红外成像技术在医学中的应用技术及应用.docx

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红外成像技术在医学中的应用技术及应用

能力拓展训练任务书

学生姓名：

青蛙哥专业班级：

电子科学与技术0803班

指导教师：

封小钰工作单位：

信息工程学院

题目：

红外成像技术在医学中的应用技术及应用

初始条件：

具有扎实的电子科学与技术专业基本理论和系统的专业知识；具备初步的文献查阅和专题调研技能；一定的中英文文献阅读与综合能力。

要求完成的主要任务：

1.在电子科学与技术专业体系范围内确定选题，题目自拟。

2.查阅与选题相关的文献资料，通过对文献资料的阅读分析与综合，写出调研报告；要求报告内容的可读性强，撰写格式规范，图标的使用正确，参考文献的引用恰当；字数不少于6000字，参考文献不少于10篇，其中外文文献不少于2篇。

时间安排：

1．2011年7月8日分班集中，能力拓展训练任务；讲解训练具体实施计划、报告格式的要求与答疑事项。

2．2011年7月11日至2011年7月15日完成选题的确定、资料查阅、能力拓展训练报告的撰写。

3.2011年7月16日提交能力拓展训练报告书，进行验收和答辩。

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

摘要

红外热成像技术由于军事需求得以迅速发展，并逐渐向民用领域渗透。

自从第一次应用于乳腺癌的诊断以来，红外热成像技术广泛应用于医学诊断，人们越来越关注这项技术的发展。

医用红外热成像技术是一种记录人体热场的影像装置，与X-CT、磁共振、B超等以检查组织形态结构为主的医学影像技术具有不可替代的互补作用，是现代医学影像的一个崭新分支。

主要介绍了红外热成像技术在医学领域的应用，阐述了其发展概况及其医学应用原理，并对其进一步发展作了展望。

关键词：

红外热成像技术医学应用医学诊断医疗监护

Abstract

Infraredthermalimagingtechnologyasaresultofthemilitaryneedstodeveloprapidly,andgraduallytothecivildomaininfiltration.Sincethefirstapplicationinbreastcancerdiagnosis,infraredthermalimagingtechnologyiswidelyusedinmedicaldiagnosis,peoplepaymoreandmoreattentiontothedevelopmentofthistechnology.Medicalinfraredthermalimagingtechnologyisarecordofhumanthermalimagingdevice,andX-CT,magneticresonance,B-modeultrasonographytoexaminethemorphologicalstructureconsistingmainlyofmedicalimagingtechnologyhasirreplaceablecomplementaryeffect,isthemodernmedicalimagingisanewbranch.Mainlyintroducedtheinfraredthermalimagingtechnologyinthemedicalfield,expoundsthedevelopingsituationandprincipleofmedicalapplications,andthefuturedevelopmentisprospected.

Keywords：

infraredthermalimagingtechnologyapplicationinmedicinemedicaldiagnosismedicalcare

1引言

早在1800年，英国天文学家WilliamHirschel就发现了热与红外辐射的关系[1]。

1929年M.Czerny等人研制的蒸发式热像仪标志了红外热成像技术的诞生。

红外热成像兴起于二十世纪六十年代，由于技术上及其他一些原因，致使这一先进的技术过早的夭折。

上世纪九十年代，由于非制冷红外焦平面阵列技术的突破与实用化，使其在民用方面逐步得到广泛应用，几乎涉及到社会生活的方方面面。

红外热成像技术在医学临床上的应用始于五十年代后期用于乳腺肿瘤的诊断。

医用红外热像技术是医学技术、红外摄像技术和计算机多媒体技术结合的产物，是一种记录人体热场的影像装置。

该技术开辟了以功能学为主的全新医学影像领域，与X-CT、磁共振、B超等以检查组织形态结构为主的医学影像技术具有不可替代的互补作用，是现代医学影像的一个崭新分支。

2红外热成像技术

2.1光纤通信技术的定义

红外热成像技术是一种辐射信息探测技术，就是把不可见的红外辐射能量密度分布图转化为可见光图像的过程，将人类的视觉感知范围从传统的可见光谱区扩展到裸眼所不能看见的红外辐射光谱区，使人类能够进行夜间或恶劣气象条件下的观察和跟踪等。

