热传递法无创测量血液流速.docx

1、第27卷第6期增刊2006年6月仪器仪表学报ChineseJournalofScientificInstrumentVol.27No.6Jun,2006热传递法无创测量血液流速III李俊峰唐飞徐效文王东生（清华大学精密仪器与机械学系北京100084）捎宴介绍了一种利用人体皮肤和接触导体的热传递来无创测量局部皮肤组织血液流速的方法.该方法使用热量作为指示剂，利用血液是人体体内主要热传递媒介的特性.通过测景人体皮肤组织表面温度和接触导体的温度变化曲线，对获得的金属导体温度曲线进行归一化并求平均得到表征血液流速的数值.实验结果表明，该数值与血液流速具有很好的相关性，该装置实现了对人体皮肤组织的血液流

2、速的快速测量，而且结构简单、方便实用.关词热传递血液流速无创NoninvasivemethodofmeasuringbloodflowratebyheatdiffusionLiJunfengTangFeiXuXiaowenWangDongsheng(DepartmentofPrecisionInstrumentsandMethodology»TsinghuaUniversity*Beijing100084,China)AbstractAnoninvasivemethodofmeasuringthebloodflowrateinthecutaneoustissuebyheatdiffu

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

4、hatisrelatedtothebloodflowratewasderivedfromthecurve.Theresultsshowedstrongcorrelationbetweenthevalueandthebloodflowrate.Thedevicecouldquicklyrealizethemeasurementofbloodflowrateinthecutaneoustissue*andthemeasuringsystemwassimpleandpractical.Keywordsheatdiffusionbloodflowratenoninvasive1引言微循环是血液从细小的

5、微动脉流经毛细血管到达微静脉的血液循环过程。微循环当中正常的血流灌注是保证物质交换的必要条件.是体内组织执行正常生理功能的前提.组织血液流速姑表征微循环的主要参数。目前,国内外常用的测最血液流速的方法有：多普勒方法、侃同位素法和热流动法等.多普勒方法包括超声多普勒方法和激光多普勒方法这两种方法都是利用反射光波、声波的多普勒频移来计算血液的流速,目前已经有成熟的产品，但是价格昂贵；侃同位素法通过探测注射到局部组织的侃同位素的流失速度来测量血液流速。这是一种侵入式的方法，该方法使用具有放射性的物质，对测试者伤害大I热流动法的原理是将皮肤局部组织加热到一定温度.撤走热源.通过测虽局部组织的温度变化获

6、得血液流速，目前已经有了相关产品，但其结构复杂，热传导法也利用热址作为指示剂，但无需加热人体表面组织，只需将金属导体与皮肤组织接触.测量皮肤温度和金属导体的温度变化曲线，经过处理就可以得到表征血液流速的数值,而且结构简单，容易实现。本文对热传导法进行了理论推导、模拟仿真，设计了系统并进行了实验-实呛结果与多普勒方法获得的结果有很好的相关性.2原理与仿真基本原理如图1所示.将一个温度低于皮肤温度的导热体与皮肤接触以后，由于存在温度差.在皮肤与金属之间会产生热传递。皮肤的温度变化以后,血液与皮肤之间的温差会产生热交换。血液向皮肤交换的能最为：图1基本原理图dwj=(T2T!)XcjXp)Xv,Xd

7、t(1)式中：T?是皮肤的温度，T,是血液原来的温度，是血液的热容，防是血液的比重v,是血液的流散。在dt时间内，手指接触点向金属导体传递的能fit为：dw2=T2Tj(O)Xu：Xdt(2)式中；T(O)为和手指接触点的金属导体温度，&为手指皮肤和金属导体的交换当中的热传导系数.在金属导体内，能量传递的公式为，dwJ4(x)=T+(x)uiXsXdtdw3(x)=Tf3_(x)u(XsXdt(3)式中:dwJ+是金属棒内任意一点向正方向传递的能ft.dw,.是金属棒内任意一点从负方向传递过来的能锹，TL是温度的右导数,T'是温度的左导数，山是金属导体的热传导系数；s是横截面积

