思品九年級第三單元提綱VIP

1、紅外熱成像技術的醫(yī)學應用研究周敏華* 作者簡介：周敏華（1981.11-），女，博士研究生，主要研究方向為紅外醫(yī)學成像。zmh700 陳錢，男，教授， 博士生導師 陳錢（南京理工大學電光學院441教研室，江蘇 南京 210094）摘 要：紅外熱成像技術由于軍事需求得以迅速發(fā)展，并逐漸向民用領域滲透。自從第一次應用于乳腺癌的診斷以來，紅外熱成像技術廣泛應用于醫(yī)學診斷，人們越來越關注這項技術的發(fā)展。醫(yī)用紅外熱成像技術是一種記錄人體熱場的影像裝置，與X-CT、磁共振、B超等以檢查組織形態(tài)結構為主的醫(yī)學影像技術具有不可替代的互補作用，是現(xiàn)代醫(yī)學影像的一個嶄新分支。主要介紹了紅外熱成像技術在醫(yī)學領域的應

2、用，闡述了其發(fā)展概況及其醫(yī)學應用原理，并對其進一步發(fā)展作了展望。關鍵詞：紅外熱成像技術 醫(yī)學應用 醫(yī)學診斷 醫(yī)療監(jiān)護 中圖分類號：R445 文獻標識碼：1 引言早在1800年，英國天文學家William Hirschel就發(fā)現(xiàn)了熱與紅外輻射的關系1。1929年M.Czerny等人研制的蒸發(fā)式熱像儀標志了紅外熱成像技術的誕生。紅外熱成像興起于二十世紀六十年代，由于技術上及其他一些原因，致使這一先進的技術過早的夭折。上世紀九十年代，由于非制冷紅外焦平面陣列技術的突破與實用化，使其在民用方面逐步得到廣泛應用，幾乎涉及到社會生活的方方面面。紅外熱成像技術在醫(yī)學臨床上的應用始于五十年代后期用于乳腺腫瘤的

3、診斷。醫(yī)用紅外熱像技術是醫(yī)學技術、紅外攝像技術和計算機多媒體技術結合的產物，是一種記錄人體熱場的影像裝置2。該技術開辟了以功能學為主的全新醫(yī)學影像領域，與X-CT、磁共振、B超等以檢查組織形態(tài)結構為主的醫(yī)學影像技術具有不可替代的互補作用，是現(xiàn)代醫(yī)學影像的一個嶄新分支。2 紅外熱成像技術及其應用原理紅外熱成像技術是一種輻射信息探測技術，就是把不可見的紅外輻射能量密度分布圖轉化為可見光圖像的過程，將人類的視覺感知范圍從傳統(tǒng)的可見光譜區(qū)擴展到裸眼所不能看見的紅外輻射光譜區(qū)，使人類能夠進行夜間或惡劣氣象條件下的觀察和跟蹤等。紅外熱成像技術可分為致冷式和非致冷式兩種類型，前者又有一代、二代、三代之分，后

4、者使用非致冷陣列熱電探測器，被稱為第四代3。紅外熱成像技術正經(jīng)歷從低性價比的光機掃描成像系統(tǒng)到高性價比的焦平面陣列成像系統(tǒng)的轉變。紅外焦平面陣列成像技術是近三十年才發(fā)展起來的，是紅外成像系統(tǒng)史上的一個劃時代的進步。從目前情況來看，光機掃描熱像儀由于工藝條件比較成熟性能較好，有著較為廣泛的應用，但是焦平面陣列紅外成像系統(tǒng)結構更加簡單，性能更優(yōu)越，隨著紅外焦平面陣列制造工藝的不斷完善，最終將會成為熱像儀中占主導地位的產品。人體細胞的新陳代謝活動不斷將化學能轉換成熱能。通過組織傳導和血液對流換熱，熱能從體內傳向體表，體表通過導熱、對流、輻射、蒸發(fā)等方式與環(huán)境進行熱交換，即“人體體內的熱一定會傳到體表

