指导针灸干预亚健康的医用红外热成像技术采图环境标准化研究——不同背景颜色对医用红外热像图影响的实验研究优秀毕业论文.pdf

成都中医药大学 （针灸推拿针灸推拿学院）学院） 二二 0 0 一一届硕一一届硕士研究生士研究生学位学位论文论文 指导针灸干预亚健康的医用红外热成像技术采图环境指导针灸干预亚健康的医用红外热成像技术采图环境标准化研究标准化研究 不同背景颜色对医用红外热像图影响的实验研究不同背景颜色对医用红外热像图影响的实验研究 （国家中医药管理局课题国家中医药管理局课题 编号：编号： 2007zx032007zx03- -6 6） research on influence of irt images due to different background colors 研究生姓名：谷研究生姓名：谷 方方 均均 指导教师：指导教师： 王王 超超 主任医师主任医师 学科专业：学科专业： 针针 灸灸 推推 拿拿 二二一一一一年四月年四月 成都中医药大学硕士学位论文 1 学 位 论 文 指导针灸干预亚健康的医用红外热成像技术指导针灸干预亚健康的医用红外热成像技术 采图环境标准化研究采图环境标准化研究 不同背景颜色对医用红外热像图影响的实验研不同背景颜色对医用红外热像图影响的实验研究究 谷谷 方方 均均 指导教师姓名： 王王 超超 主任医师主任医师 申请学位级别： 硕硕 士士 专 业 名 称： 针针 灸灸 推推 拿拿 论文提交时间： 2011.42011.4 论文答辩时间： 2011.52011.5 二二一一一一年四月年四月 成都中医药大学硕士学位论文 2 中文摘要中文摘要 目的目的: : 旨在分析不同背景颜色对医用红外热像图的影响， 探索医用红外热成像技术的最佳采图背景颜色，进而为其采图环境参数的标准化提供依据。 方法方法: : 采用动物实验和人体实验相结合的方法， 遵循单一变量原则， 通过逐步改变采图环境背景颜色，以实验动物为观察对象，拍摄不同背景颜色下的红外热成像图，对图像质量进行统计分析， 并结合人体舒适度问卷调查， 探索医用红外热成像技术最佳的采图背景颜色。 结果结果： 动物实验结果显示：纯白色背景下，p0.05，差异有统计学意义；纯红色背景下，p0.05，差异无统计学意义。 人体舒适度问卷调查结果显示：纯白色背景组满意度和表情尺度最低；与其相比，纯黑色背景组和纯红色背景组的满意度评分和表情尺评分均相对较高， 差异有统计学意义；纯红色组与纯黑色组对比，差异无统计学意义。 结论：结论： 综合动物实验和人体舒适度实验结果可得出结论， 医用 irt 技术的室内环境背景颜色以纯黑色最佳。 关键词：关键词：医用红外热成像技术 红外热像图 背景颜色 人体舒适度 动物实验 课题来源：课题来源：国家中医药管理局课题： 热成像技术图像采集规范研究医用摄像环境标准化研究 ，项目编号： 2007zx03-6，项目经费：20 万元。 成都中医药大学硕士学位论文 3 abstractabstract objective：this experiment is to determine the optimal indoor environment background color，which produces minist effect on the infrared thermal images .the research will propose the spatial standards for medical irt. methods：according to the outcome of the environmental standards of medical infrared thermal imaging of other sub-experiment (temperature, humidity, surface materials, wall paint, spatial size) to determine the standard environment of this experiment ; animal experiments and human comfort combined method survey, following the principle of a single variable to pigs as experimental observed objects, continuous shooting them under anesthesia at different background color as five irt figures, and analyzed by professional experts using professional image analysis software and tools for statistical analysis of the irt images. statistical analysis includes two parts: the environmental component of the image and the image part of experimental