8、。手指皮肤的能鼠变化为血液向手指皮肤传递的能艮和手指皮肤向金属导体传递的能鼠差：dT2XmxXc2=dw,dw2=(T2T|)XciXplXvIXdtT2-T3(O)Xu2Xdt(4)式中：m?为手指皮肤的等效质量，q为手指皮肤的等效热容。金属导体与皮肤接触点的温度变化方程式为：dT3(0)XsXpjXc3=dw2dw1+(0)=T2T3(O)Xu2XdtT3+(x)uiXsXdt(5)式中：防是金属导体的密度，c,是金属的热容，s是金属导体的底面积。金属导体内部的温度变化方程式为：dT3(x)XsXp3Xc3=dw3_(x)dw3+(x)=T3_(x)XUiXsXdtT3+(x)XUiXsX

9、dt(6)金属导体另一端温度变化方程式为：dTj(L)XsXpjXc3=dwj.(L)=T/J_(x)XUjXsXdt(7)式中：L为金属导体的长度。对于式(4)、(5)、(6)、(7)将微分公式转化为差分公式，进行编程计算可以获得在不同血液流速的条件下，皮肤和金属棒上任意一点的温度变化曲线.理论上金属棒上任意一点的温度变化曲线都可以反映血液流速的变化。仿真的条件为：血液温度为33*C，皮肤温度为331、金属导体温度为23P,血液流速为1和2。为了便于对不同皮肤温度和环境温度下的温度曲线进行比较，将金属导体的温度进行归一化，公式为：y(t)=(T,(t)-Tl)/(Ts-T()(8)式中：y(

10、t)是温度归一化值，T.(t)是金属棒接触点的温度值是金属棒初始温度，T,是皮肤的初始温度。金属棒上与皮肤接触点的温度变化归一化曲线如图2所示,点线代表血液流速为2的情况，实线代表血液流速为1的情况.将归一化曲线进行面积积分平均.获得均值。从图中我们可以清楚地看出，对于不同的血液流速，金属导体的温升曲线不同.血液流速快的时候,金属导体的温度升高速度快，均值大.如图3所示，实验系统的硬件主要包悟探测头、前放滤波电路、AD转换器和计算机。软件部分主要由VB编写的采集界面和显示界面以及matlab的后续处理程序组成。探测头/ADCAit算机系统图3系统框图如图4所示，探测头由红外温度传感器、热敏电阻

11、、金属棒以及固定部分组成.金属导体顶端突出一部分用来增加与人体皮肤表面的压力，使接触更加充分。外套和支架使用有机玻璃制作.热容小，导热系数低，在测相期间可以起到保温的作用.降低环境对测最系统的影响。红外温度传感器用来测量人体皮肤表面温度,热敏电阻用来测量金属导体的变化曲线。系统的影响。红外温度传感器用来测量人体皮肤表面温度,热敏电阻用来测量金属导体的变化曲线。2lor2oof-l90Fl8OH"160l-15or"0.320.340.36038妇一岫直130120图4探测器机械结构图图5探浪I头和信号处理电路采用BIOPAC公司MP150A-CE生理记录仪的多普勒血流计的测

12、量值作为标准流速，在不同状态下对人体手掌皮肤的同一点的血液流速进行多次测量.并与设计的实验系统获得的数据进行比对。图6是实验系统采集得到的温度曲线均值和多普勒血流计测址得到的血液流速之间关系。Y轴的单位是BPU（血流灌注单位）。使用最小二乘法得到拟合直线的方程为：y=-121.9191+750.1736x.图6积分面积与血液流速的关系4结论归一化的温度曲线均值与血液流速之间表现出很好的线性关系，说明仿真结果是正确的,使用该方法测量血液流速切实可行。基于该方法的系统结构简单、易于实现、测量速度快。参考文献GERRITS,RONALDJ,etal.Lasei-DopplerflowmetryutilizingathinnedskullcranialwindowpreparationandautomatedstimulationCJj.BrainResearchProtocols,1998,3(1)：14-21.1 MIDTGARDU,HALESJR,etal.Skinbloodflowinsheep：comparisonofxenon-133washoutandradioactivemicrospheretechni