红外热成像技术可分为致冷式和非致冷式两种类型，前者又有一代、二代、三代之分，后者使用非致冷阵列热电探测器，被称为第四代[3]。

红外热成像技术正经历从低性价比的光机扫描成像系统到高性价比的焦平面阵列成像系统的转变。

红外焦平面阵列成像技术是近三十年才发展起来的，是红外成像系统史上的一个划时代的进步。

从目前情况来看，光机扫描热像仪由于工艺条件比较成熟性能较好，有着较为广泛的应用，但是焦平面阵列红外成像系统结构更加简单，性能更优越，随着红外焦平面阵列制造工艺的不断完善，最终将会成为热像仪中占主导地位的产品。

2.2红外热成像技术的应用原理

人体细胞的新陈代谢活动不断将化学能转换成热能。

通过组织传导和血液对流换热，热能从体内传向体表，体表通过导热、对流、辐射、蒸发等方式与环境进行热交换，即“人体体内的热一定会传到体表”[4]。

作为天然的热辐射体，人体正常的干燥皮肤非常接近于理想黑体表面，其辐射率约为0.98。

人体内外各部分辐射能量不同，其波长在2~20μm（远红外区）之间，其中8~14μm波段的辐射占人体总辐射量的46%。

当人体为37℃时峰值波长为9.3482μm，所以通常选用敏感波长为8~14μm的红外探测器探测人体红外辐射。

医学应用中，红外热成像技术通过光学电子系统将人体辐射的远红外光波经滤波聚集、调制及光电转换，变为电信号，并转换为数字量，经多媒体图像处理技术，以伪彩色热图形式显示人体的温度场。

该技术通过红外热像仪被动接收人体发出的红外辐射信息，对人体无损害，对环境无污染，具有无创、安全、客观、直观、可自动比较分析等优点；临床应用范围广，凡能引起人体组织热变化的疾病都可以用它进行检查；提供人体器官代谢功能影像显示手段，开辟了以功能学为主的医学影像新领域。

3红外技术在医学领域应用的历史，现状，和前景

早在1800年，赫胥尔在一次物理实验时，意外的发现了红外辐射，人类才刚刚获得这种新的感知，认知到这种不可见光的存在，于是黑暗突然不再存在，纵然是漆黑之夜，到处都闪耀着从一切物质不断发射出来的红外辐射的光芒，红外技术的发展有着较长的历史，但直到二十世纪末才逐渐形成为一门独立的综合性工程技术，上世纪六十年代后期，红外技术在军事，科学，工农业生产，医学，等各方面的应用都有了较快的发展，且显示巨大的潜力。

热技术在医学领域的研究早在1870年，世界上诞生了能够测知人体温度的水银温度计开始达到高潮，提示人们人体的体温是何等的重要，也趋势了成千上万的科学家，用更加先进的方法和手段来研究人的体温和及其分布，想从中探讨人的生命的秘密，这种研究和探讨孕育和推动了医用红外热像技术的诞生和发展。

1936年红外热像技术开始在临床上使用，1961年十月，英国伦敦的一名医学专家用红外扫描以拍摄了世界上第一张乳腺癌的热像图并发表了报告，引起了世界各国的广泛关注。

医用红外热像仪技术在我国起步较晚，1976年以前还是一片空白，直到上世纪80年代，我国才初步有了真正意义上的医用红外热像仪，但由于当时的科学技术条件和生产制造工艺水平，其温度分辨率，空间分辨率，和医学分析软件，都远远不能达到医学深入研究的要求。