animals. environment image data analysis section consists of two aspects: the evaluation of uniform environmental temperature and the average temperature difference between the image analysis; the statistical analysis of animal images, including: the analysis of the uniformity of animals image temperature; the analysis of the center temperature of the experimental animal image and the analysis of temperature differences between the center of the image and surroundings. image analysis combined with human comfort questionnaire (msq questionnaire and expression of human comfort scale), calculated by the corresponding scores and scoring methods to rate and analyze the obtained appropriate medical irt technology space standards. result：the animal experiments indicate that both the white color and the red color produce obvious effect to irt photos，while the black color produces little effect to irt photos. the human comfort combined method survey reveals that the black color produces most effect to human comfort while the black color and the red color produce less but unobvious effect to human comfort. conclusion：the black color is the optimal indoor environment background color for medical infrared thermal imaging technology. key words： medical infrared thermal imaging technology, infrared thermography, 成都中医药大学硕士学位论文 4 indoor environment background color,human comfort survey, animal experiment topic source：state administration of traditional chinese medicine topic：thermal imaging technology image acquisition normative researchmedical cameras environment standard research, project numbers: 2007zx03-6, project funds：200,000 yuan. 成都中医药大学硕士学位论文 5 目录目录 缩略词表缩略词表 8 正正 文文 9 1.1.绪论绪论 9 1.11.1 研究背景与问题研究背景与问题 9 1.1.11.1.1 现实背现实背景景 9 1.1.21.1.2 理论背景理论背景 10 1.1.31.1.3 问题问题 10 1.21.2 研究内容与目标研究内容与目标 10 1.2.11.2.1 研究内容研究内容 10 1.2.21.2.2 研究目标研究目标 11 1.31.3 研究思路与方法研究思路与方法 11 1.3.11.3.1 研究思路研究思路 11 1.3.21.3.2 研究方法研究方法 12 1.41.4 研究意义与创新研究意义与创新 13 1.4.11.4.1 研研究意义究意义 13 1.4.21.4.2 研究创新研究创新 13 2.2.文献研究文献研究 13 2.12.1 概述概述 13 2.22.2 医用红外热成像技术的理论基础医用红外热成像技术的理论基础 15 2.2.12.2.1 人体红外热辐射理论人体红外热辐射理论 15 2.2.22.2.2 医用红外热像仪原理医用红外热像仪原理 16 2.32.3 医用红外热成像技术的特点医用红外热成像技术的特点 16 2.3.12.3.1 人体人体红外辐射的生理结构特点红外辐射的生理结构特点 16 2.3.22.3.2 医用红外热像仪的特点医用红外热像仪的特点 17 2.42.4 医用红外热成像技术的应用现状医用红外热成像技术的应用现状 17 2.52.5 小结小结 20 3.3.