一种用于脑部深层温度反演的脑温传感器阵列及仿体验证平台

本发明涉及医学监测设备验证及热学仿真，尤其涉及一种用于脑温反演算法验证的脑温传感器阵列及三维人脑热学仿体验证平台。

背景技术：

1、脑卒中等脑血管疾病的早期监测和风险评估对临床救治具有重要意义。通过贴附于头部表面的脑温传感器采集头皮表面温度，并进一步利用脑温反演算法估计脑部内部温度或热源变化，是一种具有潜力的非侵入式监测路径。

2、在脑温反演算法开发和训练过程中，传感器本体结构、阵列布置方式以及验证对象的三维热学特性均会影响算法输入数据的可靠性。若仅采用单个温度传感器或仅依赖计算机数值模型，通常难以充分反映真实头部结构中的三维传热路径、局部热源变化、传感器贴附误差和多测点同步采集特征，也难以对脑温传感器阵列进行统一校准和重复性测试。

3、现有用于脑温传感器阵列校准和算法验证的常规仿体或测试装置往往存在以下不足：其一，热学仿体内部热源不可动态调节，难以提供可量化的内部真实温度，因而难以作为传感器阵列校准与性能测试的稳定基准；其二，内部热源控制迟滞明显，传感器阵列数据与内部真实值难以同步对应；其三，仿体结构和材料不能充分模拟三维人脑热传导特征。

4、因此，需要一种能够与脑温传感器阵列相适应的三维人脑热学仿体，作为传感器阵列校准、测试及算法验证对象的物理验证平台，以便为脑温传感器阵列提供稳定、可重复、可量化且具有三维热学真实性的测试基准，并为脑温反演算法提供可靠数据来源。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种脑温传感器阵列及三维人脑热学仿体验证平台，以解决现有脑部热学监测验证装置中缺少可用于传感器阵列校准和测试的三维热学仿体基准、三维热学仿体内部温度不可精确调节、动态热源难以稳定控制以及表面采集数据与内部真实温度难以同步对应的问题。

2、为实现上述目的，本发明首先提供一种脑温传感器阵列。该脑温传感器阵列将单个脑温传感器本体与多点阵列布置合并设计：每个脑温传感器包括外壳、温度检测单元和主控单片机，多个脑温传感器通过阵列固定结构按照预设空间位置关系布置于前额、双侧颞部和头顶部等头部测量区域，从而同步获取多区域表面温度数据。

3、本发明进一步提供一种三维人脑热学仿体验证平台。该平台以三维人脑热学仿体为核心，三维人脑热学仿体包括头骨外壳、内部支撑体和热学脑组织仿体材料；内部支撑体用于提供三维结构稳定性和测量区域定位基础；热学脑组织仿体材料用于模拟脑组织的导热、比热和蓄热特性；内部热源组件预埋于仿体内并与温度反馈组件对应设置，通过温度控制模块形成可调、稳定且可量化的内部温度边界条件。脑温传感器阵列设置于仿体外表面的多个测量位置，用于采集对应位置的表面温度数据并进行阵列校准和性能测试，上位机用于完成控温设定、数据接收和反演结果比对。

4、具体地，一种用于脑部核心温度反演的脑温传感器阵列，包括多个脑温传感器以及阵列固定结构；每个所述脑温传感器包括外壳、温度检测单元和主控单片机，所述温度检测单元设置于所述外壳上，并通过单总线与所述主控单片机电连接，所述主控单片机用于采集表面温度信号并通过蓝牙ble无线传输至上位机；所述阵列固定结构用于使多个脑温传感器按照预设空间位置关系固定于待测对象表面或三维人脑热学仿体表面，以进行多测点表面温度采集、传感器阵列校准和测试。

