CN2454769Y - 在体测取生物活体组织局部代谢率的多点温度探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型的在体测取生物活体组织局部代谢率的多点温度探测装置,包括多点温度探头、数据采集仪和计算机,多点温度探头由薄壁管,焊接于其顶端的圆片,纵向镶嵌于薄壁管管壁上的温度传感器和镶嵌于圆片上的温度传感器组成,圆片圆心处设1枚温度传感器,圆片周边上呈十字形排列4枚温度传感器,各温度传感器引线由薄壁管伸出连接于数据采集仪,数据采集仪连接计算机,其结构简单,价格低廉,操作方便,而且精度高、响应速度快。

Description

在体测取生物活体组织局部代谢率的多点温度探测装置

本实用新型涉及一种用于在体测取生物活体(包括人体)组织局部代谢率的多点温度探测装置，特别涉及一种通过在微细探头特殊布置多个相对位置精确固定的温度传感器来获取被测部位温度的空间及时间信息进而得到该局部代谢率的在体测取生物活体组织局部代谢率的多点温度探测装置。

生物体为实现各种各样的生命过程而在其体内开展的作功形式主要为：1．外部可见的机械功，典型例子如肌肉收缩作功；2．内部器官活动(如呼吸、血液泵送、消化道蠕动等)所消耗的机械功；3．推动神经传导的电功；4．驱动新细胞的合成，以取代衰老和死亡的细胞等。后三种的最终表现是均耗散为热能。因此当生物体没有外部运动时(自然的生命状态)，全部代谢作用都表现为热效应，而代谢率就是指在单位体积组织内的产热率，其大小对于组织状况、疾病诊断和治疗等大量的临床应用以及研究动物、人体的生理学规律具有重要意义，在刻划动物个体生长、发育和衰老方面也已经成为一个重要的实验基础，例如量热学数据表明，在动物个体发育过程中，单位体积的产热率(代谢率)呈现一定规律。生理学家为此定义了一个基础代谢率，其指“静息状态即基础状态下动物个体单位体积单位时间的代谢产热量”(单位为：J/m³·s或W/m³)，该参数大小是一项重要的生理指标，在动物包括人体的热分析中起着重要的作用。测量基础代谢率的变异，对某些疾病的诊断有重要的意义。例如，甲状腺机能不足，基础代谢率将比正常标准低20-40％，而甲状腺机能亢进，基础代谢率则比正常标准高25-80％。另外，我们知道，机体发生病变或出现炎症时，会造成组织代谢过程增强。肿瘤部位也往往由于不成熟细胞糖酵解的亢进及血管丰富和生长迅速而存在异常的热量产生。代谢产热的主要功能之一还在于使动物维持一个非常稳定的温度。总之，由于上述原因，就代谢率测量方法和仪器的研究一直是人们竞相探索的目标。

由于各组织和器官的活动量不同，组织全身各处的代谢率大小实际上相差悬殊，它们反映了不同的生理学问题，若能针对不同组织和器官在体测出这些部位的代谢率大小，则具有重要的医学生理学意义。

然而目前测取动物代谢率的现状是：通常是将动物置于一封闭空间后，再根据所测得的呼气和吸气过程中血液的体积流率及其中氧浓度的变化来推算动物代谢率。该方法测取的动物代谢率是动物个体的总代谢率。显然，这牵涉到一系列生化分析步骤，且实施起来十分繁琐，更重要的是，获得的总代谢率不能代表局部组织的代谢状况。目前，测量局部组织的代谢率并不成功，一般都是对离体小样品直接测取热值或者从氧耗量的局部测值来推断代谢率。而这又不能代表真实的组织代谢状态，而且操作起来十分繁琐、困难，精度很难保证，最主要的是，难以反映局部的代谢状况。所以，至今尚无能在体测取局部组织代谢率的装置出现。

本实用新型目的在于提供一种在体测取生物活体组织(包括人体)局部组织代谢率Q^* _m的多点温度探测装置，该装置结构简单、成本低廉，为微创型，损伤性小，操作方便，仅通过在一微细探头上特殊设置的多个相对位置精确固定的温度传感器(如热电偶等)来获取被测部位温度的空间及时间信息，进而得到该部位综合代谢率，而且精度高，响应速度快，测温范围广，填补在体测取生物活体组织局部组织代谢率领域中无测取装置的空白。

