人體紅外熱圖像分析技術的應用原理和意義

    為探討人體機能信息和結構信息的內在聯系，系統闡述了人體紅外輻射的探測原理及其生理結構基礎，探討了人體紅外輻射信息的本質和意義。并利用紅外熱像技（IRT），實現了人體機能與結構多元信息的轉換和表達，以促進醫用紅外熱像分析技術的合理開發和應用。

   醫用紅外熱像（infrared thermography, IRT）術是一門新興的綜合性高新技術，具有靈敏精確、成像直觀、信息豐富、無創檢測、簡便經濟等特性，受到國內外學者的普遍關注。與相繼出現的Computed tomography (CT)、Nuclear magnetic resonance(
MRI)、 Brightness mode ultrasonic(B 超)等成像技術相比，IRT 還不為人們所熟悉，甚至誤將IRT當作結構影像進行形態學定位與定性診斷，致使人們對人體紅外熱圖（IRT難以理解和正確分析，直接影響了其推廣普及。因此，系統闡述人體紅外輻射的探測原理對探討人體紅外輻射的本質具有重要意義。

    1 醫用紅外熱像技術的發展概況
    早在 1800 年，英國天文學家William Hirschel就發現了熱與紅外輻射的關系。1840 年，小WilliamHirschel 把酒精浸在黑紙上觀察酒精蒸發情況，首次揭開了熱圖(thermography)之迷[1]。二戰期間，紅外技術得到了空前的發展，1934 年，Hardy 首次采用紅外輻射原理，不用接觸人體而準確測量到人體皮膚溫度。二戰以后，紅外技術迅速從軍事領域向醫學領域滲透。1956 年，美國外科醫師Ran Lanson用紅外掃描技術證實乳腺癌局部皮膚的溫度比正常部位高，這一發現拉開了紅外掃描技術臨床應用研究的序幕1961 年，英國醫師Walliams KL 用紅外掃描儀拍攝了世界上第一張乳腺癌熱圖。1971年，Mebourne 在第九屆國際醫學生物工程學會議上，正式提出了醫用熱像圖攝影裝置.這標志著醫用紅外熱像技術日趨成熟，開發、應用熱潮迅速在世界各地興起。1976 年我國首臺醫用紅外熱像儀試制成功。1979 年姜宗橋發表了第一篇國產熱像儀臨床應用的報道,表明我國醫用紅外熱像技術的開發和應用與國際進展基本同步。此后，醫用紅外熱像技術如雨后春筍，蓬勃發展，廣泛應用于生物醫學諸多領域.

