在體測取生物活體組織局部代謝率的多點溫度探測裝置的製作方法

2024-03-20 02:41:05 1

專利名稱：在體測取生物活體組織局部代謝率的多點溫度探測裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用於在體測取生物活體(包括人體)組織局部代謝率的多點溫度探測裝置，特別涉及一種通過在微細探頭特殊布置多個相對位置精確固定的溫度傳感器來獲取被測部位溫度的空間及時間信息進而得到該局部代謝率的在體測取生物活體組織局部代謝率的多點溫度探測裝置。
生物體為實現各種各樣的生命過程而在其體內開展的作功形式主要為1．外部可見的機械功，典型例子如肌肉收縮作功；2．內部器官活動(如呼吸、血液泵送、消化道蠕動等)所消耗的機械功；3．推動神經傳導的電功；4．驅動新細胞的合成，以取代衰老和死亡的細胞等。後三種的最終表現是均耗散為熱能。因此當生物體沒有外部運動時(自然的生命狀態)，全部代謝作用都表現為熱效應，而代謝率就是指在單位體積組織內的產熱率，其大小對於組織狀況、疾病診斷和治療等大量的臨床應用以及研究動物、人體的生理學規律具有重要意義，在刻划動物個體生長、發育和衰老方面也已經成為一個重要的實驗基礎，例如量熱學數據表明，在動物個體發育過程中，單位體積的產熱率(代謝率)呈現一定規律。生理學家為此定義了一個基礎代謝率，其指「靜息狀態即基礎狀態下動物個體單位體積單位時間的代謝產熱量」(單位為J/m3·s或W/m3)，該參數大小是一項重要的生理指標，在動物包括人體的熱分析中起著重要的作用。測量基礎代謝率的變異，對某些疾病的診斷有重要的意義。例如，甲狀腺機能不足，基礎代謝率將比正常標準低20-40％，而甲狀腺機能亢進，基礎代謝率則比正常標準高25-80％。另外，我們知道，機體發生病變或出現炎症時，會造成組織代謝過程增強。腫瘤部位也往往由於不成熟細胞糖酵解的亢進及血管豐富和生長迅速而存在異常的熱量產生。代謝產熱的主要功能之一還在於使動物維持一個非常穩定的溫度。總之，由於上述原因，就代謝率測量方法和儀器的研究一直是人們競相探索的目標。
由於各組織和器官的活動量不同，組織全身各處的代謝率大小實際上相差懸殊，它們反映了不同的生理學問題，若能針對不同組織和器官在體測出這些部位的代謝率大小，則具有重要的醫學生理學意義。
然而目前測取動物代謝率的現狀是通常是將動物置於一封閉空間後，再根據所測得的呼氣和吸氣過程中血液的體積流率及其中氧濃度的變化來推算動物代謝率。該方法測取的動物代謝率是動物個體的總代謝率。顯然，這牽涉到一系列生化分析步驟，且實施起來十分繁瑣，更重要的是，獲得的總代謝率不能代表局部組織的代謝狀況。目前，測量局部組織的代謝率並不成功，一般都是對離體小樣品直接測取熱值或者從氧耗量的局部測值來推斷代謝率。而這又不能代表真實的組織代謝狀態，而且操作起來十分繁瑣、困難，精度很難保證，最主要的是，難以反映局部的代謝狀況。所以，至今尚無能在體測取局部組織代謝率的裝置出現。
本實用新型目的在於提供一種在體測取生物活體組織(包括人體)局部組織代謝率Q*m的多點溫度探測裝置，該裝置結構簡單、成本低廉，為微創型，損傷性小，操作方便，僅通過在一微細探頭上特殊設置的多個相對位置精確固定的溫度傳感器(如熱電偶等)來獲取被測部位溫度的空間及時間信息，進而得到該部位綜合代謝率，而且精度高，響應速度快，測溫範圍廣，填補在體測取生物活體組織局部組織代謝率領域中無測取裝置的空白。
