一种基于红外皮肤温度分布场的内源热测量方法与流程

1.本发明属于红外测温技术领域，具体涉及一种基于红外皮肤温度分布场的内源热测量方法。


背景技术：

2.红外热像肿瘤检测具有对人体无害的优点，是用于乳腺防癌普查的好方法。但是目前只能用肿瘤区域体表温度与正常区域体表温度进行对比的方法进行诊断，缺乏对红外热像数据与肿瘤代谢产热的关系的研究。近10年来最常见的是以pennes生物传热方程为基础，建立简单传热模型，对各种组织体表温度分布与体内异常内热源之间的关系进行研究。
3.人体内某部位发生病变时，该处组织代谢首先发生变化，这种变化要早于人体形态结构的变化。当其他临床手段还不能发现这种异常时，医用红外热像仪通过摄取体表温度信息检查这种变化。医学实践已经证明皮肤下面的某种病变表现为体表对应部位皮肤温度的异常。医用红外热成像技术具有简便、客观、准确、无创、无损害等特点，对人体非接触、无辐射、无副作用，并在临床上得到广泛应用。利用人体体表的热像图随体内异常热源呈规律性变化，可以对疾病发生的部位进行分析诊断，李自立等依照此方法研究了脊柱疼痛等疾病。由于红外辐射在固体中穿透能力很低，单纯摄取体表温度的分布图像还不能准确地掌握组织内部的温度场及内热源信息，且生理过程和临床表现的关系尚未明确。因此对热源深度、温度、热物性等参数与体表温度分布之间相互关系的研究是非常必要的，为体内异常热源诊断的热像技术研究提供理论与实验依据。物体体表的温度场完全取决于物体内部的结构、材料的热物性参数以及表面与外界环境的热交换。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于红外皮肤温度分布场的内源热测量方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于红外皮肤温度分布场的内源热测量方法，包括以下步骤：
6.s1.建立有限元模型；
7.s2.采用有限元分析法对体内热源位置、温度及热物性参数与体表温度分布的关系进行仿真；
8.s3.将研制的恒温可调热源埋于均匀的分层生物组织体内，采用人体测温红外热像仪摄取组织体表与各层组织的温度，分析体表与体内温度场的分布。
9.优选的，所述s1的具体步骤包括：
10.s101.采用基于有限元分析方法的ansys软件；
11.s102.建立物体的几何模型，确定所用材料的参数并划分网格，施加载荷与边界条件并求解；建立半径为8cm、长度为20cm的圆柱体的组织传热模型；
12.s103.分析体内热源与体表温度场分布的关系。
13.优选的，所述s2中仿真的具体步骤如下：
14.s201.准备生物仿真体，将热源放入生物仿真体内；
15.s202.通过导线将生物仿真体内的热源与恒温热源控制器连接；
16.s203.通过医用红外热像仪对生物仿真体温度进行摄取；
17.s204.建立数据传输系统，对医用红外热像仪摄取的温度数据进行传输，并传输至计算机，形成温度分布红外热图；
18.s205.通过温度分布红外热图，进行仿真与分析；
19.s206.改变热源在生物仿真体内的深度和热源的温度以及其他环境条件，重复s202-s205；
20.s207.对分析结果进行误差分析。
21.优选的，所述恒温热源控制器包括恒温温度控制器，所述恒温温度控制器的电路组成包括电热器电路、降压电路、整流电路、稳压电路和继电器控制电路，所述医用红外热像仪包括红外探测器，所述红外探测器包括热电元件、电流-电压变换器、第一放大器第二放大器、爆米花噪声探测器、输出电路和控制器，所述电流-电压变换器用于把来自所述热电元件的电流变换成电压信号；所述第一放大器用于以具有发送频带中心在第一频率处的第一带通滤波器特征来放大从所述电流-电压变换器接收到的所述电压信号；所述第二放大器用于以具有发送频带中心在高于第一频率的第二频率处的第二带通滤波器特征来放大从所述电流-电压变换器接收到的所述电压信号；所述爆米花噪声探测器用于把所述第二放大器的输出信号与阈值相比较以输出爆米花检测信号；所述输出电路用于把所述第一放大器的输出信号与预定阈值相比较以输出检测信号；所述控制器用于当从所述爆米花噪声探测器接收到所述的爆米花检测信号时，控制所述电流-电压变换器、所述第一放大器、所述输出电路、所述第二放大器和所述爆米花噪声探测器中的至少一个，以防止所述输出电路输出所述检测信号。
22.优选的，所述s204中的建立数据传输系统包括a/d转换电路、非致冷焦平面探测器、信号放大器、fpga红外采集校正滤波模块及arm嵌入式模块，所述arm嵌入式模块与所述fpga红外采集校正滤波模块电性连接。
