医用红外线热成像技术的物理学原理探析

丁 晶，周志尊，李帅三

牡丹江医学院 影像学院，黑龙江牡丹江 157011

1 红外热像仪的发展与医学应用

温度处于绝对零度以上物体均发射红外辐射。人体红外发射率为0.98，近似为黑体（黑体的辐射率为1）。当体温高于背景温度时，机体透过皮肤发射红外辐射，辐射能的幅度及空间结构与温度有一定的对应关系。人体某些部位患病或机能发生变化，其所在部位的温度的大小及分布状况与正常组织相比会发生显著的变化，对于炎症、肿瘤等来说温度会升高，而脉管炎、动脉硬化等疾病温度会降低。利用今天的红外成像技术手段可以清晰、准确、及时地观测出体表或体内病变组织的影响而实体表相处的温度幅度与分布的微小变化。热辐射或红外辐射的能量可以以特定的方式在介质中传播，也可在真空中传播，其传播特性符合电磁波及黑体的辐射规律，因此，可以通过物理学方法加以精确的描述。

红外热像仪可以将生物体发出的红外辐射能量，通过特殊的扫描系统，经过特定的探测器完成光-电转换，转换后的电信号经处理系统处理后可转换为图像信号，并在监视器上形成直观的热像图。图像的颜色分布对应着温度的高低，屏幕上会直接给出颜色与温度的对应标度，通常暖色人为地标注为高温，冷色标注为低温。人体器官、体内组织如果发生病变，则会引起皮肤表面、穴位周围出现温度的异常升高与降低[4]。热像图准确的识别病灶需要临床医生具有丰富的热像图甄别经验以及与其它诊断方法比对知识。红外热成像以其具有可以精确测量出生物体表面温度空间分布的特质，使其逐渐成为了研究人体健康情况、无创伤检查的有效手段。不同的疾病、特定的器官导致局部体表温度的改变不同其诊断效果也不同，如头、颈、心血管、前列腺、脊椎、胃肠、乳腺、肺部、肝、胆、血管微循环等，特别是对于炎症、各种肿瘤、周围神经性疾病、关节及特定部位的不明疼痛等难以诊断的疑难病症的排查有独特效果，尤其是对充血性炎症及缺血性炎症的区分更为明显[8,9]。事实上，疾病在出现解剖学形态变化之前，患病组织及其周围已经发生了生理与生化及分子生物学变化，而这些变化的直接后果将会导致局部温度的变化，温度空间分布的状况表示疾病影响的范围、形状，温度的梯度变化揭示了疾病的性质和发展程度。医用红外热像仪的使用为特殊疾病提供了又一新的诊断方法，它的使用可以在解剖学病变发生之前发现疾病的起源，为实现早期治疗赢得宝贵时间[3]。医用热像仪在临床、预防、保健等阶段起着越来越重要的作用。

医用红外热像仪是通过接受生物体组织所发出的红外辐射与热辐射转化成热像图而实现对疾病的诊断的，同CT、MRI、超声、核医学成像等其他诊断设备相比有其优势，那就是从根本上避免了X射线、强磁场以及放射性药物等对人体的损害，体现了绿色无害化的突出特点，因而，可成为针对社会大群体、幼儿、孕妇等特殊群体的最理想体检和健康普查仪器[5]。

2 红外热像仪物理学原理探析

一切物体均辐射红外线，利用红外线探测仪探测目标与背景之间的红外线差可以得到不同的红外图像，红外热成像是将目标表面温度的空间分布转换成可以通过视觉感知的表面温度分布热像图。

物体热辐射能量与物体表面温度相关。对物体进行无接触温度测量和热状态分析的过程就是探测物体辐射能量的过程。物体的温度高于绝对零度都能够向外界散发热量。物体温度越高，它所辐射的红外能量就越强。问题的关键是如何找出物体辐射能量与温度之间的数学函数关系。我们可以通过全辐射与单色测温来分析温度与辐射能量之间的关系，从而为温度的测量及红外热像仪的研究提供理论方法。

2.1 全辐射温度探测的物理学原理

全辐射温度探测思路是收集生物体发出的整个红外光谱范围内所辐射的全部辐射能，从而推算出生物体表面温度。理论上，全辐射温度探测的手段只在部分频谱范围内接收到生物体总辐射能的大部分辐射能量，而非理想中的全部辐射能量。在以下的推导与论述过程中，我们只讨论理想状态。首先假设生物体的红外全辐射体符合黑体的辐射规律。由我们共知的黑体辐射中的史蒂芬-玻尔兹曼定律（式1）出发展开分析。

式中λ为红外线的波长； σ为史蒂文常数；C1、C2分别为积分常数。生物体表面在各种频率下的总的辐出度，即单位面积的辐射功率与温度T的四次方成正比，同时还与生物体表面的红外发射率ε成正比。生物体表面的不同部位的组织成分不同，因此发射率也会有很大差异，因此，要想得知生物体表面的温度就必须先求出生物体假设为黑体的状态下表面的温度，通过比较才能求出所要求的生物体表面的真实温度。设黑体的温度为Tb，由黑体的辐射定律，黑体的辐射功率为：

