思品九年級(jí)第三單元提綱

1、紅外熱成像技術(shù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究周敏華* 作者簡(jiǎn)介：周敏華（1981.11-），女，博士研究生，主要研究方向?yàn)榧t外醫(yī)學(xué)成像。zmh700 陳錢，男，教授， 博士生導(dǎo)師 陳錢（南京理工大學(xué)電光學(xué)院441教研室，江蘇 南京 210094）摘 要：紅外熱成像技術(shù)由于軍事需求得以迅速發(fā)展，并逐漸向民用領(lǐng)域滲透。自從第一次應(yīng)用于乳腺癌的診斷以來，紅外熱成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷，人們?cè)絹碓疥P(guān)注這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。醫(yī)用紅外熱成像技術(shù)是一種記錄人體熱場(chǎng)的影像裝置，與X-CT、磁共振、B超等以檢查組織形態(tài)結(jié)構(gòu)為主的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)具有不可替代的互補(bǔ)作用，是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像的一個(gè)嶄新分支。主要介紹了紅外熱成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)

2、用，闡述了其發(fā)展概況及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用原理，并對(duì)其進(jìn)一步發(fā)展作了展望。關(guān)鍵詞：紅外熱成像技術(shù) 醫(yī)學(xué)應(yīng)用 醫(yī)學(xué)診斷 醫(yī)療監(jiān)護(hù) 中圖分類號(hào)：R445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：1 引言早在1800年，英國(guó)天文學(xué)家William Hirschel就發(fā)現(xiàn)了熱與紅外輻射的關(guān)系1。1929年M.Czerny等人研制的蒸發(fā)式熱像儀標(biāo)志了紅外熱成像技術(shù)的誕生。紅外熱成像興起于二十世紀(jì)六十年代，由于技術(shù)上及其他一些原因，致使這一先進(jìn)的技術(shù)過早的夭折。上世紀(jì)九十年代，由于非制冷紅外焦平面陣列技術(shù)的突破與實(shí)用化，使其在民用方面逐步得到廣泛應(yīng)用，幾乎涉及到社會(huì)生活的方方面面。紅外熱成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)臨床上的應(yīng)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(shù)是醫(yī)學(xué)技術(shù)、紅外攝像技術(shù)和計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是一種記錄人體熱場(chǎng)的影像裝置2。該技術(shù)開辟了以功能學(xué)為主的全新醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域，與X-CT、磁共振、B超等以檢查組織形態(tài)結(jié)構(gòu)為主的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)具有不可替代的互補(bǔ)作用，是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像的一個(gè)嶄新分支。2 紅外熱成像技術(shù)及其應(yīng)用原理紅外熱成像技術(shù)是一種輻射信息探測(cè)技術(shù)，就是把不可見的紅外輻射能量密度分布圖轉(zhuǎn)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(kuò)展到裸眼所不能看見的紅外輻射光譜區(qū)，使人類能夠進(jìn)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(shù)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(cè)器，被稱為第四代3。紅外熱成像技術(shù)正經(jīng)歷從低性價(jià)比的光機(jī)掃描成像系統(tǒng)到高性價(jià)比的焦平面陣列成像系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。紅外焦平面陣列成像技術(shù)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(gè)劃時(shí)代的進(jìn)步。從目前情況來看，光機(jī)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(yīng)用，但是焦平面陣列紅外成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)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(huì)成為熱像儀中占主導(dǎo)地位的產(chǎn)品。人體細(xì)胞的新陳代謝活動(dòng)不斷將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能。通過組織傳導(dǎo)和血液對(duì)流換熱，熱能從體內(nèi)傳向體表，體表通過導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射、蒸發(fā)等方式與環(huán)境進(jìn)行熱交換，即“人體體內(nèi)的熱一定會(huì)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(nèi)外各部分輻射能量不同，其波長(zhǎng)在220m（遠(yuǎn)紅外區(qū)）之間，其中814m波段的輻射占人體總輻射量的46%。當(dāng)人體為37時(shí)峰值波長(zhǎng)為9.3482m，所以通常選用敏感波長(zhǎng)為814m的紅外探測(cè)器探測(cè)人體紅外輻射。醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，紅外熱成像技術(shù)通過光學(xué)電子系統(tǒng)將人體輻射的遠(yuǎn)紅外光波經(jīng)濾波聚集、調(diào)制及光電轉(zhuǎn)換，變?yōu)殡娦盘?hào)，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，經(jīng)多媒體圖像處理技術(shù)，以偽彩色熱圖形式顯示人體的溫度場(chǎng)。該技術(shù)通過紅外熱像儀被動(dòng)接收人體發(fā)出的紅外輻射信息，對(duì)人體無損害，對(duì)環(huán)境無污染，具有無創(chuàng)、安全、客觀、直觀、可自動(dòng)比較分析等優(yōu)