动物实验研究动物实验研究 20 3.13.1 实验动物实验动物 20 3.1.13.1.1 实验动物选择依据实验动物选择依据 20 3.1.23.1.2 实验动物选择标准实验动物选择标准 21 3.1.33.1.3 实验动物排除标准实验动物排除标准 21 3.1.43.1.4 实验动物退出实验条件实验动物退出实验条件 21 3.23.2 实验设备实验设备 21 3.2.13.2.1 实验室实验室 21 成都中医药大学硕士学位论文 6 3.2.23.2.2 实验器械实验器械 21 3.2.33.2.3 实验药品实验药品 22 3.33.3 实验方案实验方案 23 3.3.13.3.1 实验目的实验目的 23 3.3.23.3.2 实验准备实验准备 23 3.3.33.3.3 实验步骤实验步骤 25 3.3.43.3.4 观观察指标察指标 26 3.43.4 实验完成情况实验完成情况 26 3.53.5 统计分析统计分析 26 3.5.13.5.1 一般资料统计一般资料统计 26 3.5.23.5.2 组间温度均值比较组间温度均值比较 27 3.63.6 实验结果实验结果 27 3.6.13.6.1 一般资料分析一般资料分析 27 3.6.23.6.2 对比分析对比分析 31 3.73.7 实验结论实验结论 36 4.4.人体实验研究人体实验研究 36 4.14.1 志愿者志愿者 36 4.1.14.1.1 志愿者纳入标准志愿者纳入标准 36 4.1.24.1.2 志愿者排除标准志愿者排除标准 36 4.1.34.1.3 志愿者退出实验条件志愿者退出实验条件 37 4.24.2 实验设备实验设备 37 4.2.14.2.1 实验室实验室 37 4.2.24.2.2 实验器械实验器械 37 4.34.3 实验方案实验方案 37 4.3.14.3.1 实验目的实验目的 37 4.3.24.3.2 实验准备实验准备 38 4.3.34.3.3 实验步骤实验步骤 38 4.3.44.3.4 观察指标观察指标 39 4.44.4 实验完成情况实验完成情况 39 4.54.5 统计分析统计分析 39 4.64.6 实验结果实验结果 39 4.6.14.6.1 一般资料一般资料 39 4.6.24.6.2 对比分析对比分析 40 4.74.7 实验结论实验结论 42 5.5.研究总结研究总结 42 5.15.1 研究结论研究结论 42 成都中医药大学硕士学位论文 7 5.25.2 研究成果研究成果 42 5.35.3 问题与展望问题与展望 43 致谢： 43 参考文献：参考文献： 44 附录：附录： 46 附录一、附录一、 irtirt 环境标准化研究动物实验环境标准化研究动物实验 sopsop 46 附录二附录二 、动物实验观察记录表、动物实验观察记录表 - 49 - 附录三、附录三、实验动物不良事件报告表实验动物不良事件报告表 - 50 - 附录四、人体舒适度问卷调查表附录四、人体舒适度问卷调查表 - 52 - 附录五、附录五、热体舒适度实验受试者知情同意书热体舒适度实验受试者知情同意书 - 54 - 附录六、附录六、irtirt 环境标准化研究红外热图数据提取方法环境标准化研究红外热图数据提取方法 - 58 - 附录七、课题图片资料附录七、课题图片资料 - 59 - 文献综述：文献综述： - 66 - 在校期间科研成果简介在校期间科研成果简介: - 75 - 声明：声明： - 76 - 成都中医药大学硕士学位论文 8 缩略词表缩略词表 缩缩 略略 词词 英英 文文 全全 称称 中中 文文 名名 称称 ashrae american society of heating, refrigerating and air-conditioning engineers, inc. 美国供热、制冷及空调工程师协会 et* new effective temperature 新有效温度 msq minnesota satisfaction questionnaire 明尼苏达满意度调查问卷 ttm thermal texture mapping 热断层扫描 irt infrared thermography 红外热图 成都中医药大学硕士学位论文 9 正正 文文 1.1.绪论绪论 1.11.1 研究背景与问题研究背景与问题 与 computed tomography(ct) 、nuclear magnetic resonance imaging (mri) 、b-type ultrasonic (b 超)等影像技术相比， 医用红外热成像(infrared thermography , irt) 技术是一门新兴的综合性高新技术1,在医学上的应用研究尚处在起始阶段。 临床使用仅依靠操作者的经验和体会， 缺乏相应的研究论证和技术指南。 医用红外摄像环境是指以非接触方式测量人体表面温度的医用电子红外成像系统正常工作条件下各项环境要素的总和，包括温度、湿度、气流组织模式、地板材料、背景颜色、墙体涂料、空间大小等等。