人体红外热图像分析技术的应用原理和意义

    为探讨人体机能信息和结构信息的内在联系，系统阐述了人体红外辐射的探测原理及其生理结构基础，探讨了人体红外辐射信息的本质和意义。并利用红外热像技（IRT），实现了人体机能与结构多元信息的转换和表达，以促进医用红外热像分析技术的合理开发和应用。

   医用红外热像（infrared thermography, IRT）术是一门新兴的综合性高新技术，具有灵敏精确、成像直观、信息丰富、无创检测、简便经济等特性，受到国内外学者的普遍关注。与相继出现的Computed tomography (CT)、Nuclear magnetic resonance(
MRI)、 Brightness mode ultrasonic(B 超)等成像技术相比，IRT 还不为人们所熟悉，甚至误将IRT当作结构影像进行形态学定位与定性诊断，致使人们对人体红外热图（IRT难以理解和正确分析，直接影响了其推广普及。因此，系统阐述人体红外辐射的探测原理对探讨人体红外辐射的本质具有重要意义。

    1 医用红外热像技术的发展概况
    早在 1800 年，英国天文学家William Hirschel就发现了热与红外辐射的关系。1840 年，小WilliamHirschel 把酒精浸在黑纸上观察酒精蒸发情况，首次揭开了热图(thermography)之迷[1]。二战期间，红外技术得到了空前的发展，1934 年，Hardy 首次采用红外辐射原理，不用接触人体而准确测量到人体皮肤温度。二战以后，红外技术迅速从军事领域向医学领域渗透。1956 年，美国外科医师Ran Lanson用红外扫描技术证实乳腺癌局部皮肤的温度比正常部位高，这一发现拉开了红外扫描技术临床应用研究的序幕1961 年，英国医师Walliams KL 用红外扫描仪拍摄了世界上第一张乳腺癌热图。1971年，Mebourne 在第九届国际医学生物工程学会议上，正式提出了医用热像图摄影装置.这标志着医用红外热像技术日趋成熟，开发、应用热潮迅速在世界各地兴起。1976 年我国首台医用红外热像仪试制成功。1979 年姜宗桥发表了第一篇国产热像仪临床应用的报道,表明我国医用红外热像技术的开发和应用与国际进展基本同步。此后，医用红外热像技术如雨后春笋，蓬勃发展，广泛应用于生物医学诸多领域.

