發(fā)布時(shí)間：2020-11-04 14:07

　　 近紅外光譜無創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)有著快速,便捷和無創(chuàng)傷的特點(diǎn),對(duì)人體血糖等成分濃度的監(jiān)測(cè)和糖尿病等慢性疾病的治療有著重要意義,是今后無創(chuàng)檢測(cè)的主要研究方向。然而受到測(cè)量條件不確定性等的影響,目前在精度上還不能達(dá)到臨床應(yīng)用的要求,尤其在接觸式漫反射光譜檢測(cè)中,由于受到光纖探頭的接觸壓力、接觸溫度等因素的干擾,導(dǎo)致組織的光學(xué)特性發(fā)生改變,從而降低了光譜檢測(cè)的穩(wěn)定性和精確度。本文針對(duì)接觸溫度這一影響因素,對(duì)探頭與組織接觸過程中,皮膚層溫度場(chǎng)的變化規(guī)律做了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究,并根據(jù)研究結(jié)論提出一種光纖探頭優(yōu)化方案,最后通過在體實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性。自然狀態(tài)下,由于光纖探頭與皮膚組織表面存在一定的溫差,接觸后必然導(dǎo)致皮膚組織被測(cè)部位溫度場(chǎng)產(chǎn)生變化,為了研究這一因素對(duì)光譜測(cè)量的影響,本文首先根據(jù)經(jīng)典傳熱理論和Pennes組織熱傳導(dǎo)方程,建立了組織表皮層簡(jiǎn)化溫度傳導(dǎo)模型,并通過有限元分析方法,利用COMSOL軟件對(duì)探頭與組織接觸過程中組織皮膚層溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化過程進(jìn)行了模擬,研究了探頭材料的吸熱系數(shù)和探頭初始溫度兩個(gè)因素對(duì)組織溫度場(chǎng)變化影響的規(guī)律。發(fā)現(xiàn)探頭材料的吸熱系數(shù)越大,探頭初始溫度越低,接觸后組織溫度場(chǎng)變化越劇烈,穩(wěn)定后組織的溫度與初始溫度差別越大;組織皮膚層溫度場(chǎng)一直處于隨環(huán)境變化的動(dòng)態(tài)波動(dòng)中,探頭接觸對(duì)其產(chǎn)生的影響不單純體現(xiàn)在對(duì)皮膚表面溫度的改變方面,最重要的是體現(xiàn)在對(duì)皮膚層內(nèi)部溫度分布產(chǎn)生的擾動(dòng)方面,即便在皮膚表面溫度變化達(dá)到穩(wěn)定之后,皮膚內(nèi)部溫度仍會(huì)持續(xù)波動(dòng)一段時(shí)間才能夠形成新的熱平衡穩(wěn)態(tài)。根據(jù)簡(jiǎn)化模型,提出了一種理論上探頭最佳預(yù)熱溫度的計(jì)算方法,不同探頭材料和環(huán)境溫度條件下,最佳預(yù)熱溫度值也會(huì)不同。然后利用自行搭建的探頭與組織接觸熱平衡溫度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)探頭與組織接觸過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,比較了探頭的不同材料和不同溫度在與組織接觸過程中對(duì)組織表面溫度影響的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)與模擬得到的結(jié)論一致。最后提出了一種探頭優(yōu)化方案:探頭材料選擇為不銹鋼,在室溫24℃下最佳預(yù)熱溫度窗口為31~32℃。通過近紅外光譜檢測(cè)在體驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),證明了優(yōu)化方案的有效性:光譜數(shù)據(jù)的信噪比能夠較快達(dá)到穩(wěn)定并在40s之后達(dá)到1000以上,而且使得重復(fù)接觸測(cè)量光譜信號(hào)的變異系數(shù)下降了30%。
【學(xué)位單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O657.33
【部分圖文】：

光纖探頭與皮膚組織接觸后溫度分布

圖 3-1 皮膚組織溫度傳導(dǎo)圖部有穩(wěn)定的熱源，通過內(nèi)環(huán)境的代謝產(chǎn)熱調(diào)節(jié)，在此我們?cè)O(shè)定為 36.5℃。自然狀態(tài)下，皮膚源會(huì)不斷向表層皮膚層傳遞熱量，即溫度會(huì)由絕熱邊界，那么熱平衡穩(wěn)態(tài)時(shí)，單層皮膚層內(nèi)值，但是由于空氣與皮膚組織的換熱作用，皮。由此可知，自然狀態(tài)下，影響皮膚層內(nèi)部溫氣與組織的換熱作用。過程簡(jiǎn)化為一維模型，則溫度傳導(dǎo)示意圖如下0TS(x,t) kSTS0源

組織厚度 x/m圖 3-3 空氣 23℃時(shí)，組織達(dá)到熱平衡穩(wěn)態(tài)時(shí)皮膚層溫度場(chǎng)的分布由上圖結(jié)果，我們可以看出：因?yàn)榧僭O(shè)中組織皮膚層各點(diǎn)熱學(xué)特性參數(shù)均相同，即各向同性，所以熱平衡穩(wěn)定時(shí)，其溫度場(chǎng)分布為由內(nèi)部熱源向外遞減的線性分布。由此，可以計(jì)算皮膚組織與環(huán)境空氣熱交換平衡后初始狀態(tài)的溫度場(chǎng)分布，在條件 Tair=23℃，換熱系數(shù) h=25W/m2·K 時(shí)，皮膚組織溫度場(chǎng)平衡后，組織表面的溫度變?yōu)?34.854℃。由此我們得到了組織在環(huán)境空氣溫度 23℃的條件下，達(dá)到熱平衡穩(wěn)態(tài)后，皮膚層溫度場(chǎng)分布的函數(shù)表達(dá)式，如公式（3-4）所示：(x) ( 658.4) x 36.5ST （3-4）式（3-4）就是組織皮膚層溫度場(chǎng)與探頭接觸前的初始狀態(tài)，它表明皮膚層各點(diǎn)處的溫度值是與 x 有關(guān)的線性分布，它將作為建立探頭與組織接觸時(shí)溫度傳導(dǎo)方程的初始條件。
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本文編號(hào)：2870191