医用红外热成像技术研究概述 [复制链接]

医用红外热成像技术(Infraredthermography，IRT)是一种以红外成像为基础的以锁定细胞相对新陈代谢强度为途径的医用功能学影像技术，也是一种无创性功能检测技术，具有全面、整体、动态、无创地采集和分析人体信息的特点，对疾病的筛查和辅助诊断有着重要价值。现就医用红外热成像技术的工作原理及临床应用作以下归纳总结。

1.红外热成像的工作原理

1.1红外热成像技术的测温原理

在绝对零度(-°F)以上，任何物体包括人体都会有分子热运动，而产生的能量将以电磁波的形式辐射出来。随着温度变化，电磁波的辐射强度与波长分布特性也随之改变，波长介于0.75μm到μm间的电磁波称为“红外线”，而人类视觉可见的“可见光”介于0.4μm到0.75μm。其中波长为0.78~2.0微米的部分称为近红外，波长为2.0~微米的部分称为远红外线。红外线在地表传送时，会受到大气组成物质(特别是H2O、CO2、CH4、N2O、O3等)的吸收，强度明显下降，仅在短波3μ~5μm及长波8~12μm的两个波段有较好的穿透率，通称大气窗口(Atmosphericwindow)，大部份的红外热像仪就是针对这两个波段进行检测，红外热成像的测温是靠接受为一体表面发射的辐射来确定其温度的，热像仪接到的有效辐射包括目标自身辐射、环境反射辐射以及大气辐射，在尽量减少环境因素干扰前提下，通过热像仪测出辐射温度可以算出被测表面的真实温度。此外，由于红外线对极大部份的固体及液体物质的穿透能力极差，因此红外热成像检测是以测量物体表面的红外线辐射能量为主。而这种红外线辐射都载有物体的特征信息，这就为利用红外技术判别各种被测目标的温度高低和热分布场提供了客观的基础。当物体内部存在缺陷时，它将改变物体的热传导，使物体表面温度分布发生变化。

红外热成像原理并不神秘，从物理学原理分析，人体就是一个自然的生物红外辐射源，能够不断向周围发射和吸收红外辐射。人体通过自身代谢、肌肉运动产生热，并且将体核温度维持在大约为37℃的一个小幅波动的范围内。实验表明，人体皮肤不论是黑色还是白色，其发射率基本上没有太大差别，约为0.98，接近于黑体。而且对于同一个体来说，皮肤的发射率基本上是一个常数。维恩定律为：

λmax=α／T（1）

（1）式中，α=(．8士0．4)m·K．人体体表的温度范围约为25-36℃，由式(1)可以得出其对应的热辐射峰值波长A，位于中红外波段，约为9.4-9.9μ。

当皮肤发射出肉眼看不见的红外辐射能量时，该辐射能量的大小与温度成正比。人体红外热成像仪的工作原理是将人体发出的不可见红外辐射能量，通过光学系统聚焦到红外探测器的敏感元上；红外探测器敏感元将红外辐射进行光电转换，生成可进行电子学处理的电信号；在相应的显示设备上呈现出一幅表现人体热特性的伪彩色图像。正常人体的温度分布具有一定的稳定性和特征性，机体各部位温度不同，形成了不同的热场。当人体某处发生疾病或功能改变时，该处血流量会相应发生变化，导致人体局部温度改变，表现为温度偏高或偏低。根据这一原理，通过热成像系统采集人体红外辐射，并转换为数字信号，形成伪色彩热图，利用专用分析软件，经专业医师对热图分析，判断出人体病灶的部位、疾病的性质和病变的程度，为临床诊断提供可靠依据。

1.2红外热图的识别

绝大多数医学图像都是灰度图像，如x线、CT、MRI、B超图像等。对于观察者来说，人眼只能辨别出一幅图像中的4-5bit灰度级，但却能辨别出近千种色彩。为了发挥人眼对色彩的分辨能力，可用各种不同的颜色代表图像的不同灰度，使灰度图像变为彩色图像，从而提高人眼对图像的视觉感知能力。这样观察者便能从图像中获取更多的信息。这种伪彩色处理方法已广泛运用于图像显示领域，如遥感图像处理、卫星图片以及生物医学图像等。红外热成像系统使用红外镜头接收人体体表的红外热辐射，然后通过红外探测器将其转换为电信号，并根据电信号和温度之间的关系算出温度，从而得到一幅记录人体体表皮肤温度分布的红外热图像。

