（工程热物理专业论文）基于组织光学方法的生物体导热系数研究.pdf

中文摘要 生物传热学主要是研究生物体的传热传质规律，是生物学、热物理学与 临床医学的交叉。本文运用跨学科的研究方法，进行了舌体导热系数实验与 计算的研究。这是生物传热学领域众所关心的课题之一，同时也是从热科学 的角度研究中医舌诊机理必须解决的一个重要问题。本论文研究的内容是， 基于组织光学和人工神经网络理论，设计一种新的导热系数测量方法，不以 导热微分方程和导热系数的表达式为依据，只需借助与导热系数相关的某些 参量，应用数值模拟的方法获得导热系数。 本论文应用f t - i r 光谱仪和双积分球测量系统设计实验，获得不同条件 下生物体的组织光学特性参数。将组织光学特性参数的实验数据和热物性参 数的经典数据，共同作为构建人工神经网络的数据基础。即将吸收系数、散 射系数、各向异性因子定义为输入变量，将相应的导热系数定义为目标变量， 按照选取的网络学习方法，对神经网络进行学习训练，利用其仿真特性得到 生物体导热系数。 经研究发现，基于神经网络算法，可以构建组织光学参数与生物热物性 参数之间的非线性映射。由实验及计算可知，猪舌温度2 0 ，其导热系数的 平均信为0 6 8 w ( m k ) ，在1 0 至2 5 。c 的温度范围内，舌体导热系数变化不 大，约从0 6 7 w ( m k ) 变化至0 6 8 w ( m 0 ，温度对猪舌导热系数的影响不 明显；猪舌纵向截面的导热系数略高于横向截面的导热系数，说明由舌中向 舌两侧的导热导热性能优于由舌根到舌尖的导热性能，这种微观的差异用传 统的实验方法是无法了解的，而且从实验数据上证实生物组织属于各项异性 物质。 本文的创新点在于，利用组织光学的方法间接获得生物体热物性参数， 使组织光学领域和工程热物理领域实现成功交叉；应用人工神经网络的黑箱 思想，建立了一种全新的生物体导热系数测量计算方法。 本论文课题是国家自然科学基金州o ：5 4 0 7 6 0 6 7 ) 的资助项目。 关键词：导热系数生物传热中医舌诊组织光学人工神经网络 a b s t r a c t b i o 。h e a tt r a n s f e rs c i e n c e ，w h i c hm a i n l ys t u d i e st h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rl a w , i sa ni n t e r d i s c i p l i n a r ys c i e n c eo fb i o l o g y , t h e r m o p h y s i c sa n dc l i n i c a lm e d i c i n e t h er e s e a r c ho ne x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o no ft h et h e r m a lc o n d u c t i v i t y o ft o n g u ei nt h i sp a p e ri sd o n ew i t ht h em e t h o do fi n t e r d i s c i p l i n a r ys c i e n c e w h i c h i sw e l lk n o w ni nt h ef i e l do fb i o h e a tt r a n s f e rs c i e n c e f u r t h e r m o r e ，a sat o p i co f c o m m o nc o n c e m ，i ti sak e yp r o b l e mt h a th a st ob es o l v e dd u r i n gt h et o n g u e i n s p e c t i o ni nt r a d i t i o n a lc h i n e s em e d i c i n em e c h a n i s mb ya d o p t i n gt h e o r ya n d m e t h o do ft h e r m a ls c i e n c e b a s e do nt h e o r i e so ft i s s u eo p t i c sa n da r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k t h i sp a p e rd e s i g n san e wm e t h o do fm e a s u r i n gt h e r m a lc o n d u c t i v i t y , w i t h w h i c hn u m e r i c a lc a l c u l a t i o ni sa p p l i e dt oa c q u i r et h e r m a lc o n d u c t i v i t yj u s ti n v i r t u eo ft h er e l a t e dp a r a m e t e r si n s t e