红外热成像技术在辐射防护及其他医学领域中的应用

姚 振，赵敏艳，刘玉龙

(苏州大学附属第二医院，江苏 苏州 215004)

早在公元前480年Hippocrates的著作中就有描述,人体发出的热能可用来诊断疾病。如在患者身体表面涂了一层泥土，推断泥土干裂处可能就有病灶存在[1]。1800年，英国天文学家William Hirschel就发现了热与红外辐射的关系[2]。红外热成像技术在医学临床上的应用主要始于20世纪50年代后期用于乳腺肿瘤的诊断。1956年，R.Lawson使用红外技术证实乳腺癌处的体表温度比正常部位温度偏高[3]，这一发现开启了医学红外热成像技术研究的大门。目前，国际原子能机构(IAEA)已将红外线热成像技术纳入辐射损伤防护指南，此外，红外线热成像技术在肿瘤的早期诊治、心血管疾病的预后评估、炎症疾病的转归、中医针灸等方面也得到了广泛的应用。

1 医用红外热成像的原理

自然界一切温度高于绝对零度的物体都会向外界发出红外辐射(红外线)，医用红外线可分为远红外线和近红外线，远红外线波长1.5～400 μm，穿透人体组织深度为2 mm，绝大部分被表层皮肤吸收或者被反射；近红外线波长为0.76～1.5 μm，可穿透深度为5～10 mm[4]。人体也会产生红外辐射，且电磁波的波长主要是在远红外区域，波长范围为4～14 μm，峰值约9.34 μm[5]。医用红外热成像技术是医学技术、红外摄像技术及计算机多媒体技术相结合的产物，通过收集人体产生的远红外辐射热，经计算机处理形成直观的温度彩色图谱。

当人体机能发生变化时，病变所在部位的温度与正常组织相比会发生显著的变化，这种变化可以通过红外热成像技术所捕获，从而起到辅助诊断疾病、判断病灶位置及范围的作用[6]。

2 红外热成像的影响因素

2.1 温度

环境温度的过高和过低都会影响远红外线的测量，导致被测物体的红外图像清晰度下降，质量降低，图片出现絮状边缘。当被测物体为生物体时，若生物体与环境温度相差过大，则生物体会与环境发生热传导，从而影响测量结果。此外，在进行远红外测量时，应控制环境温度低于被测物体温度以减少热噪音，防止图像的准确度和精度受到影响。实际操作时，使用远红外热成像技术测试前应提前30 min开机，摄像头固定在距离受试者1.5～2.5 m的位置，室温控制在20～24 ℃左右[7]，湿度保持在50%～60%。

2.2 风速

当红外设备在运作时，测量环境的空气流动会对测量结果有影响。因为空气流动的加速，会增强被测物体表面与所处环境的对流换热，减少被测物体与周围环境之间的温差。当被测物体为生物体时，高速流动的空气会增加生物体的汗液蒸发，导致生物体温度降低。因此，红外设备在工作时，应控制所处环境的空气流动，以免影响红外图像的精度和准确度。实际操作时，室内空调避免直吹受检者身体，减少空气流速对实验结果的影响。

2.3 光线

光线对于远红外测量是有影响的，测量过程中，应当选择适宜的测量环境，防止光线的变化影响测量结果，以增强红外成像的准确度和可比性。实际操作时，要保持室内光线柔和舒适，避免强光直射受检者身体[8]。受检者应提前15～20 min进入实验室，适应实验室环境条件。实验前一周禁止日光浴[9]。

