紅外成像儀原理一人體產(chǎn)熱和散熱機制人體產(chǎn)熱與散熱是保持生理平衡的，因機體內(nèi)存在著體溫的自動調(diào)節(jié)機制，這種平衡失調(diào)就會導(dǎo)致體溫的變動。一、 產(chǎn)熱過程人體的熱量來自體內(nèi)所進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)。由于化學(xué)反應(yīng)的不斷進(jìn)行熱量也不斷地產(chǎn)生。產(chǎn)熱最多的器官是骨骼肌和肝臟。骨骼肌產(chǎn)熱量因機體活動情況的不同而有較大幅度變動。肝臟是機體內(nèi)代謝旺盛的器官，因此產(chǎn)熱也很多（安靜狀態(tài)下，肝臟的血溫比主動脈血溫高0.4~0.8°C）。在安靜狀態(tài)下，機體一些器官產(chǎn)熱量的比例大致如下：心臟及呼吸器官16%，肝臟、脾臟及消化器官30%，腎臟5.6%，腦、脊髓18.4%，骨骼肌25%，其它5%。產(chǎn)熱過程與基礎(chǔ)代謝、肌肉活動、內(nèi)分泌腺激素（甲狀腺素和腎上腺皮質(zhì)激素等）及交感神經(jīng)活動有關(guān)。交感神經(jīng)強烈興奮時，可使代謝率增加40~50%之多。二、 人體散熱的形式人體絕大多數(shù)代謝反應(yīng)都是放熱的，除少部分（4%）之外由其它形式散熱，人體向體外散熱主要有四種散熱形式。輻射散熱：即機體以發(fā)射紅外線方式來散熱，約占散熱總量的44%。除了處于絕對零點度（-273.16C）的物體以外，宇宙間所有物體都能發(fā)射紅外線。人體向周圍發(fā)射紅外線，而周圍物體如墻壁等也向人體發(fā)射紅外線。輻射散熱的多少直接取決于體表溫度和環(huán)境溫度之間的平均溫度差的大小。當(dāng)人體周圍有高于人體體表溫度的物體時，人體表面則從這些物體吸收紅外線，體溫因而升高，如于爐前作業(yè)的工人、烈日下野外勞動者;反之，環(huán)境溫度過低，散熱過多，也會導(dǎo)致體溫下降。人體是良好的輻射體，也是良好的吸收體。傳導(dǎo)和對流：約占散熱的31%。傳導(dǎo)是指體熱由體表直接傳導(dǎo)給與體表相接觸的物體，如衣服、床、椅子等。由于這些物體為熱的不良導(dǎo)體，就防止了體熱的過多喪失。對流系指體熱傳給與皮膚相接觸的空氣，即通過空氣的流動來實現(xiàn)的。當(dāng)體表溫度與空氣溫度相等之后，對流也就停止。對流散熱的多少取決于風(fēng)速。蒸發(fā)：約占散熱的21%。當(dāng)外界溫度等于皮膚溫度時前三種散熱（輻射、傳導(dǎo)、對流）形式基本停止。若環(huán)境溫度高于皮膚溫度，身體表面的水分由液體狀態(tài)轉(zhuǎn)化為氣體狀態(tài)，這就是蒸發(fā)。蒸發(fā)通過出汗及不感性蒸發(fā)（皮膚、呼吸）來調(diào)節(jié)。三、 人體體表溫度的變化體殼、體核溫度：人體各部分的溫度是不同的，體殼部分的溫度為體表溫度（最外層是皮膚溫度）。體核部分（包括心、肺、腦、腹腔器官，肝臟溫度最高）的溫度為體核溫度。皮膚溫度是不穩(wěn)定的，容易受環(huán)境溫度、衣著等條條件影響，溫度波動也較大，不同部位于的差異也較大。體核溫度比體表溫度高、穩(wěn)定，不同部位雖也有差異，但多維持在一個較恒定的范圍。