摄像环境标准的缺乏，使得红外热图质量参差不齐，影响了 irt 在医学中的应用。 本研究着力于探索不同背景颜色对医用红外热像图的影响， 既有其现实背景， 也有其理论背景。 1.1.11.1.1 现实背景现实背景 红外热成像技术被应用到医学领域虽已有 50 多年历史，但由于成像质量差及热像规律复杂，研究进展较慢。近 5 年来，随着光电技术、计算机多媒体技术，尤其是半导体技术的发展，热像仪的分辨能力、清晰度达到了临床需求的水平，irt 成为国际上新的研究热点。 由于医用红外热成像仪采用非接触方式检测温度， 其结果容易受多方面因素的干扰，倘若受干扰过多，则红外热像图的可信度会大大降低。医用红外摄像环境标准化的缺乏给行业内带来很大的困惑， 一是适合医用红外热成像的最佳环境设置是个未知数， 临床上全凭操作者经验或参考红外仪生产厂家的建议， 二是任何一个环境因素的改变均可能导致红外热图发生改变，出现假阴性或假阳性，影响 irt 技术的医用价值，这不仅造成患者的心理负担， 更造成医疗资源的浪费， 并且不同环境因素下的 irt 图像缺乏对比性。 因此， 从临床实际考虑， 开展医用红外热成像仪彩图环境的标准化研究有利于临床医生更加规范化使用 irt 技术，具有现实需求性和迫切性。 成都中医药大学硕士学位论文 10 1.1.21.1.2 理论背景理论背景 影响 irt 图像质量的关键因素有三： 医用红外摄像环境、 热成像设备以及被检查者状态。 只有在合适的摄像环境、 优越的热成像设备和被检查者密切配合三者具备的条件下，方能采集优质的 irt 图像。三者之中，被检查者为主观因素，热成像设备为相对固定不变，而摄像环境因素具有复杂性、多变性和可控性，这就是本研究的“机会点” 。 目前国内国外尚无针对摄像环境进行的研究， 未提出医用红外热成像技术摄像环境的构成因素及各因素的规律， 环境因素对医用红外热图质量的影响还是个未知数。 背景颜色是医用红外热成像技术摄像环境因素之一， 以此为研究对象， 探索哪种背景颜色对红外热图的图像质量影响最小，最利于医用红外热像仪摄像以得到高质量的红外热图。因此， 开展不同背景颜色对医用红外热像图的影响研究具有理论需求性， 可以填补行业空白。 1.1.1.1.3 3 问题问题 问题一：何种背景条件最有利于红外采图？ 通常对于具备一定成像精度的红外目标检测系统而言， 小目标局部区域的红外辐射强度将在一定程度上高于背景与噪声2， 显然这对实现正确地红外目标检测是非常有利的。 但是，由于实际场景有时会遭受如各种强杂波、光源等不确定因素的影响，可能会导致红外图像中某些场景或区域的红外辐射强度接近甚至超过小目标局部区域的红外辐射强度。 在实际应用中， 人们总是需要针对不同的背景条件来对不同的预处理方法做出取舍。有时，各种方法间的选取和不同方法之间的切换只有依靠经验才能完成。因此有必要研究清楚何种背景条件最有利于红外采图这一问题。 问题二：何种背景条件对目标红外图像影响最小？ 不同颜色的背景对目标红外线具有不同程度的吸收、 反射作用， 其自身也具有红外辐射功能，势必会对目标红外辐射产生干扰，从而影响目标红外图像。因此，必须回答何种背景条件对目标红外图像影响最小这一问题。 1.1.2 2 研究内容与目标研究内容与目标 1.2.11.2.1 研究内容研究内容 成都中医药大学硕士学位论文 11 本研究选取医用红外热成像摄像环境作为突破口， 选择背景颜色为研究对象， 通过动物实验和人体舒适性实验相结合的研究方法， 提出既能保证医用红外热像图质量， 又能满足人体舒适度要求的医用红外热成像室内环境背景颜色标准，以进一步完善 irt摄像环境标准化研究。 在多种背景颜色中，本研究选取纯黑色、纯红色和纯白色三种方案，理由是：白色是各种可见光谱的综合表现， 也是日光和生活中常用白炽灯的颜色； 黑色则是各种可见光谱全被吸收的体现，在密闭空间常见；而红色光谱的波长范围是 605-700nm，相对于红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种光谱而言，红光位于肉眼可见光谱（312-1050nm）的中间段，可选作有彩色光谱的代表。 1.2.21.2.2 研究目标研究目标 课题组先前已开展针对不同环境温度、 气流模式对医用红外热像图的影响研究， 尚无专门针对背景颜色的研究，因此，本研究选择背景颜色为研究对象，目的是探讨不同背景颜色对医用红外热像图的影响， 探索红外热成像技术摄像环境最佳背景颜色， 以完善医用红外热成像技术摄像环境标准化研究， 借此解决医用红外热成像技术在临床使用中遇到的关键技术问题，并且为今后对被检查者状态、热成像设备本身的研究及 irt在临床上的推广应用奠定基础。 具体研究目标有两个： 其一：在理论上，解释 2 个问题：首先，哪种背景颜色对医用红外热像仪摄像质量影响最小？其次， 在确保红外热像图质量的基础上， 哪种颜色对人体舒适度影响最小？ 其二：在实践上，把研究得出的结果和结论转化为对医用红外热成像技术的建议，为临床开展 irt 技术提供借鉴。 1.31.3 研究思路与方法研究思路与方法 为了解释现实和理论上存在的问题，实现本文的研究目标，本文制定了研究思路并选择了研究方法。 