随着计算技术和红外热像技术以及各种技术的飞速发展，红外技术在医学领域的研究和应用已扩展到临床的各个领域。

今天科学技术已发展到登峰造极的地步，而所有这些，只有一个目的，就是为人类服务，人类期待长生不老，期待无疾而终，而现实又是如此的无情，人类的生老病死，新陈代谢，是自然规律，这也只好在我们有限的生命里，提高我们的生活质量。

提高我们的健康水平，于是红外热相技术为搜索人类新陈代谢过程，和未来预测医学开启了新的纪元。

从形态学的诊断到功能性的诊断，一直是人类的追求和梦想，就医学而言，人们对于疾病的理解首先是不适感，当人们自身感到这种身体的不适时，患者才会去找大夫，能够迅速的做出准确的诊断，但在大多数情况下，检查并不十分有效，特别是当疾病特征不明显，疾病原因比较复杂时，检查不得不借助先进的医疗设备辅助检查，已获得更多的有关疾病组织的信息，为诊断提供依据。

尽管这些先进的医疗设备能够透视到机体内部，甚至能够达到全方位的透视，比如，磁共振成像，超声成像，X-CT成像等。

且能提供一些有关生化和病理信息，但所有这些技术都有一个根本的制约，那就是他们只能显示机体组织形态的变化，却不能完全反映出机体组织的功能性变化，当机体内部发生结构性病变时，实际上已发生了质的变化，只有量的积累，才有质的结果，在机体内部发生组织形态变化之前，功能性病变已经发生，所以诊断不仅要看机体内部的组织状态是什么样子，更重要的是要知道他所看到的组织是正常的还是异常的，是健康的还是病态的，或者是出于正在改变之中。

面对疾病，现有医疗技术手段已经显露出其苍白和无力，如果把亚健康也纳入到视野中来，现有的医学技术就会使人们对当先人类征服疾病的能力更加缺乏信心。

对于未来医学而言。

人类希望利用高度发达的技术实现的不仅仅是对有明显不适感的疾病的诊断，更重要的是防患于未然。

实现早期发现，早期治疗。

正是在这种背景下，在医学成像经历了从声，光，电，磁。

一个世纪的探索之后，人类终于在红外热成像技术方面实现了突破。

使得功能性病变的诊断，成为可能，这就是医用红外热像仪诊断系统。

4红外技术在医学上的应用

人体是一个天然红外辐射源。

人体皮肤的红外辐射波段为3-50mm。

当人体患病时，人体的热平衡受到破坏，因此通过红外技术测定人体的变化是临床医学诊断疾病的一项重要指标。

4.1红外技术在医学检测上的应用

医用热像仪技术用于临床诊断已有几十年的历史，现已可用于多种疾病的诊断。

医用热像仪已成为诊断浅表肿瘤、血管疾病和皮肤病症等的有效工具，在医疗学科研究中，热像仪在医学中的应用已成为一个专门的研究课题。

下面将热像仪在医学上的应用情况作一简要介绍。

4.1.1乳腺瘤的早期诊断

红外热像仪引入医学领域，首先从检查乳腺开始。

对于健康的妇女，两侧乳房的热图是对称的，任何乳房热图的不对称性往往与疾病和细胞活性有关，更多地与肿瘤有关。

恶性肿瘤周围血管丰富，其温度大多高于正常组织。

研究表明，大多数乳腺癌的热图像具有明显的不对称性，患侧的乳房热图像呈明显的局域性热区，乳晕周围也明显出现高温。

据上海乳腺疾病专家医疗会诊中心对276例临床检测资料介绍，他们用rxy-1型热像仪（温度分辨率＜0.1℃），检查276例育龄妇女，乳腺热图大体上分为三种类型，即网状型、多血型和少血型。

