一、红外热成像医疗诊断技术发展概况1672年,牛顿发现太阳光(白光)是由各种颜色的光复合而成,他使用分光棱镜就把太阳光(白光)分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色单色光,由此他得出了单色光在性质上比白色光更简单的有名结论。1800年。英国物理学家F、W赫胥尔从热的观点来研究各种色光时,发现了红外线。他在研究各种色光的热量时,有意地把暗室的**的窗户用要板堵住,并在板上开一矩形孔,孔内装一个分光棱镜。当太阳光通过棱镜时,便被分解为彩色光带,并用温度计去测量光带中不同色所含的热量。为了与环境温度进行比较,赫胥尔以在彩色光带附近放几支作为比较用的温度计一来测定周围环境温度。试验中,他偶然发现一个奇怪的现象;放在光带红光外的一支温度计,比室内其它温度计显示的数值高。经过反复试验,这个所谓热量*多的高温区,总是位于光带*边缘处红光的外面。于是他宣布太阳发出的辐射中除可见光线外,还有一种人眼看不见的“专线”。这种看不见的“专线”位于红色光外侧,叫做红外线。红外线是一种电磁波,具有与无线电波和可见光一样的本质。红外线的发现是人类对自然认识的一次飞跃,对研究、利用和发展红外技术领域开辟了一条全新的广阔道路。
二、红外基础知识
1.温度和热
尽管温度和热被人们认为是不同的事物,但有时,它们也会被看作是同一事物,这是因为“在有热存在的地方(能量高的地方)温度就高的缘故”。生活中我们感觉到物体有“冷”“热”区别,但这并不是很准确的。事实上,这种感觉范围是有限度的。当温度高于50-60℃或低于0℃时,要判断温度数值是非常困难的。“温度”这一名称是用来定性描述冷和热的程度。而热既不是冷热的程度,也不是一种物质,它是能量的一种形式。它是由温度来定义的。现在,我们要测定的目标不是热而是温度。可以根据测量的目的而把温度分成检测温度和真实温度。检测温度主要是用于控制生产过程,而这种场合往往不需要测量真实温度,它是保证生产过程每天都能在相同的温度下进行所需要的一种相对温度。
而真实温度就是实际温度,也就是**温度。其物理意义比较复杂,需用热力学定律解释。
2.红外线及热成像
① 红外线
红外线是一种电磁波,其波长一般为0.75微米~1毫米之间(可见光的波长在50纳米~ 0.75微米)。在自然界中任何温度高于**零度(-273度)的物体(包括固、液、气体)都会对外界产生红外辐射,其辐射能量多少和物体材质、自身温度、表面几何形状及表面加工处理情况等因素有关。
红外线分近红外(0.75微米~3微米)、中红外(3微米~6微米)、远红外 (6微米~15微米)、 极远红外(15微米~1000微米)。红外热成像设备通常使用的波段为(3微米~5微米)(8微米~12微米)。这两个波段的大气透过率高。FSI公司生产的医疗诊断用红外热像仪的波长为8微米~12微米。
② 热成像
众所周知,不同的物体,在不同影响因素情况下具有不同的能量辐射,红外成像正是依据此特点,被测物体辐射能量高低(温度大小)通过先进的红外探测器在仪器内部感应而形成热分布图像,能量辐射(温度)高的部分图像就亮,反之则稍暗,如此不难想象,一个物体由无数分子组成,而每一分子都辐射高低不同的能量,经传感器转换,从而排列成进入肉眼的可见光线,由此得出一个基本认识:红外图像即是对温度灵敏的图像,物体温度的高低直接反应出红外图像的亮暗,两者成递增比例关系。这样在高分辨率的仪器上就能清楚看见物体表面在不同状态下的热像图谱。依据这一原理,我们就能凭借成像的明亮并配以两者递增比例关系公式计算就能诊断出物体温度的高低,从而判断设备是否有缺陷问题。
3.温度测量
温度的测量系统分为两类:通过测量仪器与被测物体接触而测定温度的系统,称为接触系统;利用物体的辐射能或电磁特性而不直接接触物体本身来测量温度的系统,称为非接触系统。我们知道,两个不同温度的物体接触在一起,经过相当长的时间,它们的温度会变得相同,这称作“热平衡状态”。在接触系统中,根据热力学定律:“如果两个物体中的每一个都与第三个物体处于热平衡状态,那么这两个物体也处于热平衡状态。”接触系统就是基于这一事实,如果这第三个物体与其它两个物体相比是充分小,并假设热接触对其它物体没有影响,则这第三个物体可被视作是测温计。
非接触系统是利用来自物体的辐射能来测定温度的。非接触式测量温度的原理是很吸引人的,它具有很多优点。在上述的两种系统中,其原理和应用方面存在着许多的不同,各有其优缺点。
三、红外热成像医疗诊断技术的发展
红外热成像技术是从战争中发展起来的。**次世界大战中德国人用红外变像管作为光电转换器件,从而研制主动式夜视仪和各种红外通信设备,为红外技术的发展奠定了基础。
开始由于保密的原因,在发达的国家中也**于**,投入应用的热成像装置可在黑夜或浓厚幕云雾中探测对方的目标,探测伪装的目标和高速运动的目标。由于有国家经费的支撑,投入的研制开发费用很大,仪器的成本也很高。以后考虑到在医疗诊断中的实用性,结合红外探测的特点,采取压缩仪器造价。降低生产成本并根据民用的要求,通过减小扫描速度来提高图像分辨率等措施而逐渐应用到医学领域。
六十年代早期,瑞典AGA公司(现已并入美国FSI公司)研制成功**代医用红外成像装置,它是在红外寻视系统的基础上以增加了���温的功能,重新设计了红外光学系统,以便于近距离医用诊断而成的。
目前在医学领域里,应用热象技术进行医疗诊断已经得到了广泛的应用。如日本,在1981年即应用红外诊断技术进行健康保险估价。1982年,用于“红外医疗成像设备”的日本工业标准(JIS)的草案开始试行。1984年,“日本医学和生物现象研究小组”的诞生,促进了“日本热象测温学会”的成立。这些使红外测温技术稳步地进入医学领域。促成红外测温技术进入医疗领域的原因很多,但重要的原因之一是同X射线和γ射线相比,红外线是利用人体自身的辐射进行诊断,对人体没有任何伤害。
目前在我国这一技术还刚刚起步,市场前景广阔,有待于人们进一步开拓。