本实用新型的实施方案如下：

本实用新型提供的在体测取生物活体组织局部代谢率的多点温度探测装置，其特征在于，包括多点温度探头A、数据采集仪B和计算机C，其中，多点温度探头A由薄壁管8，焊接于薄壁管8顶端的圆片9，平行于薄壁管8轴线纵向焊接镶嵌于薄壁管8管壁上的3-5枚温度传感器和焊接镶嵌于圆片9上的5枚温度传感器，5枚温度传感器中的温度传感器5位于圆片9的圆心处，其余4枚温度传感器1、2、3和4呈十字形排列分别位于圆片9的周边上，各温度传感器引线装入薄壁管8的管中，从薄壁管8底端引出连接于数据采集仪B的输入端，数据采集仪B的输出端连接计算机，计算机外接电源；

多点温度探头A的薄壁管8直径为1-2mm，长度为20-100mm；

所述薄壁管8和其顶端的圆片9的材质为低导热率的不锈钢或玻璃；

所述温度传感器为热电偶温度传感器或电阻温度传感器，温度传感器之间的距离为0.1-1mm。

本实用新型提供的在体测取生物活体组织局部代谢率的多点温度探测装置，其优点在于：结构简单、成本低廉，操作方便，仅通过在一微细探头上特殊设置的多个相对位置精确固定的温度传感器(如热电偶等)便可方便地获取被测部位温度的空间及时间信息，进而得到该部位代谢率，而且精度高，响应速度快，测温范围广，填补在体测取生物活体组织局部组织代谢率领域中无测取装置的空白。

其工作原理为：

组织内具有普遍适用性的热量平衡关系式为： $\mathrm{\ρc}\frac{\∂T}{\∂t}=\▿\·(k\▿T)+{\mathrm{\ω}}_b{\mathrm{\ρ}}_b{c}_b(T_a-T)+Q_m(x,y,z,t)---\left(1\right)$ 其中ρ,c分别为组织的密度、比热；k为组织热导率，ρ_b、c_b分别为血液的密度及比热；ω_b为血液灌注率；T_a,T分别是动脉血温度及组织温度；上式可进一步表示为： $\mathrm{\ρc}\frac{\∂T}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left(k_x\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(k_y\frac{\∂T}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(k_z\frac{\∂T}{\∂z}\right)+Q_m^{*}(x,y,z,t)---\left(2\right)$ 其中，Q^* _m(x,y,z,t)=ω_bρ_bc_b[T_a-T(x,y,z,t)]+Q_m(x,y,z,t)即为待测的局部组织综合代谢率，以下所指的代谢率均指该值。

一般情况下，组织的密度和比热相对较稳定，因而无须测定，其一般取值为：ρ=1000kg/m³,c=4200J/kg·℃，而组织热导率一般取常数k=0.5W/m·℃，于是，局部代谢率只与待测部位的温度场(包括其瞬态变化率)相关，所以，只要测得这些信息，则代谢率可由上式确定；

据此可建立实用的局部代谢率测量方法，其基本思想为：将包含空间信息的多点温度探针插入组织内，并采集到各测点的温度数据，则可由式(2)获得局部综合代谢率为： $Q_m^{*}(x,y,z,t)=\mathrm{\ρc}\frac{\∂T}{\∂t}-k\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2}-k\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂y}^2}-k\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂z}^2}---\left(3\right)$ 一般由于所测量的是基础代谢率，即动物安静状态下，代谢率测量公式实际上可简化为： $Q_m^{*}(x,y,z)=-k\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2}-k\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂y}^2}-k\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂z}^2}---\left(4\right)$ 上述测量中，由于探针的插入所引起的刺激作用，组织温度需要一定时间才能达到稳定态。本方法中，可在插入探针后即开始记录各测点的温度信号，瞬态的温度信息反映的是动物受探针插入时所引起反射而导致代谢率的改变情况。自然，随着时间的延续，所测得的代谢率数值应趋于一个稳定值。所以，无论测取的代谢率是稳态值还是瞬态值，其都归结到实现 $\frac{\∂T}{\∂t},\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2},\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂y}^2}$ 及 $\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂z}^2}$ 的测定上来。本实用新型的关键也就在于设计相应的温度探针来作到这一点。