其中临床拟诊人乳腺癌的4例，热图检测均表现为显著的局限性热区，温度均在1.0℃以上，与临床和病理诊断一致。

实验证明，由于肿瘤组织代谢旺盛，供血丰富，其热量势必从局部向外辐射，因此，使用热像仪探测乳腺癌具有独特的优点，该组检测的准确率达100%。

4.1.2血管疾病的诊断

人的肢体温度主要由血液循环状态所决定，当存在血管病变时，血循环发生障碍，皮温降低。

如闭塞性脉管炎、动脉栓塞、动脉瘤等，通常表现为病变部位温度异常，用红外热像仪可清楚显示出病变部位及范围。

闭塞性脉管炎是一种慢性全身性疾病，多发生在下肢，更多见于趾端。

中小动脉内膜发生炎症，引起血栓，使动脉闭塞，病变部位血液循环障碍，皮温降低。

用热像仪很容易诊查出病变部位及范围，立体感强。

人为误差小。

特别是对早期脉管炎的诊断，由于其临床症状尚不十分明显，一般方法检查不出，但用热像仪，不但能显示出病变的存在，而且能看出各趾病变的程度和范围。

通过早期诊断和及时治疗，可避免肢体发生严重损害，如溃疡和坏死。

脑动脉病变的先期诊断对于防止脑血栓的出现十分有效。

颈动脉由颈部进入颅入，它供给同侧脑前部血液。

当血管中血栓形成使血管变窄时，对脑供血不足。

血栓碎裂向上流到小脑动脉分支停留下来。

引起脑血栓。

当颈动脉闭塞达到50%以上时，由于血循障碍前额皮肤的温度有0.5℃的变化，因此用热像技术诊断，可以在发生脑血栓之前进行手术。

动脉瘤大多是由外伤所致局部隆起。

由于动、静脉血具有一定的温差，所以在红外热图上显示出血管瘤的外形、大小及周围血管分布的状况。

例如，一运动员右膝外伤后局部隆起，日渐增大，历时已两年余，拟诊为血管瘤，但x光平片显示不清，而用热像仪检查发现正视有一明显局部温升、色泽鲜艳的隆起区，侧视周围有众多血管分布，并有向上波及趋势，从而诊断为动脉瘤

4.1.3皮肤损伤病症的诊断

红外热图一般反映皮肤本身温度的分布，很自然，皮肤病症的诊断是热像仪应用的一个合适领域。

例如，用热像仪很容易查出皮肤冻伤面积，其准确性接近100%。

因为冻伤部位坏死，无血供应，其温度比周围皮肤明显低。

此外，皮肤烧伤的热像诊断也很有前途。

热像仪不但可准确诊断烧伤面积内血管损坏的程度，判定烧伤度数，识别可存活皮肤面积、确定需植皮的面积，而且在治疗过程中可观察烧伤组织血运恢复情况，掌握发炎和感染情况及判断植皮的成败与否，以便及时采取措施，为用药及手术提供参考。

（4）各种炎症的诊断：

急性炎症由于局部充血，皮温上升，容易被热像仪显示出来。

但需与肿瘤皮肤温度升高相区别。

炎症皮温高于周围皮温，而在炎症中心点的皮温更高于炎症区皮温，这是炎症热像的特征。

炎症和肿瘤的鉴别可用如下方法：

在热像拍照前，局部先冷却，然后观察温度回升速度。

肿瘤温度回升慢而炎症温度回升较快。

此外，用热像技术还可鉴别各种关节炎的类型，探测出发炎面积大小和热变化程度。

（5）针灸原理和经络现象的研究：

热成像技术对祖国传统医学的研究很有价值，它是研究针灸原理和经络现象的一个很有效的手段。

在对患者进行针刺治疗过程中，记录下针刺前、留针中和起针后各阶段的热图，比较其升温幅度、升温区域的范围和升温的特点。

例如中国中医研究院的研究人员在用针灸治疗面瘫和甲状腺疾患的过程中，应用配有计算机的热像仪进行了实际观察和研究。

他们进行了如下实验研究和分析，即面瘫患者面部病理特征和针刺对面部温度的影响及其疗效，针刺结节性甲状腺肿瘤和良性甲状腺瘤的治疗机制的探索，各种针刺方法（手针、火针和电针等）治疗效果的观察和比较以及留针时间长短的影响等。

