紅外熱成像技術在輻射防護及其他醫學領域中的應用

姚 振，趙敏艷，劉玉龍

(蘇州大學附屬第二醫院，江蘇 蘇州 215004)

早在公元前480年Hippocrates的著作中就有描述,人體發出的熱能可用來診斷疾病。如在患者身體表面涂了一層泥土，推斷泥土干裂處可能就有病灶存在[1]。1800年，英國天文學家William Hirschel就發現了熱與紅外輻射的關系[2]。紅外熱成像技術在醫學臨床上的應用主要始于20世紀50年代后期用于乳腺腫瘤的診斷。1956年，R.Lawson使用紅外技術證實乳腺癌處的體表溫度比正常部位溫度偏高[3]，這一發現開啟了醫學紅外熱成像技術研究的大門。目前，國際原子能機構(IAEA)已將紅外線熱成像技術納入輻射損傷防護指南，此外，紅外線熱成像技術在腫瘤的早期診治、心血管疾病的預后評估、炎癥疾病的轉歸、中醫針灸等方面也得到了廣泛的應用。

1 醫用紅外熱成像的原理

自然界一切溫度高于絕對零度的物體都會向外界發出紅外輻射(紅外線)，醫用紅外線可分為遠紅外線和近紅外線，遠紅外線波長1.5～400 μm，穿透人體組織深度為2 mm，絕大部分被表層皮膚吸收或者被反射；近紅外線波長為0.76～1.5 μm，可穿透深度為5～10 mm[4]。人體也會產生紅外輻射，且電磁波的波長主要是在遠紅外區域，波長范圍為4～14 μm，峰值約9.34 μm[5]。醫用紅外熱成像技術是醫學技術、紅外攝像技術及計算機多媒體技術相結合的產物，通過收集人體產生的遠紅外輻射熱，經計算機處理形成直觀的溫度彩色圖譜。

當人體機能發生變化時，病變所在部位的溫度與正常組織相比會發生顯著的變化，這種變化可以通過紅外熱成像技術所捕獲，從而起到輔助診斷疾病、判斷病灶位置及范圍的作用[6]。

2 紅外熱成像的影響因素

2.1 溫度

環境溫度的過高和過低都會影響遠紅外線的測量，導致被測物體的紅外圖像清晰度下降，質量降低，圖片出現絮狀邊緣。當被測物體為生物體時，若生物體與環境溫度相差過大，則生物體會與環境發生熱傳導，從而影響測量結果。此外，在進行遠紅外測量時，應控制環境溫度低于被測物體溫度以減少熱噪音，防止圖像的準確度和精度受到影響。實際操作時，使用遠紅外熱成像技術測試前應提前30 min開機，攝像頭固定在距離受試者1.5～2.5 m的位置，室溫控制在20～24 ℃左右[7]，濕度保持在50%～60%。

2.2 風速

當紅外設備在運作時，測量環境的空氣流動會對測量結果有影響。因為空氣流動的加速，會增強被測物體表面與所處環境的對流換熱，減少被測物體與周圍環境之間的溫差。當被測物體為生物體時，高速流動的空氣會增加生物體的汗液蒸發，導致生物體溫度降低。因此，紅外設備在工作時，應控制所處環境的空氣流動，以免影響紅外圖像的精度和準確度。實際操作時，室內空調避免直吹受檢者身體，減少空氣流速對實驗結果的影響。

2.3 光線

光線對于遠紅外測量是有影響的，測量過程中，應當選擇適宜的測量環境，防止光線的變化影響測量結果，以增強紅外成像的準確度和可比性。實際操作時，要保持室內光線柔和舒適，避免強光直射受檢者身體[8]。受檢者應提前15～20 min進入實驗室，適應實驗室環境條件。實驗前一周禁止日光浴[9]。

