人脑热量输运机制及其调控方法

The brain is one of the most singular organs and controls all the human behavior. Revealing the working principle of the brain has been one of the most important scientific event.The intense heat production appears to be an essential feature of brain metabolic activity. Potential thermal imbalance between heat produced and removed could lead to overheating and aberrant functioning, because neural properties are strongly temperature dependent.The transport of the brain heat is the key of the brain thermalregulation. Therefore, the problem of heat transfer could be a serious factor shaping brain function.The brain thermal homeostasis is complex brain physiological proces combined with thermophysics. Our knowledge of brain temperature, its normal and pathological fluctuations, and the mechanisms underlying brain thermal homeostasis is limited. Based on the medical imaging technology, this projection is aimed to establish bioheat and mass transfer model and the thermal state evaluation method. We investigate the key thermophysical problems of brain functional activity, thermal effects of brain vascular networks, and convective heat transfer from external environment such that to characterize and interpret the mechanism of brain thermal homeostasis regulation. We also study the thermal imbalance induced by strenuous exercise，pathological reactions and brain injury. Furthermore, we develop the method to detect the abnormal-temperature region and selective brain cooling based on thermal imaging.In addition, we will explore the approach for optimization design of brain thermal regulation. This projection would make new breakthroughs about the fundamental theory of brain thermal physiology and their application.

阐明人脑工作原理是现代科学所面临的重大课题之一，全球性脑研究热潮已初步形成。高强度产热是脑生理活动的最基本特征之一。脑热平衡机制是脑功能正常运行的重要保障，但其机理研究的滞后，已严重制约高效脑热调控方法的发展。从工程热物理学视角研究人脑传热传质机理，是阐明脑热调节等脑功能原理的关键所在。本项目旨在通过对人脑热量输运这一关键热物理问题的深入研究，探索脑热平衡机理，建立脑热靶向调控方法。具体而言：基于现代医学影像技术发展人体头部热物性参数准确估算方法；建立新型血管化传热传质模型和脑热状态定量评估方法；研究代谢产热、脑血管网络热效应、皮肤和环境换热三者之间动态平衡关系；澄清学术界对脑热选择性调节(BSC：Brain Selective cooling)机制的争议；探索脑热平衡和失调的关键因素；发展脑热异常区域探测方法，探索脑热调控最优化方法学。本研究可望在脑热生理基础与应用研究方面取得新的突破。

解码人类大脑的奥秘已成为人类认识自我的终极目标之一，而脑热平衡机理研究不仅有助于解读人类脑功能生理活动及历史进化规律，还对心脑血管疾病的诊治具有重要的临床价值。本项目从工程热物理学科角度去解读和探索人脑的物质和能量输运，不仅可以阐明脑热平衡和调控等脑功能工作机理，同时对工程热物理领域所关注的能量优化利用等关键科学问题攻克具有重要的仿生启示意义。本项目主要研究内如包括：构建血管化生物组织传热传质理论模型，系统地定量刻画和解读脑热平衡调节过程中关键热物理问题，发展头部温度异常区域探测与靶向脑冷却方法，探索脑热调控最优化设计方法学。本项目在执行过程中，取得研究进展包括：基于高精度MRI医学影像，重构出人体头部与血管网络三维结构，并建立脑组织有效热导率张量估算模型；建立了连续-离散型（CCD）新型传热理论模型，实现了多尺度血管网络与实体组织之间热交换理论刻画，在此基础上，针对复杂头部三维结构建立了高效的生物传热模型并行求解算法，其计算效率显著高于商业软件；基于发展的血管化生物传热理论，研究了脑血管网络传热、皮肤散热和呼吸换热对脑热输运过程的影响，研究表明血管网络热效应是影响脑热平衡的主要因素；系统构建了红外热诊断技术与理论，发展了三维体表热红外温度图谱测量技术，并构建了生物体热物性参数及热源反重构理论模型，并将该技术用于脑部浅表区域温度异常诊断，从理论上验证了其可行性。另外，在本项目的支持下，还开展了脑肿瘤冷冻治疗、用于人体热敷的柔性加热膜研制，及用于人体生理参数测量的液态金属柔性电子等交叉学科研究。本项目在执行过程中共发表和录用论文14篇：包括11篇SCI论文（含1篇IF>10）和2篇EI论文,申请专利1项，培养研究生4名。