医学数字红外热成像基本原理

1.1.5　医学数字红外热成像基本原理

红外热成像原理并不神秘，从物理学原理上分析，人体就是一个自然的生物红外辐射源（radiation source），能够不断向周围发射和吸收红外辐射。正常人体的热态（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（thermal field）。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，导致人体局部温度分布改变，表现为温度分布偏高或偏低。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，形成伪色彩热成像图，利用专用分析软件，经专业医师对热成像图分析，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。除了要有性能良好的热成像硬件设备，还需要有分析功能强大的应用软件支持，就如品牌计算机必须安装WINDOS视窗一样重要。刘忠齐教授提出的热断层扫描系统（thermal tomography maps system，TTM）和我们研发的数字热态自动分析系统（digital thermal autoanalysis system，DTA）等，都是医学数字红外热成像技术（medical digital infrared thermal imaging technology）应用分析系统软件。DTA将更加智能化，能够自动定位、自动测量、自动生成检测报告，为临床应用提供更多有价值的参考信息。

1.1.5.1　传统的医学红外热成像的基本原理

传统的医学红外热成像仪是利用红外探测器、光学成像物镜（optical imaging objective）和光机扫描系统（ray machine scanning system）（目前先进的焦平面技术则省去了光机扫描系统），接受被测目标的红外辐射能量分布（infrared radiation energy distribution）图形，反映到红外探测器的光敏元件上，在光学系统和红外探测器之间，有一个光机扫描结构（焦平面热像仪无此结构）对被测物体的红外热像进行扫描，并聚焦在单元或分光探测器上，由探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大处理、转换或标准视频信号并通过电视屏或监测器显示红外热成像图。

传统的医学红外热成像图与物体表面的热分布场相对应，实质上是被测目标物体各部分红外辐射的热像分布图。由于信号非常弱，与可见光图像相比，缺少层次和立体感，因此，为了更有效地判断被测目标的红外热分布场，常采用一些辅助措施来增加仪器的实用功能，如图像亮度、对比度的控制、实标校正、伪色彩描绘等高线和直方进行数学运算、打印等。

1.1.5.2　现代医学数字红外热成像的基本原理

健康人体是由四肢和多个腔体构成的一个开放的热能相对平衡体。由皮肤表面和皮肤结构层生理代谢热能活动构成了人体表面温度（body surface temperature），以及皮肤结构层以下与深部组织结构生理代谢热能活动，形成了人体内部温度（又称体核温度）。

正常人体的温度分布（temperature distribution）具有一定的稳定性和对称性。由于解剖结构、组织代谢、血液循环及神经活动状态的不同，可形成不同的热场，同时反映到体表。当人体组织、器官出现疾病或功能发生改变时，局部组织和器官代谢会发生变化，导致局部热场改变，表现为温度偏高或偏低。如果全身或局部的温度分布偏离正常，可能提示存在疾病或损伤。因此，温度是最常用的观察与衡量人体功能正常与否的指标之一，获取全身或局部温度分布变化作为一种诊断手段。

现代医学数字红外热成像技术设备通过光学电子系统将人体细胞新陈代谢过程中的热态的远红外光波经滤波聚集、调制及光电转换，变为电信号，并转换为数字量，经多媒体图像处理技术处理，以伪色彩热成像图形式显示人体的温度场（temperature field）。同时，应用数字红外热成像专用分析软件，对获取的温差进行分析，并以图像的形式表现出来，通过计算机自动分析技术，对人体体表热场所对应的组织器官进行热值（calorific value）、热态、热源定位的分析和深度估测。再结合临床以判断病灶的部位、疾病的性质、病变的程度。

现代医学数字红外热成像技术将解剖的形态诊断和生理的功能诊断相结合，将系统检查和动态显示做到有机地统一，从整体上实现人体功能或病理状态的评估和诊断（图1.5）。

1.1.5.3　现代与传统红外热成像技术的不同

传统红外热成像技术主要是利用计算机和人工测量对二维的热代谢图像进行类比分析和统计学处理;依据人体表面温度分布的高低，进行人工分析，判断其与疾病的相关性。因为这是全息功能红外热成像影像学技术，信息含量巨大，对医师诊断的要求比较高，需要依靠临床资料和经验的积累，主观性较强，没有形成标准化诊断与评估系统，目前大部分的应用单位基本上都是处在人工判断、人工测量状态或只判断不测量阶段，对图像的判读和方法也不尽一致，“一人一种说法”，这与临床现有常见的组织形态结构影像技术相比，诊断准确率必然会有明显差距，这就是当前影响医学数字红外热成像技术应用与发展的主要障碍，一些生产商构想建立网络式会诊中心来解决上述瓶颈问题。如果智能化的自动识别、自动测量（三维空间）分析方法和标准化的数据库不解决，那么医学数字红外热成像技术就不会有大的突破。

图1.5　数字红外热成像自动识别分析系统实现过程

现代医学数字红外热成像技术是采用世界先进的非制冷焦平面阵列探测器，通过遥感测量方式，建立健康人群的能量热态分布（distribution of heat）图数据库，建立常模定标值，建立标准化评估诊断系统。根据研究对象（病种或证候），进行热态自动识别和分级测评，以数字化图像形式显示受检者的某个系统或部位的温度分布场，依据人体热态（human thermal state）空间分布状态，进行计算机自动分析、判断其与疾病的相关性，应该是今后发展的必然趋势。