2.4 颜色

颜色对红外热成像测量结果的影响可忽略不计。

3 红外热成像在辐射防护领域中的应用

3.1 理论基础

在辐射防护、辐射损伤的诊断和治疗过程中，物理剂量学是非常重要的，在局部辐射损伤的早期没有合适的生物剂量学方法，所以事故的详细历史应该被记录下来。体格检查方面，应借助彩色照片资料，并观察每日的皮肤反应。在局部辐射损伤的情况下，使用电子自旋共振方法可以估算牙齿、衣服、纽扣、耳环或任何有机物质受照所产生的剂量。在事故发生后的第一周，每日的血细胞计数可有助于预测全身暴露的可能性，因为在局部辐射损伤中只能观察到某些非特异性的变化，如轻度白细胞增多或血沉增快。局部暴露于5～10 Gy的剂量范围内，仅能在少量培养的淋巴细胞中发现染色体畸变，这提供了定性而非定量的信息[10]。

目前，有两种诊断方法可用于评估局部过度暴露的严重程度:热同位素法和放射性同位素法。当辐照区域与相应的未辐照区域相比较时，两者都是最可靠的。热成像可以用来识别任何损伤并确定其程度，这是一种有效而灵敏的局部放射损伤检测技术，尤其在临床症状不明显的早期和潜伏期。此外，接触热像仪和红外远距热像仪都可用于评估。虽然后一种技术在全身局部照射的诊断上可能更有优势，但其局限于四肢受到影响时，且费用也高得多。当99mTc高钛酸盐静脉注射时，放射同位素方法可用于记录器官或身体部分的血管循环，并用闪烁摄像机监测其分布。热像图法和放射性同位素法是互补的，他们不能进行精确的剂量评估，但有助于评估临床损伤的严重程度[10]。

此外，很多新技术日益进步，如毛发皮层细胞计数，正在作为人体部分辐射暴露的指标进行研究[10]。

3.2 应用病例：南京“5．7”192Ir源放射事故患者的临床救治

2014年，苏州大学附属第二医院刘玉龙团队在南京“5．7"192Ir源放射事故患者的临床救治过程中，应用美国Fluke公司生产的Ti 400型红外线热成像仪，在不同时期对右下肢放射损伤区及需要部位进行红外线热成像检查。

患者在受照后的不同时期应用红外线热成像仪对右下肢放射损伤区及相应部位进行检测。结果表明，受照后第13天右大腿所测温度 为35．5～36．8 ℃，较左侧高2～3 ℃；受照后30天，该区温度较左侧高1～2 ℃(图1a)；受照后60 天，该区温度较左侧高1 ℃以下(图1b)，一般来说，温度升高处皮肤逐渐变性坏死。

在治疗过程中，患者右下肢放射损伤伤口持续进展， 经过初期分区换药方案——“三明治”换药法及清创处理，伤口溃疡坏死范围逐步扩大。使用红外线热成像照射提示伤口周围皮温较正常皮肤偏高约1．5 ℃，后持续使用红外线热成像照射，待损伤伤口界限明确后，多次行肌皮瓣移植术，并予脐带MSCs输注的治疗。经过上述治疗，患者右下肢放射损伤伤口及背部取皮区域伤口完全愈合[11]。

图1 受照后不同时间红外线热成像检查结果Fig.1 Results of infrared thermal imaging at different time after exposure

4 红外热成像在医学领域中的应用

表1列出了红处热成像技术在医学领域中的主要应用情况。

表1 红外热成像技术在医学领域中的应用情况Tab.1 Application of infrared thermal imaging technology in medical field

5 结语

红外热成像技术自1957开始应用于医学领域之后，经历了一个快速发展的阶段，尤其是在辐射损伤的防护及诊治、肿瘤的早期诊断、心血管疾病的预后评估、炎性疾病的分析和治疗观察等方面取得了重大的成果。近年来，红外热成像技术在中医领域也有了广泛应用，其与中医的整体观与辨证观的核心理念高度吻合，可以为中医诊断现代化提供思路，但红外热成像技术在中医方面研究尚未形成系统，影响其可推广性，遂值得进一步研究。

虽然红外热成像系统的图像采集仍然受温度、湿度、空气流速等因素的影响，但标准化的测量环境逐渐完善，我们相信红外热成像技术将会对辐射防护及中西医学的发展做出巨大的贡献。