D0I:10.13374/i.issnl00It03.2008.11.002 第30卷第11期 北京科技大学学报 Vol.30 No.11 2008年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.2008 改进的遗传算法在生物组织热特性参数无损测量中的 应用 乐 恺赵琰张欣欣 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要针对生物活体组织的多个热特性参数同时测量的难点问题，提出了采用遗传算法同时估计多个活体组织热特性参 数的方法，设计了实数编码的遗传算法·通过对选择、交叉和突变算子进行改进，并引入小生境策略，提高了遗传算法的全局 寻优能力和搜素效率。对动态体模和人体前臂的热特性参数测量的模拟仿真研究和实验研究表明，采用改进的遗传算法，能 够以较高的精度同时估计生物活体组织的多个热特性参数 关键词生物传热；血液灌注率；遗传算法：参数估计；导热系数 分类号TK124;Q463 Application of improved genetic algorithm to the noninvasive measurement of thermal parameters for living tissues YUE Kai,ZHAO Yan,ZHANG Xinxin School of Mechanical Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT The simultaneous measurement of multiple thermal parameters of living tissues is of great significance for medical clini- cal applications.A parameter estimation method using improved genetic algorithm(GA)was proposed to simultaneously estimate the multiple thermal parameters of living tissues.In the method the real-coded GA was designed,the selection,crossover and mutation operators were improved,and the niche mechanism was applied to improve the capability of global optimization.The simulation and experimental researches of a dynamic phantom and a human forearm indicate that it is feasible and effective to simultaneously estimate the multiple thermal parameters of living tissues with high accuracy by the proposed method. KEY WORDS bioheat transfer;blood perfusion:genetic algorithm:parameter estimation:thermal conductivity 准确测量生物活体组织的热物性参数是生物传 由于生物传热模型的复杂性，在参数估计中无 热研究的热点和难点问题之一，其中无损测量技术 法清楚了解目标函数的性质，从而难以在具有测量 已成为当前该领域的主要研究方向，具有广阔的发 误差干扰的实际应用中找到一个合适的初始点进行 展前景山，目前，大多数无损测量方法是在假定其 传统的最速下降或高斯等方法的寻优、遗传算法 他参数已知的情况下，进行单个参数的测量或热导 (genetic algorithm,GA)是对参数群体进行搜索的 率与血液灌注率2的测量.但是，无损测量技术 并行优化算法，与传统寻优方法相比，其在非线性、 的固有特点使得在测量过程中存在着多个未知参 多峰复杂系统的多参数辨识方面具有很大优越性， 数可]，假设其中某些参数已知，会对待测参数的估 能避免限于局部最优，具有鲁棒性强、不受初始值选 计产生一定的误差影响，因此，若要提高测量精度， 择和函数约束条件的限制等优点)，针对面临的生 需要对测量系统涉及到的多个未知参数同时进行 物活体组织多参数寻优问题，本文设计了改进的遗 估计， 传算法，对所建立的测量系统中的多个热特性参数 收稿日期：2007-11-09修回日期：2007-12-09 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。·50546029) 作者简介：乐恺(l970一)，女，副教授，博士，E mail:yuekai@me~ustb-ed:cm改进的遗传算法在生物组织热特性参数无损测量中的 应用 乐 恺 赵 琰 张欣欣 北京科技大学机械工程学院‚北京100083 摘 要 针对生物活体组织的多个热特性参数同时测量的难点问题‚提出了采用遗传算法同时估计多个活体组织热特性参 数的方法‚设计了实数编码的遗传算法．通过对选择、交叉和突变算子进行改进‚并引入小生境策略‚提高了遗传算法的全局 寻优能力和搜索效率．对动态体模和人体前臂的热特性参数测量的模拟仿真研究和实验研究表明‚采用改进的遗传算法‚能 够以较高的精度同时估计生物活体组织的多个热特性参数． 关键词 生物传热；血液灌注率；遗传算法；参数估计；导热系数 分类号 T K124；Q463 Application of improved genetic algorithm to the noninvasive measurement of thermal parameters for living tissues Y UE Kai‚ZHA O Y an‚ZHA NG Xinxin School of Mechanical Engineering‚University of Science and Technology Beijing‚Beijing100083‚China ABSTRACT T he simultaneous measurement of multiple thermal parameters of living tissues is of great significance for medical clini￾cal applications．A parameter estimation method using improved genetic algorithm （GA） was proposed to simultaneously estimate the multiple thermal parameters of living tissues．In the method the rea-l coded GA was designed‚the selection‚crossover and mutation operators were improved‚and the niche mechanism was applied to improve the capability of global optimization．T he simulation and experimental researches of a dynamic phantom and a human forearm indicate that it is feasible and effective to simultaneously estimate the multiple thermal parameters of living tissues with high accuracy by the proposed method． KEY WORDS bioheat transfer；blood perfusion；genetic algorithm；parameter estimation；thermal conductivity 收稿日期：2007-11-09 修回日期：2007-12-09 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50546029） 作者简介：乐 恺（1970—）‚女‚副教授‚博士‚E-mail：yuekai＠me．ustb．edu．cn 准确测量生物活体组织的热物性参数是生物传 热研究的热点和难点问题之一‚其中无损测量技术 已成为当前该领域的主要研究方向‚具有广阔的发 展前景［1］．目前‚大多数无损测量方法是在假定其 他参数已知的情况下‚进行单个参数的测量或热导 率与血液灌注率［2—4］ 的测量．但是‚无损测量技术 的固有特点使得在测量过程中存在着多个未知参 数［5］‚假设其中某些参数已知‚会对待测参数的估 计产生一定的误差影响．因此‚若要提高测量精度‚ 需要对测量系统涉及到的多个未知参数同时进行 估计． 由于生物传热模型的复杂性‚在参数估计中无 法清楚了解目标函数的性质‚从而难以在具有测量 误差干扰的实际应用中找到一个合适的初始点进行 传统的最速下降或高斯等方法的寻优．遗传算法 （genetic algorithm‚GA）是对参数群体进行搜索的 并行优化算法‚与传统寻优方法相比‚其在非线性、 多峰复杂系统的多参数辨识方面具有很大优越性‚ 能避免限于局部最优‚具有鲁棒性强、不受初始值选 择和函数约束条件的限制等优点［6］．针对面临的生 物活体组织多参数寻优问题‚本文设计了改进的遗 传算法‚对所建立的测量系统中的多个热特性参数 第30卷 第11期 2008年 11月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．11 Nov．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．11．002