由體表溫度到體核溫度之間，存在著溫度梯度，當(dāng)外環(huán)境溫度變化時，兩者間也合出現(xiàn)微妙的變化。如圖所示，在外環(huán)境20°C和35°C時，人體溫度分布模式發(fā)生顯著的變化，即外環(huán)境溫度升高，體核溫度分布范圍擴大。體內(nèi)器官溫度差異：體內(nèi)各臟器溫度是有差別的，如肝臟是體內(nèi)溫度最高器官，其溫度為38C，腦接近38C，腎、胰腺、十二指腸等器官次之，直腸溫度更低。體表溫度以胸、腹、面部為高，四肢較低；四肢溫度上肢＞下肢，近端＞遠(yuǎn)端；軀體溫度胸面＞背面。由于血液循環(huán)的原因，體內(nèi)各臟器的溫度保持相對恒定，趨于一致，因此體核溫度可基本上代表深部臟器的溫度。圖2-1人體溫度野A：室溫為20°CB：室溫為35°C人體體溫調(diào)節(jié)：主要通過體溫調(diào)節(jié)中樞來實現(xiàn)的。體溫調(diào)節(jié)中樞接受來自皮膚等處的傳入沖動后，通過對產(chǎn)熱和散熱兩個過程的調(diào)節(jié)使體溫維持正常水平。對產(chǎn)熱過程的調(diào)節(jié)主要是通過骨骼肌緊張度增加及寒戰(zhàn)來實現(xiàn)的。而對散熱過程的調(diào)節(jié)主要是通過改變皮膚血流量來完成的。皮下脂肪組織，導(dǎo)熱系數(shù)甚小，可將其視為身體的絕熱系統(tǒng)。機體深部的熱量只有通過血流才能傳導(dǎo)至皮膚表面。體表皮膚的溫度取決于局部血流量和局部組織代謝機能。皮膚血液循環(huán)的特點是，分布全皮膚的動脈穿過絕熱系統(tǒng)（脂肪），在皮膚乳頭下層形成動脈網(wǎng)，皮下毛細(xì)血管異常彎曲，進(jìn)而形成豐富的靜脈叢，皮下還有大量的動靜脈吻合枝。此外，在人體深層動靜脈之間還存在著一個熱量交換的逆流機制，即靜脈以網(wǎng)狀圍繞著動脈，這樣血溫高的動脈血，與血溫低的靜脈血就發(fā)生了熱量交換，結(jié)果使動脈血溫度降低，而靜脈血溫度升高，以減少熱量的損失。在決定局部血流量的諸多因素中，小動脈的收縮或舒張狀態(tài)起了決定性作用，而小動脈收縮或舒張受控于植物神經(jīng)的調(diào)節(jié)。因此，除局部血流量、組織代謝外，體表皮膚溫度還反映了植物神經(jīng)功能狀態(tài)。當(dāng)上述三個因素出現(xiàn)異常時，首先會在體表溫度即皮溫上顯示出來。第二節(jié)生理體溫基本規(guī)律一、生理溫度的基本規(guī)律總體上符合中心軸對稱的分布規(guī)律。各部位生理溫度是不同的，就部位于而言，基本規(guī)律是：頭頸部溫度最高;上肢高于下肢；四肢近端高于遠(yuǎn)端；軀干腹側(cè)面高于背側(cè)面；胸部高于腹部;左胸高于右胸;上腹部高于下腹部；肝區(qū)高于脾區(qū)。脂肪較多的組織溫度較低；骨突部位如頰部、鼻尖部、額骨前、骼骨突等膚溫也較低;通氣徑路如氣管、鼻腔亦呈低溫。就組織結(jié)構(gòu)而言，脂肪組織呈低溫區(qū);肌肉組織愈厚溫度愈低;表淺臟器溫度高于深層器官；大血管通過區(qū)溫度增高；動脈高于靜脈。個體差異性是一個不可輕視的問題。某些人在身體的不同部位、不同時間、不同生理狀態(tài)時皮膚溫度也有變化。