本實用新型的實施方案如下本實用新型提供的在體測取生物活體組織局部代謝率的多點溫度探測裝置，其特徵在於，包括多點溫度探頭A、數據採集儀B和計算機C，其中，多點溫度探頭A由薄壁管8，焊接於薄壁管8頂端的圓片9，平行於薄壁管8軸線縱向焊接鑲嵌於薄壁管8管壁上的3-5枚溫度傳感器和焊接鑲嵌於圓片9上的5枚溫度傳感器，5枚溫度傳感器中的溫度傳感器5位於圓片9的圓心處，其餘4枚溫度傳感器1、2、3和4呈十字形排列分別位於圓片9的周邊上，各溫度傳感器引線裝入薄壁管8的管中，從薄壁管8底端引出連接於數據採集儀B的輸入端，數據採集儀B的輸出端連接計算機，計算機外接電源；多點溫度探頭A的薄壁管8直徑為1-2mm，長度為20-100mm；所述薄壁管8和其頂端的圓片9的材質為低導熱率的不鏽鋼或玻璃；
所述溫度傳感器為熱電偶溫度傳感器或電阻溫度傳感器，溫度傳感器之間的距離為0.1-1mm。
本實用新型提供的在體測取生物活體組織局部代謝率的多點溫度探測裝置，其優點在於結構簡單、成本低廉，操作方便，僅通過在一微細探頭上特殊設置的多個相對位置精確固定的溫度傳感器(如熱電偶等)便可方便地獲取被測部位溫度的空間及時間信息，進而得到該部位代謝率，而且精度高，響應速度快，測溫範圍廣，填補在體測取生物活體組織局部組織代謝率領域中無測取裝置的空白。
其工作原理為組織內具有普遍適用性的熱量平衡關係式為cTt=(kT)+bbcb(Ta-T)+Qm(x,y,z,t)---(1)]]>其中ρ,c分別為組織的密度、比熱；k為組織熱導率，ρb、cb分別為血液的密度及比熱；ωb為血液灌注率；Ta,T分別是動脈血溫度及組織溫度；上式可進一步表示為cTt=x(kxTx)+y(kyTy)+z(kzTz)+Qm*(x,y,z,t)---(2)]]>其中，Q*m(x,y,z,t)=ωbρbcb[Ta-T(x,y,z,t)]+Qm(x,y,z,t)即為待測的局部組織綜合代謝率，以下所指的代謝率均指該值。
一般情況下，組織的密度和比熱相對較穩定，因而無須測定，其一般取值為ρ=1000kg/m3,c=4200J/kg·℃，而組織熱導率一般取常數k=0.5W/m·℃，於是，局部代謝率只與待測部位的溫度場(包括其瞬態變化率)相關，所以，只要測得這些信息，則代謝率可由上式確定；據此可建立實用的局部代謝率測量方法，其基本思想為將包含空間信息的多點溫度探針插入組織內，並採集到各測點的溫度數據，則可由式(2)獲得局部綜合代謝率為Qm*(x,y,z,t)=cTt-k2Tx2-k2Ty2-k2Tz2---(3)]]>一般由於所測量的是基礎代謝率，即動物安靜狀態下，代謝率測量公式實際上可簡化為Qm*(x,y,z)=-k2Tx2-k2Ty2-k2Tz2---(4)]]>上述測量中，由於探針的插入所引起的刺激作用，組織溫度需要一定時間才能達到穩定態。本方法中，可在插入探針後即開始記錄各測點的溫度信號，瞬態的溫度信息反映的是動物受探針插入時所引起反射而導致代謝率的改變情況。自然，隨著時間的延續，所測得的代謝率數值應趨於一個穩定值。所以，無論測取的代謝率是穩態值還是瞬態值，其都歸結到實現Tt,2Tx2,2Ty2]]>及2Tz2]]>的測定上來。本實用新型的關鍵也就在於設計相應的溫度探針來作到這一點。