通过对上述和方面的观察和对热图资料进行的计算机统计、分析及特殊图像的显示，得到了针灸前后体温分布及其变化结果，从而对针灸治疗面瘫和甲状腺疾患的作用机制，对针法和手法的效应，对穴位的功能作用及经络穴位的特殊温度性质等均有深入了解。

研究表明，热成像技术在这一领域具有较高的实用价值。

   热像仪在医学上的应用范围，远不止上述几个方面，应用领域还在不断扩大。

例如，热成像技术还可用于胎盘定位、器官移植排异反应监视、骨折挫伤诊断等许多方面。

随着这一技术的进一步发展，它的临床各科的用途必将得到更宽的拓展。

。

4.2红外技术在医疗监护上的应用

在医院中，为使患者得到更好的照料和医学观察研究之用，监护系统是必可少的。

现在大部分医院所用监护系统为电视系统和微光监护系统，它们对光线的要求较高，而基于红外热成像技术的医疗监护系统就不存在这一问题。

红外监护系统设计分成两部分：

一部分置于患者病房内，以获取患者信息，称之为前端；另一部分置于监控室内，负责将患者信息提供给监护人员，称之为后端；二者之间可根据情况进行有线、无线或红外视频传输。

人体产生的红外信号经红外镜头聚焦后，汇聚于红外探测器的探测平面。

在一些模块协同作用下，处于正常工作状态的红外探测器将接收到的红外信号转化成初始视频电信号，并将此信号以特定的制式输出到后继处理模块，经过处理，形成目标视频信号，经过编码处理后发送到系统后端。

后端接收到前端送来的视频编码，进行解码处理，然后发送给后继模块进行进一步的处理，然后直接送显控模块和存储模块，以实现实时监控和编码存储。

分析模块对送来的视频信号进行分析，若发现患者有不适反应，则触发报警模块，以提醒医护人员采取措施。

由于红外监护系统接收的是患者身体发出的红外信号，所以无论可见光的强、弱、有、无，系统都不受任何影响，能够全天候地正常工作。

特别是在夜间实施监护时，不需要进行额外的处理，不会对患者的休息造成不良影响。

而且，由于患者体温的变化而引起的红外信号强度的变化不很剧烈，对于红外系统只是很窄的一个范围，完全不会影响红外系统的正常工作。

相反，这种变化还可以很明显地在监视器上体现出来，从而提醒医护人员需要对患者进行护理。

而无论是电视系统还是微光系统，都不能反映出这种变化。

因此，红外系统不但弥补了电视系统和微光系统所存在的不足，而且实现了更强大的监护功能。

4.3其他

红外热成像技术灵敏地反映0.05℃的温差，故在疾病的早期，甚至感冒病初起，热像图上也可出现变化征象，而其他形态影像技术则不能，所以可在预测医学中可推广使用。

体检时，受检者站在镜头前如同照相一样，不到10分钟的时间，电脑屏幕上便显示出由红黄蓝绿色彩拼出的人体表面温度图像，很快一张关于全身疾病情况的诊断报告就打印出来了。

