、筋線維に沿っておよび垂直に配置し、方向別温度ダイナミクスを測定した。
• 異なる初期組織温度およびヒーター出力（1.2 W および 2.7 W）に対して、時間経過に伴う温度変化を記録した。
• 加熱下での間隙液の流れの様子を可視化するために、組織表面にアニリン染料を塗布し、対照（加熱なし）条件と比較した。
• 染料の広がり様式を分析することで、流体移動の異方性および方向依存性を評価した。
• 加熱サイクルを繰り返し、温度変化曲線を比較することで、熱的応答の再現性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い局所加熱下における筋肉組織内の熱伝達は、標準的拡散モデルとは不一致な異方性を示すか？
• RQ2 観察された熱伝達の異方性は、熱伝導のみで説明可能か、それとも追加のメカニズムを要するか？
• RQ3 繰り返し加熱サイクルにおける筋肉組織の熱的応答は、可逆的かつ再現可能か？
• RQ4 間隙液の流れと熱伝達の結合を説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ5 非一様加熱が、熱伝達特性を変化させるほどに間隙液の移動を誘発する程度はどの程度か？

主な発見

• 筋肉組織内の熱伝達は顕著な異方性を示し、筋線維に沿った温度上昇が横方向に比べて著しく速く、等方的拡散とは一致しない。
• 観察された異方性は、組織成分に顕著な熱拡散率の差がないことから、熱拡散率の違いだけでは説明できない。
• 強い加熱下での温度ダイナミクスは非線形的であり、線形拡散予測とは明確に乖離している。
• 繰り返し加熱サイクルにおける熱的応答は概ね可逆的であり、非損傷的で、おそらく浸透圧駆動のメカニズムであると考えられる。
• アノニリン染料の広がり実験から、加熱下では流体の流れが顕著に異方的となり、線維に沿った伝播が横方向の広がりを2倍以上上回ることが明らかになった。
• 結果から、非一様加熱が間隙液の流れを誘発し、それが熱伝達を変化させることを示唆しており、質量-熱輸送の連成プロセスが関与していると考えられる。