丁 晶，周志尊，李帥三

牡丹江醫(yī)學(xué)院 影像學(xué)院，黑龍江牡丹江 157011

1 紅外熱像儀的發(fā)展與醫(yī)學(xué)應(yīng)用

溫度處于絕對(duì)零度以上物體均發(fā)射紅外輻射。人體紅外發(fā)射率為0.98，近似為黑體（黑體的輻射率為1）。當(dāng)體溫高于背景溫度時(shí)，機(jī)體透過(guò)皮膚發(fā)射紅外輻射，輻射能的幅度及空間結(jié)構(gòu)與溫度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。人體某些部位患病或機(jī)能發(fā)生變化，其所在部位的溫度的大小及分布狀況與正常組織相比會(huì)發(fā)生顯著的變化，對(duì)于炎癥、腫瘤等來(lái)說(shuō)溫度會(huì)升高，而脈管炎、動(dòng)脈硬化等疾病溫度會(huì)降低。利用今天的紅外成像技術(shù)手段可以清晰、準(zhǔn)確、及時(shí)地觀測(cè)出體表或體內(nèi)病變組織的影響而實(shí)體表相處的溫度幅度與分布的微小變化。熱輻射或紅外輻射的能量可以以特定的方式在介質(zhì)中傳播，也可在真空中傳播，其傳播特性符合電磁波及黑體的輻射規(guī)律，因此，可以通過(guò)物理學(xué)方法加以精確的描述。

紅外熱像儀可以將生物體發(fā)出的紅外輻射能量，通過(guò)特殊的掃描系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)特定的探測(cè)器完成光-電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)處理系統(tǒng)處理后可轉(zhuǎn)換為圖像信號(hào)，并在監(jiān)視器上形成直觀的熱像圖。圖像的顏色分布對(duì)應(yīng)著溫度的高低，屏幕上會(huì)直接給出顏色與溫度的對(duì)應(yīng)標(biāo)度，通常暖色人為地標(biāo)注為高溫，冷色標(biāo)注為低溫。人體器官、體內(nèi)組織如果發(fā)生病變，則會(huì)引起皮膚表面、穴位周圍出現(xiàn)溫度的異常升高與降低[4]。熱像圖準(zhǔn)確的識(shí)別病灶需要臨床醫(yī)生具有豐富的熱像圖甄別經(jīng)驗(yàn)以及與其它診斷方法比對(duì)知識(shí)。紅外熱成像以其具有可以精確測(cè)量出生物體表面溫度空間分布的特質(zhì)，使其逐漸成為了研究人體健康情況、無(wú)創(chuàng)傷檢查的有效手段。不同的疾病、特定的器官導(dǎo)致局部體表溫度的改變不同其診斷效果也不同，如頭、頸、心血管、前列腺、脊椎、胃腸、乳腺、肺部、肝、膽、血管微循環(huán)等，特別是對(duì)于炎癥、各種腫瘤、周圍神經(jīng)性疾病、關(guān)節(jié)及特定部位的不明疼痛等難以診斷的疑難病癥的排查有獨(dú)特效果，尤其是對(duì)充血性炎癥及缺血性炎癥的區(qū)分更為明顯[8,9]。事實(shí)上，疾病在出現(xiàn)解剖學(xué)形態(tài)變化之前，患病組織及其周圍已經(jīng)發(fā)生了生理與生化及分子生物學(xué)變化，而這些變化的直接后果將會(huì)導(dǎo)致局部溫度的變化，溫度空間分布的狀況表示疾病影響的范圍、形狀，溫度的梯度變化揭示了疾病的性質(zhì)和發(fā)展程度。醫(yī)用紅外熱像儀的使用為特殊疾病提供了又一新的診斷方法，它的使用可以在解剖學(xué)病變發(fā)生之前發(fā)現(xiàn)疾病的起源，為實(shí)現(xiàn)早期治療贏得寶貴時(shí)間[3]。醫(yī)用熱像儀在臨床、預(yù)防、保健等階段起著越來(lái)越重要的作用。

