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醫(yī)學(xué)紅外熱成像技術(shù)對(duì)人體檢測(cè)的應(yīng)用知識(shí)
2012-10-21
醫(yī)學(xué)紅外熱成像技術(shù)沒(méi)有離子輻射，靜脈注射，也沒(méi)有其他入侵程序。此技術(shù)完全是無(wú)害、無(wú)毒、非入侵的技術(shù)。作為一種功能性成像技術(shù)，乳房部位的紅外熱像圖可以提供交感神經(jīng)系統(tǒng)的生理機(jī)能是否正常的信息，血管系統(tǒng)和其他炎癥情況。
物理學(xué)
所有高于絕對(duì)溫度(-273K)的物體都會(huì)發(fā)射紅外輻射，霍爾茲-波茲曼發(fā)現(xiàn)紅外輻射及溫度之間的關(guān)系。物體表面發(fā)射的紅外輻射與物體表面的輻射率及絕對(duì)溫度成正比。人體的輻射率接近1%，類似黑體，即幾乎能100%輻射紅外能量。這樣就可以通過(guò)人體皮膚的紅外輻射得出人體溫度分布。紅外熱成像技術(shù)利用這個(gè)原理來(lái)檢測(cè)身體表面溫度。
儀器設(shè)備
在電子波普中紅外線存在的范圍是從0.75μm-1mm，而人類皮膚輻射紅外線集中在2-20μm的波普范圍，平均峰值在9-10μm[5].根據(jù)普朗克定律計(jì)算發(fā)現(xiàn)人體對(duì)紅外線的輻射的波長(zhǎng)主要在6-14μm。
選擇臨床紅外熱成像系統(tǒng)需要考慮很多重要的技術(shù)因素(大部分是本章節(jié)以外的內(nèi)容)，但至少?gòu)难芯侩A段設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)建立，應(yīng)用到紅外物理和人類生理參數(shù)。肯定的是，空間分辨率，溫度分辨率和熱穩(wěn)定性以及在電腦上成像的程序是值得考慮的幾個(gè)參數(shù)。然而所有參數(shù)的基礎(chǔ)都要先考慮探測(cè)器的波長(zhǎng)。探測(cè)器波長(zhǎng)選擇什么范圍取決于被測(cè)物體和檢測(cè)所在的環(huán)境條件。考慮到所檢測(cè)的對(duì)象是人皮膚的溫度，根據(jù)普朗克定律我們選擇波長(zhǎng)為6-14μm的探測(cè)器。如果用紅外在3-5μm范圍內(nèi)檢測(cè)皮膚溫度，結(jié)果并不可信因?yàn)榇斯庾V范圍內(nèi)人體皮膚與黑體相差較遠(yuǎn)[8，9]。檢測(cè)環(huán)境要注意排除有可能導(dǎo)致檢測(cè)錯(cuò)誤的因素。使用短波范圍(7μm以下)的探測(cè)器要考慮人工測(cè)量環(huán)境中的反射因素導(dǎo)致的檢測(cè)錯(cuò)誤[10]。因此，使用在9-10μm長(zhǎng)波范圍的探測(cè)器檢測(cè)乳房和全身比較好。
第一代紅外熱成像系統(tǒng)所遇到的問(wèn)題，比如檢測(cè)不準(zhǔn)確，溫度漂移，校準(zhǔn)，模擬端口等已經(jīng)解決了20多年。現(xiàn)代的紅外熱成像系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)熱輻射每分鐘的變化，并提供高質(zhì)量的圖像，還能上傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。
實(shí)驗(yàn)室及病人準(zhǔn)備協(xié)議
