熱傳遞法無創(chuàng)測量血液流速.docx

1、第27卷第6期增刊2006年6月儀器儀表學(xué)報ChineseJournalofScientificInstrumentVol.27No.6Jun,2006熱傳遞法無創(chuàng)測量血液流速III李俊峰唐飛徐效文王東生（清華大學(xué)精密儀器與機械學(xué)系北京100084）捎宴介紹了一種利用人體皮膚和接觸導(dǎo)體的熱傳遞來無創(chuàng)測量局部皮膚組織血液流速的方法.該方法使用熱量作為指示劑，利用血液是人體體內(nèi)主要熱傳遞媒介的特性.通過測景人體皮膚組織表面溫度和接觸導(dǎo)體的溫度變化曲線，對獲得的金屬導(dǎo)體溫度曲線進行歸一化并求平均得到表征血液流速的數(shù)值.實驗結(jié)果表明，該數(shù)值與血液流速具有很好的相關(guān)性，該裝置實現(xiàn)了對人體皮膚組織的血液流

2、速的快速測量，而且結(jié)構(gòu)簡單、方便實用.關(guān)詞熱傳遞血液流速無創(chuàng)NoninvasivemethodofmeasuringbloodflowratebyheatdiffusionLiJunfengTangFeiXuXiaowenWangDongsheng(DepartmentofPrecisionInstrumentsandMethodology»TsinghuaUniversity*Beijing100084,China)AbstractAnoninvasivemethodofmeasuringthebloodflowrateinthecutaneoustissuebyheatdiffu

3、sionbetweentheskinandthemetalwasdescribedinthispaper.Heatwasusedastheindicator;thefeaturethatbloodflowwasthemainmediumofheatdiffusioninthebodywasutilizedthetemperatureoftheskinandthetemperaturechangeofthemetalheat-conductorweremeasuredithecurveofmetalheat-conductorwasnormalizedandintegrated；themeant

4、hatisrelatedtothebloodflowratewasderivedfromthecurve.Theresultsshowedstrongcorrelationbetweenthevalueandthebloodflowrate.Thedevicecouldquicklyrealizethemeasurementofbloodflowrateinthecutaneoustissue*andthemeasuringsystemwassimpleandpractical.Keywordsheatdiffusionbloodflowratenoninvasive1引言微循環(huán)是血液從細小的

5、微動脈流經(jīng)毛細血管到達微靜脈的血液循環(huán)過程。微循環(huán)當(dāng)中正常的血流灌注是保證物質(zhì)交換的必要條件.是體內(nèi)組織執(zhí)行正常生理功能的前提.組織血液流速姑表征微循環(huán)的主要參數(shù)。目前,國內(nèi)外常用的測最血液流速的方法有：多普勒方法、侃同位素法和熱流動法等.多普勒方法包括超聲多普勒方法和激光多普勒方法這兩種方法都是利用反射光波、聲波的多普勒頻移來計算血液的流速,目前已經(jīng)有成熟的產(chǎn)品，但是價格昂貴；侃同位素法通過探測注射到局部組織的侃同位素的流失速度來測量血液流速。這是一種侵入式的方法，該方法使用具有放射性的物質(zhì)，對測試者傷害大I熱流動法的原理是將皮膚局部組織加熱到一定溫度.撤走熱源.通過測雖局部組織的溫度變化獲

6、得血液流速，目前已經(jīng)有了相關(guān)產(chǎn)品，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熱傳導(dǎo)法也利用熱址作為指示劑，但無需加熱人體表面組織，只需將金屬導(dǎo)體與皮膚組織接觸.測量皮膚溫度和金屬導(dǎo)體的溫度變化曲線，經(jīng)過處理就可以得到表征血液流速的數(shù)值,而且結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)。本文對熱傳導(dǎo)法進行了理論推導(dǎo)、模擬仿真，設(shè)計了系統(tǒng)并進行了實驗-實嗆結(jié)果與多普勒方法獲得的結(jié)果有很好的相關(guān)性.2原理與仿真基本原理如圖1所示.將一個溫度低于皮膚溫度的導(dǎo)熱體與皮膚接觸以后，由于存在溫度差.在皮膚與金屬之間會產(chǎn)生熱傳遞。皮膚的溫度變化以后,血液與皮膚之間的溫差會產(chǎn)生熱交換。血液向皮膚交換的能最為：圖1基本原理圖dwj=(T2T!)XcjXp)Xv,Xd

7、t(1)式中：T?是皮膚的溫度，T,是血液原來的溫度，是血液的熱容，防是血液的比重v,是血液的流散。在dt時間內(nèi)，手指接觸點向金屬導(dǎo)體傳遞的能fit為：dw2=T2Tj(O)Xu：Xdt(2)式中；T(O)為和手指接觸點的金屬導(dǎo)體溫度，&為手指皮膚和金屬導(dǎo)體的交換當(dāng)中的熱傳導(dǎo)系數(shù).在金屬導(dǎo)體內(nèi)，能量傳遞的公式為，dwJ4(x)=T+(x)uiXsXdtdw3(x)=Tf3_(x)u(XsXdt(3)式中:dwJ+是金屬棒內(nèi)任意一點向正方向傳遞的能ft.dw,.是金屬棒內(nèi)任意一點從負方向傳遞過來的能鍬，TL是溫度的右導(dǎo)數(shù),T'是溫度的左導(dǎo)數(shù)，山是金屬導(dǎo)體的熱傳導(dǎo)系數(shù)；s是橫截面積