a do fd i f f e r e n t i a le q u a t i o na n de x p r e s s i o no f h e a tt r a n s f e r t h ef t - i ro p t i c a l s p e c t r o m e t e ra n dt h em e a s u r i n gs y s t e mo f d o u b l e i n t e g r a t i n gs p h e r e sa r eu s e di nt h ee x p e r i m e n ti no r d e rt oa c q u i r et h eo p t i c a l p a r a m e t e r s o fo r g a n i s mi nd i f f e r e n te x p e r i m e n tc o n d i t i o n s b a s e do nt h e e x p e r i m e n t d a t ao f o p t i c a lp a r a m e t e r s a n dt h ec l a s s i cd a t ao ft h e r m a l c o n d u c t i v i t i e s ，t h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki se s t a b l i s h e d a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t ， d i s s i p a t i o nc o e f f i c i e n t ，a n da e o l o t r o p i s mc o e f f i c i e n ta r ed e f i n e da si n p u tv a r i a b l e ， a n dr e l a t e dt h e r m a lc o n d u c t i v i t yi sd e f i n e da st a r g e tv a r i a b l e c o n s e q u e n t l yt h e n e u r a ln e t w o r ki st r a i n e d ，a c c o r d i n gt os e l e c t e dl e a r n i n gm e t h o d s f i n a l l yt h e t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fo r g a n i s mi sa c q u i r e db ye m u l a t i o nc o u r s e f r o mt h er e s e a r c h ，t h ea u t h o rc o m e st or e a l i z et h a tn o n l i n e a rm a p p i n go n o p t i c a lp a r a m e t e r sa n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t yc o u l db ee s t a b l i s h e db ya r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r k t h er e s u l ts h o w s ，o nt h ec o n d i t i o nt h a tt h et e m p e r a t u r eo fp i g t o n g u ei s2 0 ，t h ea v e r a g eo ft h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yi s 0 6 8w ( m 足) m o r e o v e r , i nt h er a n g eo f1 0 ct o2 5 c ，t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fp i gt o n g u e c h a n g e sf r o mo 6 7 w ( m k ) t o0 6 8 w ( m k ) s oi t i sn o te v i d e n tt h a tt h e t e m p e r a t u r eh a sa l li n f l u e n c eo nt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fp i gt o n g u e t h e c o n d u c t i v i t yo fp i gt o n g u ea tv e r t i c a ls e c t i o ni sh i g h e rt h a nt h a ta th o r i z o n t a l s e c t i o n , w h i c