5、”4。作為天然的熱輻射體，人體正常的干燥皮膚非常接近于理想黑體表面，其輻射率約為0.98。人體內外各部分輻射能量不同，其波長在220m（遠紅外區(qū)）之間，其中814m波段的輻射占人體總輻射量的46%。當人體為37時峰值波長為9.3482m，所以通常選用敏感波長為814m的紅外探測器探測人體紅外輻射。醫(yī)學應用中，紅外熱成像技術通過光學電子系統(tǒng)將人體輻射的遠紅外光波經(jīng)濾波聚集、調制及光電轉換，變?yōu)殡娦盘?，并轉換為數(shù)字量，經(jīng)多媒體圖像處理技術，以偽彩色熱圖形式顯示人體的溫度場。該技術通過紅外熱像儀被動接收人體發(fā)出的紅外輻射信息，對人體無損害，對環(huán)境無污染，具有無創(chuàng)、安全、客觀、直觀、可自動比較分析等優(yōu)

6、點；臨床應用范圍廣，凡能引起人體組織熱變化的疾病都可以用它進行檢查；提供人體器官代謝功能影像顯示手段，開辟了以功能學為主的醫(yī)學影像新領域。3 紅外熱成像技術的醫(yī)學應用醫(yī)用紅外熱成像技術是通過紅外熱像儀被動接收人體發(fā)出的紅外輻射信息，因此凡能引起人體組織熱變化的疾病都可以用它進行檢查，如癌前期預示、腫瘤的鑒別診斷及普查、心腦血管疾病、外科、皮膚科、婦科、五官科、人體健康狀態(tài)的綜合檢查和評估以及對各類疾病的治療和藥物療效過程及結果的觀察、分析等。此外，醫(yī)用紅外熱像技術在中醫(yī)辯證、針灸原理、經(jīng)絡穴位溫度特性和氣功測試等方面的應用也受到國內外的關注，取得了一些研究結果。3.1 醫(yī)學診斷正常人體的溫度分

7、布具有一定的穩(wěn)定性和對稱性。但由于解剖結構、組織代謝、血液循環(huán)及神經(jīng)狀態(tài)的不同會造成機體各部位溫度有所差異，形成不同的熱場。當人體某處存在疾患或功能發(fā)生改變時，該處血流和細胞代謝會發(fā)生變化，導致局部溫度改變，表現(xiàn)為溫度偏高或偏低。如果全身或局部的溫度偏離正常，則提示該部位組織細胞可能出現(xiàn)了病理性改變。因此，溫度是最常用的觀察與衡量人體機能正常與否的指標之一，獲取全身或局部溫度是一種疾病診斷手段。熱成像系統(tǒng)的熱掃描過程靈敏快捷，無需特殊準備，可以同時進行多部位的掃描，如頭、頸、胸、腹、盆腔等操作簡單，臨床應用范圍廣。炎癥是一種常見的病理現(xiàn)象，紅腫熱痛是炎癥的最常見表現(xiàn)。急性炎癥局部充血，代謝旺盛

8、，其病灶處溫度一定是高溫；慢性炎癥灶處，由于機化粘連，局部血液循環(huán)下降，其溫度應就會下降；若慢性炎癥灶急性發(fā)作，則可出現(xiàn)高低溫交錯的情況等。采用紅外成像技術對炎癥的臨床診斷帶來了許多方便。機體溫度主要由血液循環(huán)狀態(tài)來決定的，當血管病變時，血運障礙，皮膚溫度降低，皮膚顏色也相應改變。因此，紅外熱像對血管疾病的診斷具有特殊的價值，尤其是彩色紅外熱像儀有明顯的對比性，如動脈栓塞、閉塞性脈管炎、大動脈炎、動脈瘤、靜脈曲張等。在紅外熱像圖上均清楚地顯示出病變部位及范圍，從而為臨床治療提供可靠依據(jù)。目前，用熱像診斷周圍血管疾病的準確率已達94.5，而臨床檢查最多也不過60左右，且多系中晚期病人5。因此，熱

9、像儀是診斷周圍血管疾病的最佳手段。腫瘤治療的關鍵是及早發(fā)現(xiàn)，對此醫(yī)用紅外熱像技術具有明顯的優(yōu)勢。良性腫瘤由成熟細胞組成，生長緩慢，與周圍皮膚溫差較小，多在1以內；惡性腫瘤由不成熟細胞組成，血管豐富，代謝旺盛，生長迅速，特別是病變位于淺層者與近周皮膚溫差較大，可高達23之多。當腫瘤的直徑在1cm 或以上，MRI、CT這些主流技術在形態(tài)上的定位要比紅外熱像準確；但如果腫瘤只有1mm 或更小，主流技術將無能為力，而紅外熱像技術則能夠觀察到細微病變，鑒別腫瘤的性質，特別是早期發(fā)現(xiàn)。腫瘤細胞由早期的代謝加速，血液循環(huán)增加而致的溫度變化，發(fā)展至體積增大足以CT、MRI分辨，時間差一般來說起碼23個月。隨著

