[發明專利]基于點熱源模型的生物體內部熱源強度和溫度分布的分析方法與裝置

有效

• 申請號: 201710908792.6
• 申請日: 2017-09-29
• 公開（公告）號: CN107802243B
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發明（設計）人: 李凱揚
• 申請（專利權）人: 武漢昊博科技有限公司
• 主分類號: A61B5/01
• 分類號: A61B5/01
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司 42104
• 代理人: 王和平;馮超

本發明公開了一種基于點熱源模型的生物體內部熱源強度和溫度分布的分析方法與裝置，該裝置由紅外CCD探測器、數據采集單元和計算機組成；本發明以Pennes生物熱傳導方程為基礎，通過點熱源模型求得Pennes方程的解析解。生物體熱源可視為由均勻分布的點熱源組成，各個點熱源通過獨立熱傳導形成溫度場，真實溫度場由各個點熱源形成的溫度場疊加而成。通過紅外CCD獲取生物體表面溫度分布數據，由表面溫度分布數據通過溫度擬合方法得到生物體內部熱源強度分布信息，進而得到體內溫度分布信息。生物體內部熱源強度和溫度分布反映了生物體與新陳代謝直接相關的功能信息，本發明為生物醫學分析提供客觀功能學依據。

技術領域

本發明屬于生物體測溫及細胞代謝產熱分析方法與裝置，也屬于生物醫學分析技術領域，具體地指一種基于點熱源模型的生物體內部熱源強度和溫度分布的分析方法與裝置。

背景技術

生物組織內與新陳代謝有關的傳熱、傳質以及生物體與環境之間物質和能量的交換過程是生命系統最基本的過程之一。人們對生物傳熱現象及其生物體內溫度分布規律的研究涉及生物體的熱量傳輸機制和傳熱特性，并已逐步形成了一門新興交叉學科——生物傳熱學。其內容涉及從細胞、亞細胞層次到組織、器官直至整個生物體的熱質傳輸過程。

與一般工程材料極為不同，生物系統表現了自然界最復雜的傳熱機制。從局部看，其結構異常復雜，很難看成各向同性、均勻的介質，特別是既有熱量傳遞、又有質量傳遞特點的血液和體液循環更增加了傳熱過程的復雜性。要定量確定由于生理原因，特別是血液所引起的能量傳遞非常困難。從整體看，生物體又是一個高度有序的系統，就熱方面而言。每種生物體都存在一個復雜的溫度感覺和控制系統，對熱刺激有著主動響應的能力。

此外，生物系統還是一個存在個體差異、不穩定、小溫差的低傳熱系統。這些特點要求生物傳熱研究中的溫度測量須具有較高的精確性和靈敏性，而這常常很難做到。另外，由于生物個體的高度變化性、組織和功能的差異性、邊界和初始條件的多樣性，無論從廣度還是深度看，生物傳熱過程及其機理研究都需要經歷一個艱巨和漫長的過程。

由于生物體內部的解剖結構、組織代謝、血液循環及神經狀態的不同，導致機體內部各部位的代謝熱分布不同，形成不同的溫度場。一般情況下，正常生物體的溫度分布具有一定的穩定性和對稱性。當生物體某處存在病變或功能發生改變時，該處血流和細胞代謝會發生變化，導致局部溫度改變，表現為溫度偏高或偏低。如果全身或局部溫度偏離正常，提示可能存在病變或損傷。因此，溫度是觀察與衡量生物體機能正常與否的最常用指標之一，獲取并分析全身或局部溫度是一種十分重要的分析手段。

1948年，Pennes等人提出了Pennes生物熱傳導方程：

式中T(x,y,z)是體內溫度場分布函數，ρ、c是機體的密度和熱容率，k是熱傳導系數，w_b、ρ_b、c_b是血液灌注率、血液密度、血液熱容率，T_a是動脈血溫度，Q_m是生物體內新陳代謝產生的熱量。

在生物傳熱研究和應用領域內，人們普遍認為：Pennes方程是迄今為止所有生物傳熱模型中最為合適的。如果通過儀器設備測量出生物體內的密度、熱容率、熱傳導系數、血液灌注率、血液密度、血液熱容率、動脈血溫度以及生物體內新陳代謝的熱量等參數，應用Pennes生物熱傳導方程就可求得生物體內部的三維溫度場T(x,y,z)。

但是生物體內新陳代謝的熱量往往無法用儀器設備進行活體測量，因此在實際應用過程中無法通過Pennes生物熱傳導方程直接求得生物體內部的三維溫度場T(x,y,z)。

解決這一問題可以采用求解反問題的方法：應用儀器設備探測得到生物體的體表溫度分布再結合生物體的邊界條件，理論上通過求解Pennes生物熱傳導方程即可得到生物體內新陳代謝的熱量分布，然后應用Pennes方程進一步得到三維溫度場分布。