1.3.11.3.1 研究思路研究思路 本研究所遵循的总体思路就是解释和解决医用红外热成像技术临床应用实践中的问题，具体来讲分为四个步骤： 成都中医药大学硕士学位论文 12 首先，观察临床上医用红外热成像技术的使用情况，发现让操作者和医生迷惑的问题，把这些问题进行筛选，拟定为研究方向。 其次，基于这些问题检索相关文献，了解其他学者对这些问题的研究进展和不足。 再次，结合研究方向和已有的 irt 研究成果，从中找到值得研究而尚未研究的“机会点” ，确定本文的研究内容和目标。 最后，基于研究内容和目标，展开正式研究，包括：选择研究方法；设计实验方案；开展实验研究；进行数据分析；得出研究结果；分析研究结论。 对于本文研究思路的图解，可见图 1。 【图 1】 研究思路 1.3.21.3.2 研究方法研究方法 （1）文献研究法 通过查阅国内外文献，提出研究课题的可行性。 （2）实验研究法 参照红外热成像技术领域其他学者所使用的研究方法， 以及通过对本文研究内容和研究目标的分析，本文选择了“实验法”作为本文的主要研究方法。 从实验方法上来分，实验设计可以分为四种：预实验设计、真实验设计、准实验设计和统计设计。本研究包括动物实验、人体实验两部分，分成都预实验和北京正式实验两步完成。 （3）样本量估计 现实观察现实观察 文献检索文献检索 定义问题定义问题 正式研究正式研究 观察临床上医用红外热成像技术的使用，发现有哪些让操作者和医生迷惑的问题，初步把这些问题拟定为研究方向。 检索医用红外热成像技术相关的文献，了解医用红外热成像技术的研究进展和不足所在。 结合现实中的迷惑和国内外的研究成果，正式确立研究内容和研究目标。 根据研究内容和 目标： 1. 选择研究方法 2. 设计实验方案 3. 开展实验研究 4. 得出研究结果 5. 分析研究结论 成都中医药大学硕士学位论文 13 关于 irt 摄像环境标准化的类似研究缺乏相关研究可供参考， 因此在样本量的设计方面缺乏可借鉴的先例， 在课题专家组讨论并咨询相关实验领域的专家同时结合课题组现有设备和技术条件的基础上设定样本量如下：动物实验：23 月龄实验用贵州小型猪 4 头；人体舒适度实验：人体志愿者 100 名。 1.41.4 研究意义与创新研究意义与创新 1.4.11.4.1 研究意义研究意义 本研究为热成像技术图像采集规范研究医用摄像环境标准化研究的子课题之一，其意义体现为： （1）为进一步制订普适性的医用红外热成像摄像环境标准提供数据支持,为医用红外热成像技术提供技术支持，填补行业空白。 （2）通过本研究使红外热成像条件标准化, 所摄 irt 图像具有重复性、可比性，便于推广应用，为进一步深化研究奠定基础。 （3）医用红外热成像摄像环境标准的制定可进一步促进该技术的推广应用。 1.4.21.4.2 研究创新研究创新 通过研究不同背景颜色对医用红外热像图的影响，本文总共获得了四个创新点。 首先，本文对医用红外热成像摄像环境及其构成因素进行了分类，发现了背景颜色这一新的研究“机会点” 。 其次，本文构建了背景颜色对医用红外热像图影响的概念模型，建立了红外热像图质量评价体系。 再次，本文证实了不同背景颜色对医用红外热像图的影响。 最后， 最重要的一点创新是本文验证了不同背景颜色下医用红外热像图质量的优劣。 2.2.文献文献研究研究 2.12.1 概述概述 1800 年，英国物理学家赫胥尔发现了红外线，从此开辟了人类应用红外技术的广阔道路。生物组织的热效应引发了人们开展对红外线技术医学应用的研究,形成了红外成都中医药大学硕士学位论文 14 线医学影像学,为人体疾病的早期、无创诊断翻开了新的一页。 红外热像图在临床上的应用至今只不过几十年的历史。英国 rlawson 在 1950 年发现乳腺癌病人的病变局部皮肤温度升高，1957 年他用美国巴诺斯公司生产的红外扫描仪证实了这种现象。1960 年 klwilliams 用辐射温差电堆对 100 例乳房病变病人进行了皮肤温度的测定，在 57 例恶性病变中有 54 例是用这种方法检查出来的。此后，热像图在临床诊断上的应用开始受到重视。1963 年美国在纽约成立了研究热像图的学术机构，热像图才开始用于临床。1967 年 c. m. gors 在法国也成立了有关研究热像图的学术中心。据不完全统计，到 1970 年全世界就已有 260 个医疗研究机构使用各种类型热像图仪诊断研究疾病，发表了数千篇有关的学术论文。 在第九届国际生物医学工程学会上,由 melbourne 正式提出了医用热象图摄影装置。于是红外热像仪便成为获得热像图的主要手段。thermographv 便成为红外热像图的专有名词。我国开展热像图在医学上的应用也是始于这一时期。1976 年北京光电子研究所等单位研制成功了我国自己的医用热像仪,通过临床试用,性能良好,为推动我国红外热像图在医学中应用发挥了作用 。曾掀起过应用热像图的热潮，许多大中医院在门诊部建立了红外热像图检查诊断室，购置了价值昂贵的红外热像仪。1990 年代后期，由于现代高科技的发展，红外热像仪在功能、性能、体积和价格等方面发生了惊人的变化。加上计算机二次处理软件的加强，极大地拓宽了红外热像图的应用范围，不断涌现出了新的医学医疗应用领域。 1979 年姜宗桥发表了第一篇国产热像仪临床应用的报道3。1999 年 12 月， 中华医学会科技发展中心和中国生物医学工程学会联合发起在北京召开了医用红外热像仪应用技术研讨会。