    2 紅外輻射的基本特征
   “紅外”一詞源于光譜學，紅外輻射是指波長范圍介于可見光與微波之間（即0.75~1000ìm）的電磁輻射，在光譜圖上位于紅光之外，其本質與可見光相同，具有電磁波的一般屬性。此外，紅外輻射還具有與可見光不同的兩個特性：一是紅外輻射與熱能的傳遞有關，有著明顯的熱效應；二是紅外輻射與物質分子熱運動的頻率一致時，入射的紅外輻射可被物體分子吸收，物體分子吸收紅外輻射后自身的熱運動得到加強，表現為物體溫度升高。因為構成物質的分子都是由帶電粒子組成，當它們做熱運動時，相應的偶極矩發生變化，就會發生電磁波。這種由物體溫度決定的紅外波段電磁輻射被稱為熱輻射，溫度越高，熱輻射功率越大。另一方面，能吸收紅外輻射的物體也能發射紅外輻射，幾乎所
有物體（包括人體），只要它的溫度大于絕對零度（即-273℃），都在不斷地發射紅外輻射，同時也在不斷地吸收紅外輻射，而且遵守紅外輻射定律。正是利用了紅外輻射的這些特性，人們才能通過探測人體紅外輻射，獲得體表溫度所表達的多元信息。
    3 人體紅外輻射的探測原理
    人體紅外輻射探測原理基于紅外輻射的定律。基爾霍夫定律指出，在一定溫度下，達到熱平衡的物體輻射本領與吸收本領成正比，即發射率等于吸收率（ε=α）。發射率表示一個物體發射熱輻射的本領，發射本領最大的物體稱為黑體，其他物體的發射本領要通過與黑體的比較而得知。這個比例系數就是發射率（也稱比輻射率），黑體的發射率總是等于1，而其他物體的發射率總是小于1。正常人體的輻射本領與絕對溫度310°K 的黑體相似。不論膚色，比輻射率約為0.99，說明人體具有很高的輻射本領。斯蒂芬—波爾茲曼定律表明，黑體單位表面積向整個半球空間發射的輻射總功率與其自身絕對溫度的四次方成正比，即Mb=σT4。Mb 表示同一溫度下黑體的輻射發射度，T 是黑體的絕對溫度，σ是一個常數。這一定律說明物體發射的熱輻射功率與它的絕對值直接的對應關系。也就是說，只要能測出人體的熱輻射功率，就能得知人體的溫度。維恩位移定律則說明，黑體的峰值輻射波長與黑體絕對溫度成反比，即λmT=C（λm 表示黑體的峰值波長，T 是黑體的絕對溫度，C 是一個常數，等于2897.8ìm.K）。也就是說，物體的熱輻射是波長和溫度的函數，溫度越高，輻射能量越大，峰值波長則向短波方向移動。根據這一定律，人們只要知道物體的絕對溫度，就能計算出它的峰值輻射波長，正常人體為37℃，也就是310°K（K 表示絕對溫標，它和攝氏差273.15 度），按公式計算，人體峰值輻射波長λm=9.348ìm[4]。
由于人眼只能對 0.4~0.7ìm 的可見光波段敏感，而各種不同材料的紅外探測器（熱敏型，光子型），可以探測0.7~14ìm的紅外波段。因此人們根據人體峰值輻射波長， 通常選用敏感波長為8~14ìm 的紅外探測器探測人體紅外輻射。經過一系列的信號處理，把熱輻射信號轉化為可視性的和可定量的紅外熱圖像（infrared thermography）。
    4 人體紅外輻射的生理結構基礎
   人體作為一個輻射源，和其他物體一樣遵守紅外輻射定律。但是，人體作為一個有生命的高等恒溫生物體具有生命活動的基本特征。人體紅外輻射與機體的能量代謝、體熱平衡、體溫調節及組織結構有著密切的內在聯系，有其特定的生理機制和結構基礎。眾所周知，人體不能直接利用外在能源（光能、電能、機械能等），惟一能利用的是食物中所蘊藏的化學能。攝入的能源物質（糖、脂肪和蛋白質）在體內氧化過程中，碳氫鍵斷裂，生成CO2 和H2O釋放能量，其總量的50％以上的化學能轉化為熱能，用于維持體溫。其余不足50％的化學能則載荷于ATP，經過能量的轉化與利用，最終也轉變為熱能，熱能不能再轉化利用，由血循環傳導到體表，一定的條件下，主要以輻射的方式發散于體外。輻
射散熱量取決于皮膚和環境之間的溫度差。溫差越大，散熱量越多；溫差越小，散熱量越少。通常環境溫度在20-30℃時，人體能量代謝最為穩定。當環境溫度低于體溫時，大部分的體熱（70％）通過皮膚的輻射、傳導和對流散熱。另一方面，皮膚溫度受皮膚血流量的控制，皮膚血液循環的結構特點決定了皮膚血流量可以在很大范圍內變動.真皮中有由微動脈和微靜脈構成的深、淺血管叢，動脈和靜脈的淺叢和深叢之間分別有垂直方向的血管相通連，淺叢發出袢狀毛細血管到每個真皮乳頭，深叢和淺叢之間有豐富的吻合支。此外，真皮深層有特別形式的動—靜脈吻合（稱血管球），它們是微動脈到微靜脈間的血流旁路，血流不經過毛細血管床，以增加局部的血流量和流速[6]，參與體溫調節。機體的體溫調節機制通過交感神經系統控制皮膚血管的舒縮，增減皮膚的血流量，以調控體熱平衡，維持正常體溫。因此，凡是能影響皮膚血管舒縮的內外因素（生理、病理、物理、化學、環境、情緒等主客觀因素），也必然會影響人體紅外輻射。探測人體紅外輻射的實質，就是在一定條件下，捕獲瞬間體表溫度所表達的人體多元信息。
     綜上所述，基于紅外輻射原理，以人體為輻射源，采用先進的紅外掃描技術，探測人體紅外輻射，經過一系列信號處理，把不可見的體表溫度變化轉變為可視性的和可定量的紅外熱圖，與CT、MRI、B 超等結構影像有著本質的不同。IRT 實現了機能與結構多元信息的轉換和表達，為探索機能信息和結構信息的內在聯系開辟了新的途徑，可望在疾病
診斷、腫瘤研究、疼痛研究、神經定位、針刺效應及人體異常信息的無創監測等領域得到廣泛的應用，必將發揮其它成像技術不可取代的作用。