图1给出的是设置有7枚温度传感器(如热电偶)的多点温度探头A示意图，其中各枚探针之间的空间相对位置严格固定，以便测出在x,y,z三个方向上的温度分布，且探针之间的距离(Δx,Δy,Δz)在保证能加工的前提下越小越好(一般为0.1-1mm)，从而利用所测温度能相当精确地通过差分法获得式(2)中的 $k\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2},k\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂y}^2}$ 及 $k\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂z}^2}$ ，并由此推算出待测部位的综合代谢率数值。先讨论稳态下5点处的代谢率测量方法。具体作法是，利用数据采集仪记录到探针头部七枚探针的温度大小后，则多点温度探头A顶部圆片的圆心5点处相应可写出 $k\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2}{|}_{\mathrm{point}5}\≈k\frac{T_{1+}{T}_3-2T_5}{{\mathrm{\Δx}}^2}$ ， $k\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂y}^2}{|}_{\mathrm{point}5}\≈k\frac{T_2+T_4-2T_5}{{\mathrm{\Δy}}^2},$ 但5点处 $k\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂z}^2}$ 的测量与前者不同，因为本探针结构难以在z方向测出5点上下两个部位的值，比如上部难以设置温度传感器件，而上下移动探针的作法存在定位困难，且难以测定瞬态代谢率，而5点以下则为探针内部，因而所测得的温度值并非组织温度，而是探针内部的温度值。为克服这一困难，我们采用6点处的 $k\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂z}^2}$ 值挖近似代替5点处的相应 $k\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂z}^2}$ 值，这是因为本探针结构中各枚热电偶之间的间距极小，因而6点与5点处的相应 $k\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂z}^2}$ 值是非常接近的，这就解决了相当棘手的一个技术难题。而6、7点的温度数据由该点处的热电偶记录到，这样就有： $k\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂z}^2}{|}_{\mathrm{point}5}\≈k\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂z}^2}{|}_{\mathrm{point}6}\≈k\frac{T_1+T_7-2T_6}{{\mathrm{\Δz}}^2}.$ 。于是由式(4)可得稳态下的代谢率数值为： $Q_m^{*}{|}_{\mathrm{point}5}\≈-k\frac{T_1+T_3-2T_5}{{\mathrm{\Δx}}^2}-k\frac{T_2+T_4-2T_5}{{\mathrm{\Δy}}^2}-k\frac{T_1+T_7-2T_6}{{\mathrm{\Δz}}^2}---\left(5\right)$ 若设置Δx=Δy=Δz=Δs时，上式可简化为： $Q_m^{*}{|}_{\mathrm{point}5}\≈-k\frac{{2T}_1+T_2{+T}_3+T_4+T_7-2T_6-4T_5}{{\mathrm{\ΔS}}^2}---\left(6\right)$ 可见，利用本实用新型给出的多点温度探针，在获取7个固定点的温度大小后，即可测出探针头部中心(即5点处)的组织代谢率。

对于5点处的瞬态组织代谢率，本实用新型仍然相当有效。这里对测量原理作一说明。这时，与上述稳态情况略有差别之处在于需要获得每一点处的瞬态温度值，于是，类似地，设k时刻为稳态，并在此时刻测出各点温度T^k ₁,T^k ₂,...,T^k ₇，则在测得k+1时刻的温度值T^k+1 ₁,T^k+1 ₂,...,T^k+1 ₇后，在5点处相应有， $k\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2}{|}_{\mathrm{point}5}^{k+1}\≈k\frac{T_1^{k+1}+T_3^{k+1}-2T_5^{k+1}}{{\mathrm{\Δx}}^2},k\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂y}^2}{|}_{\mathrm{point}5}^{k+1}\≈k\frac{T_2^{k+1}+T_4^{k+1}-2T_5^{k+1}}{{\mathrm{\Δy}}^2},$ $k\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂z}^2}{|}_{\mathrm{point}5}^{k+1}\≈k\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂z}^2}{|}_{\mathrm{point}6}^{k+1}\≈k\frac{T_1^{k+1}+T_7^{k+1}-2T_6^{k+1}}{{\mathrm{\Δz}}^2}---\left(7\right)$ 而方程(3)中的瞬态量为： $\mathrm{\ρc}\frac{\∂T}{\∂t}{|}_{\mathrm{point}5}^{k+1}\≈\mathrm{\ρc}\frac{T_5^{k+1}-T_5^k}{\mathrm{\Δt}}---\left(8\right)$ 这里，时间间隔Δt应尽可能小，以减小差分带来的误差。由此，可获得k+1时刻的组织代谢率为： $Q_m^{*}{|}_{\mathrm{point}5}^{k+1}\≈\mathrm{\ρc}\frac{T_5^{k+1}-T_5^k}{\mathrm{\Δt}}-k\frac{T_1^{k+1}+T_3^{k+1}-2T_5^{k+1}}{{\mathrm{\Δx}}^2}-k\frac{T_2^{k+1}+T_4^{k+1}-2T_5^{k+1}}{{\mathrm{\Δy}}^2}-k\frac{T_1^{k+1}+T_7^{k+1}-2T_6^{k+1}}{{\mathrm{\Δz}}^2}$ (9)同样，取Δx=Δy=Δz=Δs时，上式可简化为： $Q_m^{*}\≈\mathrm{\ρc}\frac{T_5^{k+1}-T_5^k}{\mathrm{\Δt}}-k\frac{2T_1^{k+1}+T_2^{k+1}+T_3^{k+1}+T_4^{k+1}+T_7^{k+1}-2T_6^{k+1}-4T_5^{k+1}}{{\mathrm{\Δs}}^2}---\left(10\right)$

