Physiological response of skin to localized cooling as recorded by thermal imaging

Abstract

Infrared thermal imaging is becoming more effective and its application areas are constantly growing. It is a non-invasive and non-ionizing imaging technique which can detect naturally emitted radiation from the human body and convert it to an image of the skin’s temperature. In this study, thermal imaging was used to analyze temperature changes due to localized cooling of the forearm. Simple quantitative thermal models were constructed to describe the reheating process of the localized cooled skin, providing a characteristic time constant (tau) that quantifies the rate of reheating. In addition the Pennes bioheat model and a model to estimate the depth of the cooling were presented. Initially, several tests were performed on an individual in order to design a simple experiment to measure the rate of reheating for a group of individuals. The simple model of reheating fits very well the measurements indicating that thermal imaging can give numerical results about the thermal response of the forearm, in this case the characteristic time constant (tau) of reheating due to localizedcooling. In the group experiment of 40 individuals, the correlation was estimated between different physical factors of each individual and the time constant. No statistically significant difference is found between tau for females and males, but indication for correlation betweentau and BMI is found. For healthy individuals measured, the time constant varies between 77 and 182 s, and with average of 130 s. These results indicate that thermal imaging is feasible for quantitative description of physiological process like the thermal response of the skin, and may potentially be used for clinical or physiological purpose.

Innrauð hitamyndataka er að verða mun skilvirkari og eru notkunarmöguleikarnir stöðugt að aukast. Tæknin er án inngrips og skaðlaus og nemur náttúrulega geislun frá líkamanum og breytir í mynd af hitastigi húðar. Í verkefninu er hitamyndavél notuð til þess að greina breytingar hitastigs húðar á framhandlegg sem hitnar eftir staðbundna kælingu. Einföld magnbundin varmalíkön eru sett fram sem lýsa ferlinu við hitnun húðar eftir staðbundna kælingu, úr þessum líkönum fæst einkennandi tíma-fasti (tá) sem lýsir hraða endurhitunarinnar. Aðauki Pennes "bioheat" líkanið og líkan sem lýsir hversu djúpt kælingin nær inní húðina sett fram. Í byrjun eru ýmsar prófanir gerðar á einstaklingi í þeim tilgangi að hanna einfalda tilraun til að mæla hraða upphitunarinnar í stærri hóp. Einfalda varmalíkanið, sem lýsir hitunhúðar, passar vel við mælingarnar og gefur því vísbendingu um að hita myndavélar geti gefið tölulegar niðurstöður um svörun húðar á framhandlegg, sem í þessu tilviki er tíma-fastinn (tá) og sem getur veitt innsýn í lífeðlisfræðileg ferli við hitunina. Niðurstöður mælinga á 40 einstaklingum eru notaðar til að greina fylgni milli mismunandi líkamlegra þátta einstaklinga og tíma-fastans. Enginn tölfræðilega marktækur munur finnst á tá milli kvenna og karla, en vísbending finnst um fylgni milli tá og BMI stuðulsins. Fyrir heilbrigða einstaklinga reynist tíma-fastinn vera frá 77 til 182 s, og meðaltalið var 130 s. Þessar niðurstöður gefa til kynna að notkun hitamynda er möguleg fyrir magnbundna lýsingu á lífeðlisfræðlegu ferli eins og hita svörun húðar, og hugsanlega hægt að nota í klíniskum eða lífeðlisfræðilegum tilgangi.