醫(yī)用紅外熱像儀的原理及使用

醫(yī)用紅外熱像儀的原理及使用

在過(guò)去的10年里，隨著熱成像技術(shù)的發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)在臨床上的應(yīng)用日益深入。它不僅區(qū)別于X光、B超、CT等常規(guī)解剖學(xué)成像的功能性成像方式,為臨床工作者診斷疾病時(shí)提供了相關(guān)依據(jù),而且成像時(shí)處于被動(dòng)接受狀態(tài),不接觸人體,不發(fā)生輻射,檢查過(guò)程快捷,對(duì)人體無(wú)害,所以,在如同去年的SARS和其它引起體溫發(fā)生生理性顯著改變的傳染性疾病暴發(fā)時(shí),用醫(yī)用紅外熱像儀測(cè)量人體額面部溫度來(lái)判斷人體體溫,不失為門診預(yù)檢分流的一個(gè)良好選擇。1人體輻射能功率的變化任何物體的溫度與其周圍環(huán)境失去平衡時(shí),該物體就要發(fā)出或吸收紅外輻射能,這種輻射能實(shí)質(zhì)是某些波長(zhǎng)的電磁波。物體溫度較低時(shí),主要是發(fā)射人眼看不見(jiàn)的長(zhǎng)波紅外線。人的體溫一般高于周圍環(huán)境溫度,其也是一個(gè)輻射體,特性與其它物質(zhì)相似,其輻射能量可用下式表示:式中W—人體每秒每平方厘米輻射功率(瓦),ε———皮膚輻射率,σ———常數(shù)。從式中可以看出,人體輻射能功率與皮膚絕對(duì)溫度T4成正比。人體皮膚絕對(duì)溫度T與附近微血管疏密程度以及微循環(huán)狀況有關(guān)。額面部血管豐富,血液交換滲透速度快,且皮下脂肪層較薄,皮膚溫度的變化與體溫變化關(guān)系密切,兩者的變化趨勢(shì)基本相同,因此在門診溫度預(yù)檢分流中,人體額面部可作為體溫的一個(gè)大概判斷途徑。紅外熱像儀利用紅外探測(cè)器、光學(xué)成像物鏡和光機(jī)掃描系統(tǒng),接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量,輸出與物體表面熱分布相應(yīng)的熱像圖。為了更為有效地判斷被測(cè)目標(biāo)的紅外熱分布,儀器常采用一些輔助措施來(lái)增加圖像的可視性如圖像亮度對(duì)比度的控制,實(shí)際校正,偽色彩描繪等技術(shù)。2設(shè)備選擇醫(yī)用紅外熱像儀與其他紅外攝影儀原理近似,但就其臨床應(yīng)用的特殊性而言,在選擇應(yīng)用時(shí)要注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:(1)基本熱像儀的高差分辨率0.1101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家檢定規(guī)程JJG111-1989規(guī)定:醫(yī)用溫度計(jì)的示值誤差不得超過(guò)-0.15～+0.10℃。所以,在溫度預(yù)檢中,醫(yī)用紅外熱像儀的溫差℃分辨率應(yīng)該滿足±0.1℃分辨率的要求。而在去年SARS暴發(fā)期間,許多單位應(yīng)用的紅外測(cè)溫儀為工業(yè)用,其示值誤差大多在±1.0℃以上,針對(duì)SARS預(yù)檢溫度限值37.8℃的0.1℃的精確度要求,必然會(huì)造成較高的誤診率。(2)皮膚微區(qū)域溫度從臨床病理學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看,皮膚近表微動(dòng)脈血流會(huì)所引起的皮膚微小區(qū)域溫度較高(如圖1所示,WP-95型醫(yī)用熱像儀拍攝),醫(yī)用熱像儀的空間分辨率要達(dá)到2～3毫米才能區(qū)分出因此而造成的干擾,以便醫(yī)護(hù)人員作出正確的判斷。(3)溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生誤差因?yàn)槭亲鳛殚T診預(yù)檢分流用,醫(yī)用紅外熱像圖儀與同類儀器相比應(yīng)擁有較高的幀幅數(shù)度,應(yīng)小于5秒/幀,否則就會(huì)影響預(yù)檢效果和速度以及病人就診流程。如圖2(a)所示:由于其幀幅數(shù)度較慢,探頭與病人之間有較大的相對(duì)移動(dòng),致使圖像扭曲,不便觀察,甚至?xí)霈F(xiàn)溫度信號(hào)發(fā)生頻移而產(chǎn)生誤差信號(hào)。