6、點(diǎn)；臨床應(yīng)用范圍廣，凡能引起人體組織熱變化的疾病都可以用它進(jìn)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(xué)為主的醫(yī)學(xué)影像新領(lǐng)域。3 紅外熱成像技術(shù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用醫(yī)用紅外熱成像技術(shù)是通過紅外熱像儀被動(dòng)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(jìn)行檢查，如癌前期預(yù)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(píng)估以及對(duì)各類疾病的治療和藥物療效過程及結(jié)果的觀察、分析等。此外，醫(yī)用紅外熱像技術(shù)在中醫(yī)辯證、針灸原理、經(jīng)絡(luò)穴位溫度特性和氣功測(cè)試等方面的應(yīng)用也受到國(guó)內(nèi)外的關(guān)注，取得了一些研究結(jié)果。3.1 醫(yī)學(xué)診斷正常人體的溫度分

7、布具有一定的穩(wěn)定性和對(duì)稱性。但由于解剖結(jié)構(gòu)、組織代謝、血液循環(huán)及神經(jīng)狀態(tài)的不同會(huì)造成機(jī)體各部位溫度有所差異，形成不同的熱場(chǎng)。當(dāng)人體某處存在疾患或功能發(fā)生改變時(shí)，該處血流和細(xì)胞代謝會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)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(xì)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(jī)能正常與否的指標(biāo)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(zhǔn)備，可以同時(shí)進(jìn)行多部位的掃描，如頭、頸、胸、腹、盆腔等操作簡(jiǎn)單，臨床應(yīng)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(jī)化粘連，局部血液循環(huán)下降，其溫度應(yīng)就會(huì)下降；若慢性炎癥灶急性發(fā)作，則可出現(xiàn)高低溫交錯(cuò)的情況等。采用紅外成像技術(shù)對(duì)炎癥的臨床診斷帶來了許多方便。機(jī)體溫度主要由血液循環(huán)狀態(tài)來決定的，當(dāng)血管病變時(shí)，血運(yùn)障礙，皮膚溫度降低，皮膚顏色也相應(yīng)改變。因此，紅外熱像對(duì)血管疾病的診斷具有特殊的價(jià)值，尤其是彩色紅外熱像儀有明顯的對(duì)比性，如動(dòng)脈栓塞、閉塞性脈管炎、大動(dòng)脈炎、動(dòng)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(zhǔn)確率已達(dá)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(guān)鍵是及早發(fā)現(xiàn)，對(duì)此醫(yī)用紅外熱像技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。良性腫瘤由成熟細(xì)胞組成，生長(zhǎng)緩慢，與周圍皮膚溫差較小，多在1以內(nèi)；惡性腫瘤由不成熟細(xì)胞組成，血管豐富，代謝旺盛，生長(zhǎng)迅速，特別是病變位于淺層者與近周皮膚溫差較大，可高達(dá)23之多。當(dāng)腫瘤的直徑在1cm 或以上，MRI、CT這些主流技術(shù)在形態(tài)上的定位要比紅外熱像準(zhǔn)確；但如果腫瘤只有1mm 或更小，主流技術(shù)將無能為力，而紅外熱像技術(shù)則能夠觀察到細(xì)微病變，鑒別腫瘤的性質(zhì)，特別是早期發(fā)現(xiàn)。腫瘤細(xì)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(shí)間差一般來說起碼23個(gè)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(jié)構(gòu)變化在后，這種差距是絕對(duì)的。近年來，劉忠齊及其團(tuán)隊(duì)經(jīng)過數(shù)年的鉆研提出了一種新的紅外熱診斷技術(shù)TTM（Thermal Texture Maps），該技術(shù)的原理是利用紅外熱輻射接收掃描器接收人體細(xì)胞新陳代謝過程中的紅外線輻射信號(hào)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理、分析，基于特定規(guī)律和算法重建出對(duì)應(yīng)于人體所檢查部位的細(xì)胞相對(duì)新陳代謝強(qiáng)度分布圖，并加以斷層，測(cè)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(shù)及設(shè)備已于2002年2月8日獲得美國(guó)專利并受全世界93個(gè)成員國(guó)保護(hù)4。從已有的工作看來，T