為了得到高質(zhì)量的紅外熱圖像，實(shí)驗(yàn)室和病人的前期準(zhǔn)備必須嚴(yán)格按照協(xié)議執(zhí)行。紅外熱成像系統(tǒng)必須放在封閉的環(huán)境中，主要原因是會(huì)影響人的生理。外部環(huán)境的變化，服裝等會(huì)產(chǎn)生熱影。為了讓病人準(zhǔn)備好紅外拍攝，病人在拍攝前避免日曬，做胸部治療，不要涂抹化妝品，油，清香劑，除臭劑，避免做鍛煉，不能沐浴。
熱成像室需要控制溫度和濕度，溫度控制在18-23℃，波動(dòng)小于1℃。室內(nèi)溫度保證病人不熱也不會(huì)冷。室內(nèi)避免引起熱源的因素，比如日照。地面要鋪設(shè)地板，或者病人需要穿鞋防止生理變化。
最后，在檢測(cè)前病人要現(xiàn)在成像室內(nèi)呆15分鐘，讓身體達(dá)到熱平衡。病人的檢測(cè)不問(wèn)不能穿衣服。最后5分鐘病人要將兩手放到頭頂之上便于胸部成像。處于病人病理要求，所有相關(guān)乳房的部位都需要成像。總而言之，實(shí)驗(yàn)室及病人準(zhǔn)備協(xié)議必須簽署，避免了前期一些準(zhǔn)備的揭示。
成像
紅外熱成像過(guò)程是紅外探測(cè)器接收乳房區(qū)域發(fā)射的紅外線進(jìn)行檢測(cè)。處于便于分析的需要，至少要拍攝一系列的紅外熱圖像。一系列的圖像包括前胸，左側(cè)面，右側(cè)面。從前面拍攝的圖像作為基準(zhǔn)圖進(jìn)行比較使用。斜側(cè)面拍攝(探測(cè)器與拍攝位置夾角為45°)的圖像。有必要的話，紅外熱像儀可選的近焦鏡頭可以拍攝近距離和高分辨率的熱圖像。所有圖像綜合在一起，可以充分的分析乳房表面的病理情況。
病人胸部正前面的紅外圖片拍攝比較簡(jiǎn)單，讓病人坐在或者站在制定的位置，坐在熱像儀前面，病人需將兩胳膊抬起露出前胸部位。此時(shí)放置一把旋轉(zhuǎn)椅子或者站在事先指定好的位置比較方便圖像的拍攝。注意：由于每個(gè)病人病情的不同，有時(shí)需要對(duì)特殊部位進(jìn)行重點(diǎn)拍攝。
物理學(xué)
所有高于絕對(duì)溫度(-273K)的物體都會(huì)發(fā)射紅外輻射，霍爾茲-波茲曼發(fā)現(xiàn)紅外輻射及溫度之間的關(guān)系。物體表面發(fā)射的紅外輻射與物體表面的輻射率及絕對(duì)溫度成正比。人體的輻射率接近1%，類似黑體，即幾乎能100%輻射紅外能量。這樣就可以通過(guò)人體皮膚的紅外輻射得出人體溫度分布。紅外熱成像技術(shù)利用這個(gè)原理來(lái)檢測(cè)身體表面溫度。
儀器設(shè)備
在電子波普中紅外線存在的范圍是從0.75μm-1mm，而人類皮膚輻射紅外線集中在2-20μm的波普范圍，平均峰值在9-10μm[5].根據(jù)普朗克定律計(jì)算發(fā)現(xiàn)人體對(duì)紅外線的輻射的波長(zhǎng)主要在6-14μm。
選擇臨床紅外熱成像系統(tǒng)需要考慮很多重要的技術(shù)因素(大部分是本章節(jié)以外的內(nèi)容)，但至少?gòu)难芯侩A段設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)建立，應(yīng)用到紅外物理和人類生理參數(shù)。肯定的是，空間分辨率，溫度分辨率和熱穩(wěn)定性以及在電腦上成像的程序是值得考慮的幾個(gè)參數(shù)。然而所有參數(shù)的基礎(chǔ)都要先考慮探測(cè)器的波長(zhǎng)。探測(cè)器波長(zhǎng)選擇什么范圍取決于被測(cè)物體和檢測(cè)所在的環(huán)境條件。