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三点法无损测量生物活体组织热参数的分析.pdf
第26卷第3期 北 京 科 技 大 学 学 报 Vbl.26No.3
.1burnalof ofScience Jun.2004
2004年6月 University and’11echnoIogyBeijing
三点法无损测量生物活体组织热参数的分析
一,Il、,“
乐恺 于帆 张欣欣
北京科技大学机械工程学院,北京100083
摘要基于两点法测量原理,提出了一种通过三点测温无损确定柱状生物活体组织热参数
的新方法,建立了该方法的理论模型,数值计算分析了导热系数、血液灌注率体积热容量等
参数对温度变化的影响,以及这些热参数的灵敏度系数.研究结果表明,活体组织的上述热
参数的灵敏度系数是线性无关的,可以通过所提出的三点法同时进行测量.
关键词 生物传热;无损测量;导热系数;血液灌注率;灵敏度分析
分类号TKl24
生物活体组织的热参数主要包括导热系数、
热扩散系数、体积热容量、血液灌注率以及代谢
产热等,是定量研究生物传热以及重构生物局部
组织温度场的基础数据.准确测量这些参数对实
现肿瘤热疗、低温手术等至关重要,在临床医学、
航天及仿生技术等领域有着巨大的应用价值”1.
生物活体组织的热量传递具有复杂的非均 图l 两点法测量生物组织热参数的原理
Schematic for
of methodmeas—
匀性和各向异性,完全无损地测量生物组织热参 Fig.1 diag阳mthree·point
thermal of tissue
数是当前生物传热面临的主要难题之一闭.国内 uring恤e panmetersHVing
外许多学者在研究测量生物组织表面热流和温 带不同距离位置上的瞬态温度响应(如图中所示
度以获得血液灌注率眦的方法与技术方面作了大 的D,彳,B三点),将温度测量值与Pelllles模型计
量工作.但迄今为止,生物活体组织热参数的无 算值进行比较,采用参数估计方法,就可以获得
损测量技术还远未成熟和完善,亟待进一步研究 被测组织的主要热物理参数(如导热系数或热扩
和开发.基于两点法测量原理,本文提出一种新 散率)和热生理参数(如血液灌注率)等.
的能够无损测量柱状生物体主要热参数的三点 对于生物活体组织中的传热过程,目前应用
法,并对该方法的可行性进行理论分析. 最成功的是Pe衄es”1方程.柱坐标下柱状生物活
体组织的Pe衄es方程可以写为:
1测量原理和理论模型
所谓两点法是在施加热干扰的条件下,通过
其中,(pc)t为生物组织的体积热容量,七为导熟系
测量肋状物体表面的两点温度,确定被测物质的
数,wb为血液灌注率,c“为血液比热容,兀为动
热扩散率参数的一种瞬态测量方法【4】.基于两点
脉血液温度,gm为体积代谢热.这里假设在测量
法的测量原理和生物体的传热特点,本文提出了
温度范围内,生物组织各向同性,且热参数均为
一种新的柱状生物体热参数的无损测量方法,其
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