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

12、；二者之間可根據(jù)情況進(jìn)行有線、無線或紅外視頻傳輸。人體產(chǎn)生的紅外信號(hào)經(jīng)紅外鏡頭聚焦后，匯聚于紅外探測(cè)器的探測(cè)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(cè)器將接收到的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)化成初始視頻電信號(hào)，并將此信號(hào)以特定的制式輸出到后繼處理模塊，經(jīng)過處理，形成目標(biāo)視頻信號(hào)，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(jìn)行解碼處理，然后發(fā)送給后繼模塊進(jìn)行進(jìn)一步的處理，然后直接送顯控模塊和存儲(chǔ)模塊，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和編碼存儲(chǔ)。分析模塊對(duì)送來的視頻信號(hào)進(jìn)行分析，若發(fā)現(xiàn)患者有不適反應(yīng)，則觸發(fā)報(bào)警模塊，以提醒醫(yī)護(hù)人員采取措施。 由于紅外監(jiān)護(hù)系統(tǒng)接收的是患者身體發(fā)出的紅外信號(hào)，所以無論可見光

13、的強(qiáng)、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(shí)施監(jiān)護(hù)時(shí)，不需要進(jìn)行額外的處理，不會(huì)對(duì)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(hào)強(qiáng)度的變化不很劇烈，對(duì)于紅外系統(tǒng)只是很窄的一個(gè)范圍，完全不會(huì)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(hù)人員需要對(duì)患者進(jìn)行護(hù)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(bǔ)了電視系統(tǒng)和微光系統(tǒng)所存在的不足，而且實(shí)現(xiàn)了更強(qiáng)大的監(jiān)護(hù)功能。3.3 其他紅外熱成像技術(shù)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(shù)則不能，所以可在預(yù)測(cè)醫(yī)學(xué)中可推廣使用。體檢時(shí)，受檢者站在鏡頭前如同照相一樣，不到10分鐘的時(shí)間，電腦屏幕上便顯示出由紅黃藍(lán)綠色彩拼出的人體表面溫度圖像，很快一張關(guān)于全身疾病情況的診斷報(bào)告就打印出來了。與以往不同的是醫(yī)生不僅對(duì)受檢者身體病癥情況了如指掌，而且還對(duì)受檢者整個(gè)健康狀況進(jìn)行了評(píng)估，并對(duì)受檢者潛在的病癥給予了提示。中國(guó)醫(yī)藥學(xué)7是我國(guó)人民長(zhǎng)期與疾病斗爭(zhēng)中創(chuàng)立的一門學(xué)科。這門似乎帶有神秘色彩的傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)，當(dāng)今甚至形成世界性的“中醫(yī)熱”。為了繼承和發(fā)揚(yáng)中醫(yī)學(xué)，用現(xiàn)代高科技手段對(duì)中醫(yī)學(xué)的理論基礎(chǔ)譬如：經(jīng)絡(luò)學(xué)等進(jìn)行研究是一個(gè)方向。胡翔龍等撰文用熱像儀研究了人體體表經(jīng)絡(luò)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(rèn)為波長(zhǎng)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(luò)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(yīng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。生命過程中的物質(zhì)能量和信息的轉(zhuǎn)化和傳遞已經(jīng)成為現(xiàn)代生命科學(xué)研究中日益突出的問題，經(jīng)絡(luò)研究將有可能在這方面為現(xiàn)代生命科學(xué)的發(fā)展做出新貢獻(xiàn)。舌診8是中醫(yī)診斷學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容之一。舌診通過觀察舌象了解機(jī)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(duì)舌象進(jìn)行觀察、判斷、分析、描述，有很大的主觀性。紅外熱像技