醫(yī)用紅外熱像儀是通過(guò)接受生物體組織所發(fā)出的紅外輻射與熱輻射轉(zhuǎn)化成熱像圖而實(shí)現(xiàn)對(duì)疾病的診斷的，同CT、MRI、超聲、核醫(yī)學(xué)成像等其他診斷設(shè)備相比有其優(yōu)勢(shì)，那就是從根本上避免了X射線、強(qiáng)磁場(chǎng)以及放射性藥物等對(duì)人體的損害，體現(xiàn)了綠色無(wú)害化的突出特點(diǎn)，因而，可成為針對(duì)社會(huì)大群體、幼兒、孕婦等特殊群體的最理想體檢和健康普查儀器[5]。

2 紅外熱像儀物理學(xué)原理探析

一切物體均輻射紅外線，利用紅外線探測(cè)儀探測(cè)目標(biāo)與背景之間的紅外線差可以得到不同的紅外圖像，紅外熱成像是將目標(biāo)表面溫度的空間分布轉(zhuǎn)換成可以通過(guò)視覺(jué)感知的表面溫度分布熱像圖。

物體熱輻射能量與物體表面溫度相關(guān)。對(duì)物體進(jìn)行無(wú)接觸溫度測(cè)量和熱狀態(tài)分析的過(guò)程就是探測(cè)物體輻射能量的過(guò)程。物體的溫度高于絕對(duì)零度都能夠向外界散發(fā)熱量。物體溫度越高，它所輻射的紅外能量就越強(qiáng)。問(wèn)題的關(guān)鍵是如何找出物體輻射能量與溫度之間的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系。我們可以通過(guò)全輻射與單色測(cè)溫來(lái)分析溫度與輻射能量之間的關(guān)系，從而為溫度的測(cè)量及紅外熱像儀的研究提供理論方法。

2.1 全輻射溫度探測(cè)的物理學(xué)原理

全輻射溫度探測(cè)思路是收集生物體發(fā)出的整個(gè)紅外光譜范圍內(nèi)所輻射的全部輻射能，從而推算出生物體表面溫度。理論上，全輻射溫度探測(cè)的手段只在部分頻譜范圍內(nèi)接收到生物體總輻射能的大部分輻射能量，而非理想中的全部輻射能量。在以下的推導(dǎo)與論述過(guò)程中，我們只討論理想狀態(tài)。首先假設(shè)生物體的紅外全輻射體符合黑體的輻射規(guī)律。由我們共知的黑體輻射中的史蒂芬-玻爾茲曼定律（式1）出發(fā)展開(kāi)分析。

式中λ為紅外線的波長(zhǎng)； σ為史蒂文常數(shù)；C1、C2分別為積分常數(shù)。生物體表面在各種頻率下的總的輻出度，即單位面積的輻射功率與溫度T的四次方成正比，同時(shí)還與生物體表面的紅外發(fā)射率ε成正比。生物體表面的不同部位的組織成分不同，因此發(fā)射率也會(huì)有很大差異，因此，要想得知生物體表面的溫度就必須先求出生物體假設(shè)為黑體的狀態(tài)下表面的溫度，通過(guò)比較才能求出所要求的生物體表面的真實(shí)溫度。設(shè)黑體的溫度為Tb，由黑體的輻射定律，黑體的輻射功率為：

假設(shè)生物體的輻出度與黑體的輻出度相同，則：

由此得：

此溫度為生物體表面溫度。理論值是在理想的狀態(tài)下得出的結(jié)論，因此，實(shí)際測(cè)量值要低于理論值。因此在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中要進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?。修正的?jīng)驗(yàn)公式與經(jīng)驗(yàn)值依據(jù)生物體的表狀態(tài)而定。

2.2 單色輻射溫度探測(cè)的物理學(xué)原理

在測(cè)量生物體表面溫度時(shí)，我們可以通過(guò)測(cè)量生物體發(fā)射出的某一特定頻率段內(nèi)的輻出度與黑體輻射之間的關(guān)系推出生物體表面的溫度。假設(shè)生物體的單色輻出度與溫度為Tb的黑體輻出度相等，如生物體的光譜發(fā)射率為ελ，則由史蒂芬-玻爾茲曼定律：