2000 年 12 月中华医学会在广州成立了医用红外技术培训中心，并举行了奠基式和举办了第 1 期医用红外热像技术培训班。2001 年 8 月中华医学会又在北京成立了医用红外热像技术专家组。 红外热像仪的医学应用已引起国内医学界有关部门和专家们的重视。 医用红外热成像技术是利用人体红外辐射成像原理,研究体表温度分布状态的一种现代物理学检测技术。红外热成像技术在临床医学的应用，可以在空间、时间上连续测定人体温度， 而且还能精确地记录出人体表面温度变化的图像， 这对研究人体温度变化，继而观察疾病提供了可行的方法，是一项新的无创功能性检测技术4,5。医用红外成像技术是医学技术、 红外技术和计算机多媒体技术相结合的产物, 是现代医学影像的一个崭新分支。 该技术利用红外扫描采集系统接收人体辐射的红外能量， 经计算机智能分析成都中医药大学硕士学位论文 15 和图像处理形成红外热图， 以不同的色彩显示人体表面的温度分布， 定量地分析温度变化，判断出某些病灶的性质、位置，达到诊断疾病的目的4。 2.22.2 医用红外热成像技术的医用红外热成像技术的理论基础理论基础 2.2.12.2.1 人体红外热辐射理论人体红外热辐射理论 光波是电磁波的一种，电磁波按其波长长短可分为 r 射线、x 射线、紫外线、可见光、红外线、微波及无线电波等5。红外线的波长是 0.8-1000 微米，在此范围内，近红外线的波长在 0.8-2.5 微米之间，中红外线的波长在 2.5-50 微米之间，远红外线的波长在50-1000微米之间。 只有波长为0.8-1.3微米的近红外线能使红外照相胶片感光。 基尔霍夫定律6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= 吸收率(=) 。 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, 其它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 , 而其它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 o 的黑体相似。不论肤色, 比辐射率约为0.199 , 接近于 1 , 说明人体具有很高的辐射本领。 斯蒂芬一波尔兹曼定律6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 =t4 。 mb 表示同一温度下黑体的辐射出射度, t 是黑体的绝对温度, 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温度有着直接的对应关系。 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6则说明, 黑体的峰值辐射波长与黑体绝对温度成反比。即mt = c 。 (m 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 289718m. 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 310k ( k 表示绝对温标, 它和摄氏温标相差 273115 度) , 按公式计算, 人体峰值辐射波长m = 91348m7。 由于人眼只能对 014017m 的可见光波段敏感, 而各种不同材料制成的红外探测器(热敏型, 光子型) , 可以探测 01714m 的红外波段。因此人们根据人体峰值辐射波长, 通常选用敏感波长在 814m 的红外探测器探测人体红外辐射。 经过一系成都中医药大学硕士学位论文 16 列的信号处理, 把热辐射信号转化为可视性, 可定量的红外热像图(infrared thermography)。 2.2.22.2.2 医用红外热像仪原理医用红外热像仪原理 医用红外热像仪是记录人体热场的影像装置，它能测定人体温度的变化,也就成为临床医学诊断疾病的一项重要指标。医用红外热像仪一般由镜头、红外探测器、信号处理单元和显示器等部分组成。 目标物体发出的红外辐射能经红外探测器接收后， 通过电子线路的放大处理， 最后将这种热辐射转换成显示器上的热像图。 红外探测器是热成像系统的核心。 按其信号的产生方式可分成热敏型和光子型两大类。 热敏型探测器吸收红外辐射后， 引起热敏元件发生物理变化而输出电信号。 常用的热敏元件由氧化物半导体和热释电材料制成， 其特点是对波长无选择性， 能在常温下工作， 但响应慢且灵敏度低。光子型探测器是由于载流子吸收光子能量后运动状态发生变化， 导致电导变化或产生电动势。其特点是响应快，探测灵敏度高，但一般需在低温下才能工作。红外热像仪产生二维图像的实现方法有两种： 一是由有限个探测器敏感单元通过光学机械对景物的扫描来实现(单元红外探测器和多元热成像系统)， 二是由大量敏感单元构成的焦平面阵探测器对景物凝视探测来实现(焦平面红外探测器)。 