hs h o w st h a tc a p a b i l i t yo fh e a tt r a n s f e rf r o mt h em i d d l eo ft o n g u et o e d g ei sb e t t e rt h a nf r o mt h er o o to ft o n g u et ot i p a n dt h i sk i n do fd i f f e r e n c ei n m i c r o s c o p i cv i e wc a n n o tb ea c h i e v e dw i t ht r a d i t i o n a le x p e r i m e n t s a tl a s t , t h e o r g a n i s mi sp r o v e dt ob e l o n gt oo e o l o t r o p i cs u b s t a n c e t h ei n n o v a t i o n so f t h i sp a p e rl i ei nt h ef o l l o w i n g t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f o r g a n i s mc a l lb ea c q u i r e db ye x p e r i m e n t o ft i s s u eo p t i c si n d i r e c t l y ，a n dt h e t h e r m o p h y s i c sa n dt i s s u eo p t i c sc a rb ej o i n t l ya p p l i e df o rt h a ta c h i e v e m e n t an e w m e t h o do fm e a s u r i n gt h e r m a lc o n d u c t i v i t yc a nb ea p p l i e d ，t r a d e rt h ed i r e c t i o no f t h e o r yo f a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k t h i ss t u d yi s s u p p o r t e db yc h i n e s en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o n f n 0 ：5 4 0 7 6 0 6 7 ) k e yw o r d s ：t h e r m a lc o n d u c t i v i t y , b i o h e a tt r a n s f e r , t o n g u ei n s p e c t i o n i n t r a d i t i o n a lc h i n e s em e d i c i n e ，t i s s u eo p t i c s ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取褥 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘洼盘堂或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 一躲f 玎曼一期：游歹胱百 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规 定。特授权墨洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位敝储躲积 签字日期：淞6 年歹月钐日 导师签名：访讪 签字日期：力印6 年 月够日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 生物学和热物理学的交叉学科一生物传热学 1 1 1 生物传热学的发展概况 现代科学研究表明，生物的生存依赖于自身与环境间的物质和能量交换。 在纷繁复杂的能量交换过程中，由热运动引起的能量交换是重要的交换方式 之一，然而当今人类对自身热现象的认知仍存在很多不足，例如，生命体保 持恒温的发热机制，局部组织热异常与致病及康复的关系等。1 9 9 7 年6 月， 香山科学会议第7 7 次学术讨论会以“生命科学中的热物理问题”为主题，举 行了一次学科跨度很大的探讨生物热物理前沿问题的讨论会【l 】。这次会议从宏 观和微观的角度讨论热物理学在生物医学工程中的应用，探讨患病表征的发 热现象及高温和低温疗法中的热传递问题，指出期望本次会议能使热物理学 与生命科学的交叉在更深层次上有所进展，并认为热科学的深入研究是揭示 生命奥秘的一座重要的桥梁。 生物传热学是生物医学工程领域内交叉于生物学、热物理学、临床医学 等诸多领域最新的学科分支之一，其核心在于探索作为生命最基本特征的物 质和能量传输规律，并加以有效利用，其内容在生物医学工程领域中具有极 其重要的理论意义和应用价值 2 j 。 