圖1給出的是設置有7枚溫度傳感器(如熱電偶)的多點溫度探頭A示意圖，其中各枚探針之間的空間相對位置嚴格固定，以便測出在x,y,z三個方向上的溫度分布，且探針之間的距離(Δx,Δy,Δz)在保證能加工的前提下越小越好(一般為0.1-1mm)，從而利用所測溫度能相當精確地通過差分法獲得式(2)中的k2Tx2,k2Ty2]]>及k2Tz2]]>，並由此推算出待測部位的綜合代謝率數值。先討論穩態下5點處的代謝率測量方法。具體作法是，利用數據採集儀記錄到探針頭部七枚探針的溫度大小後，則多點溫度探頭A頂部圓片的圓心5點處相應可寫出k2Tx2|point5kT1+T3-2T5x2]]>，k2Ty2|point5kT2+T4-2T5y2,]]>但5點處k2Tz2]]>的測量與前者不同，因為本探針結構難以在z方向測出5點上下兩個部位的值，比如上部難以設置溫度傳感器件，而上下移動探針的作法存在定位困難，且難以測定瞬態代謝率，而5點以下則為探針內部，因而所測得的溫度值並非組織溫度，而是探針內部的溫度值。為克服這一困難，我們採用6點處的k2Tz2]]>值挖近似代替5點處的相應k2Tz2]]>值，這是因為本探針結構中各枚熱電偶之間的間距極小，因而6點與5點處的相應k2Tz2]]>值是非常接近的，這就解決了相當棘手的一個技術難題。而6、7點的溫度數據由該點處的熱電偶記錄到，這樣就有k2Tz2|point5k2Tz2|point6kT1+T7-2T6z2.]]>。於是由式(4)可得穩態下的代謝率數值為Qm*|point5-kT1+T3-2T5x2-kT2+T4-2T5y2-kT1+T7-2T6z2---(5)]]>若設置Δx=Δy=Δz=Δs時，上式可簡化為Qm*|point5-k2T1+T2+T3+T4+T7-2T6-4T5S2---(6)]]>可見，利用本實用新型給出的多點溫度探針，在獲取7個固定點的溫度大小後，即可測出探針頭部中心(即5點處)的組織代謝率。
對於5點處的瞬態組織代謝率，本實用新型仍然相當有效。這裡對測量原理作一說明。這時，與上述穩態情況略有差別之處在於需要獲得每一點處的瞬態溫度值，於是，類似地，設k時刻為穩態，並在此時刻測出各點溫度Tk1,Tk2,...,Tk7，則在測得k+1時刻的溫度值Tk+11,Tk+12,...,Tk+17後，在5點處相應有，k2Tx2|point5k+1kT1k+1+T3k+1-2T5k+1x2,k2Ty2|point5k+1kT2k+1+T4k+1-2T5k+1y2,]]>k2Tz2|point5k+1k2Tz2|point6k+1kT1k+1+T7k+1-2T6k+1z2---(7)]]>而方程(3)中的瞬態量為cTt|point5k+1cT5k+1-T5kt---(8)]]>這裡，時間間隔Δt應儘可能小，以減小差分帶來的誤差。由此，可獲得k+1時刻的組織代謝率為Qm*|point5k+1cT5k+1-T5kt-kT1k+1+T3k+1-2T5k+1x2-kT2k+1+T4k+1-2T5k+1y2-kT1k+1+T7k+1-2T6k+1z2]]>(9)同樣，取Δx=Δy=Δz=Δs時，上式可簡化為Qm*cT5k+1-T5kt-k2T1k+1+T2k+1+T3k+1+T4k+1+T7k+1-2T6k+1-4T5k+1s2---(10)]]>
由此，依據各點採集到的瞬態溫度，可以獲得變化著的組織代謝率。整個過程由數據採集儀結合計算機自動記錄和自動計算。用戶可由顯示屏讀出所測量的代謝率。
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步的詳細說明。