    2 红外辐射的基本特征
   “红外”一词源于光谱学，红外辐射是指波长范围介于可见光与微波之间（即0.75~1000ìm）的电磁辐射，在光谱图上位于红光之外，其本质与可见光相同，具有电磁波的一般属性。此外，红外辐射还具有与可见光不同的两个特性：一是红外辐射与热能的传递有关，有着明显的热效应；二是红外辐射与物质分子热运动的频率一致时，入射的红外辐射可被物体分子吸收，物体分子吸收红外辐射后自身的热运动得到加强，表现为物体温度升高。因为构成物质的分子都是由带电粒子组成，当它们做热运动时，相应的偶极矩发生变化，就会发生电磁波。这种由物体温度决定的红外波段电磁辐射被称为热辐射，温度越高，热辐射功率越大。另一方面，能吸收红外辐射的物体也能发射红外辐射，几乎所
有物体（包括人体），只要它的温度大于绝对零度（即-273℃），都在不断地发射红外辐射，同时也在不断地吸收红外辐射，而且遵守红外辐射定律。正是利用了红外辐射的这些特性，人们才能通过探测人体红外辐射，获得体表温度所表达的多元信息。
    3 人体红外辐射的探测原理
    人体红外辐射探测原理基于红外辐射的定律。基尔霍夫定律指出，在一定温度下，达到热平衡的物体辐射本领与吸收本领成正比，即发射率等于吸收率（ε=α）。发射率表示一个物体发射热辐射的本领，发射本领最大的物体称为黑体，其他物体的发射本领要通过与黑体的比较而得知。这个比例系数就是发射率（也称比辐射率），黑体的发射率总是等于1，而其他物体的发射率总是小于1。正常人体的辐射本领与绝对温度310°K 的黑体相似。不论肤色，比辐射率约为0.99，说明人体具有很高的辐射本领。斯蒂芬—波尔兹曼定律表明，黑体单位表面积向整个半球空间发射的辐射总功率与其自身绝对温度的四次方成正比，即Mb=σT4。Mb 表示同一温度下黑体的辐射发射度，T 是黑体的绝对温度，σ是一个常数。这一定律说明物体发射的热辐射功率与它的绝对值直接的对应关系。也就是说，只要能测出人体的热辐射功率，就能得知人体的温度。维恩位移定律则说明，黑体的峰值辐射波长与黑体绝对温度成反比，即λmT=C（λm 表示黑体的峰值波长，T 是黑体的绝对温度，C 是一个常数，等于2897.8ìm.K）。也就是说，物体的热辐射是波长和温度的函数，温度越高，辐射能量越大，峰值波长则向短波方向移动。根据这一定律，人们只要知道物体的绝对温度，就能计算出它的峰值辐射波长，正常人体为37℃，也就是310°K（K 表示绝对温标，它和摄氏差273.15 度），按公式计算，人体峰值辐射波长λm=9.348ìm[4]。
由于人眼只能对 0.4~0.7ìm 的可见光波段敏感，而各种不同材料的红外探测器（热敏型，光子型），可以探测0.7~14ìm的红外波段。因此人们根据人体峰值辐射波长， 通常选用敏感波长为8~14ìm 的红外探测器探测人体红外辐射。经过一系列的信号处理，把热辐射信号转化为可视性的和可定量的红外热图像（infrared thermography）。
    4 人体红外辐射的生理结构基础
   人体作为一个辐射源，和其他物体一样遵守红外辐射定律。但是，人体作为一个有生命的高等恒温生物体具有生命活动的基本特征。人体红外辐射与机体的能量代谢、体热平衡、体温调节及组织结构有着密切的内在联系，有其特定的生理机制和结构基础。众所周知，人体不能直接利用外在能源（光能、电能、机械能等），惟一能利用的是食物中所蕴藏的化学能。摄入的能源物质（糖、脂肪和蛋白质）在体内氧化过程中，碳氢键断裂，生成CO2 和H2O释放能量，其总量的50％以上的化学能转化为热能，用于维持体温。其余不足50％的化学能则载荷于ATP，经过能量的转化与利用，最终也转变为热能，热能不能再转化利用，由血循环传导到体表，一定的条件下，主要以辐射的方式发散于体外。辐
射散热量取决于皮肤和环境之间的温度差。温差越大，散热量越多；温差越小，散热量越少。通常环境温度在20-30℃时，人体能量代谢最为稳定。当环境温度低于体温时，大部分的体热（70％）通过皮肤的辐射、传导和对流散热。另一方面，皮肤温度受皮肤血流量的控制，皮肤血液循环的结构特点决定了皮肤血流量可以在很大范围内变动.真皮中有由微动脉和微静脉构成的深、浅血管丛，动脉和静脉的浅丛和深丛之间分别有垂直方向的血管相通连，浅丛发出袢状毛细血管到每个真皮乳头，深丛和浅丛之间有丰富的吻合支。此外，真皮深层有特别形式的动—静脉吻合（称血管球），它们是微动脉到微静脉间的血流旁路，血流不经过毛细血管床，以增加局部的血流量和流速[6]，参与体温调节。机体的体温调节机制通过交感神经系统控制皮肤血管的舒缩，增减皮肤的血流量，以调控体热平衡，维持正常体温。因此，凡是能影响皮肤血管舒缩的内外因素（生理、病理、物理、化学、环境、情绪等主客观因素），也必然会影响人体红外辐射。探测人体红外辐射的实质，就是在一定条件下，捕获瞬间体表温度所表达的人体多元信息。
     综上所述，基于红外辐射原理，以人体为辐射源，采用先进的红外扫描技术，探测人体红外辐射，经过一系列信号处理，把不可见的体表温度变化转变为可视性的和可定量的红外热图，与CT、MRI、B 超等结构影像有着本质的不同。IRT 实现了机能与结构多元信息的转换和表达，为探索机能信息和结构信息的内在联系开辟了新的途径，可望在疾病
诊断、肿瘤研究、疼痛研究、神经定位、针刺效应及人体异常信息的无创监测等领域得到广泛的应用，必将发挥其它成像技术不可取代的作用。