醫(yī)用紅外線熱成像技術(shù)的物理學原理分析與研究

劉莉 秦學姣 章慶勇

摘? 要：近些年來，紅外線熱成像技術(shù)逐漸完善，開始應(yīng)用在各行各業(yè)中，并取得了良好的成果，尤其是在醫(yī)學的應(yīng)用上。文章簡略分析了紅外線熱成像技術(shù)在當前我國各個領(lǐng)域中的應(yīng)用，并針對其醫(yī)用的物理學原理展開了研究與分析。同時還針對當前醫(yī)用紅外線熱成像技術(shù)存在的問題提出了幾點改進措施。

關(guān)鍵詞：紅外線熱成像;醫(yī)學應(yīng)用;物理學原理

中圖分類號：TN219? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）09-0163-02

Abstract： In recent years， infrared thermal imaging technology has been gradually improved， began to be used in various industries， and achieved good results， especially in medical applications. In this paper， the application of infrared thermal imaging technology in various fields in China is briefly analyzed， and its medical physics principles are studied and analyzed. At the same time， several improvement measures are put forward to solve the problems existing in the current medical infrared thermal imaging technology.

Keywords： infrared thermal imaging; medical application; principles of physics

引言

紅外線熱成像技術(shù)是本世紀最偉大的發(fā)明之一，它的出現(xiàn)使得無時無刻不在交換熱量的世間萬物能夠在該技術(shù)的運用下，對肉眼不可見的變化進行檢測與診斷。特別是醫(yī)用紅外線熱成像技術(shù)，其主要成就體現(xiàn)在紅外熱像儀上，對醫(yī)療行業(yè)的進步有著重要作用。

1 紅外線熱成像技術(shù)的應(yīng)用

在人類的日常生活當中，只要是存在溫度高于絕對零度的物體，它就會向周圍輻射紅外線以實現(xiàn)傳遞熱量的目的，同時還會嚴格遵循基爾霍夫定律，與普朗克量子力學所假設(shè)的輻射公式相符合。該公式指的是因為不同類型的物品所具有的溫度各不相同，所以使得物體擁有不同的波長分布以及輻射強度等。所謂的紅外線熱成像技術(shù)便是對大自然中所需要探索物體的紅外輻射能量進行采集，接下來使其輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，通過信號的合理轉(zhuǎn)換，運用相關(guān)軟件以及技術(shù)，分析電信號并對其進行科學的處理，使其能夠直觀的顯示在計算機屏幕當中，為工作人員提供數(shù)據(jù)信息等參考。當今社會紅外線成像技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域廣泛，包括對電氣設(shè)施、機械零件以及機械設(shè)備的故障檢測，還有在醫(yī)學方面，對相關(guān)疾病的監(jiān)控與預防和人體健康狀況的檢測。除此以外，在產(chǎn)品鑒定方面紅外線熱成像技術(shù)也起著重要的作用。在醫(yī)學方面，紅外線熱成像儀的應(yīng)用主要體現(xiàn)在紅外熱像儀上，通過該設(shè)備的運用，實現(xiàn)對人體健康狀況的檢測。

在紅外線熱成像儀的運用中，主要是利用其紅外探測器對人體中紅外線的輻射情況進行探測，將人體所輻射出的紅外能收集起來，再將能量信號轉(zhuǎn)換，并且利用相關(guān)的軟件和技術(shù)，使其呈現(xiàn)在紅外熱像儀的屏幕上。當人體的組織器官受到損害產(chǎn)生病變時，周邊的皮膚極易因為病變發(fā)生溫度的變化。因此，當不同人體部位出現(xiàn)溫度不同的情況時，溫度分布熱像圖將會呈現(xiàn)出不同的色彩，便于醫(yī)者對病人病情進行直觀的觀察。通過研究紅外熱像儀上顯示的溫度變化，對患者所患疾病以及患病的程度進行詳細了解，最終診斷出病人的身體健康狀況[1]。例如，在對頸痛患者的臨床檢查中便可以采用紅外線熱成像技術(shù)，通過攝像機攝像、紅外線投照以及計算機分析等手段能夠盡早的發(fā)現(xiàn)患者頸椎部位的病患，并及時采取預防以及治療措施。在使用紅外線熱成像技術(shù)時，應(yīng)選取溫度適宜、無陽光直射的環(huán)境?；颊呙撊ド仙硪挛铮鹊角榫w穩(wěn)定之后再實施檢測?；颊叱收玖顟B(tài)，背正對紅外攝像機，屏氣數(shù)秒，便可以得到頸肩部紅外圖像。