生物传热学研究细胞、皿细胞到组织、器官直至整个生物体的传热传质 特性，成为横跨诸多领域的最新的学科生长点，是当今学术界竞相关注的前 沿。其研究内容主要包括以下三方面问题： 1 生物体传热、传质过程的定性分析和定量描述； 2 传热、传质过程中具有重要意义的热物性参数的获得； 3 生物体空间温度场的无损重构。 其研究涉及很多方面，仅举几例说明： 1 热环境对基本生命现象的有效作用； 2 生物组织细微解剖结构与传热传质关系的分析； 3 医疗工程中提出的最佳“热疗剂量”，包括温度水平、作用时间、温度 变化速率等诸多因素的描述； 第一章绪论 4 超声治疗中温度水平和加热范围的控制； 5 对生物工程中冷冻保存领域中相变问题的研究等等。 所有这些涉及问题的研究必将极大的丰富和发展工程热物理学科的理论 体系，也将给生命科学、生物医学工程带来若干全新的概念和命题，并提供 相应的研究手段，任何突破和创新都会带动相关领域的前进和发展。 1 1 2 生物传热学的基本特点 从局部来看生物组织与一般工程材料相比，其结构异常复杂，很难视为 各向同性、均匀的介质，特别是其独特的血液和体液循环更增进了传热传质 过程研究的复杂性。基于生物体的生理特性，生物组织的热量交换方式涵盖 了自然界中热量传递的三种基本方式，具体如下： 1 固体组织的导热； 2 血液和体液的对流换热； 3 与外界环境的辐射换热。 生物体的传热过程伴随有传质过程和各种生理过程，如呼吸过程、血液 循环过程、代谢过程、消化过程等，所有这些过程都服从能量守恒定律和热 力学定律。而且生物体的传热是一个不稳定的低传导热流和典型的小温差传 热过程1 4 j ，因此温度对生命系统的影响在微米及纳米级别上都有所体现。 从整体来看，生物体是一个高度有序的系统。就热方面而言，生物体都 存在一个复杂的温度感觉和控制系统，即生命系统对热刺激信号有着主动响 应的能力，因此生物体内的传热过程受到各种生理机制的控制，来维持稳定 的体温。因此可以说，生物系统的传热问题浓缩了自然界中许多较为复杂的 传热机制。 总之，生物系统的传热问题浓缩了自然界中许多最为复杂的传热机制。 由于生物个体的高度变化性、组织和功能的差异性、边界和初始条件的多样 性，以及在不同的生物组织中能量平衡分析形式的多种多样，无论从广度还 是从深度看，生物传热学研究都远未得到拓展。 1 1 3 生物传热学应用于中医舌诊机理方面的研究 近年来，中医、中药现代化研究的课题已引起我国乃至世界各国的高度 重视。但与当今现代医学的发展相比，还有相当大的差距。中医讲究整体观 念、辩证论治，但理论阐述较为笼统，对疾病的认识与治疗往往缺乏精确的 第一章绪论 客观指标作为依据。因此对于生命意义上更深层次的研究，如果仅靠中医自 身的探索是非常困难的，必须从中医学自身发展的需要出发，积极地应用多 学科的方法与技术，才有可能取得较大的突破。 “望舌而知疾病之所在”是中医临床诊断的特色。中医学认为舌是唯一 可以内窥机体脏腑的外候器官，它可以反映人体的脏腑虚实、气血盛衰，舌 质和舌苔的变化都可反映人体的病症，即通过对舌的观察来判定疾病所在。 舌诊理论形成、发展及成熟的过程集中体现了历代医家的经验和智慧，是中 华民族的宝贵财产。半个世纪以来舌诊基础理论研究虽取得了很大的进步， 但仍存在不足之处。其原因之一就是学科单一而且受传统观念或人为感官能 力的影响，这不但直接制约着中医诊疗水平的提高，而且很难摆脱经验医学 的束缚，使中医理论的完善与升华难以出现突破性的进展。由此可见，对于 舌诊理论的继承和发展要建立在现代科学研究基础的平台上，用定量化的手 段进行中医舌诊机理研究，使其能在理论研究上有所突破。生物传热学研究 的是生物体的传热传质规律，对舌体传热问题进行定量分析，则对舌体三维 空间传热过程的研究至关重要。这是迄今为止生物传热领域内较为困难的课 题之一。而舌体的热物性参数对舌体三维温度场的获得至关重要，因此生物 体导热系数的测定也是研究中医舌诊诊断机理的关键问题之一。 1 2 生物组织重要的热物性参数一导热系数 1 2 1 导热系数研究的发展概况 导热系数a 是表征材料导热性能优劣的参数【5 1 ，它随材料的物理结构和热 力学变量的变化而变化。 随着物质分子运动论的发展，对导热系数的真实本质有了更深刻的认识。 从物理学的微观观点来看，导热系数是一个非平衡态的性质，所以它的测定 是基于测量恢复热平衡所需要的时间，或称松弛时间。数值上等于在单位温 度梯度作用下物体内产生的热流密度矢量的模。 生物组织热物性参数的获得属于生物传热领域中的基础研究，生物组织 热物性参数对于临床医学中预示体内温度分布及其变化情况以及了解生物材 料的传热传质特性具有十分重要的意义。 舌体导热系数作为重要的热物性参数，可以反映舌体热生理过程数学模 第一章绪论 型的正确描述，关系到正确分析在正常和异常生理条件下舌体能量的转换情 况，并最终关系到如何构建舌体温度分布和中医舌诊机理研究之间的普遍联 系。舌体导热系数的获得为探索解释证候与舌体温度场的内在关系，为中医 舌诊的机理研究提供依据，同时也为生物传热学的发展奠定基础。舌体属于 典型的肌性纤维组织结构，其导热系数也因为组织结构复杂和旺盛的血液循 环个体差异大，在保证其活性的条件下不易获得，现今有关舌体导热系数测 量和计算的研究还鲜有报道。 