2.2.3 3 医用红外热成医用红外热成像技术的像技术的特点特点 2.3.12.3.1 人体人体红外辐射的生理结构特点红外辐射的生理结构特点 众所周知, 人体不能直接利用外在能源(光能, 电能,机械能等) , 唯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 2030 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, (其中辐射散热占总散热量的 60 %) , 当环境温度等于或超过皮肤温度时, 辐射、传导和对流散热活动就停止。 人体红外辐射的探测也就失去了意义。 另一方面, 皮肤温度受着成都中医药大学硕士学位论文 17 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, 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, 也必然会影响人体红外辐射。 2.3.22.3.2 医用红外热像仪的特点医用红外热像仪的特点 红外热像仪在医学上的应用主要具有以下八个特点： （1） 是一种非接触性的检查仪器，它在丝毫不影响正常生理活动的条件下进行检查，检查结果准确。 （2） 仪器反应灵敏，和拍摄照片一样迅速，并能即时显示温度分布的影像。 （3） 测量精确度高，能即时反映 01 ci=的温度变化。 （4）是一种非损伤性的检查仪器，和拍摄照片一样对人体无任何创伤，重复性强，病人乐于接受。 （5）仪器功能和数码相机一样，既可进行连续动态观察， 也可将不同时间温度数据对比分析。（6） 利用现代的计算机和信息技术，图像处理功能强大，数据存储、复制方便。 （7）凡能引起人体组织热改变的疾病都可用它进行检查，应用范围广，临床价值大。 （8）仪器使用操作简便，与 ct 和 mri 等其他医学影像设备相比费用低廉，易于普及。 2.42.4 医用红外热成像技术的医用红外热成像技术的应用应用现状现状 目前红外热图目前主要应用于以下几个方面： （1）炎症检查与评估 发生炎症时组织血流的灌流增多， 使患部皮肤温度比正常时高。 故通过热诊断仪可以早期确定炎症的部位及炎症程度。李辉军8对 1194 例炎症病例进行了对照、分析,其中胸部炎症 261 例、腹部 851 例、头面部 51 例、四肢 7 例、其他 24 例,体表温差为1.5 3.4 ,胸部温差为 0.5 0.8,腹部温差为 0.5 0.9,骨骼温差为0.8 2.8。胸部和骨骼经 x 线,腹部结合胃镜。局部组织发炎,其热辐射温度大面积增高,较健侧增高 1 2.5 ,热区明显增多,面积增大,周围无冷热交叉。乳腺炎、静脉炎、 关节炎、 肌纤维质炎等热成像图面积较大,但与周围温差相比,均不超过 3.5 。 成都中医药大学硕士学位论文 18 （2）血管性疾病的检查与评估 热诊断技术可用于深部静脉血栓检查、 确定静脉曲张、 血管痉挛性疾病检查和动脉性疾病的估计等。 刘永红9对 46 例拟诊断雷诺综合征的患者及 20 例正常人对照红外热图观察发现正常人行冷激发试验后，在 1ol5 分钟双手完全恢复到试验前温度。在 46例患者中。43 例阳性(冷激发试验后 1 5 分钟指端末梢温度未恢复到试验前温度，温差15以上为阳性)，3 例阴性(冷激发试验后 15 分钟完全恢复到试验前温度为阴性)。其中 23 例患者在 2o 分钟仍未恢复到试验前，手指仍为黑色；20 例患者到 15 分钟时手指温度恢复超过试验前。雷诺综合症热图主要特征变化：血管痉挛或功能性闭塞期(临床表现为双手指苍白或变紫)，热图显示双手指低温缺血，其平均温度较正常温度低23； 血管扩张期(临床表现为肢端皮肤潮红充血)， 热图显示双手弥漫性高温充血，平均温度较正常升高 l2。 （3）肿瘤的检查与治疗进程检测 医学红外热成像技术也用于肿瘤的检查，特别是乳腺的良性增生和乳腺癌的诊断，也可以与其他临床检查和放射检查结合评估肿瘤，可监测治疗进程或有佛并发症发展等。 李辉军8对 46 例癌症病人进行了检查,其中肺癌 9 例、 乳腺癌 9 例、 食道癌 3 例、贲门癌 2 例、 鼻咽癌 2 例、 肾癌 1 例、 肝癌 4 例、 胃癌 8 例、 转移癌 2 例、 肠癌 6 例。经跟踪手术及病理检查,结果证实该项检查对癌症的早期发现能提供直观的图像及数据,符合 43 例,占 93. 48 % ,不符 3 例,占 6. 52 %。赵晓兰10等用彩色多普勒超生结合红外热图技术对 67 例乳腺癌腋窝淋巴结转移患者分析发现彩色多普勒血流血流参数值及红外热像图的平均温度与乳腺癌腋窝淋巴结转移密切相关， 二者结合对乳腺癌预后判断具有重要意义。于学智等11对比了红外热像图与其他检查方法在乳腺癌诊断中的作用，肯定了其价值。 （4）亚健康 红外热成像技术也可用于疼痛部位的确诊12。cameron j. van den heuvel13认为，睡眠与体温改变息息相关，大量证据表明，散热能力受损会引起失眠。而红外热成像是研究与人体睡眠相关的热规则改变的有用工具。因此将其技术运用于失眠研究。 王超16,17利用红外热成像对亚健康态颈部疲劳和亚健康态胸痹的红外热图特征进行探讨， 不但总结出亚健康状态下两种不适表现的热图特征， 而且验证了红外热图疗效评价的可靠性，发现红外热成像不仅能够定性而且能够定量，适用于亚健康疗效评价。值得一提的是， 对亚健康状态的中医症候分型方面的研究， 多为理论探讨和小样本量临成都中医药大学硕士学位论文 19 床资料，很难反映亚健康状态的真实本质和面貌。