23.优选的，所述建立数据传输系统的数据传输方法包括以下步骤：
24.s301.将摄取的温度数据在非致冷焦平面探测器的光敏面上后，输出序列模拟图像信号，该模拟图像信号通过信号放大器放大和阻抗变换处理后，通过a/d转换电路输出；
25.s302.fpga红外采集校正滤波模块将经过a/d转换电路输出的图像信号进行非均匀性校正、滤波以降低噪声提高信噪比和死点补偿后，产生中断信号通知arm嵌入式模块读取图像数据；
26.s303.arm嵌入式模块对读取的图像数据进行温度计算，将灰度数据转换成温度数据，通过计算机进行显示，形成温度分布红外热图。
27.优选的，所述s206中的热源深度为：0.7-2.3cm，热源温度为：33-41℃，所述其他环境条件包括不同的血液灌注率和不同的代谢产热率。
28.优选的，所述s205中进行仿真与分析根据组织代谢、血液循环和外部环境采用生物传热方程进行分析，所述生物传热方程为：
[0029][0030]
式中，ρ为生物仿真体组织的密度，单位kg/m3；c为生物仿真体组织比热容，单位kj/(kg
·
℃)；k为生物仿真体组织的热导率，单位w/(m
·
℃)；wb为血液灌注率，单位kg/(s
·
m3)；cb为血液比热容，单位kj/(kg
·
℃)；tb为动脉血温度，单位℃)；wbcb(tb－t)为血液灌注项；t为待求生物仿真体组织温度；qm为生物仿真体组织代谢率，单位w/m3。
[0031]
优选的，在稳态且不考虑血液循环的情况下，所述生物传热方程可简化为：
[0032][0033]
人体与环境之间的换热有：对流、辐射、蒸发；考虑前两种换热方式在均质生物仿真体组织传热过程中所起的作用；边界条件为：
[0034][0035]
式中，hc为对流换热系数；ts和ta分别表示生物仿真体组织体表温度和环境温度；ε为辐射率；σ为斯蒂芬－伯尔兹曼常数。
[0036]
优选的，所述s207中对分析结果进行误差分析中体表温度差的计算公式为：
[0037][0038]
其中，tsi为生物仿真体的体表温度分布上的点，tei为人体表温度分布上的点，i＝1，2，
…
，21；
[0039]
由贝塞尔公式，定义标准差为：
[0040][0041]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0042]
本发明通过生物仿真体进行人体皮肤仿真，通过医用红外热像仪对生物仿真体皮肤温度进行摄取，并通过建立数据传输系统进行数据传输，形成温度分布红外热图，能够为诊断体内异常热源提供依据，最后通过进行仿真与分析，能够为人体体表温度分布特征形成机制和热源逆问题的研究提供理论依据及指导意义。
附图说明
[0043]
图1为本发明的流程图；
[0044]
图2为本发明中s2的具体步骤流程图。
具体实施方式
[0045]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0046]
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种基于红外皮肤温度分布场的内源热测量方法，包括以下步骤：s1.建立有限元模型；
[0047]
s2.采用有限元分析法对体内热源位置、温度及热物性参数与体表温度分布的关系进行仿真；
[0048]
s3.将研制的恒温可调热源埋于均匀的分层生物组织体内，采用人体测温红外热像仪摄取组织体表与各层组织的温度，分析体表与体内温度场的分布。
[0049]
本实施例中，优选的，所述s1的具体步骤包括：
[0050]
s101.采用基于有限元分析方法的ansys软件；
[0051]
s102.建立物体的几何模型，确定所用材料的参数并划分网格，施加载荷与边界条件并求解；建立半径为8cm、长度为20cm的圆柱体的组织传热模型；
[0052]
s103.分析体内热源与体表温度场分布的关系。
[0053]
本实施例中，优选的，所述s2中仿真的具体步骤如下：
[0054]
s201.准备生物仿真体，将热源放入生物仿真体内；
[0055]
s202.通过导线将生物仿真体内的热源与恒温热源控制器连接；
[0056]
s203.通过医用红外热像仪对生物仿真体温度进行摄取；
[0057]
s204.建立数据传输系统，对医用红外热像仪摄取的温度数据进行传输，并传输至计算机，形成温度分布红外热图；
[0058]