由此，依据各点采集到的瞬态温度，可以获得变化着的组织代谢率。整个过程由数据采集仪结合计算机自动记录和自动计算。用户可由显示屏读出所测量的代谢率。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

图1为本实用新型的结构框图；

图2为本实用新型的多点温度探头A的结构示意图；

图3为垂向镶嵌于薄壁管8管壁上的温度传感器的位置示意图；

其中：多点温度探头A    数据采集仪B    计算机C

薄壁管8                圆片9，        温度传感器引线10

温度传感器1、2、3、4、5、6、7

由图可知，本实用新型提供的在体测取生物活体组织局部代谢率的多点温度探测装置，其特征在于，包括多点温度探头A、数据采集仪B和计算机C，其中，多点温度探头A由薄壁管8，焊接于薄壁管8顶端的圆片9，平行于薄壁管8轴线纵向焊接镶嵌于薄壁管8管壁上的3-5枚温度传感器和焊接镶嵌于圆片9上的5枚温度传感器组成，5枚温度传感器中的温度传感器5位于圆片9的圆心处，其余4枚温度传感器1、2、3和4呈十字形排列分别位于圆片9的周边上，各温度传感器引线装入薄壁管8的管中，从薄壁管8底端引出连接于数据采集仪B的输入端，数据采集仪B的输出端连接计算机，计算机外接电源；

多点温度探头A的薄壁细管8直径为1-2mm，长度为20-100mm；

所述薄壁管8和其顶端的圆片9的材质为低导热率的不锈钢或玻璃；所述温度传感器为热电偶温度传感器或电阻温度传感器，温度传感器之间距离为0.1-1mm。

根据待测部位的深度，其探头长度可任意设计(但一般为2-10cm)，在保证装配精度的情况下，探头直径应越小越好(一般为1-2mm)，以便将其插入组织中创伤程度减至最小；热电偶间距的精确位置应予标定并输送到计算机内的处理软件上，以便准确计算代谢率；热电偶大小也在能保证加工的前提下以最小尺寸为宜，当前商业上可购买到的较小热电偶丝直径为20μm、80μm等尺寸，可直接使用，或根据需要特殊加工更小的热电偶，也可将热电偶与探针管集成制造。薄壁管8及圆片9可采用低导热率的不锈钢管制成；也可采用玻璃浇铸而成；

温度传感器可为热电偶温度传感器，也可采用电阻温度传感器，本实用新型的温度传感器(1,2,...,7)镶嵌(或焊接)在薄壁管8的管壁和顶端圆片9上，薄壁管8材料的导热系数应尽可能小，以避免其内导热而引起较大的温度测量误差，否则，温度传感器测得的将是薄壁管8的温度而非所触及的生物组织的温度，薄壁管8壁面上的3枚温度传感器(1,6,7)沿薄壁管8壁面纵向呈一条线布置，而在其顶端圆片9上的5枚热电偶(1,2,3,4,5)则成十字形排列，其中4枚(1,2,3,4)布置在顶部圆片9的周边上，而第5枚布置在圆片9中心处，由此，本实施例提供的多点温度探头A共有7枚多点温度探头(当然，根据需要可为8枚或9枚多点温度探头，如沿薄壁管8壁面纵向呈一条线布置的温度传感器为5枚)，各温度传感器之间的相对位置精确固定，其坐标信息存储于数据采集仪中，于是在获得这些位置处的组织温度后，根据各测点的温度大小及位置，即可通过数据采集仪和计算机将探头顶部圆片9中心处的组织代谢率推算出。瞬态或空间非均匀的代谢率可显示在计算机屏幕上，并根据要求给出不同时刻的代谢率值。数据采集仪具体可选用性能价格比较好的Agilent34907A型信号采集与处理器。移动该探头，可对不同部位的代谢率进行测定。所以，这是一种可测定局部代谢率的装置。本系统所用计算机采用普通型即可，价格十分便宜，而性能完全满足要求。为便于其探头插入组织(因探头头部为一平面)，可在探头的前端配备带有尖锐头部的针头，以便在皮肤上开出小孔，从而辅助本探头的插入。