10、CT、MRI儀器分辨能力的提高，這種差距可以縮短，但溫度的變化在前，結構變化在后，這種差距是絕對的。近年來，劉忠齊及其團隊經(jīng)過數(shù)年的鉆研提出了一種新的紅外熱診斷技術TTM（Thermal Texture Maps），該技術的原理是利用紅外熱輻射接收掃描器接收人體細胞新陳代謝過程中的紅外線輻射信號，經(jīng)計算機處理、分析，基于特定規(guī)律和算法重建出對應于人體所檢查部位的細胞相對新陳代謝強度分布圖，并加以斷層，測量出熱輻射源的深度和數(shù)值，依據(jù)正常與異常組織區(qū)域的熱輻射差來診斷疾病，為定性診斷疾病提供定量依據(jù)。該技術及設備已于2002年2月8日獲得美國專利并受全世界93個成員國保護4。從已有的工作看來，T

11、TM技術在人體的整體綜合評估、亞健康狀態(tài)評估、藥物療效等多方面的評估以及對一些疾病的診斷方面有著不可替代的作用和優(yōu)勢，特別是早期診斷乳腺癌的評估標準體系方面，已獲得國際上的公認。但是，該技術尚未成熟，正處于不斷發(fā)展之中，有待于進一步深入和完善。3.2 醫(yī)療監(jiān)護6在醫(yī)院中，為使患者得到更好的照料和醫(yī)學觀察研究之用，監(jiān)護系統(tǒng)是必可少的。現(xiàn)在大部分醫(yī)院所用監(jiān)護系統(tǒng)為電視系統(tǒng)和微光監(jiān)護系統(tǒng)，它們對光線的要求較高，而基于紅外熱成像技術的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)就不存在這一問題。紅外監(jiān)護系統(tǒng)設計分成兩部分：一部分置于患者病房內，以獲取患者信息，稱之為前端；另一部分置于監(jiān)控室內，負責將患者信息提供給監(jiān)護人員，稱之為后端

12、；二者之間可根據(jù)情況進行有線、無線或紅外視頻傳輸。人體產生的紅外信號經(jīng)紅外鏡頭聚焦后，匯聚于紅外探測器的探測平面。在一些模塊協(xié)同作用下，處于正常工作狀態(tài)的紅外探測器將接收到的紅外信號轉化成初始視頻電信號，并將此信號以特定的制式輸出到后繼處理模塊，經(jīng)過處理，形成目標視頻信號，經(jīng)過編碼處理后發(fā)送到系統(tǒng)后端。后端接收到前端送來的視頻編碼，進行解碼處理，然后發(fā)送給后繼模塊進行進一步的處理，然后直接送顯控模塊和存儲模塊，以實現(xiàn)實時監(jiān)控和編碼存儲。分析模塊對送來的視頻信號進行分析，若發(fā)現(xiàn)患者有不適反應，則觸發(fā)報警模塊，以提醒醫(yī)護人員采取措施。 由于紅外監(jiān)護系統(tǒng)接收的是患者身體發(fā)出的紅外信號，所以無論可見光

13、的強、弱、有、無，系統(tǒng)都不受任何影響，能夠全天候地正常工作。特別是在夜間實施監(jiān)護時，不需要進行額外的處理，不會對患者的休息造成不良影響。而且，由于患者體溫的變化而引起的紅外信號強度的變化不很劇烈，對于紅外系統(tǒng)只是很窄的一個范圍，完全不會影響紅外系統(tǒng)的正常工作。相反，這種變化還可以很明顯地在監(jiān)視器上體現(xiàn)出來，從而提醒醫(yī)護人員需要對患者進行護理。而無論是電視系統(tǒng)還是微光系統(tǒng)，都不能反映出這種變化。因此，紅外系統(tǒng)不但彌補了電視系統(tǒng)和微光系統(tǒng)所存在的不足，而且實現(xiàn)了更強大的監(jiān)護功能。3.3 其他紅外熱成像技術靈敏地反映0.05的溫差，故在疾病的早期，甚至感冒病初起，熱像圖上也可出現(xiàn)變化征象，而其他形態(tài)