可考虑利用红外热成像技术，协助中医症候分型14-17，促进中医学的发展。 （5）其他 孟向文等人18-19研究证明正常人与神经根型颈椎病患者的项背部红外热像图比较显示, 在项背部颈 4胸 1 矩形区温度改变最明显。 临床上不同类型的颈椎病患者有着类同的热图改变。 如颈椎病患者患部温度比周围正常组织明显增高。 可能由于颈椎局部周围组织充血水肿及炎性改变, 局部血管、 微血管扩张,血流灌注增加20。 综上所述，红外热成像技术的医用范围及诊断原理可归纳如表 1。 适用范围 诊断原理 适用疾病举例 亚健康 亚健康态常表现为功能性异常 亚健康态颈部疲劳、胸闷等 肿瘤21 (1)根据代谢率异常进行鉴别诊断 (2)由动静脉吻合所造成的高温皮肤区 乳房肿瘤，甲状腺肿瘤，皮肤肿瘤及其他表皮肿瘤转移肿瘤等的发现及其恶性程度22的判定 血行障碍 (1)组织血流量估计(2)血流分布异常(3)由异常血管所造成的温度分布异常 动脉狭窄， 闭塞性血管症，动静脉血管畸形，淋巴浮肿等疾病以及观察对血流有影响的药剂和治疗方法的效果，判定移植皮肤的成活状况等 代谢异常 发现组织代谢异常部位 许多皮肤疾患，皮下组织疾患等 慢性疼痛23-24 发现来自侵害性感受器的慢性疼痛与血管性疼痛及肌肉缺血性疼痛的存在部位的温度异常分布 慢性疼痛疾病，头痛，后神经痛，三叉神经痛、内脏关联痛。脊柱神经根刺激症状等的肌肉神经疾病以及间歇性跛行等 自律性神经障碍 (1)根据自律性神经系统特别是交感神 经 系 统 的 活 动 度 的 神 经 皮 节(thermatone)温度分布分析(2)负荷反应分析 自律神经疾病，脊髓神经疾病，被认为影响到交感神经系统的疾病，神经阻塞的效果评价，麻醉深度和部位的判定及根据对 raynand 疾病的各种负荷分析，电刺激效果的评价。 炎症 （1）发现炎症引起的高温 （2）基于指标定量的炎症判定 各种表在急性炎症，关节炎、慢性炎症的经时观察及消炎治疗效果的判断 成都中医药大学硕士学位论文 20 体温异常 体温异常及体温与末稍温度差异的监视 神经性食欲不振，温度中枢异常疾病，惊吓等监视 【表 1】 红外热成像技术的医用范围及诊断原理表 2.2.5 5 小结小结 人体红外辐射的本质就是在一定条件下, 捕获体表温度瞬间所表达的躯体和内脏的多元信息。b 超、ct、mri、pet-ct 等手段在结构学方面的检查有明显优势，而 irt在反映功能方面更具潜力。然而，irt 也存在影响其发展的问题，即采图环境标准的缺乏。 3.3.动物实验研究动物实验研究 3.13.1 实验动物实验动物 3.1.13.1.1 实实验动物选择依据验动物选择依据 本实验理想的研究对象为处于基础状态的健康人， 但因为影响人体体表温度的因素较多，且实验结果易受主观因素影响，难以达到研究目的，故不考虑以人体作为研究对象。选用实验动物，从中寻找较理想者作为研究对象。经咨询相关专家，反复讨论，根据实验动物选择原则， 结合本实验具体要求， 采用 2-3 月龄的实验用小型猪作为研究对象。 实验动物选择依据如下： （1）选择与人体结构、机能、代谢特征相似的动物 猩猩和猴与人类最接近， 但来源少限制了其使用； 狗因散热方式与人类存在较大差异，皮肤散热能力低下，不宜选入此实验。猪是哺乳动物，脏器结构近似于人，内脏产热接近人类。同时，猪为恒温动物，正常体温为 3840，且皮肤组织也与人体皮肤结构很相似。 （2）选择适龄的实验用猪 实验证明，2-3 月龄小猪的皮肤解剖生理特点最接近于人，详见表 2。 成都中医药大学硕士学位论文 21 【表 2】 人与三月龄小猪皮肤各结构厚度的比较表 （3）利于实验的操作性 实验用猪来源广泛，易于获取，且性情温顺，便于备皮、麻醉等操作。 3.1.23.1.2 实验动物选择标准实验动物选择标准 实验小猪选择标准参照 gb/t16886.2-2000,iso10993-2:1992。具体为：23 月龄健康的实验用小型猪，雌雄不限，同一品系，体重不低于 10kg,皮肤健康无损伤，并按gb/t16886.2 的规定饲养。 3.1.3.1.3 3 实验动物排除标准实验动物排除标准 实验小猪排除标准为：月龄不足 2 月或超过 3 月，体重低于 10kg,患皮肤病或皮肤出现损伤，未按 gb/t16886.2 规定饲养。 3.1.3.1.4 4 实验动物退出实验条件实验动物退出实验条件 实验过程中实验动物出现生命体征明显变化甚至动物死亡时， 应立即停止实验， 采取相应措施，并将异常情况发生的时间、表现、处置措施和处置结果记入不良事件报告表（详见附录三） 。 3.23.2 实验设备实验设备 3.2.13.2.1 实验室实验室 为方便观察实验动物生命体征、 麻醉状态等情况， 本实验选择步入式高低温实验室。来源：中国电子科技公司第三研究所电视电声研究所恒温恒湿实验室。 用途：提供精确环境温湿度控制，保证实验数据准确可靠。 3.2.23.2.2 实验器械实验器械 成都中医药大学硕士学位论文 22 （1）医用红外热成像仪 型号：yyf02050 非制冷型医用红外热成像仪（中电集团红外工程技术有限公司） （2）温度计 型号：mc-670 欧姆龙电子温度计 （3）温湿度计 型号：tes-1362