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Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Desenvolvimento de técnicas experimentais para análise dos parâmetros termofísicos presentes na equação da biotransferência de calor
Alternate title (s): Development of experimental techniques for analysis of the thermophysical parameters present in the bioheat transfer equation
Author: Oliveira, José Ricardo Ferreira
First Advisor: Guimarães, Gilmar
First member of the Committee: Arencibia, Rosenda Valdés
Second member of the Committee: Bandarra Filho, Enio Pedone
Third member of the Committee: Lima, Antônio Gilson Barbosa de
Fourth member of the Committee: Araújo, Carlos José de
Fifth member of the Committee: Guimarães, Gilmar
Summary: Este trabalho objetiva desenvolver técnicas experimentais para avaliar as propriedades termofísicas da Equação de Biotransferência de Calor. O estudo foi realizado em tecidos in-vitro, denominadas fantomas, que mimetizam o tecido humano. Os fantomas são constituídos de silicone e partículas magnéticas nanométricas. Os experimentos para estimar difusividade térmica e condutividade térmica consistem no aquecimento parcial dos fantomas em apenas uma superfície ativa. Mede-se o fluxo de calor e a temperatura em dois pontos distintos da superfície. Aplicou-se o método a dois modelos térmicos distintos usando o mesmo conjunto de dados experimentais. O primeiro modelo utilizou a razão entre duas temperaturas superficiais medidas para estimar a difusividade térmica. O problema inverso foi então resolvido com Inferência Bayesiana. O segundo modelo aplicou Inferência Bayesiana aos valores teóricos e experimentais das temperaturas para determinar a máxima verossimilhança da função erro quadrático de temperatura, obtendo assim a condutividade térmica. A geração metabólica foi analisada a partir do aquecimento uniforme da amostra através de indução eletromagnética. A variação de temperatura em função do tempo foi medida em dois pontos da superfície e, através da Inferência Bayesiana, estima-se a geração de calor do fantoma. A influência da perfusão nas propriedades termofísicas foi avaliada num fantoma que possui canais internos para circulação de água. Aplica-se a razão de temperaturas e a Inferência Bayesiana para estimar a difusividade térmica e a condutividade térmica. Verifica-se que a perfusão pouco influencia na capacidade calorífica volumétrica da amostra. A quantificação das incertezas de medição indica que as propriedades estimadas possuem dispersão menor que 18,0 %, com 95,45 % de confiabilidade e fator de abrangência igual a 2,00. Por fim, um estudo realizado no COMSOL® explora a aplicação prática da técnica através de análises em tecidos simulados com perfusão e metabolismo.
Abstract: This work aims to develop experimental techniques to evaluate the thermophysical properties of the Bioheat Transfer Equation. The study was performed on in-vitro tissues, called phantoms, which mimic human tissue. The phantoms are made of silicon and nano-sized magnetic particles. The experiments to estimate thermal diffusivity and thermal conductivity consist of partial heating of the phantoms on only one active surface. Heat flux and temperature are measured at two different points on the surface. The method was applied to two different thermal models using the same set of experimental data. The first model used the ratio between two measured surface temperatures to estimate the thermal diffusivity. The inverse problem was then solved with Bayesian Inference. The second model applied Bayesian Inference to the theoretical and experimental values of the temperatures to determine the maximum likelihood of the quadratic temperature error function, thus obtaining the thermal conductivity. Metabolic generation was analysed from uniform heating of the sample by electromagnetic induction. The time-dependent of the temperature variation was measured at two points on the surface and, through Bayesian Inference, the heat generation of the phantom was estimated. The influence of perfusion on thermophysical properties was evaluated on a phantom that has internal channels for water circulation. Temperature ratio and Bayesian Inference are applied to estimate the thermal diffusivity and thermal conductivity. It is found that perfusion has little influence on the volumetric heat capacity of the sample. Uncertainty quantification indicates that the estimated properties have a dispersion smaller than 18.0 %, with 95.45 % coverage probability and a coverage factor equal to 2.00. Finally, a study carried out in COMSOL® explores the practical application of the technique through analyses in simulated tissues with perfusion and metabolism.
Keywords: Equação da Biotransferência de Calor
Bioheat Transfer Equation
Propriedades Termofísicas
Thermophysical Properties
Tecidos in-vitro
In-vitro tissues
Inferência Bayesiana
Bayesian Inference
Problemas Inversos
Inverse Problems
Quantificação de Incertezas
Uncertainty Quantification
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::TRANSFERENCIA DE CALOR
Subject: Engenharia Mecânica
Meios de transferência de calor
Mecânica dos fluidos
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: OLIVEIRA, José Ricardo Ferreira. Desenvolvimento de técnicas experimentais para análise dos parâmetros termofísicos presentes na equação da biotransferência de calor. 2022. 120 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2022. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.578
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.578
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/36516
Date of defense: 11-Nov-2022
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