1 2 2 导热系数的测量方法 1 2 2 1 方法介绍 导热系数的测量方法从原理上可分为稳态法和非稳态法。 稳态法被视为经典的导热系数测量方法，得到极为广泛的应用。此方法 对应的微分方程形式简单，单值性条件容易获得，导热系数的表达式可以用 显函数的形式表示，但是此方法仅限于几何形状简单的规则物体，而且实验 装置比较复杂，安装困难，实验成本高。近年来随着科技水平的提高，非稳 态法得到较快的发展。此方法的应用范围广，适用于各种形状的被测物体。 但非稳态方法的导热方程比较复杂，边界条件难以准确确定，获得准确的温 度随时间的规则变化关系非常困难。两种测量方法的对比如下所示： 表1 - 1 导热系数测量方法的比较表 以下介绍几种导热系数测量方法，除了特定形状法外，其他均为非稳态 法，具体如下。 第一章绪论 1 特定形状法 6 1 ： 将被测材料制作成规则的几何形状，利用已有规则几何形状解析解的有 力条件设计实验，根据测得的内外部温度得到导热系数。 通常基于稳态导热理论的测定方法，包括“无限大平板层法”，“无限长 圆筒层法”及“球体层法”三种方法。 2 光热偏转热扩散法【7 州： 如图1 1 所示，一个经时间调制的激 光作用于被测介质产生周期性的调制热， 导致介质反射率变化，体现为另一束穿过 反射率变化区的激光束发生偏转。而且由 于介质本身微观特性不同，不同介质经激 光激励后所体现的反射情况也各不相同。 建立了探测光信号的偏转程度和导热系 彬 图i - 1 光热偏转热扩散法原理图 数的函数关系，通过测量探测光束的偏转量获得导热系数。 相类似的测量方法还有交流量热法【1 0 】，闪光法【l l 】和光声法1 1 2 , 1 3 ： 交流量热法，激光束经调制后照射在样品上，样品上呈现出与调制频率 同频的交变温度波，建立了导热系数和样品表面交变温度波的关系； 闪光法，在样品的一面施加脉冲激光，激光能量转化为瞬态热流，使得 样品温度升高，建立了法向导热系数和样品另一面的温度变化的关系； 光声法，激光经调制后激励样品，样品吸收光能后，伴随无辐射退激发 现象的发生，必然出现样品温度的变化，就可以检测由于样品温度变化引起 的周围气体压力变化。而样品温度的变化又依赖于样品的热物性参数，从而 建立了导热系数和周围气体压力变化的关系。 此类方法的共同点都是利用调制的激光激励被测介质，通过测量激励后 介质光学参量和热参量的变化最终获得导热系数。 3 热线法【1 4 】： 此方法的基本原理是在均匀的各向同性试样中放置一根电阻丝，即热线。 当热线以恒定的功率放热时，热线和其附近试样的温度将会随时间变化，根 据热线表面温度随时间变化的关系，可确定样品的导热系数。数学推导详见 附录i 。 在热线法的基础上进行改进，形成了平行线比较法，断电热线法【懈， 双热线法1 1 ”。此三种方法的数学推导详见附录i 。 第一章绪论 相类似的测量方法有单带法【1 8 1 和t h r e eo ) 法【1 9 l ： 单带法，在被测物体上面利用光刻技术形成了一条金属带，相当于热线： t h r e e a ，法，在待测样品表面设置一条带有4 个接触点的金属线，外面两 个接触点用作加热源，中间两个接触点作为量热器，建立了导热系数和温度 波波长的关系。 4 热针法 2 0 - 2 5 1 ： 此方法基于p e n n e s 2 6 1 生物传热方程，是现今测量生物组织热物性参数的 常用方法。其基本思想是通过温度控制装置在热敏电阻探针上产生一个恒定 的温度变化，由维持温度变化所需要的放热量和时间的关系曲线来求取热物 性参数。具体的数学推导详见附录i i ，样品的导热系数可以表示为 旯：皇一 ( 1 1 1 c 喜焉罕一t o e x p ( 筹f ， 一 其中为体积血液灌注率，c b 为血液定压比热，c p 为组织的定压比热， 正为组织初始温度，瓦为动脉血液温度。 在以上方法的基础上，v a l v a n o 和b o w m a n 于1 9 8 4 年提出的模型考虑了 探针本身导热的影响，即采用了复合导热模型。具体数学推导详见附录i i ， 样品的导热系数可以表示为 五。丽历行( 1 - 2 ) q 5 九 其中a 为热敏探针的半径和a 为热敏探针导热系数。 5 等效澍”1 ： 对于经历相变的各向同性的材料，可以按照多孔介质分析处理，在求解 热传导方程的基础上，可推导出计算界面处固相或液相的有效导热系数，即 建立有效导热系数和多孔介质孔隙率、等效密度、相变潜热的关系。 相类似的测量方法还有相界面移动速率法。此方法是在物质熔化和凝固 过程中用相界面移动速率来测定固液相熔点附近导热系数。 6 分子动力学法： 在微小尺度范围，常规尺度下的传热规律已经明显不适用。此方法通过 求解系统中的特定分子、原子间的作用势，计算系统外加约束作用的n e w t o n 第一章绪论 运动方程，并统计计算系统的平衡参数和输运性质从而得到导热系数。 