假设生物体的辐出度与黑体的辐出度相同，则：

由此得：

此温度为生物体表面温度。理论值是在理想的状态下得出的结论，因此，实际测量值要低于理论值。因此在实际应用的过程中要进行适当的修正。修正的经验公式与经验值依据生物体的表状态而定。

2.2 单色辐射温度探测的物理学原理

在测量生物体表面温度时，我们可以通过测量生物体发射出的某一特定频率段内的辐出度与黑体辐射之间的关系推出生物体表面的温度。假设生物体的单色辐出度与温度为Tb的黑体辐出度相等，如生物体的光谱发射率为ελ，则由史蒂芬-玻尔兹曼定律：

可知在特定频率范围内，探测器所接收的辐射功率只与温度有关。若取△λ为单位波长，在λT<

与黑体相比较，温度Tb的黑体辐射能量应等于温度T的生物体表面的辐射能量，即：

于是得：

测量时所选波长越短，由发射率引发的测量误差就越小，因此单色辐射温度探测一般应选择短波区。由维恩定律知，随着温度的升高，辐射功率最大的波长向短波方向移动，所以测量低温目标与高温目标所选的波长不同[2]。

3 当前医用红外技术的问题与改进方法

⑴ 首先红外热像仪的医学应用属于生命科学的研究范畴，对于纯物理学中应用黑体理论推导出来的生物体测温原理与方法，全辐射温度探测的物理学原理、单色辐射温度探测的物理学原理能否直接应用到生物体的表面值得进一步的研究，因为物理学中广义的物质表面与生物学中具有新陈代谢和生命活力的有机分子有很大的区别，最根本的区别之一就是物理学中的物质中的分子与原子有特定的振动模式、特定的能量的跃迁过程，其振动的能量和能量的辐射过程可以用经典物理学与量子物理学的理论与方法进行定性与定量的研究，但生物体内部与表面的有机大分子的红外光发生原理也应该有其自身的规律，而这种规律目前尚无人在生物学规律的基础上加以深入的研究，并建立起自己的独特理论，而都是通过黑体辐射的理论加以修正后直接应用到生物体表面上，显得十分牵强，理论基础不牢固。

⑵ 当今的红外测量技术的理论方法来源于黑体辐射中的史蒂芬-玻尔兹曼定律，理想状态下的公式揭示了物理学意义上的物体表面在近似为黑体的情况下，黑体辐射能量在不同的温度下按波长分布的基本规律。然而生物体表面与黑体的辐射规律有很大的差别，因此把该理论直接套用到生物体表面上，从根本上来说其理论基础会受到质疑，虽然人们在应用这一理论的过程中引入了多个修正因子加以修正以符合实际的测量结果，但仍有许多不妥之处。当前市场上投入使用的医用红外热像仪测量该物体表面的参数并不是生物体表面的真实温度，而分别是通过测量生物体表面的辐射亮度温度、颜色温度和辐射温度来间接地推测出生物体表面的真实温度[10,11]。

⑶ 生物体表面的辐射发射率与物理学中的物质表述不同，因而采用物理学中的物质表面的发射率并不能完全准确地描述生物学现象。生物体表面的发射率组成、表面状态、辐射的波长等因素密切相关，还与背景温度、体内温度等一些复杂的状况有关，而且生物体的表面状态与物理学中所描述的稳定表面状态不同，每时每刻随其内部与外部条件变化而发生变化是实时动态的，因而很难对生物体表面的辐射发射率进行精确而稳定的评估[6,7]。如何建立生物体表面的辐射发射率的计算模型以对其进行精确的修正一直是人们探讨的问题。

⑷ 在经典红外测量技术中热像仪的辐射照度可以通过下面的公式直接计算出来而后转化为热像仪的响应电压最终转换温度或图像的灰度参数加以显示的。

式中Lbλ(T)是物体的辐射功率； T0为被测物表面的温度；Tu是环境背景温度； Ta为表面吸收率； ταλ为大气光谱透射率； εαλ为大气发射率； A0为目标可视面积； α为目标到测量仪之间的距离。在应用单色辐射温度探测物理学原理的过程中我们发现，红外热像仪所探测的是窄频红外光谱，并且通过（9）式可以看出，测量的结果并非是温度而是生物体表面的辐射能，并最终通过计算求出温度。辐射能与发射率、反射率、背景辐射度、大气衰减度、探测距离、环境温度等诸多因素有关。因此要想精确地探测生物体表面的温度需要更完整、更精确地算法及充分考虑生物学表面特性的模型[1,12]。

4 结论

本文在综述了红外热像技术在医学领域的应用与发展之后，重点从经典物理学层面阐述了红外热像技术的物理学原理及测量方法，同时从生物医学的角度阐述了医用红外探测技术当前所面临的理论问题，并在此基础上提出了医用红外线成像技术的改进设想，将会对医用红外热成像技术的理论研究与应用开发提供参考。

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