14、影像技術則不能，所以可在預測醫(yī)學中可推廣使用。體檢時，受檢者站在鏡頭前如同照相一樣，不到10分鐘的時間，電腦屏幕上便顯示出由紅黃藍綠色彩拼出的人體表面溫度圖像，很快一張關于全身疾病情況的診斷報告就打印出來了。與以往不同的是醫(yī)生不僅對受檢者身體病癥情況了如指掌，而且還對受檢者整個健康狀況進行了評估，并對受檢者潛在的病癥給予了提示。中國醫(yī)藥學7是我國人民長期與疾病斗爭中創(chuàng)立的一門學科。這門似乎帶有神秘色彩的傳統(tǒng)醫(yī)學，當今甚至形成世界性的“中醫(yī)熱”。為了繼承和發(fā)揚中醫(yī)學，用現(xiàn)代高科技手段對中醫(yī)學的理論基礎譬如：經(jīng)絡學等進行研究是一個方向。胡翔龍等撰文用熱像儀研究了人體體表經(jīng)絡紅外輻射軌跡的主要特征和

15、顯現(xiàn)規(guī)律。闡述了在完全無外加因素干擾的“自然”情況下將十四經(jīng)脈的循行路線直觀地顯示出來，說明體表的經(jīng)脈循行路線是人體所固有的。文中認為波長不同的輻射可能作為信息載體，是生物信息傳遞的一種形式。并指出經(jīng)絡確是人體所固有的某種“組織”和功能，它在“外周”必然有其相應的物質基礎。生命過程中的物質能量和信息的轉化和傳遞已經(jīng)成為現(xiàn)代生命科學研究中日益突出的問題，經(jīng)絡研究將有可能在這方面為現(xiàn)代生命科學的發(fā)展做出新貢獻。舌診8是中醫(yī)診斷學的重要研究內容之一。舌診通過觀察舌象了解機體的生理功能和病理變化，并作為辨證論治的依據(jù)之一。傳統(tǒng)的舌診是依靠醫(yī)生對舌象進行觀察、判斷、分析、描述，有很大的主觀性。紅外熱像技

16、術為中醫(yī)舌診的研究提供了新的技術手段，也為臨床診療疾病提供了客觀依據(jù)。它是通過觀察、測定生物體表面溫度場和熱流的異常來發(fā)現(xiàn)或預示病變，故可以利用紅外熱像儀測定舌面溫度場，再通過生物傳熱計算得其內部溫度，進而獲取其他參數(shù)以使舌診量化。4 結束語紅外熱成像技術在醫(yī)學上的應用開辟了以功能學為主的醫(yī)學影像新領域，實現(xiàn)了人體機能與結構多元信息的轉換和表達，為人們探索機能信息和結構信息的內在聯(lián)系開辟了新的途徑。醫(yī)用紅外熱成像技術被動接收人體熱輻射，對人體無介入損傷，對環(huán)境無污染，熱掃描過程靈敏快捷，無需特殊準備，可以同時進行多部位的掃描，臨床應用范圍廣。但是，由于人體的復雜性以及目前在紅外熱像認知方面的局

17、限性等，給診斷帶來一定的難度，需進一步對其進行深入研究。該技術與CT、MRI、B超等結構影像學結合，既能了解患者的組織結構情況，又能了解該組織的功能狀態(tài)，即結構影像和功能影像相結合，這是理想的現(xiàn)代影像學，將使許多病變得到早期發(fā)現(xiàn)，疾病規(guī)律得到更全面認識，疾病性質得到更準確診斷。參考文獻1 呂少文，李紅，趙麗君等醫(yī)用紅外熱像技術J武警醫(yī)學院學報，2003，12（1）：74-752 吳士明，張傳富，曾品菊等醫(yī)用紅外熱像技術臨床應用研究J激光雜志，2003，24（1）：63-653 何麗走向新世紀的紅外熱成像技術J激光與紅外技術，2002，39（12）：48-514 關耳，成艷荊棘鳥穿過荊棘記中國人

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21、dicine and Biology 27th Annual Conference Shanghai, China: September, 2005. 1-4 The Infrared Thermal Imaging Technology and Its Application to MedicineZHOU Min-hua，CHEN Qian441 Staff Room, School of Electronic Engineering and Optoelectronic Technology, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, ChinaAbstract: With the development of the military technology, the infrared thermal imaging technology gradually infiltrates into the civil domain. Since the first application in the detection o