近红外漫反射光谱测量中接触温度影响的研究

发布时间：2020-11-04 14:07

　　 近红外光谱无创检测技术有着快速,便捷和无创伤的特点,对人体血糖等成分浓度的监测和糖尿病等慢性疾病的治疗有着重要意义,是今后无创检测的主要研究方向。然而受到测量条件不确定性等的影响,目前在精度上还不能达到临床应用的要求,尤其在接触式漫反射光谱检测中,由于受到光纤探头的接触压力、接触温度等因素的干扰,导致组织的光学特性发生改变,从而降低了光谱检测的稳定性和精确度。本文针对接触温度这一影响因素,对探头与组织接触过程中,皮肤层温度场的变化规律做了理论分析和实验研究,并根据研究结论提出一种光纤探头优化方案,最后通过在体实验,验证了优化方案的有效性。自然状态下,由于光纤探头与皮肤组织表面存在一定的温差,接触后必然导致皮肤组织被测部位温度场产生变化,为了研究这一因素对光谱测量的影响,本文首先根据经典传热理论和Pennes组织热传导方程,建立了组织表皮层简化温度传导模型,并通过有限元分析方法,利用COMSOL软件对探头与组织接触过程中组织皮肤层温度场随时间的变化过程进行了模拟,研究了探头材料的吸热系数和探头初始温度两个因素对组织温度场变化影响的规律。发现探头材料的吸热系数越大,探头初始温度越低,接触后组织温度场变化越剧烈,稳定后组织的温度与初始温度差别越大;组织皮肤层温度场一直处于随环境变化的动态波动中,探头接触对其产生的影响不单纯体现在对皮肤表面温度的改变方面,最重要的是体现在对皮肤层内部温度分布产生的扰动方面,即便在皮肤表面温度变化达到稳定之后,皮肤内部温度仍会持续波动一段时间才能够形成新的热平衡稳态。根据简化模型,提出了一种理论上探头最佳预热温度的计算方法,不同探头材料和环境温度条件下,最佳预热温度值也会不同。然后利用自行搭建的探头与组织接触热平衡温度检测实验系统,对探头与组织接触过程进行了实验研究,比较了探头的不同材料和不同温度在与组织接触过程中对组织表面温度影响的结果,发现与模拟得到的结论一致。最后提出了一种探头优化方案:探头材料选择为不锈钢,在室温24℃下最佳预热温度窗口为31~32℃。通过近红外光谱检测在体验证实验,证明了优化方案的有效性:光谱数据的信噪比能够较快达到稳定并在40s之后达到1000以上,而且使得重复接触测量光谱信号的变异系数下降了30%。
【学位单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O657.33
【部分图文】：

光纤探头与皮肤组织接触后温度分布

图 3-1 皮肤组织温度传导图部有稳定的热源，通过内环境的代谢产热调节，在此我们设定为 36.5℃。自然状态下，皮肤源会不断向表层皮肤层传递热量，即温度会由绝热边界，那么热平衡稳态时，单层皮肤层内值，但是由于空气与皮肤组织的换热作用，皮。由此可知，自然状态下，影响皮肤层内部温气与组织的换热作用。过程简化为一维模型，则温度传导示意图如下0TS(x,t) kSTS0源

组织厚度 x/m图 3-3 空气 23℃时，组织达到热平衡稳态时皮肤层温度场的分布由上图结果，我们可以看出：因为假设中组织皮肤层各点热学特性参数均相同，即各向同性，所以热平衡稳定时，其温度场分布为由内部热源向外递减的线性分布。由此，可以计算皮肤组织与环境空气热交换平衡后初始状态的温度场分布，在条件 Tair=23℃，换热系数 h=25W/m2·K 时，皮肤组织温度场平衡后，组织表面的温度变为 34.854℃。由此我们得到了组织在环境空气温度 23℃的条件下，达到热平衡稳态后，皮肤层温度场分布的函数表达式，如公式（3-4）所示：(x) ( 658.4) x 36.5ST （3-4）式（3-4）就是组织皮肤层温度场与探头接触前的初始状态，它表明皮肤层各点处的温度值是与 x 有关的线性分布，它将作为建立探头与组织接触时温度传导方程的初始条件。
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本文编号：2870191