個體差異性使得每個人的熱像不盡相同，甚至有人說世界上不存在完全相同的熱像。女性體溫的變異較大二、生理因素的影響凡是影響局部血流量、組織代謝率的一些因素都會涉及體溫的變化（如體育運動，疾?。?，體表皮膚溫度還反映了植物神經(jīng)功能狀態(tài)，組織導(dǎo)熱性（脂肪導(dǎo)熱性差）及生理性壓迫（如腰帶區(qū)）。當(dāng)上述任何一個因素發(fā)生異常時，首先會在體表溫度即皮溫上顯示出來。第三節(jié)人體紅外輻射特性一、 皮膚紅外輻射發(fā)射率人體紅外輻射遵從熱輻射定律（詳?shù)谝徽碌诙?jié)）。人體是一個良好的高效的熱輻射體。發(fā)射率用e（l.T）來表證。人體在正常37°C左右時e為0.98-0.99，近似為1。其輻射特性近似于黑體，不斷地向周圍空間發(fā)散著紅外輻射能量。在環(huán)境溫度為21-240C且無氣流擾動的空間里，人體熱量的散失60%以紅外輻射的形式進(jìn)行的。人體輻射的紅外線主要波長集中在3-50mm，輻射能量的46%在8-14mm中紅外波段，最大以量輻射集中于9.35mm附近，可以通過維恩移位定律證實。將人體視為黑體根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，一成年男性，33C體表面積為1.73m2體表溫度33C時人體輻射功率為137W。二、 人體對紅外線的反射和散射人體對紅外反射率平均為0.34（0.55-0.62），有色素沉著者反射率為0.42,皮膚充血時為0.14。人體對紅外線的散射微不足道，可以不計。三、 人體對紅外線的吸收取決于紅外線的波長和皮膚狀態(tài)。人體皮膚含70%左右的水，因此可視為與水的吸收光譜相近。當(dāng)紅外線的吸收波長與被輻照物體的波長相對應(yīng)時，物體分子將產(chǎn)生共振吸收。共振吸收呈現(xiàn)明顯的吸收峰。人體皮膚角質(zhì)層+透明層吸收率a（當(dāng)波長為3mm時）這0.59，顆粒層+棘細(xì)胞層0.064，基層乳頭+真皮a為0.006。四、 紅外輻射在人體中的穿透深度穿透深度是指人體紅外輻射強度下降到表面強度一半時時的深度。水是組成任何生物體的主要成分，因此，任何一種不能透過薄水層的輻射都是無法透過人體組織的。1cm厚的水層就能將人體的紅外線全部吸收。在正常體溫下，皮膚對紅外的通透只有兩個窗口：波長為300-525nm和800-1400nm，即這兩個波段的紅外線容易通過皮膚。這就給紅外成像提出了技術(shù)上的要求。紅外線的穿透力取決于波長，波長愈長，被吸收的愈多，穿透深度也愈小；反之波長愈短，穿透力愈強。遠(yuǎn)紅外絕大部分被人體上皮和真皮層所吸收，一般穿透深度在0.05-1mm,近紅外穿透深度達(dá)1cm。第四節(jié)熱成像裝置的原理一、熱像儀的組成熱成像儀大致分兩大類，一類為凝視型熱像儀，另一類為熱像儀，后者優(yōu)于前者。目前市場上供應(yīng)的主要為熱像儀。根據(jù)掃描方式不同，熱成像儀裝置有光機掃描、電子束掃描和固體陣列掃描三種類型，各具特色，工作原理基本一致。從目前情況來看，光機掃描較成熟，固體陣列掃描頗有發(fā)展前途。攝像頭部：由紅外光學(xué)系統(tǒng)、光機掃描裝置、紅外探測器(傳感器)、杜瓦瓶致冷系統(tǒng)、前置放大器、同步信號與調(diào)焦系統(tǒng)及控制電路系統(tǒng)等組成。