[发明专利]生物活体组织血液灌注率的无损测量仪器

说明书

本发明涉及一种测取生物活体(尤其是人体)组织血液灌注率的无损测量仪器，特别涉及一种通过对生物体表施加一调频调幅的平面简谐热流，并测取由此引起的体表温度响应与所给定简谐热流之间的相位差来获取血液灌注率的生物活体组织血液灌注率的无损测量仪器。

活体组织中的血液灌注率是指在毛细血管网、小动脉及小静脉之间的单位体积血流率(单位为ml/s/ml)，其大小对组织内氧气、营养物质、药物的传输以及传热等具有重要的影响作用，因而血液灌注率的测量对疾病诊断、药物输送、肿瘤热疗、烧伤医治等大量的临床应用具有重要意义。    

在各种测量血液灌注率的仪器中，利用生物组织的热响应规律进行灌注率测量的仪器，因其简捷性和价格低廉而备受注目，比如，Chato在“一种测取生物材料热物性的方法”(Chato J C.A methodfor measurement of the thermal properties ofbiological material.ASME Symp Ser.Thermal Problems in Biotechnique.1968:16～25.)中提供了一种利用球形探头测取血液灌注率的等温加热装置，但该测量仪器在实际测取生物活体组织血液灌注率时，必须经离体和在体两步，因而不能很好的反映在体时的特性；Chen等在“测量活体组织热导率的脉冲衰减法”(Chen M M,Holmes KR,and Rupinskas V.Pulse-decay method for measuring the thermal conductivity of livingtissues.ASME J Biomech Eng.1981；103:253～260)中涉及到一种等热流脉冲测量仪器，其结构仍然采用球形探头，热提取的是温度信号，该方法及其推广形式，如Arkin等在“测量局部组织热导率和血液灌注率的热脉冲衰减技术的敏感性分析”(ArkinH,Holmes K R,Chen M M,and Bottje W G.A sensitivity analysis ofthe thermal pulsedecay method for measurement of local tissue conductivity and blood perfusion.ASME JBiomech Eng.1986；108:208～214.)涉及的热脉冲衰减技术是活体血液灌注率测试方法的另一个重要进步。此外，虽然也发展过一些其他形式的热测试技术，但基本上都是围绕这几方面展开的变形和改进。这些方法均为有损，即探针的插入会造成组织创伤甚至局部感染，显然对于推广到人体测试十分不利。正因为如此，无损测取血液灌注率长期成为众多学者追求的目标。Anderson等在“采取聚焦超声热源及组织表面温度测定来测量血液灌注率的无损伤方法”(Anderson G T,Burnside G.Anoninvasive technique to measure perfusion using a focused ultrasound heating sourcesand a tissue surface temperature measuremem.Proc Advance in Measuring andComputing Temperatures in Biomedicine.1990；147:31～35.)中，曾采用超声对生物体施以简谐热作用，并监测皮肤表面的温度响应，然后利用此温度响应通过数值求解Pennes方程来估计血液灌注率。该法虽然无损，但须事先确定超声波束的各种参数，需要两步加热，且其焦距的调节难于把握。另一类无损方法建立在体表热流通量的测量[“采用极小插入探针估计血液灌注率”(Scott E P,Robinson P,and Diller TE.Estimation of blood perfusion using a minimally invasive blood perfusion probe,Advances in Biological Heatand Mass Transfer.1997；37:205～212.)]，即通过理论预测值与实际测量温度和热流之间的拟合来估计灌注率，该法中体表接触热阻对血液灌注率的估计影响极大。Liu和Xu在“采用皮肤表面温度响应与正弦加热之间相位移估计血液灌注率”(Liu J,Xu L X.Estimation of blood perfusion using phase shift intemperature response to sinusoidal heating at the skin surface.IEEE Trans on BiomedicalEngineering.1999；46:1037～1043.)中，新近提出了通过两步加热测取体表温度及体表热流之间的相位移动来获取血液灌注率的方法。由于该法利用的只是体表热信息，因而具有完全的无损伤性，其显著优点是体表接触热阻的影响可大为削弱。利用相移测取血液灌注率的思想曾由Patera等在“通过测量热流及温度之间的相位移预测血液灌注率”(Patera A T,Mikic B B,Eden G,and Bowman H F.Prediction of tissueperfusion from measurement of the phase shift between heat flux and temperature.Advances in Bioengineering,Winter Annual Meeting of the American Society ofMechanical Engineers.1979；187～191.)中提出过，但其模型过于简化，将组织内初始温度考虑为常数，不能很好的反映实际情况，从而使得利用不同时段温度信号计算灌注率的结果不一致，由于这些原因，该思路在实际产品中尚未被应用。