1 2 2 2 方法分析 由现阶段各种导热系数的测量方法，可以得出： 1 大部分传统的导热系数测量方法只适用于普通的工程材料，而对于具有 活性，结构复杂，个体差异大，各向同异性因素不易把握的生物材料具有很 大的局限性： 2 唯一适合测量生物材料导热系数的热针法，由于其自身存在着诸多不确 定因素，如测量范围有限，实验条件要求严格，结果误差较大等一系列不利 条件制约着此方法的在本研究中的应用； 3 由光热偏转热扩散法、闪光法、光声法、交流量热法等方法看出，现阶 段导热系数的测量方法已经不拘泥于传统的思维模式，开始探索光学和传热 学的联系，从光学的角度探索导热系数的测量方法，并且具有较完整的理论 依据和合理的数据结果； 4 无论是稳态法还是非稳念法，其理论依据都是基于导热微分方程，根据 相应的单值性条件，得到导热系数的表达式。然后通过实验的方法测量表达 式中的某些相关参量，最终获得导热系数的数值。是否可以设计一种新的测 量方法，不以导热微分方程和导热系数的表达式为依据，只需借助与导热系 数相关的某些参量，通过数学技巧运算来获得导热系数。 探索一种新的生物组织导热系数的测量计算方法是本文研究的重点部 分。 1 3 光学领域的新兴学科一组织光学 1 3 1 组织光学的发展概况 组织光学是一个从光学中衍生出来，与生命科学相互交叉、相互渗透的 新兴学科。基本内容是研究光在生物组织中的传播规律和特性，确定一定条 件下光辐射能量在生物组织中的分布情况。光与生物组织的相互作用极其复 杂，涉及面很广，理论上可以归纳为热效应、力学效应、光化学效应、电磁 场效应和生物刺激效应等。组织光学的基本研究方法是基于组织光学特性参 数，简称光学参数，如吸收系数、散射系数和各项异性因子等，根据一定的 物理模型，利用解析理论和数值理论，计算或模拟得到光在组织中的分布。 第一章绪论 组织光学的应用在临床医学工程领域中为诊断和治疗提供依据，具有极其重 要的理论意义和应用价值。 组织光学的发展与光在临床医学上的应用是一种同时存在、相互促进共 同发展的关系。首先，它通过检测光在生物组织中传播的特性计算出生物组 织内的光空间分布，并借此确定生物组织的光生理特性；其次，根据生物组 织的反射光或者透射光信号来检测组织成分和结构的变化，如血液中血糖、 血氧浓度的变化等，为临床提供方便可靠的生理参数指标。 目前国际上组织光学领域的研究处在发展时期，其中部分代表人物有： a j w e l c h ( u n i v e r s i t yo f t e x a s a u s t i n ，组织光学与光谱学) ； b c h a n c e 和 a gy o d h ( u n i v e r s i t yo fp e n n s y l v a n i a ，光学成像与光谱学) ； s l j a c q u e s ( o r e g o nm e d i c a ll a s e rc t r ，光诊断与光治疗的基础和应用) ；l i h o n gw a n g ( t e x a s a v l u n i v e r s i t y ，蒙特卡罗模拟研究和声光成像) ；v vt u c h i n ( s a r a t o v s t a t e u n i v e r s i t y ，组织光学) 等。国内在这一领域的发展起步较晚，从事生物 光学方面研究的单位有福建师范大学、浙江大学、西安交通大学、华中科技 大学和天津大学等。 1 3 2 组织光学与生物传热学的交叉结合 在研究组织光学的过程中，众多文献中采用i n t r a l i p i d 【2 b 3 n 、聚苯乙烯旧、 牛奶1 3 3 。5 l 等浑浊介质作为研究对象，因为它们的吸收、散射性质比较稳定， 与生物组织在光学特性上有很大的相似之处。 光与介质相互作用后，会发生频率或偏振态改变、相干效应，热效应、 声光效应等现象【3 6 】，因此分别利用这些变化效应对介质加以研究，根据作用 后的效应不同设计不同的研究方法，一般利用能量的变化这一特性反映光和 介质的作用机理。 将组织光学的理论和研究方法应用于介质成分浓度的测量，介质中成分 浓度变化必然引起介质内光分布改变，通过检测反映成分浓度变化的组织光 学特性参数，并且获得光辐射能量在介质中的分布。在此基础上借助于相应 的信号提取方法和数学建模方法，得到光能量信号变化与浑浊介质中成分浓 度变化之间的联系。 1 3 3 组织光学对本研究的借鉴意义 基于组织光学理论，组织光学特性参数描述光与介质的相互作用，是物 第一章绪论 质微观特征的体现。热物性参数是表征物质各种热特性，也是由物质微观结 构决定的。不同微观特性( 包括组成、结构等) 物质的组织光学参数必然有 所差别，热物性参数也具有相同的性质。 那么均由微观特性所决定的组织光学特性参数和热物性参数之间是否具 有某种客观联系是本研究的重点。鉴于组织光学特性参数和物质成分的浓度 已经得到定量化的关系，尝试建立组织光学特性参数和热物性参数的联系。 本研究的难点在于光学和热学是两个不同的研究领域，虽然组织光学特 性参数和热物性参数都是物质本质属性的体现，但要建立完整的数学描述是 相当困难的，而且组织光学特性参数和热物性参数之间的联系不是简单对应 关系，而是具有相互耦合的特性，而且影响组织光学特性参数和热物性参数 的内在、外在因素很多，将诸多影响因素进行合理的整合并建立起合理的数 学模型在现阶段尚无法达到。 至此需要一个数学工具，可以仅借助于输入和输出数据，透过数学运算 技巧来决定系统模式。只要把握输入输出变量，就可以由输入变量到输出变 量的映射关系，这就是心理学界或科学界称之为黑箱的方法学原则。