5、进一步地，所述多个脑温传感器包括至少四个测量节点，分别布置于前额区域、颞部区域、后脑区域和头顶部区域；优选地，所述脑温传感器为七个，分别设置于左前额区域、右前额区域、左侧太阳穴区域、右侧太阳穴区域、左侧后脑、右侧后脑和头顶部区域；所述阵列固定结构包括绑带、柔性连接带、定位孔、卡扣或粘接固定件中的一种或多种。

6、一种用于脑温传感器阵列校准、测试及脑温反演算法验证的三维人脑热学仿体验证平台，包括所述的脑温传感器阵列、三维人脑热学仿体、内部热源组件、温度反馈组件、温度控制模块和上位机；所述三维人脑热学仿体包括头骨外壳、内部支撑体以及热学脑组织仿体材料；所述内部热源组件预埋于所述三维人脑热学仿体内部，用于形成可调内部温度场；所述温度反馈组件用于采集内部真实温度；所述温度控制模块用于根据内部真实温度对内部热源组件进行闭环控温；所述脑温传感器阵列设置于所述三维人脑热学仿体外表面，用于采集表面温度数据；所述上位机用于设置目标温度、接收内部真实温度和表面温度数据，并用于对脑温传感器阵列进行校准、测试以及脑温反演算法验证。

7、进一步地，所述内部支撑体为发泡胶支撑体，所述发泡胶支撑体在与脑温传感器阵列的测量位置相对应的区域设置有凹槽，所述凹槽用于容纳热学脑组织仿体材料并形成局部热传导测量区域；所述凹槽的深度为1.5cm至2.5cm，所述内部热源组件的端部与所述三维人脑热学仿体外表面之间的距离为0.5cm至1.5cm。

8、进一步地，所述热学脑组织仿体材料包括人工脑脊液、琼脂、甘油和防腐剂，用于模拟脑组织的导热、比热和蓄热特性；优选地，按100g所述热学脑组织仿体材料计，包括人工脑脊液80g、琼脂10g、甘油5g和苯氧乙醇5g。

9、进一步地，所述内部热源组件包括加热元件和负温度系数热敏电阻，所述加热元件与所述负温度系数热敏电阻通过导热固定层紧密固定；优选地，所述加热元件为12v微型加热棒，所述负温度系数热敏电阻的b值为3950k，所述导热固定层为厚度0.03mm至0.10mm的铝箔胶带；多个所述内部热源组件分别与脑温传感器阵列中的多个脑温传感器对应布置，并通过温度控制模块的多个独立控温通道在30℃至50℃范围内形成稳定温度边界条件。

10、一种三维人脑热学仿体验证平台进行脑温传感器阵列校准、测试及脑温反演算法验证的方法，包括如下步骤：通过上位机向温度控制模块发送目标温度设定值；温度控制模块基于温度反馈组件采集的内部真实温度对内部热源组件进行闭环控温；通过脑温传感器阵列同步采集多个测量位置的表面温度数据；根据所述内部真实温度和表面温度数据对脑温传感器阵列进行校准和重复性测试；将所述表面温度数据输入待验证的脑温反演算法，得到反演温度结果，并将反演温度结果与对应内部真实温度进行比较，以评价脑温反演算法的反演精度和可靠性。

11、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：第一，将脑温传感器本体与传感器阵列布置结合，能够同步采集多测点表面温度；第二，以三维人脑热学仿体作为传感器阵列校准、测试和算法验证平台核心，能够比平面或简化模型更真实地模拟头部三维热传导路径；第三，通过在仿体内部预埋带温度反馈的内部热源组件，能够形成稳定、可调且可量化的内部真实温度；第四，通过多个内部热源组件与多个脑温传感器对应布置，能够建立表面测量数据与内部真实值之间的对应关系；第五，通过多通道闭环控温和上位机数据处理，可为脑温传感器阵列的校准测试及脑温反演算法提供可重复的物理验证数据集。