圖1為本實用新型的結構框圖；圖2為本實用新型的多點溫度探頭A的結構示意圖；圖3為垂向鑲嵌於薄壁管8管壁上的溫度傳感器的位置示意圖；其中多點溫度探頭A數據採集儀B計算機C薄壁管8圓片9，溫度傳感器引線10溫度傳感器1、2、3、4、5、6、7由圖可知，本實用新型提供的在體測取生物活體組織局部代謝率的多點溫度探測裝置，其特徵在於，包括多點溫度探頭A、數據採集儀B和計算機C，其中，多點溫度探頭A由薄壁管8，焊接於薄壁管8頂端的圓片9，平行於薄壁管8軸線縱向焊接鑲嵌於薄壁管8管壁上的3-5枚溫度傳感器和焊接鑲嵌於圓片9上的5枚溫度傳感器組成，5枚溫度傳感器中的溫度傳感器5位於圓片9的圓心處，其餘4枚溫度傳感器1、2、3和4呈十字形排列分別位於圓片9的周邊上，各溫度傳感器引線裝入薄壁管8的管中，從薄壁管8底端引出連接於數據採集儀B的輸入端，數據採集儀B的輸出端連接計算機，計算機外接電源；多點溫度探頭A的薄壁細管8直徑為1-2mm，長度為20-100mm；所述薄壁管8和其頂端的圓片9的材質為低導熱率的不鏽鋼或玻璃；所述溫度傳感器為熱電偶溫度傳感器或電阻溫度傳感器，溫度傳感器之間距離為0.1-1mm。
根據待測部位的深度，其探頭長度可任意設計(但一般為2-10cm)，在保證裝配精度的情況下，探頭直徑應越小越好(一般為1-2mm)，以便將其插入組織中創傷程度減至最小；熱電偶間距的精確位置應予標定並輸送到計算機內的處理軟體上，以便準確計算代謝率；熱電偶大小也在能保證加工的前提下以最小尺寸為宜，當前商業上可購買到的較小熱電偶絲直徑為20μm、80μm等尺寸，可直接使用，或根據需要特殊加工更小的熱電偶，也可將熱電偶與探針管集成製造。薄壁管8及圓片9可採用低導熱率的不鏽鋼管制成；也可採用玻璃澆鑄而成；
溫度傳感器可為熱電偶溫度傳感器，也可採用電阻溫度傳感器，本實用新型的溫度傳感器(1,2,...,7)鑲嵌(或焊接)在薄壁管8的管壁和頂端圓片9上，薄壁管8材料的導熱係數應儘可能小，以避免其內導熱而引起較大的溫度測量誤差，否則，溫度傳感器測得的將是薄壁管8的溫度而非所觸及的生物組織的溫度，薄壁管8壁面上的3枚溫度傳感器(1,6,7)沿薄壁管8壁面縱向呈一條線布置，而在其頂端圓片9上的5枚熱電偶(1,2,3,4,5)則成十字形排列，其中4枚(1,2,3,4)布置在頂部圓片9的周邊上，而第5枚布置在圓片9中心處，由此，本實施例提供的多點溫度探頭A共有7枚多點溫度探頭(當然，根據需要可為8枚或9枚多點溫度探頭，如沿薄壁管8壁面縱向呈一條線布置的溫度傳感器為5枚)，各溫度傳感器之間的相對位置精確固定，其坐標信息存儲於數據採集儀中，於是在獲得這些位置處的組織溫度後，根據各測點的溫度大小及位置，即可通過數據採集儀和計算機將探頭頂部圓片9中心處的組織代謝率推算出。瞬態或空間非均勻的代謝率可顯示在計算機屏幕上，並根據要求給出不同時刻的代謝率值。數據採集儀具體可選用性能價格比較好的Agilent34907A型信號採集與處理器。移動該探頭，可對不同部位的代謝率進行測定。所以，這是一種可測定局部代謝率的裝置。本系統所用計算機採用普通型即可，價格十分便宜，而性能完全滿足要求。為便於其探頭插入組織(因探頭頭部為一平面)，可在探頭的前端配備帶有尖銳頭部的針頭，以便在皮膚上開出小孔，從而輔助本探頭的插入。
本實用新型的多點溫度探頭A組裝步驟如下1．先在薄壁管8的管壁上按標定位置開出微孔，形成均勻排列的系列小孔，其直徑約在80-100μm左右，在這些微孔處將溫度傳感器(6,7)結點焊接於壁面上，且外露，以便與生物組織接觸而測取該部位溫度，而溫度傳感器的線束10則從其中空的管內引出；2．待管壁面上的熱電偶(6,7)安裝完畢後，再在圓片9上開出5個小孔，同樣，在這些小孔處焊接共5枚溫度傳感器(1,2,3,4,5)，之後，將該五枚溫度傳感器(1,2,3,4,5)引線10依次小心地順管由下端引出，其中各枚溫度傳感器要作標記；3．將焊接有5枚溫度傳感器的圓片9精確合蓋到薄壁管5的上端，並將二者焊接固定，這樣即製成傳感器位置確定的多點溫度探頭A。溫度傳感器輸出端連接到數據採集儀的輸入端，溫度傳感器冷斷補償則置入冰水中以獲得參考溫度。而數據採集儀連接計算機。這樣，在多點溫度探頭A的多點溫度傳感器所採集到的溫度信號就輸送到計算機中，從而獲得所測位置的瞬態代謝率數值。