紅外探測器是紅外熱像儀的關(guān)鍵部件，對紅外線敏感元件性能的好壞直接影響圖像質(zhì)量。目前常用的是碲鎘汞(HgCdTe)，此外鍺(Ge)、硅(Si)、硫化鉛(PbS)、鋼家神(InGaAs)、鉭酸鋰(LiTaO3)、鈮酸鋰(LiNb03)等。近年來國外又有一些新的材料投入使用。信號處理與顯示:攝像頭獲取的信號(光信號轉(zhuǎn)變成電信號)，必須經(jīng)預(yù)處理(如放大、濾波等)，由前置放大器和主放大器放大到一定電平之后便進(jìn)入信號處理機。同時進(jìn)入的信號還有同步信號、參照黑體信號等。信號處理機的主要功能是恢復(fù)圖像信號的直流電平，使信號電平與熱像儀所測溫度呈對應(yīng)關(guān)系；補償環(huán)境溫度對攝像頭部的影響。再經(jīng)計算機處理并顯示。為了便于識別，可將通常的黑白灰度圖像(10級)轉(zhuǎn)換為不同顏色的圖像，稱為偽彩色顯示。監(jiān)視器：為顯示圖像的終端設(shè)備，從監(jiān)視器上可觀察由攝像頭所獲取的熱圖像。監(jiān)視器的掃描必須與攝像頭掃描相一致，實現(xiàn)同步掃描。第五節(jié)醫(yī)用熱成像儀一、功能影像診斷紅外線診斷屬影像學(xué)診斷之一。當(dāng)前影像學(xué)診斷大致分為兩大類：結(jié)構(gòu)影像學(xué)和功能影像學(xué)。諸如x線、CT、B超、核共振等以觀察人體結(jié)構(gòu)改變?yōu)橹鳎?dāng)人體出現(xiàn)病變或結(jié)構(gòu)變化時，就能作為診斷依據(jù)。功能影像學(xué)則以功能變化為主，如紅外線、核素掃描、液晶熱圖等。當(dāng)人體出現(xiàn)功能性變化時，這種變化可能尚未發(fā)生任何結(jié)構(gòu)改變，而此時就能提供了診斷的依據(jù)。紅外熱圖兩者兼而有之，即有功能上的改變也有結(jié)構(gòu)上的改變。二、原理醫(yī)用熱像診斷儀就是接受人體表面在不同部位上輻射出不同強度的紅外線，并轉(zhuǎn)換成溫度，用來進(jìn)行疾病診斷和人體功能狀態(tài)的研究。血流進(jìn)入溫度較高或溫度較低的組織，會與組織進(jìn)行熱交換。熱交換率用下式表示B=VGC6P6（T1-T2）V：是血液流過溫度為T2的組織體積（沒有密度的為1）G：是血液灌注量，即每秒通過每克組織的血量（ml）C6和P6分別是血液的比熱和密度T1是血液進(jìn)入組織前的溫度，T2是流經(jīng)組織后的溫度由上可見，局部血流量大則溫度較高。動脈血來自心臟或大的動脈，溫度較高，因此動脈表淺部位熱像圖呈現(xiàn)高溫像;當(dāng)肢體供血不足，就會呈現(xiàn)低溫圖像;當(dāng)血液回流障礙時呈現(xiàn)血液淤滯；當(dāng)病變涉及血液的流通，會呈現(xiàn)血管走向、迂曲、變形等變化。組織代謝同樣產(chǎn)生大量的熱，局部組織代謝旺盛產(chǎn)熱就增加，則溫度高于周圍組織，反之則較低。在惡性腫瘤或局部炎癥時代謝旺盛（同時還有血液動力的變化），利用熱像圖可以發(fā)現(xiàn)病變的部位、大小及程度。如對于乳腺疾病的診斷，乳腺癌和乳腺炎的病變，代謝旺盛，血流循環(huán)豐富，故紅外熱圖溫度較高（兩者的鑒別詳見第十二章）；而乳腺腺瘤和乳腺增生癥則溫度升高不顯著。