组织光学特性参数与生物物性参数间的相关性研究.pdf

中图丁程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：063207 组织光学特性参数与生物物性参数间 的相关性研究 张艳1诸凯2张于峰1王如愿2陈瑞球2田金颖2 1．天津大学环境工程学院， 灭津300134；2．天津商学院机械工程学院，天津300072 Tel：022 Email：zhukai210@tju．edu．cn 摘要：基于组织光学和人工神经网络理论，提出了一种全新的确定生物体热物性参数的方法。利用积 分球系统测量介质组织光学特性参数，以该特性参数作为人工神经网络输入变量，以热物性参数的数 据为目标变量，利用神经网络的自学习系统，最终建立光学特性参数与物性参数间的非线性映射一黑 箱模型。通过测量多种已知物性参数物质的组织光学特性参数，利用黑箱模型得到热物性参数的计算 值和已知真实值的相对误差均在5％以内。该方法不仅可用于测量生物体的各种热物性参数，也为其它 领域各种参数的测量提出了一种新的思路。 关键词： 热物性参数组织光学人工神经网络 1、引言 由于生物组织检测的复杂性，其物性数据十分匮乏，所以众多学者都曾对生物热物 性的检测技术进行了研列卜31。然而由于生物组织的热物性数值会随类型、组分和温度 不同而表现其非同性变化，加之实验条件的限制，使得同时测取生物体组织中随空间变 化的热导率、热扩散率等非均匀热参数存在许多困难，不能满足实际的需要。本文旨在 发展一种全新的生物体热物性参数测量技术和方法，以满足生物传热研究的需要。 目前测量导热系数的方法主要有：光热偏转热扩散法¨1、闪光法埔1、光声法阳1、交 流量热法H’等。随着研究的深入，热物性参数的测量方法已经不拘泥于传统的思维模式， 能否从光学的角度探索导热系数的测量方法?从物质的微观结构上分析，组织光学特性 参数是描述光与介质的相互作用，是物质微观特征的体现；热物性参数是表征物质问传 热的热特性，也是由物质微观结构决定的。那么均由微观特性所决定的组织光学特性参 数和热物性参数之间是否具有某种客观联系?是否可以根据这种联系，通过测量组织光 学特性参数间接获得物质的热物性参数?这就是本文研究的主要内容。 2、组织光学特性参数的获得 要分析组织光学特性参数和热物性参数之间的关系，首先需要确定物质的组织光学 特性参数f本文是通过测量样品的漫反射、漫透射、准直透射能量光谱，利用逆倍增方 法(InverseDoubling，IAD)模拟求解，最终的到组织光学特性参数：吸收系数 Adding p。、散射系数Ⅳ，、各向异性因子g。 2．1测量系统 利用积分球系统测量介质组织光学特性参数，基于该方法设计光谱仪双积分球实验 系统，原理如图1所示。实验装置较容易与发射光谱仪结合实现对被测介质的多波长组 织光学特性参数测剥81。通过该系统可以测量实验样品的漫反射率R、漫透射率乃、 准直透射率Z。 2．2实验对象的选取 筛选30种实验样品(液体、I嗣体各15种)。 小课题受困家自然科学维玲项目资助 730 选择原则： 1、样品的经 典物性参数已 知。这是构建组 织光学特性参数 和热物性参数非 线性映射的基本 数据保证； 2、选择各种 图1 光谱仪双积分球测量原理图 样品类型，如表1 所示，选取了6 种高分子材料，1种金属材料，4种非金属日用材料，4种生物材料， 为组织光学特性参 数和热物性参数非线性映射可靠性和合理性提供支持； 3、固体物质的选择要保证其切片具有透光性，从而可以通过实验获得透射特性。 表1 30种实验样品 水 乙醇 乙二醇 乙酸 丙酮