近紅外光譜無創(chuàng)檢測技術有著快速,便捷和無創(chuàng)傷的特點,對人體血糖等成分濃度的監(jiān)測和糖尿病等慢性疾病的治療有著重要意義,是今后無創(chuàng)檢測的主要研究方向。然而受到測量條件不確定性等的影響,目前在精度上還不能達到臨床應用的要求,尤其在接觸式漫反射光譜檢測中,由于受到光纖探頭的接觸壓力、接觸溫度等因素的干擾,導致組織的光學特性發(fā)生改變,從而降低了光譜檢測的穩(wěn)定性和精確度。本文針對接觸溫度這一影響因素,對探頭與組織接觸過程中,皮膚層溫度場的變化規(guī)律做了理論分析和實驗研究,并根據(jù)研究結論提出一種光纖探頭優(yōu)化方案,最后通過在體實驗,驗證了優(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,接觸后必然導致皮膚組織被測部位溫度場產(chǎn)生變化,為了研究這一因素對光譜測量的影響,本文首先根據(jù)經(jīng)典傳熱理論和Pennes組織熱傳導方程,建立了組織表皮層簡化溫度傳導模型,并通過有限元分析方法,利用COMSOL軟件對探頭與組織接觸過程中組織皮膚層溫度場隨時間的變化過程進行了模擬,研究了探頭材料的吸熱系數(shù)和探頭初始溫度兩個因素對組織溫度場變化影響的規(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;組織皮膚層溫度場一直處于隨環(huán)境變化的動態(tài)波動中,探頭接觸對其產(chǎn)生的影響不單純體現(xiàn)在對皮膚表面溫度的改變方面,最重要的是體現(xiàn)在對皮膚層內部溫度分布產(chǎn)生的擾動方面,即便在皮膚表面溫度變化達到穩(wěn)定之后,皮膚內部溫度仍會持續(xù)波動一段時間才能夠形成新的熱平衡穩(wěn)態(tài)。根據(jù)簡化模型,提出了一種理論上探頭最佳預熱溫度的計算方法,不同探頭材料和環(huán)境溫度條件下,最佳預熱溫度值也會不同。然后利用自行搭建的探頭與組織接觸熱平衡溫度檢測實驗系統(tǒng),對探頭與組織接觸過程進行了實驗研究,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組織表面溫度影響的結果,發(fā)現(xiàn)與模擬得到的結論一致。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℃下最佳預熱溫度窗口為31~32℃。通過近紅外光譜檢測在體驗證實驗,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到穩(wěn)定并在40s之后達到1000以上,而且使得重復接觸測量光譜信號的變異系數(shù)下降了30%。
【學位單位】：天津大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：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 皮膚組織溫度傳導圖部有穩(wěn)定的熱源，通過內環(huán)境的代謝產(chǎn)熱調節(jié)，在此我們設定為 36.5℃。自然狀態(tài)下，皮膚源會不斷向表層皮膚層傳遞熱量，即溫度會由絕熱邊界，那么熱平衡穩(wěn)態(tài)時，單層皮膚層內值，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，影響皮膚層內部溫氣與組織的換熱作用。過程簡化為一維模型，則溫度傳導示意圖如下0TS(x,t) kSTS0源

組織厚度 x/m圖 3-3 空氣 23℃時，組織達到熱平衡穩(wěn)態(tài)時皮膚層溫度場的分布由上圖結果，我們可以看出：因為假設中組織皮膚層各點熱學特性參數(shù)均相同，即各向同性，所以熱平衡穩(wěn)定時，其溫度場分布為由內部熱源向外遞減的線性分布。由此，可以計算皮膚組織與環(huán)境空氣熱交換平衡后初始狀態(tài)的溫度場分布，在條件 Tair=23℃，換熱系數(shù) h=25W/m2·K 時，皮膚組織溫度場平衡后，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，達到熱平衡穩(wěn)態(tài)后，皮膚層溫度場分布的函數(shù)表達式，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與探頭接觸前的初始狀態(tài)，它表明皮膚層各點處的溫度值是與 x 有關的線性分布，它將作為建立探頭與組織接觸時溫度傳導方程的初始條件。
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本文編號：2870191