簡言之，醫(yī)用紅外熱像儀的原理是：紅外熱像診斷儀接收人體表面不同部位輻射的不同強度的紅外線，通過紅外攝像頭的光電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電磁信號，經(jīng)過計算機整理，回歸為熱圖顯示在計算機屏幕上，用以測量人體不同部位的溫度。同時將電磁信號貯存在計算機的磁盤或軟盤上，貯存的信息又可傳輸?shù)酱蛴C上，運用彩色噴涂技術(shù)，以偽彩色圖形式打印出來。根據(jù)溫度變化情況、形態(tài)，用以輔助診斷疾病和了解人體功能狀態(tài)。熱成像裝置的三種掃描方式（1）光機掃描（2）電子束掃描（3）固體陣列掃描圖WP-95型紅外熱像儀結(jié)構(gòu)示意圖三、熱成像儀的優(yōu)缺點紅外熱圖的優(yōu)點紅外熱像儀系被動接受人體的自身輻射而形成熱圖像，在攝取熱圖像過程中，人體不接受X線、超聲波、電磁波的作用，這種診斷方法對人體絕對無害，可用于各類病人，包括孕婦、胎兒，可隨意頻繁使用。俄羅斯發(fā)生核泄漏后，目前有用紅外成像儀取代X線的趨勢.非接觸測量，病人無任何痛苦，檢查方法簡便迅速，特別適用于門診。一次可以觀察多個臟器甚至全身，可作為探索性檢查，進(jìn)而再進(jìn)一步重點觀測或作其它輔助檢查。尤適用于健康檢查。反應(yīng)靈敏，精確度高，分辯率高（溫度分辯率為0.05°C，空間分辯率0.8mrad）高清晰度彩色圖像：直觀形象加上豐富的軟件處理功能，便于分析診斷，即查即果，不致延誤診療。信息貯藏存，便于復(fù)查對比。和任何影像學(xué)診斷一樣，各有其優(yōu)缺點，都有一個相互補充、修正的問題，臨床醫(yī)生必須提供準(zhǔn)確的病史、體征、實驗室檢查及其它影像學(xué)診斷資料，排除各種干擾因素，綜合考慮才能作出較符合實際的診斷。北京積水潭醫(yī)院楊克非總結(jié)利用醫(yī)用熱成像儀于肢體循環(huán)的6大優(yōu)點：測皮膚溫度：用皮溫計等方法只能觀察測試局部溫度，紅外熱像儀不但可以觀測整個肢體，甚至全身的溫度，而且還能設(shè)計觀測某一點的溫度，對全面及重點部位血液循環(huán)的研究提供了有利條件。反應(yīng)靈敏及時：用皮溫計測量一般需1?3分鐘才能得出結(jié)果。而用熱成像儀能即刻靈敏的顯示溫度分布圖像及數(shù)據(jù)。精確度高：可以反映出0.05°C?0.1°C的溫度變化，因而可認(rèn)為它代表了肢體的實際溫度和血流循環(huán)情況。進(jìn)行連續(xù)的動態(tài)觀察：可將不同時間的溫度進(jìn)行對比分析。體表溫度隨體內(nèi)外環(huán)境的改變而改變，紅外熱圖可以連續(xù)觀察其動態(tài)變化，并可通過記錄器錄像，進(jìn)行重復(fù)分析。因而可充分觀察血液循環(huán)改變的規(guī)律。這是其它方法所不能解決的。經(jīng)統(tǒng)計學(xué)處理，可將不同時間、不同條件、不同部位的記錄圖像一次調(diào)出，進(jìn)行比較分析。無需接觸測試肢體，且可近距離觀察監(jiān)護(hù)。