本实用新型的多点温度探头A组装步骤如下：

1．先在薄壁管8的管壁上按标定位置开出微孔，形成均匀排列的系列小孔，其直径约在80-100μm左右，在这些微孔处将温度传感器(6,7)结点焊接于壁面上，且外露，以便与生物组织接触而测取该部位温度，而温度传感器的线束10则从其中空的管内引出；

2．待管壁面上的热电偶(6,7)安装完毕后，再在圆片9上开出5个小孔，同样，在这些小孔处焊接共5枚温度传感器(1,2,3,4,5)，之后，将该五枚温度传感器(1,2,3,4,5)引线10依次小心地顺管由下端引出，其中各枚温度传感器要作标记；

3．将焊接有5枚温度传感器的圆片9精确合盖到薄壁管5的上端，并将二者焊接固定，这样即制成传感器位置确定的多点温度探头A。温度传感器输出端连接到数据采集仪的输入端，温度传感器冷断补偿则置入冰水中以获得参考温度。而数据采集仪连接计算机。这样，在多点温度探头A的多点温度传感器所采集到的温度信号就输送到计算机中，从而获得所测位置的瞬态代谢率数值。

由上所述，本实用新型温度传感器为热电偶温度传感器(1,2,...,7)或电阻温度传感器，其响应速度较快，且精度高，而价格则趋于低廉，多点温度探头A制作相对容易，数据采集及处理十分方便，无复杂电路，结构简单，测温和评价组织的热状态比较容易，测试范围广，适用于不同深部生物组织、不同时刻的生物组织代谢率测量。

利用本实用新型的装置进行活体生物组织局部代谢率的测取时，可分静态和动态两类情况进行。这里先介绍静态测量步骤：将探针上的温度传感器引线连接到数据采集仪器，而数据采集仪器插接到计算机上，然后，将探头插入待测试的组织部位，然后开启数据采集仪和计算机，于是温度传感器开始采集所触及部位的温度信号，同时温度信号由数据采集仪和计算机监控，待每一枚温度传感器所记录的温度信号趋于稳定后，停止采集，通过公式(6)即可求出稳态的代谢率，而组织其他部位的代谢率可将探头插入相应位置由同样方法获取。对于由其他因素如外界加热、降温以及其他刺激引起的非稳态代谢率，只需连续监测不同时刻的温度信号，即可由公式(10)计算出探头顶端中心处组织的瞬态代谢率大小。

Claims (5)

1．一种在体测取生物活体组织局部代谢率的多点温度探测装置，其特征在于，包括多点温度探头A、数据采集仪B和计算机C，多点温度探头A由薄壁管(8)，焊接于薄壁管(8)顶端的圆片(9)，平行于薄壁管(8)轴线纵向焊接镶嵌于薄壁管(8)管壁上的3-5枚温度传感器和焊接镶嵌于圆片(9)上的5枚温度传感器组成，5枚温度传感器中的温度传感器(5)位于圆片(9)的圆心处，其余4枚温度传感器(1)、(2)、(3)和(4)呈十字形排列分别位于圆片(9)的周边上，各温度传感器引线装入薄壁管(8)的管中，从薄壁管(8)底端引出连接于数据采集仪B的输入端，数据采集仪B的输出端连接计算机，计算机外接电源。

2．按权利要求1所述的在体测取生物活体组织局部代谢率的多点温度探测装置，其特征在于：多点温度探头A的薄壁细管(8)直径为1-2mm，长度为20-100mm。

3．按权利要求1所述的在体测取生物活体组织局部代谢率的多点温度探测装置，其特征在于：所述薄壁管(8)和其顶端的圆片(5)的材质为低导热率的不锈钢或玻璃。

4．按权利要求1所述的在体测取生物活体组织局部代谢率的多点温度探测装置，其特征在于：所述温度传感器为热电偶温度传感器或电阻温度传感器。

5．按权利要求1所述的在体测取生物活体组织局部代谢率的多点温度探测装置，其特征在于：温度传感器之间的距离为0.1-1mm。

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