1.一种用于脑部核心温度反演的脑温传感器阵列，其特征在于，包括多个脑温传感器以及阵列固定结构；每个所述脑温传感器包括外壳、温度检测单元和主控单片机，所述温度检测单元设置于所述外壳上，并通过单总线与所述主控单片机电连接，所述主控单片机用于采集表面温度信号并通过蓝牙ble无线传输至上位机；所述阵列固定结构用于使多个脑温传感器按照预设空间位置关系固定于待测对象表面或三维人脑热学仿体表面，以进行多测点表面温度采集、传感器阵列校准和测试。

2.根据权利要求1所述的脑温传感器阵列，其特征在于，所述多个脑温传感器包括至少四个测量节点，分别布置于前额区域、颞部区域、后脑区域和头顶部区域；优选地，所述脑温传感器为七个，分别设置于左前额区域、右前额区域、左侧太阳穴区域、右侧太阳穴区域、左侧后脑、右侧后脑和头顶部区域；所述阵列固定结构包括绑带、柔性连接带、定位孔、卡扣或粘接固定件中的一种或多种。

3.一种用于脑温传感器阵列校准、测试及脑温反演算法验证的三维人脑热学仿体验证平台，其特征在于，包括权利要求1或2所述的脑温传感器阵列、三维人脑热学仿体、内部热源组件、温度反馈组件、温度控制模块和上位机；所述三维人脑热学仿体包括头骨外壳、内部支撑体以及热学脑组织仿体材料；所述内部热源组件预埋于所述三维人脑热学仿体内部，用于形成可调内部温度场；所述温度反馈组件用于采集内部真实温度；所述温度控制模块用于根据内部真实温度对内部热源组件进行闭环控温；所述脑温传感器阵列设置于所述三维人脑热学仿体外表面，用于采集表面温度数据；所述上位机用于设置目标温度、接收内部真实温度和表面温度数据，并用于对脑温传感器阵列进行校准、测试以及脑温反演算法验证。

4.根据权利要求3所述的三维人脑热学仿体验证平台，其特征在于，所述内部支撑体为发泡胶支撑体，所述发泡胶支撑体在与脑温传感器阵列的测量位置相对应的区域设置有凹槽，所述凹槽用于容纳热学脑组织仿体材料并形成局部热传导测量区域；所述凹槽的深度为1.5cm至2.5cm，所述内部热源组件的端部与所述三维人脑热学仿体外表面之间的距离为0.5cm至1.5cm。

5.根据权利要求3所述的三维人脑热学仿体验证平台，其特征在于，所述热学脑组织仿体材料包括人工脑脊液、琼脂、甘油和防腐剂，用于模拟脑组织的导热、比热和蓄热特性；优选地，按100g所述热学脑组织仿体材料计，包括人工脑脊液80g、琼脂10g、甘油5g和苯氧乙醇5g。

6.根据权利要求3所述的三维人脑热学仿体验证平台，其特征在于，所述内部热源组件包括加热元件和负温度系数热敏电阻，所述加热元件与所述负温度系数热敏电阻通过导热固定层紧密固定；优选地，所述加热元件为12v微型加热棒，所述负温度系数热敏电阻的b值为3950k，所述导热固定层为厚度0.03mm至0.10mm的铝箔胶带；多个所述内部热源组件分别与脑温传感器阵列中的多个脑温传感器对应布置，并通过温度控制模块的多个独立控温通道在30℃至50℃范围内形成稳定温度边界条件。

7.一种利用权利要求3至6任一项所述的三维人脑热学仿体验证平台进行脑温传感器阵列校准、测试及脑温反演算法验证的方法，其特征在于，包括如下步骤：通过上位机向温度控制模块发送目标温度设定值；温度控制模块基于温度反馈组件采集的内部真实温度对内部热源组件进行闭环控温；通过脑温传感器阵列同步采集多个测量位置的表面温度数据；根据所述内部真实温度和表面温度数据对脑温传感器阵列进行校准和重复性测试；将所述表面温度数据输入待验证的脑温反演算法，得到反演温度结果，并将反演温度结果与对应内部真实温度进行比较，以评价脑温反演算法的反演精度和可靠性。