醫用紅外線熱成像技術的物理學原理探析

丁 晶，周志尊，李帥三

牡丹江醫學院 影像學院，黑龍江牡丹江 157011

1 紅外熱像儀的發展與醫學應用

溫度處于絕對零度以上物體均發射紅外輻射。人體紅外發射率為0.98，近似為黑體（黑體的輻射率為1）。當體溫高于背景溫度時，機體透過皮膚發射紅外輻射，輻射能的幅度及空間結構與溫度有一定的對應關系。人體某些部位患病或機能發生變化，其所在部位的溫度的大小及分布狀況與正常組織相比會發生顯著的變化，對于炎癥、腫瘤等來說溫度會升高，而脈管炎、動脈硬化等疾病溫度會降低。利用今天的紅外成像技術手段可以清晰、準確、及時地觀測出體表或體內病變組織的影響而實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律，因此，可以通過物理學方法加以精確的描述。

紅外熱像儀可以將生物體發出的紅外輻射能量，通過特殊的掃描系統，經過特定的探測器完成光-電轉換，轉換后的電信號經處理系統處理后可轉換為圖像信號，并在監視器上形成直觀的熱像圖。圖像的顏色分布對應著溫度的高低，屏幕上會直接給出顏色與溫度的對應標度，通常暖色人為地標注為高溫，冷色標注為低溫。人體器官、體內組織如果發生病變，則會引起皮膚表面、穴位周圍出現溫度的異常升高與降低[4]。熱像圖準確的識別病灶需要臨床醫生具有豐富的熱像圖甄別經驗以及與其它診斷方法比對知識。紅外熱成像以其具有可以精確測量出生物體表面溫度空間分布的特質，使其逐漸成為了研究人體健康情況、無創傷檢查的有效手段。不同的疾病、特定的器官導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、血管微循環等，特別是對于炎癥、各種腫瘤、周圍神經性疾病、關節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特效果，尤其是對充血性炎癥及缺血性炎癥的區分更為明顯[8,9]。事實上，疾病在出現解剖學形態變化之前，患病組織及其周圍已經發生了生理與生化及分子生物學變化，而這些變化的直接后果將會導致局部溫度的變化，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和發展程度。醫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病變發生之前發現疾病的起源，為實現早期治療贏得寶貴時間[3]。醫用熱像儀在臨床、預防、保健等階段起著越來越重要的作用。

醫用紅外熱像儀是通過接受生物體組織所發出的紅外輻射與熱輻射轉化成熱像圖而實現對疾病的診斷的，同CT、MRI、超聲、核醫學成像等其他診斷設備相比有其優勢，那就是從根本上避免了X射線、強磁場以及放射性藥物等對人體的損害，體現了綠色無害化的突出特點，因而，可成為針對社會大群體、幼兒、孕婦等特殊群體的最理想體檢和健康普查儀器[5]。

2 紅外熱像儀物理學原理探析

一切物體均輻射紅外線，利用紅外線探測儀探測目標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表面溫度的空間分布轉換成可以通過視覺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。對物體進行無接觸溫度測量和熱狀態分析的過程就是探測物體輻射能量的過程。物體的溫度高于絕對零度都能夠向外界散發熱量。物體溫度越高，它所輻射的紅外能量就越強。問題的關鍵是如何找出物體輻射能量與溫度之間的數學函數關系。我們可以通過全輻射與單色測溫來分析溫度與輻射能量之間的關系，從而為溫度的測量及紅外熱像儀的研究提供理論方法。

2.1 全輻射溫度探測的物理學原理

全輻射溫度探測思路是收集生物體發出的整個紅外光譜范圍內所輻射的全部輻射能，從而推算出生物體表面溫度。理論上，全輻射溫度探測的手段只在部分頻譜范圍內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。在以下的推導與論述過程中，我們只討論理想狀態。首先假設生物體的紅外全輻射體符合黑體的輻射規律。由我們共知的黑體輻射中的史蒂芬-玻爾茲曼定律（式1）出發展開分析。

式中λ為紅外線的波長； σ為史蒂文常數；C1、C2分別為積分常數。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，同時還與生物體表面的紅外發射率ε成正比。生物體表面的不同部位的組織成分不同，因此發射率也會有很大差異，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為黑體的狀態下表面的溫度，通過比較才能求出所要求的生物體表面的真實溫度。設黑體的溫度為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下得出的結論，因此，實際測量值要低于理論值。因此在實際應用的過程中要進行適當的修正。修正的經驗公式與經驗值依據生物體的表狀態而定。

2.2 單色輻射溫度探測的物理學原理

在測量生物體表面溫度時，我們可以通過測量生物體發射出的某一特定頻率段內的輻出度與黑體輻射之間的關系推出生物體表面的溫度。假設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，探測器所接收的輻射功率只與溫度有關。若取△λ為單位波長，在λT<