可知在特定頻率范圍內(nèi)，探測(cè)器所接收的輻射功率只與溫度有關(guān)。若取△λ為單位波長(zhǎng)，在λT<

與黑體相比較，溫度Tb的黑體輻射能量應(yīng)等于溫度T的生物體表面的輻射能量，即：

于是得：

測(cè)量時(shí)所選波長(zhǎng)越短，由發(fā)射率引發(fā)的測(cè)量誤差就越小，因此單色輻射溫度探測(cè)一般應(yīng)選擇短波區(qū)。由維恩定律知，隨著溫度的升高，輻射功率最大的波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)，所以測(cè)量低溫目標(biāo)與高溫目標(biāo)所選的波長(zhǎng)不同[2]。

3 當(dāng)前醫(yī)用紅外技術(shù)的問(wèn)題與改進(jìn)方法

⑴ 首先紅外熱像儀的醫(yī)學(xué)應(yīng)用屬于生命科學(xué)的研究范疇，對(duì)于純物理學(xué)中應(yīng)用黑體理論推導(dǎo)出來(lái)的生物體測(cè)溫原理與方法，全輻射溫度探測(cè)的物理學(xué)原理、單色輻射溫度探測(cè)的物理學(xué)原理能否直接應(yīng)用到生物體的表面值得進(jìn)一步的研究，因?yàn)槲锢韺W(xué)中廣義的物質(zhì)表面與生物學(xué)中具有新陳代謝和生命活力的有機(jī)分子有很大的區(qū)別，最根本的區(qū)別之一就是物理學(xué)中的物質(zhì)中的分子與原子有特定的振動(dòng)模式、特定的能量的躍遷過(guò)程，其振動(dòng)的能量和能量的輻射過(guò)程可以用經(jīng)典物理學(xué)與量子物理學(xué)的理論與方法進(jìn)行定性與定量的研究，但生物體內(nèi)部與表面的有機(jī)大分子的紅外光發(fā)生原理也應(yīng)該有其自身的規(guī)律，而這種規(guī)律目前尚無(wú)人在生物學(xué)規(guī)律的基礎(chǔ)上加以深入的研究，并建立起自己的獨(dú)特理論，而都是通過(guò)黑體輻射的理論加以修正后直接應(yīng)用到生物體表面上，顯得十分牽強(qiáng)，理論基礎(chǔ)不牢固。

⑵ 當(dāng)今的紅外測(cè)量技術(shù)的理論方法來(lái)源于黑體輻射中的史蒂芬-玻爾茲曼定律，理想狀態(tài)下的公式揭示了物理學(xué)意義上的物體表面在近似為黑體的情況下，黑體輻射能量在不同的溫度下按波長(zhǎng)分布的基本規(guī)律。然而生物體表面與黑體的輻射規(guī)律有很大的差別，因此把該理論直接套用到生物體表面上，從根本上來(lái)說(shuō)其理論基礎(chǔ)會(huì)受到質(zhì)疑，雖然人們?cè)趹?yīng)用這一理論的過(guò)程中引入了多個(gè)修正因子加以修正以符合實(shí)際的測(cè)量結(jié)果，但仍有許多不妥之處。當(dāng)前市場(chǎng)上投入使用的醫(yī)用紅外熱像儀測(cè)量該物體表面的參數(shù)并不是生物體表面的真實(shí)溫度，而分別是通過(guò)測(cè)量生物體表面的輻射亮度溫度、顏色溫度和輻射溫度來(lái)間接地推測(cè)出生物體表面的真實(shí)溫度[10,11]。

⑶ 生物體表面的輻射發(fā)射率與物理學(xué)中的物質(zhì)表述不同，因而采用物理學(xué)中的物質(zhì)表面的發(fā)射率并不能完全準(zhǔn)確地描述生物學(xué)現(xiàn)象。生物體表面的發(fā)射率組成、表面狀態(tài)、輻射的波長(zhǎng)等因素密切相關(guān)，還與背景溫度、體內(nèi)溫度等一些復(fù)雜的狀況有關(guān)，而且生物體的表面狀態(tài)與物理學(xué)中所描述的穩(wěn)定表面狀態(tài)不同，每時(shí)每刻隨其內(nèi)部與外部條件變化而發(fā)生變化是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的，因而很難對(duì)生物體表面的輻射發(fā)射率進(jìn)行精確而穩(wěn)定的評(píng)估[6,7]。如何建立生物體表面的輻射發(fā)射率的計(jì)算模型以對(duì)其進(jìn)行精確的修正一直是人們探討的問(wèn)題。

