一種無損測量生物活體組織熱參數的方法

2024-03-20 01:45:05

專利名稱：一種無損測量生物活體組織熱參數的方法
技術領域：
本發明屬於生物活體測量技術領域，特別是提供了一種無損測量生物活體組織熱參數的方法，通過三點表面測溫確定柱狀生物活體組織的導熱係數、熱擴散係數、血液灌注率以及體積熱容量等熱參數的方法。
背景技術：
生物活體組織的熱參數測量是深入研究生物體傳熱特徵和傳熱機制以及重構組織溫度場的關鍵。然而，生物材料的各向異性、同一種類不同樣本間的較大差異、各種生理狀態下組織的熱物性以及血液灌注率和代謝產熱的變化，都為熱參數的測量提出了很多的難題。迄今為止，有關生物活體組織的導熱係數、熱擴散係數、血液灌注率、代謝產熱等方面的數據十分有限。
通常，生物組織熱參數測量中常用的方法是一種將熱探針刺入生物體組織內部來進行測量的活體有損測量方法。熱探針既做熱源又作溫度傳感器，這樣就不需要準確測量兩者之間的距離，也減少了由於多個元件所帶來的多個表面熱阻。有損傷測量方法具有巨大的臨床應用潛力，但是也存在一個嚴重的問題，即需要將探針插入生物活體組織內。這不僅會給生物體帶來不適和危險，也會使被測組織出現淤傷，對局部組織的熱特性和有效熱接觸電阻產生影響，從而無法準確地獲取活體組織的熱特性參數。因此，目前生物熱物性測量技術中最具應用價值和開發潛力的是無損傷測量技術。
然而，目前有關生物組織熱物性的無損測量研究還比較少，主要集中在生物體傳熱模型的研究、熱物性參數測量中熱源的選擇等實驗方法的探索、血液灌注率的測試方法研究、以及熱物性無損測量的儀器的開發等方面，其中大部分工作還處於探索階段，亟待進一步的開發研究和完善。比如，Diller等在「採用最小損傷熱探針估計血液灌注率的方法開發」(Scott E P，Robinson P S，Diller TE.Development of methodologies for the estimation of blood perfusion using aminimally invasive thermal probe.Measurement Science and Technology，1998，9889～897)中，開發了用於無損傷測量的表面探針，將熱流量和溫度監測相結合，根據血液灌注率對組織熱行為的影響，來估計局部熱流的狀態。Fouquet等在「採用無損傷熱流測量法估計血液灌注率」(Fouquet Y，Hager J，Diller T.Bloodperfusion estimation from noninvasive heat flux measurements.Advances in Bioheatand Mass Transfer，ASME，1993(268)53～60)中，採用水冷卻槽使測量溫度低於組織溫度，這樣，產生的溫差比用加熱探針方法所獲取的溫差更大，並且使瞬態的熱測量與過程的數值模型相一致。這種探針適於進行熱測量，但不便於使用和操作。國內，劉靜、徐學敏等人的「生物活體組織血液灌注率的無損測量儀器」(專利申請號00106030.9)以及彭見曙、趙淑穎等的「局部組織灌注率體表熱幹擾測量方法及其裝置」(專利申請號94103991.9)也在血液灌注率的測量方面進行了研究和探索。這些方法均是針對某一熱物性參數進行的測量，而假設其他參數已知。

發明內容
本發明的目的在於提供一種能無損地測量柱狀生物活體組織的導熱係數、熱擴散係數、血液灌注率以及體積熱容量等熱參數的方法。
為了實現上述目的，提供了一種通過三點表面測溫來確定柱狀生物活體組織的熱參數。該方法包括首先，對長度為0.10m～0.75m、半徑為0.01m～0.20m的柱狀生物活體組織，建立了特定形式熱幹擾作用下的二維Pennes柱坐標傳熱模型，其控制方程如式1所示(c)tTt=k[2Tx2+1rr(r-Tr)]+wbcb(Ta-T)+qm]]>(式1)其邊界條件如式2所示x＝0，0＜r＜R，Tx=0;]]>x＝L，0＜r＜R，Tx=0;]]>r＝0，0≤x≤L，Tr=0;]]>

(式2)其中，(ρc)t為生物組織的體積熱容量，k為導熱係數，wb為血液灌注率，cb為血液比熱容，Ta為動脈血液溫度，qm為體積代謝熱，q0為加熱帶熱流密度，hA為邊界的綜合換熱係數，T∞為環境溫度。並且採用無其它熱幹擾的二維穩態計算結果作為初始溫度場。所述的傳熱模型中，隱含認為血液流過柱狀生物體橫截面時的熱量是平衡的，所述特定形式的熱幹擾包括階躍熱流和方波熱流。所測量的柱狀活體生物組織的各熱特性參數範圍如表1所示表1 測量系統採用的熱參數值Table 1 The parameter values used in measuring system