8、。手指皮膚的能鼠變化為血液向手指皮膚傳遞的能艮和手指皮膚向金屬導(dǎo)體傳遞的能鼠差：dT2XmxXc2=dw,dw2=(T2T|)XciXplXvIXdtT2-T3(O)Xu2Xdt(4)式中：m?為手指皮膚的等效質(zhì)量，q為手指皮膚的等效熱容。金屬導(dǎo)體與皮膚接觸點的溫度變化方程式為：dT3(0)XsXpjXc3=dw2dw1+(0)=T2T3(O)Xu2XdtT3+(x)uiXsXdt(5)式中：防是金屬導(dǎo)體的密度，c,是金屬的熱容，s是金屬導(dǎo)體的底面積。金屬導(dǎo)體內(nèi)部的溫度變化方程式為：dT3(x)XsXp3Xc3=dw3_(x)dw3+(x)=T3_(x)XUiXsXdtT3+(x)XUiXsX

9、dt(6)金屬導(dǎo)體另一端溫度變化方程式為：dTj(L)XsXpjXc3=dwj.(L)=T/J_(x)XUjXsXdt(7)式中：L為金屬導(dǎo)體的長度。對于式(4)、(5)、(6)、(7)將微分公式轉(zhuǎn)化為差分公式，進行編程計算可以獲得在不同血液流速的條件下，皮膚和金屬棒上任意一點的溫度變化曲線.理論上金屬棒上任意一點的溫度變化曲線都可以反映血液流速的變化。仿真的條件為：血液溫度為33*C，皮膚溫度為331、金屬導(dǎo)體溫度為23P,血液流速為1和2。為了便于對不同皮膚溫度和環(huán)境溫度下的溫度曲線進行比較，將金屬導(dǎo)體的溫度進行歸一化，公式為：y(t)=(T,(t)-Tl)/(Ts-T()(8)式中：y(

10、t)是溫度歸一化值，T.(t)是金屬棒接觸點的溫度值是金屬棒初始溫度，T,是皮膚的初始溫度。金屬棒上與皮膚接觸點的溫度變化歸一化曲線如圖2所示,點線代表血液流速為2的情況，實線代表血液流速為1的情況.將歸一化曲線進行面積積分平均.獲得均值。從圖中我們可以清楚地看出，對于不同的血液流速，金屬導(dǎo)體的溫升曲線不同.血液流速快的時候,金屬導(dǎo)體的溫度升高速度快，均值大.如圖3所示，實驗系統(tǒng)的硬件主要包悟探測頭、前放濾波電路、AD轉(zhuǎn)換器和計算機。軟件部分主要由VB編寫的采集界面和顯示界面以及matlab的后續(xù)處理程序組成。探測頭/ADCAit算機系統(tǒng)圖3系統(tǒng)框圖如圖4所示，探測頭由紅外溫度傳感器、熱敏電阻

11、、金屬棒以及固定部分組成.金屬導(dǎo)體頂端突出一部分用來增加與人體皮膚表面的壓力，使接觸更加充分。外套和支架使用有機玻璃制作.熱容小，導(dǎo)熱系數(shù)低，在測相期間可以起到保溫的作用.降低環(huán)境對測最系統(tǒng)的影響。紅外溫度傳感器用來測量人體皮膚表面溫度,熱敏電阻用來測量金屬導(dǎo)體的變化曲線。系統(tǒng)的影響。紅外溫度傳感器用來測量人體皮膚表面溫度,熱敏電阻用來測量金屬導(dǎo)體的變化曲線。2lor2oof-l90Fl8OH"160l-15or"0.320.340.36038婦一岫直130120圖4探測器機械結(jié)構(gòu)圖圖5探浪I頭和信號處理電路采用BIOPAC公司MP150A-CE生理記錄儀的多普勒血流計的測

12、量值作為標(biāo)準流速，在不同狀態(tài)下對人體手掌皮膚的同一點的血液流速進行多次測量.并與設(shè)計的實驗系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)進行比對。圖6是實驗系統(tǒng)采集得到的溫度曲線均值和多普勒血流計測址得到的血液流速之間關(guān)系。Y軸的單位是BPU（血流灌注單位）。使用最小二乘法得到擬合直線的方程為：y=-121.9191+750.1736x.圖6積分面積與血液流速的關(guān)系4結(jié)論歸一化的溫度曲線均值與血液流速之間表現(xiàn)出很好的線性關(guān)系，說明仿真結(jié)果是正確的,使用該方法測量血液流速切實可行。基于該方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)、測量速度快。參考文獻GERRITS,RONALDJ,etal.Lasei-DopplerflowmetryutilizingathinnedskullcranialwindowpreparationandautomatedstimulationCJj.BrainResearchProtocols,1998,3(1)：14-21.1 MIDTGARDU,HALESJR,etal.Skinbloodflowinsheep：comparisonofxenon-133washoutandradioactivemicrospheretechni