本文将 组织光学特性参数作为黑箱模型的输入变量，而将热物性参数作为输出变量， 所研究的问题转化为如何利用数学工具建立从组织光学特性参数至热物性参 数的非线性映射，而人工神经网络可以满足本课题研究的要求。 1 4 黑箱建模工具一人工神经网络 1 4 1 人工神经网络的发展概况 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 是人为建立由大量功能简单的 形式神经单元通过一定形式的拓扑结构组织起来，构成群体并行、分布式处 理的计算结构【3 7 1 。它有着巨量并行性、存储分布性、结构可变性、高度非线 性、自学习性及自适应性等特点。 神经网络是根据研究对象的输入输出信息，不断地对内部参数进行分析、 筛选、概况、抽象，以实现从输入参数到输出参数的非线性映射，整个学习 过程不需要机理方面的细节知识，即无需了解其内部的具体联系，神经网络 就是一种典型的黑箱建模工具，利用其学习功能对大量过程变量的实时数据 进行自主学习，并根据学习的过程建立数学描述。当常规方法无法解决或效 第一章绪论 果不佳，特别是机理等规律不甚了解，或不能用数学模型表示的系统使用神 经网络体现其优越性。另一方面，神经网络对处理大量原始数据而不能用规 则或公式描述的问题，表现出极大的灵活性和自适应性。此外，神经网络可 以根据来自机理模型和实际运行对象新的数据样本进行自适应学习和调整， 从而增加系统的泛化能力、容错能力并提高系统的智能性【3 8 】。与其他建模方 法相比，所具有的优势如下： 1 较强的学习能力； 2 较强的适应能力； 3 是一个真正的多输入多输出系统。 在现代高新技术的发展过程中，神经网络理论应用的越来越广泛，取得 了令人瞩目的进展，在人工智能、自动控制、计算机科学、信息处理、机器 人设计、模式识别、c a d c a m 等方面都有重大的应用实例【3 9 】。它已是很多 科研领域不可缺少的实用工具，正日益受到科技人员的重视，并且随着一些 挑战性的工程问题的解决，许多新的神经网络模型和算法正在不断的丰富着 神经网络本身。 迄今为止的神经网络研究，大体可分为三个大的方向： 1 探求人脑神经系统的生物结构和机制，实际上是神经网络理论的初衷。 2 用微电子学或光学器件形成特殊功能的网络。 3 将神经网络理论作为一种解决某些问题的手段和方法，这些问题在利用 传统方法时或者无法解决，后者在具体处理技术上尚存困难。 其中第3 个方向是本研究要借鉴的内容，即将人工神经网络作为建立组 织光学特性参数与热物性参数非线性映射的工具，从而达到由已知物质的组 织光学特性参数求取导热系数的目的。 1 4 2 人工神经网络的发展进程 3 7 1 神经网络的研究已有较长的历史，可以用两次较大的发展潮来划分其历 史事情： 第一次发展：( 1 9 3 4 年至1 9 6 9 年) 1 9 4 3 年心理学家m m c c u l l o c h 和数学家w p i t t s 合作提出的兴奋与抑制 型神经元模型和h e b b 提出的神经元连接强度的修改规则，开始了神经科学的 研究。 1 9 4 8 年w i e n e r 在其控制论的著作中提到了伺服机反馈自稳定系统的概 第一章绪论 念。 1 9 5 8 年e r o s e n b l a t t 首次引进了模拟人脑感知和学习能力的感知器概念。 1 9 6 1 年c a i a n i e l l o 发表了关于神经网络数学的神经网元方程，进而研究 了细胞有限自动机的理论模型。 1 9 6 2 年b w i d r o w 提出的自适应线性元件( a d a l i n e ) ，具有自适应学习的 功能。 在此期间，神经网络大都是单层线性结构的，进入2 0 世纪8 0 年代后， 传统的数学计算机在模拟视觉听觉的人工智能发面遇到了物理上不可逾越的 极限。第一次热潮结束。 第二次发展：( 1 9 8 2 年至今) 1 9 8 2 年物理学家h o p f i e l d 建立了著名的h o p f i e l d 模型理论，这是一个非 线性动力系统的理论模型，这一模型对人工神经网络信息存储和提取功能进 行了非线性数学概括，提出了动力方程和学习方程，使人工神经网络的的构 造和学习有了理论指导。 1 9 8 3 年s e j n o w s m 与h i n t o n 提出了大规模并行( m a s s i v e l yp a r a l l e l ) 学习 机，并明确提出隐单元( h i d d e nu n i t ) 的概念，应用于多层神经网络并行分 布的改变各神经元间的连接权，克服以往神经网络的局限性。 1 9 8 5 年k f u k u s h i r n a 在r o s e n b l a t t 的知觉器网络基础上增加了隐层，构 成了多层认知器，实现了可塑的反馈联系和更为普遍的前馈联系。 目前在研究方法上已形成多个流派，包括多层网络b p 算法，h o p f i e l d 网 络模型，自适应共振理论( a r t ) ，自组织特征映射理论等。1 9 8 7 年i e e e 召 开了很大规模的神经网络国际学术会议，国际神经网络学会随之诞生f 4 0 1 。 