2.4 顏色

顏色對紅外熱成像測量結果的影響可忽略不計。

3 紅外熱成像在輻射防護領域中的應用

3.1 理論基礎

在輻射防護、輻射損傷的診斷和治療過程中，物理劑量學是非常重要的，在局部輻射損傷的早期沒有合適的生物劑量學方法，所以事故的詳細歷史應該被記錄下來。體格檢查方面，應借助彩色照片資料，并觀察每日的皮膚反應。在局部輻射損傷的情況下，使用電子自旋共振方法可以估算牙齒、衣服、紐扣、耳環或任何有機物質受照所產生的劑量。在事故發生后的第一周，每日的血細胞計數可有助于預測全身暴露的可能性，因為在局部輻射損傷中只能觀察到某些非特異性的變化，如輕度白細胞增多或血沉增快。局部暴露于5～10 Gy的劑量范圍內，僅能在少量培養的淋巴細胞中發現染色體畸變，這提供了定性而非定量的信息[10]。

目前，有兩種診斷方法可用于評估局部過度暴露的嚴重程度:熱同位素法和放射性同位素法。當輻照區域與相應的未輻照區域相比較時，兩者都是最可靠的。熱成像可以用來識別任何損傷并確定其程度，這是一種有效而靈敏的局部放射損傷檢測技術，尤其在臨床癥狀不明顯的早期和潛伏期。此外，接觸熱像儀和紅外遠距熱像儀都可用于評估。雖然后一種技術在全身局部照射的診斷上可能更有優勢，但其局限于四肢受到影響時，且費用也高得多。當99mTc高鈦酸鹽靜脈注射時，放射同位素方法可用于記錄器官或身體部分的血管循環，并用閃爍攝像機監測其分布。熱像圖法和放射性同位素法是互補的，他們不能進行精確的劑量評估，但有助于評估臨床損傷的嚴重程度[10]。

此外，很多新技術日益進步，如毛發皮層細胞計數，正在作為人體部分輻射暴露的指標進行研究[10]。

3.2 應用病例：南京“5．7”192Ir源放射事故患者的臨床救治

2014年，蘇州大學附屬第二醫院劉玉龍團隊在南京“5．7"192Ir源放射事故患者的臨床救治過程中，應用美國Fluke公司生產的Ti 400型紅外線熱成像儀，在不同時期對右下肢放射損傷區及需要部位進行紅外線熱成像檢查。

患者在受照后的不同時期應用紅外線熱成像儀對右下肢放射損傷區及相應部位進行檢測。結果表明，受照后第13天右大腿所測溫度 為35．5～36．8 ℃，較左側高2～3 ℃；受照后30天，該區溫度較左側高1～2 ℃(圖1a)；受照后60 天，該區溫度較左側高1 ℃以下(圖1b)，一般來說，溫度升高處皮膚逐漸變性壞死。

在治療過程中，患者右下肢放射損傷傷口持續進展， 經過初期分區換藥方案——“三明治”換藥法及清創處理，傷口潰瘍壞死范圍逐步擴大。使用紅外線熱成像照射提示傷口周圍皮溫較正常皮膚偏高約1．5 ℃，后持續使用紅外線熱成像照射，待損傷傷口界限明確后，多次行肌皮瓣移植術，并予臍帶MSCs輸注的治療。經過上述治療，患者右下肢放射損傷傷口及背部取皮區域傷口完全愈合[11]。

圖1 受照后不同時間紅外線熱成像檢查結果Fig.1 Results of infrared thermal imaging at different time after exposure

4 紅外熱成像在醫學領域中的應用

表1列出了紅處熱成像技術在醫學領域中的主要應用情況。

表1 紅外熱成像技術在醫學領域中的應用情況Tab.1 Application of infrared thermal imaging technology in medical field

5 結語

紅外熱成像技術自1957開始應用于醫學領域之后，經歷了一個快速發展的階段，尤其是在輻射損傷的防護及診治、腫瘤的早期診斷、心血管疾病的預后評估、炎性疾病的分析和治療觀察等方面取得了重大的成果。近年來，紅外熱成像技術在中醫領域也有了廣泛應用，其與中醫的整體觀與辨證觀的核心理念高度吻合，可以為中醫診斷現代化提供思路，但紅外熱成像技術在中醫方面研究尚未形成系統，影響其可推廣性，遂值得進一步研究。

雖然紅外熱成像系統的圖像采集仍然受溫度、濕度、空氣流速等因素的影響，但標準化的測量環境逐漸完善，我們相信紅外熱成像技術將會對輻射防護及中西醫學的發展做出巨大的貢獻。