考慮到所檢測(cè)的對(duì)象是人皮膚的溫度，根據(jù)普朗克定律我們選擇波長(zhǎng)為6-14μm的探測(cè)器。如果用紅外在3-5μm范圍內(nèi)檢測(cè)皮膚溫度，結(jié)果并不可信因?yàn)榇斯庾V范圍內(nèi)人體皮膚與黑體相差較遠(yuǎn)[8，9]。檢測(cè)環(huán)境要注意排除有可能導(dǎo)致檢測(cè)錯(cuò)誤的因素。使用短波范圍(7μm以下)的探測(cè)器要考慮人工測(cè)量環(huán)境中的反射因素導(dǎo)致的檢測(cè)錯(cuò)誤[10]。因此，使用在9-10μm長(zhǎng)波范圍的探測(cè)器檢測(cè)乳房和全身比較好。
第一代紅外熱成像系統(tǒng)所遇到的問(wèn)題，比如檢測(cè)不準(zhǔn)確，溫度漂移，校準(zhǔn)，模擬端口等已經(jīng)解決了20多年。現(xiàn)代的紅外熱成像系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)熱輻射每分鐘的變化，并提供高質(zhì)量的圖像，還能上傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。
實(shí)驗(yàn)室及病人準(zhǔn)備協(xié)議
為了得到高質(zhì)量的紅外熱圖像，實(shí)驗(yàn)室和病人的前期準(zhǔn)備必須嚴(yán)格按照協(xié)議執(zhí)行。紅外熱成像系統(tǒng)必須放在封閉的環(huán)境中，主要原因是會(huì)影響人的生理。外部環(huán)境的變化，服裝等會(huì)產(chǎn)生熱影。為了讓病人準(zhǔn)備好紅外拍攝，病人在拍攝前避免日曬，做胸部治療，不要涂抹化妝品，油，清香劑，除臭劑，避免做鍛煉，不能沐浴。
熱成像室需要控制溫度和濕度，溫度控制在18-23℃，波動(dòng)小于1℃。室內(nèi)溫度保證病人不熱也不會(huì)冷。室內(nèi)避免引起熱源的因素，比如日照。地面要鋪設(shè)地板，或者病人需要穿鞋防止生理變化。
最后，在檢測(cè)前病人要現(xiàn)在成像室內(nèi)呆15分鐘，讓身體達(dá)到熱平衡。病人的檢測(cè)不問(wèn)不能穿衣服。最后5分鐘病人要將兩手放到頭頂之上便于胸部成像。處于病人病理要求，所有相關(guān)乳房的部位都需要成像。總而言之，實(shí)驗(yàn)室及病人準(zhǔn)備協(xié)議必須簽署，避免了前期一些準(zhǔn)備的揭示。
成像
紅外熱成像過(guò)程是紅外探測(cè)器接收乳房區(qū)域發(fā)射的紅外線進(jìn)行檢測(cè)。處于便于分析的需要，至少要拍攝一系列的紅外熱圖像。一系列的圖像包括前胸，左側(cè)面，右側(cè)面。從前面拍攝的圖像作為基準(zhǔn)圖進(jìn)行比較使用。斜側(cè)面拍攝(探測(cè)器與拍攝位置夾角為45°)的圖像。有必要的話，紅外熱像儀可選的近焦鏡頭可以拍攝近距離和高分辨率的熱圖像。所有圖像綜合在一起，可以充分的分析乳房表面的病理情況。
病人胸部正前面的紅外圖片拍攝比較簡(jiǎn)單，讓病人坐在或者站在制定的位置，坐在熱像儀前面，病人需將兩胳膊抬起露出前胸部位。此時(shí)放置一把旋轉(zhuǎn)椅子或者站在事先指定好的位置比較方便圖像的拍攝。注意：由于每個(gè)病人病情的不同，有時(shí)需要對(duì)特殊部位進(jìn)行重點(diǎn)拍攝。
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