1 4 3 人工神经网络对本研究的借鉴意义 将组织光学特性参数定义为人工神经网络的输入变量，而导热系数定义 为人工神经网络的输出变量，只要把握住输入与输出之间的逻辑关系，就可 以实现系统的仿真，可以利用构建好的神经网络模型计算未知的导热系数， 基本步骤如下： 1 筛选出若干具有不同组成和微观特性的己知导热系数的物质，分别测量 这些物质的组织光学特性参数，作为构建神经网络模型的基础数据；并同时 测量未知导热系数的舌体组织光学特性参数。 2 用已知热物性参数物质的组织光学特性参数和导热系数通过对神经网 第一章绪论 络模型的学习、训练，即构建起组织光学特性参数和导热系数的非线性映射， 从而建立起基于人工神经网络的黑箱模型。 3 将舌体的组织光学特性参数作为人工神经网络的输入，通过人工神经网 络神经元的仿真获得舌体的导热系数。 1 5 本文研究内容和方法 本文运用跨学科的研究方法，进行了舌体导热系数实验与计算的研究。 这是生物传热学领域众所关心的课题之一，同时也是从热科学的角度研究中 医舌诊机理必须解决的一个重要问题。 1 5 1 研究内容 1 通过实验获得组织光学特性参数。 一组织光学是基于组织光学特性参数，研究光在介质中的分布规律。选取 若干个体现物质不同光学特性的组织光学特性参数，并利用组织光学的实验 方法获得实验样品的组织光学特性参数，并从热物理的角度分析组织光学特 性参数的影响因素。 2 通过计算建立组织光学特性参数和导热系数的非线性映射。 设计一种新的测量计算方法，不以导热微分方程为理论依据，无需导热 系数的表达式，只需与导热系数相关的某些参量，构建组织光学特性参数和 导热系数的人工神经网络模型，通过网络输入与输出间的映射关系获得舌体 的导热系数。 1 5 2 基本方法 1 选取具有不同组成和微观特性并已知热物性参数的各类物质作为实验 样品，包括高分子材料，金属材料，非金属日用材料，生物材料等，为组织 光学特性参数和导热系数非线性映射的可靠性和合理性提供支持。 2 利用双积分球系统测量并计算得到各个实验样品( 包括猪舌) 的组织 光学特性参数，如吸收系数以，散射系数。，各向异性因子g 。将此实验数 据辅以热物性参数的经典数据，作为构建人工神经网络的数据基础。 3 将物质的组织光学特性参数作为人工神经网络的输入变量，将相应的导 热系数作为目标变量，按照选取的学习方法规则，对神经网络进行学习和训 第一章绪论 练。在神经网络训练收敛的基础上，利用神经网络的仿真特性，将猪舌各截 面的组织光学特性参数作为神经网络的仿真输入变量，由此得到神经网络的 仿真输出变量，即得到舌体的导热系数。 第二章基于组织光学方法的实验研究 第二章基于组织光学方法的实验研究 2 1 光在介质中的传输理论，4 2 l 2 1 1 光在介质中的传输模型 光在介质中的传输模型玻耳兹曼传输方程，或称辐射传输方程( r a d i a t i v e t r a n s f e re q u a t i o n ) 为研究光子在组织中的传输与分布问题，以及设计合理的 实验提供了理论基础。玻耳兹曼传输方程最早是应用在大气传输问题中，在 1 9 5 0 年c h a n d r a s e k h a r 首先将玻耳兹曼传输方程引入描述光在散射介质中的 传输行为。 如图2 1 所示，空间，处的体积元截面积为删，厚度为幽。光子在介质中 的传输方程 4 3 郴】可以表示为 下a l ( r , j , t ) “v 地，印) = 一麒地，如) + hf ，砸，如) p ( i ，v ) a n + 跗，如) v讲 4 4 ( 2 - 1 ) 其中v 为光在介质中的传播速度； j 为考察方向的单位矢量； i - 为其它方向指向体积元的单位矢量； 0 2 , 为j 方向的立体角； l ( r ，j ) 为，处沿j 方向的辐射亮度5 l ( r ，j ，f ) 为辐射强度： s ( r ，j ，f ) 为光源产生的辐射强度； 4 p ( j ，j 为散射相函数； 图2 - 1 光子与介质作用示意图 三望g 墨尘为亮度在面时间间隔内的变化率； v讲 ；v l ( r ，；，t ) 为亮度在j 方向上的空间梯度。 玻耳兹曼传输方程用唯象的观点 4 6 1 来描述光在介质内的传播规律，从而 突破了数学求解麦克斯韦方程组的困难限制，使很复杂问题可以获得合理的 数学分析。但玻耳兹曼传输方程作为一个积分微分方程仍面临新问题，除部 第二章基于组织光学方法的实验研究 分简单情形下有解析解外，无法直接求解。因此，通常情况下只能采用各种 近似策略来求解方程。 2 1 2 组织光学特性参数 为了确切描述光与介质的相互作用以及研究光在介质中的传播和分布规 律，必须了解介质的主要光学特性参数，它是描述光学特性所必须的基本参 量 4 2 , 4 7 。 1 吸收系数以： 表示单位光程长上一个光子被吸收的几率，反映介质对光的吸收程度的 大小。 2 散射系数以： 表示单位光程长上一个光子被散射的几率，反映介质对光散射程度的大 小。 3 散射相函数p ( s ，s ) ： 光在介质内发生多次散射时，沿不同方向角传播的几率是不同的，p ( s ，s ) 表示发生散射时，光子从s 方向附近一个立体角d c o 。内到方向s 附近一个立体 角d c o 内的概率，如公式( 2 - 2 ) 所示 如渤2 云卿1 2 ( 2 - 2 ) 式中l f ( s ，j ) 1 2 可看作是