红外热图温度的高低用图像的灰度表示，温度高用亮色表示，温度低用暗色表示；或用暖色和冷色表示温度高低，这就是我们常说的红外热图。红外热成像仪与一般接触式测温仪方法不同，热像图不仅反映出皮肤温度的变化，而且还能观察出皮肤辐射能的增减。这不但能更精确地测定体表大面积温度的细微变化，而且还能绘出热像图，可以通过探查人体辐射能的变化观察和研究各种疾病的规律，因此它是一种新型的无创检测方法。当体温高于背景温度时，机体透过皮肤发射红外辐射，辐射能的幅度及空间结构与温度有一定的对应关系。异常热源是因温差改变而形成的，所以可以直观的从影像的色彩分布及形态而表现出来，可做出初步的评估。

1.3红外热像仪诊断人体病灶的原理

人是恒温动物，可以通过体内产热和与周围环境进行热交换来使皮肤表面具有相对稳定的温度分布。体内可以通过皮肤组织的代谢热、血液流动的传输热以及体内的传导热等形式进行热传播。体外可通过热传导、热对流和热辐射与外界进行能量交换。当人体某处发生疾病时，局部温度会因此处的细胞代谢和血液流动的变化而发生变化，表现为温度偏高（或偏低）。如果局部或者全身的温度偏离正常，则可能存在病灶。因此，温度是常用的观察与衡量人体机能是否正常的指标之一。由于人体具有对称的神经自动调节系统，这些调节系统在很大程度上控制着人体温度，因此正常人体温度的分布是具有对称性的，温度的不对称分布往往显示人体某个部位的异常。人体某些部位患病或机能发生变化，其所在部位的温度的大小及分布状况与正常组织相比会发生显著的变化，对于炎症、肿瘤等来说温度会升高，而脉管炎、动脉硬化等疾病温度会降低。研究发现正常皮肤温度左右两侧基本对称。进行了正常青年体表温度分布的红外热像分析，结果表明正常青年体表的温度性很好，两侧温差不超过0.2℃。在医院开展了有关正常成人肝区体表温度分布的红外热像分析，研究结果表明，正常成人肝脏体表对应区的温度高于其身体对侧的对应区域的体表温度及肝脏体表对应区温度男女间不存在差异，并详尽指出了正常成人男性和女性肝脏体表对应区最高温度、最低温度及平均温度水平。在对31个病例的背部和四肢的热像进行分析后发现人体热像的对称性与人的年龄、性别、胖瘦、脂肪的含量是无关的。发现在通常情况下人体的热对称性在两个星期之内是比较稳定的，这个发现在随后Uematsu的长期研究中获得了验证。

1.4红外热成像技术的特点

红外热像仪系被动地接收人体的自身辐射而形成热像，在摄取热图像过程中，人体不接受线、超声波、电磁波的作用，这种诊断方法对人体绝对无害，特别适合孕妇、胎儿的检查。同时，这种非接触式的测量，对病人来说无任何痛苦。检查方法简便迅速，特别适用于门诊。红外热像检查能一次观察全身多个脏器，而且费用较低。作为一种价格低廉、判断准确的普查方式通过普查筛选出可疑病例，然后对这些可疑病再作进一步的检查，实现资源的最大化利用，很适合在广大农村地区推广。红外热像仪具有反应灵敏（一般温度分辨率为0.05℃，空间分辨率）的特点，同时伪彩色图像显示，使得诊断更加直观。总结起来：（1）是一种非接触性和无创伤性的检查仪器；（2）测量精确度高，结果准确；（3）反应灵敏；（4）图像处理功能强大；（5）操作简单，费用低廉，易于普及；（6）应用范围广，临床价值高。