然後，採用控制容積積分法對數學模型進行離散化，在柱狀活體組織表面施加熱流為0.1W/m2～1000W/m2的階躍恆定熱流或方波熱流的幹擾信號，在加熱時間為0.5nmin～5min的情況下，採用TDMA與高斯-賽德爾法結合的逐行法(Lineby Line)進行數值計算，求解得到柱狀生物活體組織內的溫度變化。
分別對待測的各熱特性參數進行靈敏度分析，以確定各參數βj發生微小變化時對測量值T(tj，β)的影響程度。為了便於在不同參數間相互比較分析，採用了「無因次」的靈敏度係數，其定義為如式3所示Xij*=jXj(ti,)=jT(ti,)j]]>(式3)「無因次」靈敏度係數代表了測量信號對參數相對變化的變化率，具有與測量信號相同的量綱。根據式3對各熱特性參數的靈敏度係數進行計算，分析各參數的靈敏度係數之間的相關性以及熱參數對溫度變化的影響，從而優化三個測量點的位置選擇。
建立柱狀生物活體組織表面溫度的測量系統，將片狀的電加熱帶纏於被測的柱狀生物體，用於在組織表面產生與數值計算中設定相同的熱幹擾信號。採用多路數據採集裝置並經過溫度補償和濾波後，實時獲取熱幹擾作用下的組織表面的瞬態溫度響應數據。
基於數值計算的溫度響應數據以及實際測量時獲取的溫度響應數據，應用改進的高斯參數估計方法，能夠同時獲得柱狀生物活體組織的導熱係數、熱擴散係數、血液灌注率以及體積熱容量等熱參數。
本發明的優點在於提供了一種實施方便、步驟簡單的無損測量方法，能夠同時測量柱狀生物活體組織的導熱係數、體積熱容、血液灌注率等重要的熱特性參數。


附圖1為本發明的測量的原理圖，其中，標註1表示待測的柱狀生物活體組織；標註2表示纏繞的片狀電加熱帶，用於提供恆定或階躍的熱流幹擾信號q0；標註3的O、A、B三點表示距熱幹擾帶不同距離位置上的三個測量溫點。l和L分別為1/2的加熱帶寬度和有效的傳熱模型長度。
具體實施例方式
在具體的實施中，假設在測量的溫度範圍內，柱狀生物活體組織的各向同性，其熱參數均為常數，並且認為血液流過柱狀生物體橫截面時的熱量是平衡的。建立的柱坐標下，長度L＝0.32m、半徑R＝0.045m的柱狀生物活體組織的二維Pennes傳熱模型中，控制方程和邊界條件分別如式4和式5所示
(c)tTt=k[2Tx2+1rr(r-Tr)]+wbcb(Ta-T)+qm]]>(式4)x＝0，0＜r＜R，Tx=0;]]>x＝L，0＜r＜R，Tx=0;]]>r＝0，0≤x≤L，Tr=0;]]>

(式5)其中，綜合考慮人體組織熱物性參數以及模擬實驗時模擬材料的熱物性參數這兩方面的因素，計算中採用的熱特性參數值如表2所示表2實施例採用的熱特性參數值Table 2 The parameter values used in the specific example