而圖2(b)則是在幀幅數(shù)度與病人移動(dòng)速度相配合時(shí)所得到的圖像,能較準(zhǔn)確地反映病人額面部的溫度信息。(4)人體輻射波長(zhǎng)的選擇熱成像設(shè)備對(duì)波帶有一定的限制,測(cè)量發(fā)射的紅外能量,兩個(gè)最常用的成像波帶是3～5μm帶區(qū)和8～12μm帶區(qū),我們應(yīng)選擇后者,因?yàn)槿梭w輻射的紅外線中心波長(zhǎng)為9～10μm,而且在此波帶區(qū),溫度與發(fā)射功率的函數(shù)關(guān)系接近于線性。圖3是兩個(gè)常用成像波長(zhǎng)區(qū)輻射功率(W/m2)與溫度(℃)的函數(shù)關(guān)系。3環(huán)境選擇紅外熱像儀成像時(shí)不接觸人體,不發(fā)生輻射,處于被動(dòng)接受人體輻射的紅外線,其對(duì)使用環(huán)境有一定的要求:(1)紅外探測(cè)器與測(cè)試目標(biāo)之比的確定為了獲得精確的溫度信息,紅外探測(cè)器與測(cè)試目標(biāo)之間的距離必須在合適的范圍之內(nèi)。距離系數(shù)即紅外探測(cè)器與測(cè)試目標(biāo)之間的距離與被測(cè)目標(biāo)直徑之比。在儀器已確定(光學(xué)分辨率已確定),成像時(shí)被測(cè)目標(biāo)尺寸超過(guò)視場(chǎng)大小的50%為好,因?yàn)樵陬A(yù)檢分流中,被測(cè)目標(biāo)為人體額面部,在我們選擇探測(cè)器與測(cè)試者之間的距離為1.5m,即距離系數(shù)(D∶S)為8∶1。(2)體溫測(cè)試結(jié)果因?yàn)槿魏挝矬w在常規(guī)環(huán)境下都會(huì)產(chǎn)生自身的分子和原子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng),并不停地輻射出熱紅外能量,人體也在不停的以各種方式與周圍環(huán)境在進(jìn)行熱交換,所以,如何選擇合適的環(huán)境溫度直接影響紅外探測(cè)器獲得的溫度信息的精確性。我們做了一個(gè)試驗(yàn):(1)受試對(duì)象隨機(jī)選擇健康成人45名,年齡在20～45歲,無(wú)心血管病,無(wú)消耗性疾病。(2)研究方法在10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、37℃的環(huán)境溫度下(空氣流動(dòng)相似,時(shí)間均在上午9～11點(diǎn)),通過(guò)紅外熱像儀和體溫計(jì)分別測(cè)試受試者額溫和腋溫(受試者在環(huán)境溫度下靜止15分鐘后)。(3)試驗(yàn)結(jié)果45名健康成人在不同環(huán)境溫度下額溫和腋溫測(cè)試結(jié)果如表1。(4)討論當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí),由于人體與環(huán)境的熱交換比較劇烈,人體輻射能在空氣中消耗較大,再加上個(gè)體差異,紅外熱像儀測(cè)得的額溫分布較散,獲得的溫度信息精確度不夠;當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí),從測(cè)得的數(shù)據(jù)看,紅外熱像儀測(cè)得的額溫的正態(tài)分布s值比較適合于應(yīng)用,但是,從維恩位移定律(Wien)λmT=2.898(μm·K)(λm為最大黑體譜輻射亮度處的波長(zhǎng),T為黑體的絕對(duì)溫度)得知:在一定溫度下,黑體的譜輻射亮度存在一個(gè)最大值,且這個(gè)只與溫度有關(guān),而當(dāng)環(huán)境溫度接近人體溫度時(shí),人體的譜輻射亮度最值與環(huán)境中部分物體譜輻射亮度最值很接近,其對(duì)紅外熱像儀捕捉人體紅外輻射的噪聲干擾很大,另外,在其它實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)在環(huán)境溫度較高時(shí),發(fā)燒病人的額溫與正常人相差較小。當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)高時(shí),人體汗液的揮發(fā)影響了皮膚溫度對(duì)其周圍組織溫度的反映。