2.红外热成像的应用概况

2.1红外热成像技术在国内外的应用

红外热成像技术（IRT）广泛用于国内外医疗领域。在美国，医用红外热成像技术已经广泛应用于血管疾病、肿瘤、疼痛疾病、微循环疾病、乳腺病、肾病等多科临床疾病的原理探索及疗效评估；在日本，有超过家医院和诊所常规使用医用红外热成像技术。此外，在韩国、英国、德国、奥地利、波兰、意大利、澳大利亚、俄罗斯等国家，医用红外热成像技术在临床上都有广泛应用，尤其是对于女性乳腺癌的筛查方面已具有丰富的临床经验。KumarS将IRT用于乳腺癌的病理组织学样品的组织学分级，尤其是癌细胞的细胞外基质，研究数据表明，根据乳腺癌的微环境的变化来进行化学成像的分析方法可用于将来提高乳腺癌的诊断；KampfS利用经颅多普勒（TCD)及近红外光谱（NIRS）的方法实时的监测围手术期和手术时脑部血流的灌注情况，结果表明TCD及NIRS适用于麻醉医师进行脑氧输送的无创监测；BergnerN将IRT作为补充脑组织病理学的诊断工具用于脑转移肿瘤边缘成像和支持向量机；VasudevaK联合红外荧光体内成像技术和核磁共振，研究手术后慢性神经性疼痛的免疫细胞浸润，结果显示：该技术是活体动物模型中显示慢性疼痛免疫细胞浸润的一种使用价值强的可视化技术；JiangT利用IRT研究咬合的夹板抗肌肉疲劳及疼痛，实验结果：结合检测咀嚼肌中血氧含量可实时的监测人类咀嚼肌肉的代谢状态；和Bird将IRT检测部分关节炎患者使用不同皮质激素类药（例如波尼松龙）后炎症减轻的时间和程度。Rodrigues-BigatonD利用IRT观察女性颞下颌关节紊乱的诊断，结果表明：患者颞下颌关节紊乱引起的关节痛的面部两侧皮肤温度明显不同，病侧较健侧有明显升高的趋势，可以反映疾病过程的加重或者缓解，但诊断准确度不高；Bacon等应用IRT观察对乙酰氨基酸治疗关节炎，小关节（手指和掌指关节）温度降低相当迅速；但较大的关节（膝关节和踝关节，则需要时间1周以上的抗炎治疗才能取得相同的效果；肘部前端的急性滑囊炎局部温度明显增高的现象，肌肉过度使用或重复性劳损会导致腱鞘或邻近滑囊肿胀。Binder发现，在网球肘患者的红外热像图中，发生剧烈疼痛的肘部伸肌肌肉疼痛点与红外热像图中温度显著增高的区域是一致的。ThomasandSavage发现，使用红外线热成像仪可以持续监测网球肘患者肘部肌腱损肘情况。可见，IRT定位、动态辅助诊断方面具有重要价值。

目前在我国，医用红外热成像仪在临床上应用广泛，例如神经系统疾病、心外手术、疼痛、泌尿系统疾病、皮肤外科、发热疫情监测等多学科领域。

在国内，随着红外热成像技术的成熟运用，越来越多的医疗机构及学者开始引进IRT运用于医疗及科研。ZhangY将可肘光与红外光结合的光谱分析的方法诊断恶性肿瘤、良性肿瘤及正常组织的敏感性、特异性和准确性，研究表明，在诊断乳腺疾病方面，组合光谱的分析方法是较为优异的一种体外光学诊断方法。中国体子科技集体第十一研究所成功研制高温红外双色测温仪，光纤高温红外测温仪，低温红外测温仪以及智能化等各种红外温度传感器。通过红外热图温度而寻找其与肿瘤中医证型的关系，根据平均温度比较结果显示：气血两虚实证虚实夹杂阴虚气阴两虚气虚阳虚。除去气血两亏的患者外，其余患者红外热图满足阳盛、阴虚则热，阳虚则寒的理论。根据的分析，R值比较结果，气血亏虚、实证和虚实夹杂组R值大于或等于0.5，与温度升高相关性大，其中以气血亏虚组的相关性最为明显。气阴两虚和阴虚组较之其他，相关性稍弱。所以实证和虚实夹杂两组证型的诊断与热图温度有相关性这一结论是有其科学根据的。经红外热成像技术，所有研究对象顺利采集到相应温度数据及相应热区分布变化，通过各组之间对比发现了亚健康态胸痹人群的红外热图的特征性表现，得出亚健康态胸痹的红外热图表现与正常人群在左心区有显著性差异的结论，其特征表现具有临床指导意义。武警后勤学院医学院开展了神经根型颈椎病的临床疗效观察-红外热像分析、正常人体红外辐射信息的定位及定量研究和人体红外信息探测与解析系统的研制等课题，在各类期刊上发表人体红外信息特征性表达的定位定量研究、红外技术在重大疾病早期预警筛查中的应用及人体红外热图像分析技术的原理和意义等相关文章；中和亚健康服务医院开展了热成像技术图像采集规范研究---医用摄像环境标准化研究、亚健康胸闷的红外热图与运动平板试验相关性研究的困惑、亚健康颈部疲劳与颈椎病的红外图谱温度特征比较等文章及红外热成像技术在临床应用中等文章。