与以往不同的是医生不仅对受检者身体病症情况了如指掌，而且还对受检者整个健康状况进行了评估，并对受检者潜在的病症给予了提示。

中国医药学[7]是我国人民长期与疾病斗争中创立的一门学科。

这门似乎带有神秘色彩的传统医学，当今甚至形成世界性的“中医热”。

为了继承和发扬中医学，用现代高科技手段对中医学的理论基础譬如：

经络学等进行研究是一个方向。

胡翔龙等撰文用热像仪研究了人体体表经络红外辐射轨迹的主要特征和显现规律。

阐述了在完全无外加因素干扰的“自然”情况下将十四经脉的循行路线直观地显示出来，说明体表的经脉循行路线是人体所固有的。

文中认为波长不同的辐射可能作为信息载体，是生物信息传递的一种形式。

并指出经络确是人体所固有的某种“组织”和功能，它在“外周”必然有其相应的物质基础。

生命过程中的物质能量和信息的转化和传递已经成为现代生命科学研究中日益突出的问题，经络研究将有可能在这方面为现代生命科学的发展做出新贡献。

舌诊[8]是中医诊断学的重要研究内容之一。

舌诊通过观察舌象了解机体的生理功能和病理变化，并作为辨证论治的依据之一。

传统的舌诊是依靠医生对舌象进行观察、判断、分析、描述，有很大的主观性。

红外热像技术为中医舌诊的研究提供了新的技术手段，也为临床诊疗疾病提供了客观依据。

它是通过观察、测定生物体表面温度场和热流的异常来发现或预示病变，故可以利用红外热像仪测定舌面温度场，再通过生物传热计算得其内部温度，进而获取其他参数以使舌诊量化。

5结束语

红外热成像技术在医学上的应用开辟了以功能学为主的医学影像新领域，实现了人体机能与结构多元信息的转换和表达，为人们探索机能信息和结构信息的内在联系开辟了新的途径。

医用红外热成像技术被动接收人体热辐射，对人体无介入损伤，对环境无污染，热扫描过程灵敏快捷，无需特殊准备，可以同时进行多部位的扫描，临床应用范围广。

但是，由于人体的复杂性以及目前在红外热像认知方面的局限性等，给诊断带来一定的难度，需进一步对其进行深入研究。

该技术与CT、MRI、B超等结构影像学结合，既能了解患者的组织结构情况，又能了解该组织的功能状态，即结构影像和功能影像相结合，这是理想的现代影像学，将使许多病变得到早期发现，疾病规律得到更全面认识，疾病性质得到更准确诊断。

参考文献

[1]吕少文，李红，赵丽君等．医用红外热像技术[J]．武警医学院学报，2003.12

[2]吴士明，张传富等．医用红外热像技术临床应用研究[J]．激光杂志，2003.6

[3]何丽．走向新世纪的红外热成像技术[J]．激光与红外技术，2002.9

[4]姚鼎山.红外成像技术的临床应用.中国医疗器械信息.2001.7

[5]卢流发．基于红外技术的医疗监护系统的实现[J]．今日电子，2007，2：

61-62

[6]杨爱明，杨宇，余仕汝等．红外热像仪用于医学中[J]．红外技术，2004

[7]王子焱，张志枫，应荐．红外技术在中医舌诊中的应用．中西医结合学报，2005.3

[8]江国泰．现代化医院中红外热像仪应用的新技术和新动向[J]．医疗设备信息，2003

[9]Zhong-ShanDeng,JingLiu.EnhancementofThermalDiagnosticsonTumorsUnderneaththeSkinbyInducedEvaporation[C].Proceedingsofthe2005IEEEEngineeringinMedicineandBiology27thAnnualConferenceShanghai,China:

September,2005.1-4

[10]A.Merla,G.L.Romani.FunctionalInfraredImaginginMedicine:

AQuantitativeDiagnosticApproach[C].Proceedingsofthe28thIEEEEMBSAnnualInternationalConference,NewYork,USA:

2006.224-227

[11]C.L.Herry,M.Frize,R.A.Goubran,etal.EvolutionoftheSurfaceTemperatureofPianists’ArmMusclesUsingInfraredThermography[C].Proceedingsofthe2005IEEEEngineeringinMedicineandBiology27thAnnualConferenceShanghai,China:

September,2005.1-4

本科生课程设计成绩评定表

姓名

青蛙哥

性别

男

专业、班级

电子科学与技术0803班

课程设计题目：

光红外成像技术在医学中的应用技术及应用

课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年月日