劉莉 秦學(xué)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(xué)的應(yīng)用上。文章簡(jiǎn)略分析了紅外線熱成像技術(shù)在當(dāng)前我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，并針對(duì)其醫(yī)用的物理學(xué)原理展開了研究與分析。同時(shí)還針對(duì)當(dāng)前醫(yī)用紅外線熱成像技術(shù)存在的問題提出了幾點(diǎn)改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：紅外線熱成像;醫(yī)學(xué)應(yīng)用;物理學(xué)原理

中圖分類號(hào)：TN219? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(jì)最偉大的發(fā)明之一，它的出現(xiàn)使得無時(shí)無刻不在交換熱量的世間萬物能夠在該技術(shù)的運(yùn)用下，對(duì)肉眼不可見的變化進(jìn)行檢測(cè)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(duì)醫(yī)療行業(yè)的進(jìn)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(dāng)中，只要是存在溫度高于絕對(duì)零度的物體，它就會(huì)向周圍輻射紅外線以實(shí)現(xiàn)傳遞熱量的目的，同時(shí)還會(huì)嚴(yán)格遵循基爾霍夫定律，與普朗克量子力學(xué)所假設(shè)的輻射公式相符合。該公式指的是因?yàn)椴煌愋偷奈锲匪哂械臏囟雀鞑幌嗤?，所以使得物體擁有不同的波長(zhǎng)分布以及輻射強(qiáng)度等。所謂的紅外線熱成像技術(shù)便是對(duì)大自然中所需要探索物體的紅外輻射能量進(jìn)行采集，接下來使其輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，通過信號(hào)的合理轉(zhuǎn)換，運(yùn)用相關(guān)軟件以及技術(shù)，分析電信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的處理，使其能夠直觀的顯示在計(jì)算機(jī)屏幕當(dāng)中，為工作人員提供數(shù)據(jù)信息等參考。當(dāng)今社會(huì)紅外線成像技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域廣泛，包括對(duì)電氣設(shè)施、機(jī)械零件以及機(jī)械設(shè)備的故障檢測(cè)，還有在醫(yī)學(xué)方面，對(duì)相關(guān)疾病的監(jiān)控與預(yù)防和人體健康狀況的檢測(cè)。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(xué)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(yùn)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體健康狀況的檢測(cè)。

在紅外線熱成像儀的運(yùn)用中，主要是利用其紅外探測(cè)器對(duì)人體中紅外線的輻射情況進(jìn)行探測(cè)，將人體所輻射出的紅外能收集起來，再將能量信號(hào)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(dāng)人體的組織器官受到損害產(chǎn)生病變時(shí)，周邊的皮膚極易因?yàn)椴∽儼l(fā)生溫度的變化。因此，當(dāng)不同人體部位出現(xiàn)溫度不同的情況時(shí)，溫度分布熱像圖將會(huì)呈現(xiàn)出不同的色彩，便于醫(yī)者對(duì)病人病情進(jìn)行直觀的觀察。通過研究紅外熱像儀上顯示的溫度變化，對(duì)患者所患疾病以及患病的程度進(jìn)行詳細(xì)了解，最終診斷出病人的身體健康狀況[1]。例如，在對(duì)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(jī)攝像、紅外線投照以及計(jì)算機(jī)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(shí)采取預(yù)防以及治療措施。在使用紅外線熱成像技術(shù)時(shí)，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(shí)施檢測(cè)。患者呈站立狀態(tài)，背正對(duì)紅外攝像機(jī)，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(xué)原理分析

任何物體都會(huì)產(chǎn)生紅外線輻射，通過使用紅外線探測(cè)儀能夠收獲目標(biāo)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(biāo)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(duì)物體進(jìn)行溫度測(cè)量以及狀態(tài)分析的過程就是對(duì)物體開展輻射能量探測(cè)的過程。物體本身所具有的溫度越高，則會(huì)輻射越強(qiáng)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(duì)二者的關(guān)系進(jìn)行分析，進(jìn)而為紅外線熱成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的有效運(yùn)用提供科學(xué)的理論依據(jù)，更好地促進(jìn)我國(guó)紅外熱像儀的研究進(jìn)程。

通過對(duì)紅外線熱成像技術(shù)在當(dāng)前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的運(yùn)用和設(shè)計(jì)的相關(guān)物理學(xué)原理來看，為了能夠完成對(duì)人體健康情況的有效檢測(cè)，當(dāng)前設(shè)備極易完成的過程包括以下兩點(diǎn)。第一，是利用紅外探測(cè)器對(duì)人體所輻射出的紅外能量進(jìn)行采集，利用紅外探測(cè)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(duì)于由光電設(shè)備轉(zhuǎn)換電信號(hào)的圖像輸出過程，通常僅需將電信號(hào)通過信號(hào)放大器進(jìn)行放大，然后通過濾波器對(duì)不想要的信號(hào)頻率進(jìn)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(duì)收集信號(hào)的處理和分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面，而處理和分析系統(tǒng)最重要的部分，乃是紅外輻射強(qiáng)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(duì)以下兩點(diǎn)進(jìn)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(cè)其中的輻射能計(jì)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(duì)其計(jì)算。接下來將其放置在標(biāo)準(zhǔn)相同的測(cè)試環(huán)境中，對(duì)黑體在不同情況下的溫度進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)比較計(jì)算值以及測(cè)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(cè)量中，通過檢測(cè)黑體的紅外輻射能量并獲取存儲(chǔ)相關(guān)參數(shù)的校正系數(shù)，能夠計(jì)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(bǔ)償