⑷ 在經(jīng)典紅外測(cè)量技術(shù)中熱像儀的輻射照度可以通過(guò)下面的公式直接計(jì)算出來(lái)而后轉(zhuǎn)化為熱像儀的響應(yīng)電壓最終轉(zhuǎn)換溫度或圖像的灰度參數(shù)加以顯示的。

式中Lbλ(T)是物體的輻射功率； T0為被測(cè)物表面的溫度；Tu是環(huán)境背景溫度； Ta為表面吸收率； ταλ為大氣光譜透射率； εαλ為大氣發(fā)射率； A0為目標(biāo)可視面積； α為目標(biāo)到測(cè)量?jī)x之間的距離。在應(yīng)用單色輻射溫度探測(cè)物理學(xué)原理的過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，紅外熱像儀所探測(cè)的是窄頻紅外光譜，并且通過(guò)（9）式可以看出，測(cè)量的結(jié)果并非是溫度而是生物體表面的輻射能，并最終通過(guò)計(jì)算求出溫度。輻射能與發(fā)射率、反射率、背景輻射度、大氣衰減度、探測(cè)距離、環(huán)境溫度等諸多因素有關(guān)。因此要想精確地探測(cè)生物體表面的溫度需要更完整、更精確地算法及充分考慮生物學(xué)表面特性的模型[1,12]。

4 結(jié)論

本文在綜述了紅外熱像技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展之后，重點(diǎn)從經(jīng)典物理學(xué)層面闡述了紅外熱像技術(shù)的物理學(xué)原理及測(cè)量方法，同時(shí)從生物醫(yī)學(xué)的角度闡述了醫(yī)用紅外探測(cè)技術(shù)當(dāng)前所面臨的理論問(wèn)題，并在此基礎(chǔ)上提出了醫(yī)用紅外線成像技術(shù)的改進(jìn)設(shè)想，將會(huì)對(duì)醫(yī)用紅外熱成像技術(shù)的理論研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供參考。

[1]孫曉剛,李云紅.紅外熱像儀測(cè)溫技術(shù)發(fā)展綜述[J].激光與紅外,2008,38(2):102-104.

[2]陳衡.紅外物理學(xué)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1985:328-335.

[3]王英慧.醫(yī)用紅外熱成像技術(shù)的臨床應(yīng)用[J].中國(guó)現(xiàn)代實(shí)用醫(yī)學(xué),2004,3(6):66-68.

[4]田裕鵬.紅外檢測(cè)與診斷技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006:90-111.

[5]Hairang Q, Phani T.K, Zhong-qi Liu.利用TTM技術(shù)診斷早期乳腺癌:IEEE international Symposium on Biomedical Imaging,2007

[6]張建,楊立,劉慧開(kāi).環(huán)境高溫物體對(duì)紅外熱像儀測(cè)溫誤差的影響[J].紅外技術(shù),2005,27(5):419-422.

[7]Hwang Jihong，Kompell Sridhar,Chandrasekar Srinlvassan.Measurement of temperature Field in Surface Grinding using Infrared(IR)Imaging System[J].ASME Transaction, Journal of Tribology,2003,125:377-383.

[8]Wright T,Mcechan A.Breast Cancer: New Technologies for Risk Assessment and Diagnosis[J].Mol.Diagn.,2003,7:49-55.

[9]Linda Smith Boyd. Analysis of infrared thermography data for icing applications[C]. Reno:Aerospace Sciences Meeting,1991.

[10]Robat Chenry. Infrared technique to measure the skin temperatures on an electrothermal DC-Icer comparison with numerical simulations[C].Reno:Aerospace Sciences Meeting,1989.

[11]Kamran Daryabeigi. Global surface temperature/heat transfer measurement using infrared imaging[C].Reno:Aerospace Sciences Meeting,1992.

[12]江國(guó)泰.現(xiàn)代化醫(yī)院中紅外熱成像儀應(yīng)用的新技術(shù)新動(dòng)向[J].醫(yī)療設(shè)備信息,2003,18(4):1-3.