s205.通过温度分布红外热图，进行仿真与分析；
[0059]
s206.改变热源在生物仿真体内的深度和热源的温度以及其他环境条件，重复s202-s205；
[0060]
s207.对分析结果进行误差分析。
[0061]
本实施例中，优选的，所述恒温热源控制器包括恒温温度控制器，所述恒温温度控制器的电路组成包括电热器电路、降压电路、整流电路、稳压电路和继电器控制电路，所述医用红外热像仪包括红外探测器，所述红外探测器包括热电元件、电流-电压变换器、第一放大器第二放大器、爆米花噪声探测器、输出电路和控制器，所述电流-电压变换器用于把来自所述热电元件的电流变换成电压信号；所述第一放大器用于以具有发送频带中心在第一频率处的第一带通滤波器特征来放大从所述电流-电压变换器接收到的所述电压信号；所述第二放大器用于以具有发送频带中心在高于第一频率的第二频率处的第二带通滤波器特征来放大从所述电流-电压变换器接收到的所述电压信号；所述爆米花噪声探测器用于把所述第二放大器的输出信号与阈值相比较以输出爆米花检测信号；所述输出电路用于把所述第一放大器的输出信号与预定阈值相比较以输出检测信号；所述控制器用于当从所述爆米花噪声探测器接收到所述的爆米花检测信号时，控制所述电流-电压变换器、所述第一放大器、所述输出电路、所述第二放大器和所述爆米花噪声探测器中的至少一个，以防止所述输出电路输出所述检测信号。
[0062]
本实施例中，优选的，所述s204中的建立数据传输系统包括a/d转换电路、非致冷焦平面探测器、信号放大器、fpga红外采集校正滤波模块及arm嵌入式模块，所述arm嵌入式模块与所述fpga红外采集校正滤波模块电性连接。
[0063]
本实施例中，优选的，所述建立数据传输系统的数据传输方法包括以下步骤：
[0064]
s301.将摄取的温度数据在非致冷焦平面探测器的光敏面上后，输出序列模拟图
像信号，该模拟图像信号通过信号放大器放大和阻抗变换处理后，通过a/d转换电路输出；
[0065]
s302.fpga红外采集校正滤波模块将经过a/d转换电路输出的图像信号进行非均匀性校正、滤波以降低噪声提高信噪比和死点补偿后，产生中断信号通知arm嵌入式模块读取图像数据；
[0066]
s303.arm嵌入式模块对读取的图像数据进行温度计算，将灰度数据转换成温度数据，通过计算机进行显示，形成温度分布红外热图。
[0067]
本实施例中，优选的，所述s206中的热源深度为：0.7-2.3cm，热源温度为：33-41℃，所述其他环境条件包括不同的血液灌注率和不同的代谢产热率。
[0068]
本实施例中，优选的，所述s205中进行仿真与分析根据组织代谢、血液循环和外部环境采用生物传热方程进行分析，所述生物传热方程为：
[0069][0070]
式中，ρ为生物仿真体组织的密度，单位kg/m3；c为生物仿真体组织比热容，单位kj/(kg
·
℃)；k为生物仿真体组织的热导率，单位w/(m
·
℃)；wb为血液灌注率，单位kg/(s
·
m3)；cb为血液比热容，单位kj/(kg
·
℃)；tb为动脉血温度，单位℃)；wbcb(tb－t)为血液灌注项；t为待求生物仿真体组织温度；qm为生物仿真体组织代谢率，单位w/m3。
[0071]
本实施例中，优选的，在稳态且不考虑血液循环的情况下，所述生物传热方程可简化为：
[0072][0073]
人体与环境之间的换热有：对流、辐射、蒸发；考虑前两种换热方式在均质生物仿真体组织传热过程中所起的作用；边界条件为：
[0074][0075]
式中，hc为对流换热系数；ts和ta分别表示生物仿真体组织体表温度和环境温度；ε为辐射率；σ为斯蒂芬－伯尔兹曼常数。
[0076]
本实施例中，优选的，所述s207中对分析结果进行误差分析中体表温度差的计算公式为：
[0077][0078]
其中，tsi为生物仿真体的体表温度分布上的点，tei为人体表温度分布上的点，i＝1，2，
…
，21；
[0079]
由贝塞尔公式，定义标准差为：
[0080][0081]
本发明的原理及优点：本发明通过生物仿真体进行人体皮肤仿真，通过医用红外热像仪对生物仿真体皮肤温度进行摄取，并通过建立数据传输系统进行数据传输，形成温度分布红外热图，能够为诊断体内异常热源提供依据，最后通过进行仿真与分析，能够为人
体体表温度分布特征形成机制和热源逆问题的研究提供理论依据及指导意义。
[0082]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。