而在20～25℃測(cè)得的額溫的正態(tài)分布S能夠滿足門診預(yù)檢分流的要求,同時(shí),在此環(huán)境中醫(yī)用紅外熱像儀工作時(shí),來(lái)自于環(huán)境物體的噪聲干擾很小。所以,我們一般將環(huán)境溫度選擇在20～25℃。(3)光直接照射/光照反射另外,作為測(cè)定物體紅外輻射的環(huán)境,應(yīng)避免陽(yáng)光直接照射或強(qiáng)光反射,同時(shí)應(yīng)避免有色光照射和強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境。病人測(cè)試位置附近應(yīng)避免熱源干擾和較強(qiáng)的空氣流動(dòng),應(yīng)盡可能將空氣流動(dòng)減至最低。4儀器內(nèi)部參數(shù)的校準(zhǔn)和使用情況的對(duì)照從醫(yī)學(xué)角度講,人體的額頭是溫度敏感區(qū)域,對(duì)于絕大數(shù)人來(lái)說(shuō),在相同的環(huán)境條件下,額頭溫度與腋下溫度及口腔溫度有固定的換算關(guān)系,通過(guò)測(cè)量額頭溫度可以得知體溫。我們確定好儀器位置的使用環(huán)境后,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)黑體對(duì)儀器的內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)(內(nèi)部參數(shù)設(shè)定后,非專職工程技術(shù)人員不得擅自改動(dòng))。在臨床科室的幫助下,我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到額溫與體溫的對(duì)照?qǐng)D。另外,在環(huán)境溫度選擇試驗(yàn)中,在環(huán)境溫度為25℃時(shí),測(cè)試45個(gè)受試者額溫,得到平均值為:33.9℃,標(biāo)準(zhǔn)差為:0.81,因?yàn)檎Ｈ说念~溫應(yīng)服從N(μ,σ2)正態(tài)分布,則我們可以計(jì)算出正常值95%可信區(qū)間為:33.65℃～34.15℃。因?yàn)?一般醫(yī)用紅外熱像儀的圖像窗口顯示溫度上限值設(shè)定時(shí)只能精確到0.1℃,則我們對(duì)95%可信區(qū)間之略微擴(kuò)展為34.2℃,加上1.0℃的低燒限值,設(shè)定圖像窗口顯示溫度上限值為:35.2℃。5門診預(yù)檢注意事項(xiàng)(1)對(duì)于門診量較大的醫(yī)院,在使用時(shí)可以將溫度報(bào)警項(xiàng)關(guān)閉,因?yàn)槿绻魂P(guān)閉,儀器在每掃描一幀圖后,系統(tǒng)都會(huì)進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)發(fā)現(xiàn)有高于設(shè)定溫度的點(diǎn),系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出警報(bào)聲并停止掃描。由于病人可能由于局部血流或者呼吸氣流的的關(guān)系,額面部圖像可能出現(xiàn)較小區(qū)域溫度過(guò)高,這樣就會(huì)引起掃描暫停,影響門診預(yù)檢速度。(2)對(duì)于額面部出現(xiàn)大范圍的白色區(qū)域的病人,我們基本可以判斷病人體溫較高,對(duì)其進(jìn)行預(yù)檢分流。同時(shí),我們可以使用Enter鍵暫停掃描,將圖像保存以備后期處理。或者,在中大型醫(yī)院,可以通過(guò)局域網(wǎng)或HIS系統(tǒng)將圖像共享,在發(fā)熱門診預(yù)檢戶其他部門需要時(shí)調(diào)用。(3)在儀器使用時(shí),周圍不要使用移動(dòng)電話,其可能會(huì)對(duì)儀器產(chǎn)生較大的磁場(chǎng)干擾,或影響掃描程序的運(yùn)行。(4)由于門診預(yù)檢人流量大,而熱像儀的探頭屬于精密儀器,在使用時(shí)一定要避免對(duì)其的沖撞。另外由于該儀器屬于電子類儀器,切勿將水、飲料等液體灑到儀器上。(5)在使用環(huán)境應(yīng)注意防塵,以避免弄臟鏡頭,由于探頭鏡片表面有特殊涂層,切勿以任何物體觸摸鏡片,如占有灰塵應(yīng)用吸球吹開,如占有其他物體應(yīng)請(qǐng)專業(yè)人