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

于是得：

測量時所選波長越短，由發射率引發的測量誤差就越小，因此單色輻射溫度探測一般應選擇短波區。由維恩定律知，隨著溫度的升高，輻射功率最大的波長向短波方向移動，所以測量低溫目標與高溫目標所選的波長不同[2]。

3 當前醫用紅外技術的問題與改進方法

⑴ 首先紅外熱像儀的醫學應用屬于生命科學的研究范疇，對于純物理學中應用黑體理論推導出來的生物體測溫原理與方法，全輻射溫度探測的物理學原理、單色輻射溫度探測的物理學原理能否直接應用到生物體的表面值得進一步的研究，因為物理學中廣義的物質表面與生物學中具有新陳代謝和生命活力的有機分子有很大的區別，最根本的區別之一就是物理學中的物質中的分子與原子有特定的振動模式、特定的能量的躍遷過程，其振動的能量和能量的輻射過程可以用經典物理學與量子物理學的理論與方法進行定性與定量的研究，但生物體內部與表面的有機大分子的紅外光發生原理也應該有其自身的規律，而這種規律目前尚無人在生物學規律的基礎上加以深入的研究，并建立起自己的獨特理論，而都是通過黑體輻射的理論加以修正后直接應用到生物體表面上，顯得十分牽強，理論基礎不牢固。

⑵ 當今的紅外測量技術的理論方法來源于黑體輻射中的史蒂芬-玻爾茲曼定律，理想狀態下的公式揭示了物理學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分布的基本規律。然而生物體表面與黑體的輻射規律有很大的差別，因此把該理論直接套用到生物體表面上，從根本上來說其理論基礎會受到質疑，雖然人們在應用這一理論的過程中引入了多個修正因子加以修正以符合實際的測量結果，但仍有許多不妥之處。當前市場上投入使用的醫用紅外熱像儀測量該物體表面的參數并不是生物體表面的真實溫度，而分別是通過測量生物體表面的輻射亮度溫度、顏色溫度和輻射溫度來間接地推測出生物體表面的真實溫度[10,11]。

⑶ 生物體表面的輻射發射率與物理學中的物質表述不同，因而采用物理學中的物質表面的發射率并不能完全準確地描述生物學現象。生物體表面的發射率組成、表面狀態、輻射的波長等因素密切相關，還與背景溫度、體內溫度等一些復雜的狀況有關，而且生物體的表面狀態與物理學中所描述的穩定表面狀態不同，每時每刻隨其內部與外部條件變化而發生變化是實時動態的，因而很難對生物體表面的輻射發射率進行精確而穩定的評估[6,7]。如何建立生物體表面的輻射發射率的計算模型以對其進行精確的修正一直是人們探討的問題。

⑷ 在經典紅外測量技術中熱像儀的輻射照度可以通過下面的公式直接計算出來而后轉化為熱像儀的響應電壓最終轉換溫度或圖像的灰度參數加以顯示的。

式中Lbλ(T)是物體的輻射功率； T0為被測物表面的溫度；Tu是環境背景溫度； Ta為表面吸收率； ταλ為大氣光譜透射率； εαλ為大氣發射率； A0為目標可視面積； α為目標到測量儀之間的距離。在應用單色輻射溫度探測物理學原理的過程中我們發現，紅外熱像儀所探測的是窄頻紅外光譜，并且通過（9）式可以看出，測量的結果并非是溫度而是生物體表面的輻射能，并最終通過計算求出溫度。輻射能與發射率、反射率、背景輻射度、大氣衰減度、探測距離、環境溫度等諸多因素有關。因此要想精確地探測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表面特性的模型[1,12]。

4 結論

本文在綜述了紅外熱像技術在醫學領域的應用與發展之后，重點從經典物理學層面闡述了紅外熱像技術的物理學原理及測量方法，同時從生物醫學的角度闡述了醫用紅外探測技術當前所面臨的理論問題，并在此基礎上提出了醫用紅外線成像技術的改進設想，將會對醫用紅外熱成像技術的理論研究與應用開發提供參考。

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

[2]陳衡.紅外物理學[M].北京:國防工業出版社,1985:328-335.

[3]王英慧.醫用紅外熱成像技術的臨床應用[J].中國現代實用醫學,2004,3(6):66-68.

[4]田裕鵬.紅外檢測與診斷技術[M].北京:化學工業出版社,2006:90-111.

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

[6]張建,楊立,劉慧開.環境高溫物體對紅外熱像儀測溫誤差的影響[J].紅外技術,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]江國泰.現代化醫院中紅外熱成像儀應用的新技術新動向[J].醫療設備信息,2003,18(4):1-3.