初始溫度場採用無其它熱幹擾作用情況下的二維穩態計算結果。採用控制容積法進行數值計算，網格劃分為100×100。數值計算中，加熱帶的1/2寬度為l＝0.017m，加熱帶外的測量點選為OA＝0.018m、OB＝0.030m。
在加熱帶上施加q0＝500W/m2的方波熱流，加熱時間為1分鐘時，通過計算，可以得到不同參數取值情況下的溫度分布。結果表明，當導熱係數增加一倍時，加熱帶中表面點O的溫度上升幅度明顯變小，A點溫度略有下降，B點溫度卻有上升。這說明導熱係數增大時組織內部的溫度傳播加快，組織內部各處的溫差相應減小。此外，隨著血液灌注率的增大，加熱帶外的表面溫度上升明顯，而加熱帶中O點的溫度值變化不大。總的來說，導熱係數、血液灌注率以及體積熱容對生物組織的表面溫度變化影響較大，而換熱係數的影響相對較小，代謝產熱的影響很微小，幾乎可以忽略。
基於所進行的數值分析的結果，對涉及的重要的生物活體組織熱特性參數進行靈敏度分析，數值解中基於式6計算各參數的「無因次」靈敏度係數Xij=T(ti,1,,j+j,,p)-T(ti,1,,j-j,,p)2j]]>(式6)
靈敏度分析的結果表明，導熱係數在A點上的靈敏度係數較大，血液灌注率以及體積熱容量的靈敏度係數在三點都比較大。因此，導熱係數、血液灌注率以及體積熱容的測量精度是能夠得到保證的。進一步可以看出，在所有位置上，導熱係數、血液灌注率以及體積熱容量的靈敏度係數變化規律各有不同，說明它們是線性無關的。因此，通過一次實驗可以同時估計這三個參數。
此外，根據數值計算和靈敏度分析的結果，能夠獲得柱狀生物活體組織的軸向溫度變化，從而可以選擇最佳的三個測量點的位置，為實際測量提供了重要的參考依據。
然後，採用纏繞在柱狀生物體上的電加熱片，在被測的柱狀生物活體組織表面上產生q0＝500W/m2的方波形式的熱流信號，加熱1分鐘的時間。同時，使用多路數據採集器，測量被測組織表面O、A、B三點的瞬態溫度響應，實時獲取溫度變化的數據，並通過與上位機進行通信，將數據傳輸到上位機，對溫度信號進行溫度補償和濾波等處理。
最後，基於數值計算獲得的溫度變化以及通過實際測量獲得的溫度變化數據，採用改進的高斯參數估計方法，分析出各測量點上靈敏度係數大的熱特性參數，並採用該點的溫度信號對這些參數進行估計，從而通過採用三個測量點的溫度數據，同時確定被測柱狀生物活體組織的導熱係數、血液灌注率以及體積熱容等熱特性參數。
儘管本發明是參照其特定的具體實施方式
來描述的，但本領域的技術人員應該理解，在不脫離由所附權力要求限定的本發明的範圍的情況下，可以對其進行形式和細節的各種修改。
權利要求
1.一種無損測量生物組織熱參數的方法，用於通過三點表面測溫確定柱狀生物活體組織的熱參數，其特徵在於對長度為0.10m～0.75m、半徑為0.01m～0.20m的柱狀生物活體組織，建立了特定形式熱幹擾作用下的二維Pennes柱坐標傳熱模型；具體步驟如下a、建立特定形式熱幹擾作用下，柱坐標下柱狀生物活體組織的二維Pennes傳熱模型其控制方程式(c)tTt=k[2Tx2+1rr(rTr)]+wbcb(Ta-T)+qm]]>(式1)其邊界條件如式2所示x=0,0rR,Tx=0;x=L,0rR,Tx=0;r=0,0xL,Tr=0;]]> (式2)其中，(ρc)t為生物組織的體積熱容量，k為導熱係數，wb為血液灌注率，cb為血液比熱容，Ta為動脈血液溫度，qm為體積代謝熱，qo為加熱帶熱流密度，hA為邊界的綜合換熱係數，T∞為環境溫度。並且採用無其它熱幹擾的二維穩態計算結果作為初始溫度場；b、採用數值方法求解柱狀生物活體組織內的溫度變化；c、計算參數的靈敏度係數，進行靈敏度分析；d、實時採集溫度的瞬態響應數據；e、應用參數估計方法，確定柱狀生物活體組織的導熱係數、熱擴散係數、血液灌注率以及體積熱容量等熱參數。
2.如權力要求1所述的方法，其中，所述的傳熱模型中，隱含認為血液流過柱狀生物體橫截面時的熱量是平衡的，所述特定形式的熱幹擾包括階躍熱流和方波熱流。
3.如權力要求1所述的方法，其中，所述的數值求解方法中，採用控制容積積分法對數學模型進行離散化，採用TDMA與高斯-賽德爾法結合的逐行法即Line by Line進行數值計算，求解得到柱狀生物活體組織內的溫度變化。
4.如權力要求1所述的方法，其中，所述的熱參數βj的靈敏度係數為「無因次」的靈敏度係數Xij*=jXj(ti,)=jT(ti,)j]]>其中靈敏度分析包括下列不步驟a、計算各熱特性參數的靈敏度係數；b、確定熱參數的靈敏度係數之間的相關性；c、分析各熱特性參數對溫度變化的影響；以及優化測量過程中三個測量點的位置選擇。
5.如權力要求1所述的方法，其中，所述的參數估計方法是採用改進的高斯方法進行參數估計，分別採用三個測量點的溫度數據對不同的熱特性參數進行估計，最終同時確定被測柱狀生物活體組織的導熱係數、血液灌注率以及體積熱容等熱特性參數。
全文摘要
本發明提供了一種無損測量生物活體組織熱參數的方法，用於通過三點表面測溫確定柱狀生物活體組織的熱參數。該方法包括建立柱坐標下柱狀生物活體組織的二維Pennes傳熱模型；採用逐行法求解在階躍熱流或方波熱流的幹擾作用下，柱狀生物活體組織內的溫度變化；通過靈敏度計算，分析熱參數的靈敏度係數之間的相關性以及熱參數對溫度變化的影響，優化三個測量點的選擇；開發生物活體組織表面溫度的測量系統，實時採集溫度的瞬態響應數據；應用改進的高斯參數估計方法，同時獲得柱狀生物活體組織的導熱係數、熱擴散係數、血液灌注率以及體積熱容量等熱參數。其優點在於實現了方便、步驟簡單的無損測量。
文檔編號A61B5/00GK1555759SQ20041000002
公開日2004年12月22日 申請日期2004年1月2日 優先權日2004年1月2日
發明者張欣欣, 樂愷, 於帆, 姜澤毅, 馮研卉, 林林 申請人:北京科技大學