16、術(shù)為中醫(yī)舌診的研究提供了新的技術(shù)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(cè)定生物體表面溫度場(chǎng)和熱流的異常來發(fā)現(xiàn)或預(yù)示病變，故可以利用紅外熱像儀測(cè)定舌面溫度場(chǎng)，再通過生物傳熱計(jì)算得其內(nèi)部溫度，進(jìn)而獲取其他參數(shù)以使舌診量化。4 結(jié)束語紅外熱成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用開辟了以功能學(xué)為主的醫(yī)學(xué)影像新領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了人體機(jī)能與結(jié)構(gòu)多元信息的轉(zhuǎn)換和表達(dá)，為人們探索機(jī)能信息和結(jié)構(gòu)信息的內(nèi)在聯(lián)系開辟了新的途徑。醫(yī)用紅外熱成像技術(shù)被動(dòng)接收人體熱輻射，對(duì)人體無介入損傷，對(duì)環(huán)境無污染，熱掃描過程靈敏快捷，無需特殊準(zhǔn)備，可以同時(shí)進(jìn)行多部位的掃描，臨床應(yīng)用范圍廣。但是，由于人體的復(fù)雜性以及目前在紅外熱像認(rèn)知方面的局

17、限性等，給診斷帶來一定的難度，需進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行深入研究。該技術(shù)與CT、MRI、B超等結(jié)構(gòu)影像學(xué)結(jié)合，既能了解患者的組織結(jié)構(gòu)情況，又能了解該組織的功能狀態(tài)，即結(jié)構(gòu)影像和功能影像相結(jié)合，這是理想的現(xiàn)代影像學(xué)，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(rèn)識(shí)，疾病性質(zhì)得到更準(zhǔn)確診斷。參考文獻(xiàn)1 呂少文，李紅，趙麗君等醫(yī)用紅外熱像技術(shù)J武警醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，12（1）：74-752 吳士明，張傳富，曾品菊等醫(yī)用紅外熱像技術(shù)臨床應(yīng)用研究J激光雜志，2003，24（1）：63-653 何麗走向新世紀(jì)的紅外熱成像技術(shù)J激光與紅外技術(shù)，2002，39（12）：48-514 關(guān)耳，成艷荊棘鳥穿過荊棘記中國(guó)人

18、體健康科技促進(jìn)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)劉忠齊和他的紅外斷層熱掃描系統(tǒng)J中國(guó)醫(yī)藥指南，2004，3：5-95 姚鼎山. 紅外成像技術(shù)的臨床應(yīng)用. 中國(guó)醫(yī)療器械信息. 2001，7（2）：38-396 盧流發(fā)基于紅外技術(shù)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)J今日電子，2007，2：61-627 楊愛明，楊宇，余仕汝等紅外熱像儀用于醫(yī)學(xué)中J紅外技術(shù)，2004，26（6）：97-1008 王子焱，張志楓，應(yīng)薦紅外技術(shù)在中醫(yī)舌診中的應(yīng)用中西醫(yī)結(jié)合學(xué)報(bào)，2005，3（4）：326-3289 江國(guó)泰現(xiàn)代化醫(yī)院中紅外熱像儀應(yīng)用的新技術(shù)和新動(dòng)向J醫(yī)療設(shè)備信息，2003，18（4）：1-3，710 Zhong-Shan Deng, Jing L

19、iu. Enhancement of Thermal Diagnostics on Tumors Underneath the Skin by Induced EvaporationC. Proceedings of the 2005 IEEE Engineering in Medicine and Biology 27th Annual Conference Shanghai, China: September, 2005. 1-4 11 A.Merla, G.L.Romani. Functional Infrared Imaging in Medicine: A Quantitative

20、Diagnostic ApproachC. Proceedings of the 28th IEEE EMBS Annual International Conference, New York, USA: 2006. 224-22712 C.L. Herry, M. Frize, R.A. Goubran, et al. Evolution of the Surface Temperature of Pianists Arm Muscles Using Infrared ThermographyC. Proceedings of the 2005 IEEE Engineering in Me

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