2 醫(yī)用紅外線熱成像技術(shù)的物理學原理分析

任何物體都會產(chǎn)生紅外線輻射，通過使用紅外線探測儀能夠收獲目標與背景之間所存在的紅外線差圖像，紅外熱成像指的是把目標物體表面溫度的空間分布轉(zhuǎn)變成能夠人類視線所感知的溫度分布圖。物體表面溫度的高低在一定程度上決定著物體熱輻射能量的大小，對物體進行溫度測量以及狀態(tài)分析的過程就是對物體開展輻射能量探測的過程。物體本身所具有的溫度越高，則會輻射越強的紅外能量，其關(guān)鍵問題便是找出溫度與物體所輻射能量之間的函數(shù)關(guān)系，再通過各種手段對二者的關(guān)系進行分析，進而為紅外線熱成像技術(shù)在醫(yī)學中的有效運用提供科學的理論依據(jù)，更好地促進我國紅外熱像儀的研究進程。

通過對紅外線熱成像技術(shù)在當前醫(yī)學領(lǐng)域的運用和設(shè)計的相關(guān)物理學原理來看，為了能夠完成對人體健康情況的有效檢測，當前設(shè)備極易完成的過程包括以下兩點。第一，是利用紅外探測器對人體所輻射出的紅外能量進行采集，利用紅外探測儀上的光敏元件采集患者皮膚表面上不同溫度的信息。第二，對于由光電設(shè)備轉(zhuǎn)換電信號的圖像輸出過程，通常僅需將電信號通過信號放大器進行放大，然后通過濾波器對不想要的信號頻率進行濾波，最后可以將其濾除，直觀地顯示在顯示屏上。因此，最困難的部分在于對收集信號的處理和分析系統(tǒng)的設(shè)計方面，而處理和分析系統(tǒng)最重要的部分，乃是紅外輻射強度與溫度變化，并且有效地建立其它們之間的關(guān)系，由此需要對以下兩點進行考慮。

2.1 建立黑體發(fā)射的輻射能量與溫度之間的關(guān)系

通常的方法是建立起修正表格來校正二者之間的相關(guān)參數(shù)，再通過檢測其中的輻射能計算溫度值。從普朗克輻射定律看來，黑體輻射能與黑體表面溫度之間所存在的函數(shù)關(guān)系不是線性的，但可以利用普朗克公式、斯武藩定律以及維恩位移定律對其計算。接下來將其放置在標準相同的測試環(huán)境中，對黑體在不同情況下的溫度進行測試，同時比較計算值以及測量值之間的關(guān)系，可以通過檢查溫度曲線明確二者之間所存在的誤差，從而獲得合理的相關(guān)系數(shù)。在隨后的溫度測量中，通過檢測黑體的紅外輻射能量并獲取存儲相關(guān)參數(shù)的校正系數(shù)，能夠計算出更加精確的溫度值。

2.2 紅外熱像儀內(nèi)部輻射等因素的補償

尤其是在被測物溫度較低的情況下，為了能夠確保測量數(shù)據(jù)的科學精確，有必要在一定的溫度條件下，基于總的紅外輻射能消除環(huán)境因素和紅外熱像儀光學組件本身的熱輻射，以及光學元器件在進行輻射能量傳遞過程中的衰減，依據(jù)在相關(guān)實驗中對于內(nèi)部輻射補償與否引起的最終溫度誤差比較，進而體現(xiàn)出紅外熱像儀內(nèi)部輻射因素補償?shù)闹匾?。但是，在實際工作中，因為不同的設(shè)備具有不同的使用壽命，再加上紅外能量探測器的生產(chǎn)廠家擁有不同的生產(chǎn)標準，以及設(shè)備內(nèi)部相關(guān)組件的老化問題，選擇更精確的內(nèi)部輻射補償函數(shù)更加困難。為了確保設(shè)備內(nèi)部相關(guān)光學組件的輻射補償?shù)目茖W性與準確性，通常情況下所采取的措施是在紅外熱像儀的內(nèi)部相關(guān)組件上安裝溫度傳感器，然后使用不同的微處理器對不同部分不同組件實現(xiàn)熱輻射的補償。最后再將其數(shù)據(jù)匯總到設(shè)備所產(chǎn)生的紅外熱能的總和當中，進而實現(xiàn)更精確的溫度測量。