應(yīng)用范圍廣，臨床價值大：可進(jìn)行顯微外科手術(shù)前、后觀測及術(shù)后近、遠(yuǎn)期隨訪;胸廓出口綜合征診斷及冶療觀察；燒傷深度的判斷;探測腫瘤的位置及范圍；血管性疾病（如血栓性閉塞性脈管炎、雷諾氏病等）的診斷及療效評價;關(guān)節(jié)炎的診斷、病變部位及范圍等;藥物療效觀察，如血管擴張藥，可以了解藥物作用強弱、作用持續(xù)時間等。紅外熱圖的缺點深層組織及過于肥胖的人較難觀察。目前尚不能直接觀察腎臟及心臟（目前已用于冠心病的診斷）。目前國內(nèi)機器只能站立或坐位檢查（新近已經(jīng)解決臥位檢查問題）。受干擾因素較多。此不是必然缺點，可以設(shè)法排除干擾因素。第六節(jié)臨床應(yīng)用國外學(xué)者在這方面做了大量工作，給予很高的評價。以下簡述一些學(xué)者的言論。美國加利佛尼亞州Encino城的放射學(xué)家C.E.Wexlex說：”最近幾年來，我已經(jīng)用熱成像技術(shù)測試6000例左右出現(xiàn)在腰背部、頸部和胸部區(qū)域感覺神經(jīng)受損或剌激的病例，無1例假陰性”。威斯康星州的維科斯說：“熱成像與其它技術(shù)相比提供了神經(jīng)受剌激情況，盡管病人可以無疼痛的感覺。檢測了130例疼痛病人，熱圖診斷準(zhǔn)確率達(dá)93%，而脊髓電流描記圖則為82%”。法國里昂市的M.Schmitt醫(yī)生通過對200例職業(yè)和非職業(yè)運動員的研究，得出以下結(jié)論：如果在受傷部位和周圍組織之間無溫差，該運動員可期2周后恢復(fù)運動。在撕傷和血腫有1.5?2.0°C溫差時，則運動員可在3?4周后才能到運動場。如若溫差4?5C則需要更長的恢復(fù)期。在美國的紐約、加利佛尼亞和維斯康星州現(xiàn)在已經(jīng)將熱成像作為判斷個人損傷的依椐。Hobbinsr醫(yī)生的結(jié)論是：“熱圖技術(shù)最重要的點是它能把裝病的病人與真正疼痛的病人區(qū)別開來”。作者體會，最有診斷價值或提示作用的是：鼻竇炎、甲狀腺疾病、乳腺疾病、皮膚及軟組織腫瘤、淋巴結(jié)病變、風(fēng)濕性疾病、血管性疾病、外傷鑒定、疼痛鑒定、闌尾炎等。隨著紅外熱像儀的改進(jìn)，臨床經(jīng)驗的積累，應(yīng)用范圍還會不斷擴大，不斷有新的發(fā)現(xiàn)。就總體而論，紅外線熱圖檢查項目種類多于B超、普通X線，精確度比不上CT及各項特殊檢查。該檢測項目又具有其它檢查項目不能取代的特殊作用，尤其在功能檢查方面（詳各章節(jié)）。因此，與其各項檢查一樣，都有一個“相互補充、修正''的問題。根據(jù)紅外熱圖或熱圖結(jié)合簡要病史可作出診斷的常見?。ǔ馊菀酌鞔_診斷的淺表疾?。?一、 皮膚疾?。浩は履夷[、纖維瘤、平滑肌瘤、肉瘤、皮膚癌、惡性淋巴瘤等。二、 風(fēng)濕?。捍箨P(guān)節(jié)炎、肩周炎、纖維肌痛綜合征、骨腫瘤等。三、 頸肩腰腿痛：頸椎病、類風(fēng)濕性脊柱炎、強直性脊柱炎、椎間盤突出癥、腰肌勞損、筋膜損傷等。四、 五官科疾?。荷项M竇炎、中耳炎、涎腺混合瘤、舌癌等。五、 甲狀腺疾病：甲亢、結(jié)節(jié)性甲狀腺腫、甲狀腺瘤、甲狀腺囊腫、甲狀腺癌等。六、 乳腺疾病：乳腺纖維瘤、乳腺增生、乳腺炎、乳腺癌等。七、 胸部疾?。悍窝住⒅夤苎?、肺癌、縱隔腫瘤等。八、 腹部疾病：闌尾炎、腸壞死、腹膜炎、膽囊炎、膽石癥、肝癌、結(jié)腸癌等。九、 泌