尤其是在被測(cè)物溫度較低的情況下，為了能夠確保測(cè)量數(shù)據(jù)的科學(xué)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(xué)組件本身的熱輻射，以及光學(xué)元器件在進(jìn)行輻射能量傳遞過程中的衰減，依據(jù)在相關(guān)實(shí)驗(yàn)中對(duì)于內(nèi)部輻射補(bǔ)償與否引起的最終溫度誤差比較，進(jìn)而體現(xiàn)出紅外熱像儀內(nèi)部輻射因素補(bǔ)償?shù)闹匾浴５?，在?shí)際工作中，因?yàn)椴煌脑O(shè)備具有不同的使用壽命，再加上紅外能量探測(cè)器的生產(chǎn)廠家擁有不同的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，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(bǔ)償函數(shù)更加困難。為了確保設(shè)備內(nèi)部相關(guān)光學(xué)組件的輻射補(bǔ)償?shù)目茖W(xué)性與準(zhǔn)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(duì)不同部分不同組件實(shí)現(xiàn)熱輻射的補(bǔ)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(dāng)中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更精確的溫度測(cè)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(yùn)用日益普及，在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用屬于生命科學(xué)領(lǐng)域的研究，對(duì)于從黑體理論在純物理中的應(yīng)用得出的生物溫度測(cè)量的原理和方法，全輻射溫度檢測(cè)的物理原理和單色輻射溫度是否可以直接將物理檢測(cè)原理在物體的表面上應(yīng)用有必要進(jìn)一步研究。但是生物學(xué)中具有新陳代謝和生命力的有機(jī)分子與物理學(xué)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(dòng)模式，以及特定的能量躍遷過程?？梢允褂媒?jīng)典物理學(xué)、量子物理學(xué)的理論和方法定性和定量地研究其振動(dòng)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(jī)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(xué)定律對(duì)其進(jìn)行深入研究并建立自身理論，相反，他們都是對(duì)黑體輻射理論進(jìn)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(qiáng)[2]。

現(xiàn)如今，紅外測(cè)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(dāng)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(zhǎng)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(jìn)行直接應(yīng)用，其理論基礎(chǔ)將會(huì)得到多數(shù)人的質(zhì)疑，盡管人們?cè)趹?yīng)用此理論的過程中為了符合實(shí)際的測(cè)量結(jié)果引入了多個(gè)修正因子對(duì)其進(jìn)行修正，但仍然具有許多不合理的地方。如今，在市場(chǎng)中投入使用的醫(yī)用紅外熱像儀在物體表面上所測(cè)量出的參數(shù)并非是生物體表面所具有的真實(shí)溫度，而分別是在對(duì)生物體表面的輻射溫度、顏色溫度、輻射亮度溫度進(jìn)行測(cè)量之后，在該數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上推測(cè)出生物體表面所產(chǎn)生的真實(shí)溫度[3]。

生物體表面具有的輻射發(fā)射率和在物理學(xué)中對(duì)物質(zhì)的表述不同，故而運(yùn)用物理學(xué)中的物質(zhì)表面的發(fā)射率并不能精準(zhǔn)地揭示出生物學(xué)現(xiàn)象。生物體表面的發(fā)射率與輻射波長(zhǎng)、表面狀態(tài)以及組成等因素有著密切的聯(lián)系，與此同時(shí)它還和諸如體內(nèi)溫度和背景溫度之類的復(fù)雜條件有關(guān)。同時(shí)生物體的表面狀態(tài)與物理學(xué)原理所描述闡述的穩(wěn)定表面狀態(tài)有些差別，每時(shí)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(xué)準(zhǔn)確地評(píng)估生物體表面的輻射發(fā)射率。因此，在后續(xù)針對(duì)該問題的研究中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)建立生物體表面輻射發(fā)射率計(jì)算模型的思考，并實(shí)現(xiàn)對(duì)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(xué)上的應(yīng)用非常廣泛，本文重點(diǎn)闡述了紅外線熱成像技術(shù)在物理學(xué)上的應(yīng)用原理以及測(cè)量方法，并對(duì)當(dāng)前紅外線熱成像技術(shù)存在的問題進(jìn)行了探討，相信在未來科技不斷地進(jìn)步中，能夠使相關(guān)設(shè)備得到進(jìn)一步優(yōu)化，從而在醫(yī)學(xué)方面更加造福于社會(huì)。

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