3 現(xiàn)階段醫(yī)用紅外技術(shù)存在的問題與優(yōu)化路徑

目前，紅外熱像儀的運用日益普及，在醫(yī)學方面的應(yīng)用屬于生命科學領(lǐng)域的研究，對于從黑體理論在純物理中的應(yīng)用得出的生物溫度測量的原理和方法，全輻射溫度檢測的物理原理和單色輻射溫度是否可以直接將物理檢測原理在物體的表面上應(yīng)用有必要進一步研究。但是生物學中具有新陳代謝和生命力的有機分子與物理學中普遍意義上的物質(zhì)表面存在著諸多不同之處，其最根本的區(qū)別便是物質(zhì)中的分子和原子具有特定的振動模式，以及特定的能量躍遷過程?？梢允褂媒?jīng)典物理學、量子物理學的理論和方法定性和定量地研究其振動的能量以及能量的輻射過程，但是生物體內(nèi)部以及表面有機大分子的紅外光產(chǎn)生原理也應(yīng)具備其自身的規(guī)律。目前，還沒有人根據(jù)生物學定律對其進行深入研究并建立自身理論，相反，他們都是對黑體輻射理論進行修改后直接將其應(yīng)用于生物體的表面，但該理論的基礎(chǔ)并不牢固，甚至有些牽強[2]。

現(xiàn)如今，紅外測量技術(shù)的理論方法是根據(jù)黑體輻射中的斯蒂芬-玻爾茲曼定律所得出的，處于理想狀態(tài)的公式表明了，從物理意義上來說，當處于近似黑體情況下，物體表面的黑體輻射能量在不同溫度下依照波長分布的基本定律。但是生物體表面與黑體的輻射定律有著很大的不同，由此可見將此理論在生物體表面上進行直接應(yīng)用，其理論基礎(chǔ)將會得到多數(shù)人的質(zhì)疑，盡管人們在應(yīng)用此理論的過程中為了符合實際的測量結(jié)果引入了多個修正因子對其進行修正，但仍然具有許多不合理的地方。如今，在市場中投入使用的醫(yī)用紅外熱像儀在物體表面上所測量出的參數(shù)并非是生物體表面所具有的真實溫度，而分別是在對生物體表面的輻射溫度、顏色溫度、輻射亮度溫度進行測量之后，在該數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上推測出生物體表面所產(chǎn)生的真實溫度[3]。

生物體表面具有的輻射發(fā)射率和在物理學中對物質(zhì)的表述不同，故而運用物理學中的物質(zhì)表面的發(fā)射率并不能精準地揭示出生物學現(xiàn)象。生物體表面的發(fā)射率與輻射波長、表面狀態(tài)以及組成等因素有著密切的聯(lián)系，與此同時它還和諸如體內(nèi)溫度和背景溫度之類的復雜條件有關(guān)。同時生物體的表面狀態(tài)與物理學原理所描述闡述的穩(wěn)定表面狀態(tài)有些差別，每時每刻隨其外部與內(nèi)部條件變化而發(fā)生變化，所以難以科學準確地評估生物體表面的輻射發(fā)射率。因此，在后續(xù)針對該問題的研究中，應(yīng)加強對建立生物體表面輻射發(fā)射率計算模型的思考，并實現(xiàn)對其精確的修正。

4 結(jié)束語

總而言之，紅外線熱成像技術(shù)在醫(yī)學上的應(yīng)用非常廣泛，本文重點闡述了紅外線熱成像技術(shù)在物理學上的應(yīng)用原理以及測量方法，并對當前紅外線熱成像技術(shù)存在的問題進行了探討，相信在未來科技不斷地進步中，能夠使相關(guān)設(shè)備得到進一步優(yōu)化，從而在醫(yī)學方面更加造福于社會。

參考文獻：

[1]王泊寧，樊碧發(fā).醫(yī)用遠紅外線熱成像在疼痛科的應(yīng)用[J].中老年保健，2017（2）：20-21.

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[3]任軍，翟慧華，錢江.紅外線熱成像用于判斷硬膜外麻醉痛覺平面變化的臨床研究[J].包頭醫(yī)學院學報，2019，35（03）：10-11.