由上所述，本實用新型溫度傳感器為熱電偶溫度傳感器(1,2,...,7)或電阻溫度傳感器，其響應速度較快，且精度高，而價格則趨於低廉，多點溫度探頭A製作相對容易，數據採集及處理十分方便，無複雜電路，結構簡單，測溫和評價組織的熱狀態比較容易，測試範圍廣，適用於不同深部生物組織、不同時刻的生物組織代謝率測量。
利用本實用新型的裝置進行活體生物組織局部代謝率的測取時，可分靜態和動態兩類情況進行。這裡先介紹靜態測量步驟將探針上的溫度傳感器引線連接到數據採集儀器，而數據採集儀器插接到計算機上，然後，將探頭插入待測試的組織部位，然後開啟數據採集儀和計算機，於是溫度傳感器開始採集所觸及部位的溫度信號，同時溫度信號由數據採集儀和計算機監控，待每一枚溫度傳感器所記錄的溫度信號趨於穩定後，停止採集，通過公式(6)即可求出穩態的代謝率，而組織其他部位的代謝率可將探頭插入相應位置由同樣方法獲取。對於由其他因素如外界加熱、降溫以及其他刺激引起的非穩態代謝率，只需連續監測不同時刻的溫度信號，即可由公式(10)計算出探頭頂端中心處組織的瞬態代謝率大小。
權利要求1．一種在體測取生物活體組織局部代謝率的多點溫度探測裝置，其特徵在於，包括多點溫度探頭A、數據採集儀B和計算機C，多點溫度探頭A由薄壁管(8)，焊接於薄壁管(8)頂端的圓片(9)，平行於薄壁管(8)軸線縱向焊接鑲嵌於薄壁管(8)管壁上的3-5枚溫度傳感器和焊接鑲嵌於圓片(9)上的5枚溫度傳感器組成，5枚溫度傳感器中的溫度傳感器(5)位於圓片(9)的圓心處，其餘4枚溫度傳感器(1)、(2)、(3)和(4)呈十字形排列分別位於圓片(9)的周邊上，各溫度傳感器引線裝入薄壁管(8)的管中，從薄壁管(8)底端引出連接於數據採集儀B的輸入端，數據採集儀B的輸出端連接計算機，計算機外接電源。
2．按權利要求1所述的在體測取生物活體組織局部代謝率的多點溫度探測裝置，其特徵在於多點溫度探頭A的薄壁細管(8)直徑為1-2mm，長度為20-100mm。
3．按權利要求1所述的在體測取生物活體組織局部代謝率的多點溫度探測裝置，其特徵在於所述薄壁管(8)和其頂端的圓片(5)的材質為低導熱率的不鏽鋼或玻璃。
4．按權利要求1所述的在體測取生物活體組織局部代謝率的多點溫度探測裝置，其特徵在於所述溫度傳感器為熱電偶溫度傳感器或電阻溫度傳感器。
5．按權利要求1所述的在體測取生物活體組織局部代謝率的多點溫度探測裝置，其特徵在於溫度傳感器之間的距離為0.1-1mm。
專利摘要本實用新型的在體測取生物活體組織局部代謝率的多點溫度探測裝置,包括多點溫度探頭、數據採集儀和計算機,多點溫度探頭由薄壁管,焊接於其頂端的圓片,縱向鑲嵌於薄壁管管壁上的溫度傳感器和鑲嵌於圓片上的溫度傳感器組成,圓片圓心處設1枚溫度傳感器,圓片周邊上呈十字形排列4枚溫度傳感器,各溫度傳感器引線由薄壁管伸出連接於數據採集儀,數據採集儀連接計算機,其結構簡單,價格低廉,操作方便,而且精度高、響應速度快。
文檔編號G01K7/00GK2454769SQ0026477
公開日2001年10月17日 申請日期2000年12月14日 優先權日2000年12月14日
發明者劉靜, 姬妍 申請人:中國科學院低溫技術實驗中心