红外成像仪原理.docx

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1、红外成像仪原理一人体产热和散热机制人体产热与散热是保持生理平衡的，因机体内存在着体温的自动调整机制，这种平衡失调就会导致体温的变动。一、产热过程人体的热量来自体内所进行的生物化学反应。由于化学反应的不断进行热量也不断地产生。产热最多的器官是骨骼肌和肝脏。骨骼肌产热量因机体活动状况的不同而有较大幅度变动。肝脏是机体内代谢旺盛的器官，因此产热也很多（宁静状态下，肝脏的血温比主动脉血温高0.4飞.8）。在宁静状态下，机体一些器官产热量的比例大致如下：心脏及呼吸器官16%,肝脏、脾脏及消化器官30%,肾脏5.6%,脑、脊髓18.4%,骨骼肌25%,其它5机产热过程与基础代谢、肌肉活动、内分泌腺激素（甲

2、状腺素和肾上腺皮质激素等）及交感神经活动有关。交感神经剧烈兴奋时，可使代谢率增加40、50%之多。二、人体散热的形式人体绝大多数代谢反应都是放热的，除少部分（4%）之外由其它形式散热，人体向体外散热主要有四种散热形式。1.辐射散热：即机体以放射红外线方式来散热，约占散热总量的44%。除了处于肯定零点度（-273.16）的物体以外，宇宙间全部物体都能放射红外线。人体向四周放射红外线，而四周物体如墙壁等也向人体放射红外线。辐射散热的多少直接取决于体表温度和环境温度之间的平均温度差的大小。当人体四周有高于人体体表温度的物体时，人体表面则从这些物体汲取红外线，体温因而上升，如于炉前作业的工人、烈日下野

3、外劳动者;反之，环境温度过低，散热过多，也会导致体温下降。人体是良好的辐射体，也是良好的汲取体。2 .传导和对流：约占散热的31%。传导是指体热由体表直接传导给与体表相接触的物体，如衣服、床、椅子等。由于这些物体为热的不良导体，就防止了体热的过多丢失。对流系指体热传给与皮肤相接触的空气，即通过空气的流淌来实现的。当体表温度与空气温度相等之后，对流也就停止。对流散热的多少取决于风速。3 .蒸发：约占散热的21机当外界温度等于皮肤温度时前三种散热（辐射、传导、对流）形式基本停止。若环境温度高于皮肤温度，身体表面的水分由液体状态转化为气体状态，这就是蒸发。蒸发通过出汗及不感性蒸发（皮肤、呼吸）来调整

4、。三、人体体表温度的变化1.体壳、体核温度：人体各部分的温度是不同的，体壳部分的温度为体表温度（最外层是皮肤温度）。体核部分（包括心、肺、脑、腹腔器官，肝脏温度最高）的温度为体核温度。皮肤温度是不稳定的，简单受环境温度、衣着等条条件影响，温度波动也较大，不同部位于的差异也较大。体核温度比体表温度高、稳定，不同部位虽也有差异，但多维持在一个较恒定的范围。由体表温度到体核温度之间，存在着温度梯度，当外环境温度变化时,两者间也合消失微妙的变化。如图所示，在外环境20和35时，人体温度分布模式发生显著的变化，即外环境温度上升，体核温度分布范围扩大。2 .体内器官温度差异：体内各脏器温度是有差别的，如肝

5、脏是体内温度最高器官,其温度为38,脑接近38C,肾、胰腺、十二指肠等器官次之，直肠温度更低。体表温度以胸、腹、面部为高，四肢较低；四肢温度上肢下肢，近端远端；躯体温度胸面背面。由于血液循环的缘由，体内各脏器的温度保持相对恒定，趋于全都，因此体核温度可基本上代表深部脏器的温度。图2-1人体温度野A：室温为20oCB：室温为35oC3 .人体体温调整：主要通过体温调整中枢来实现的。体温调整中枢接受来自皮肤等处的传入冲动后，通过对产热和散热两个过程的调整使体温维持正常水平。对产热过程的调整主要是通过骨骼肌紧急度增加及寒战来实现的。而对散热过程的调整主要是通过转变皮肤血流量来完成的。皮下脂肪组织，导

6、热系数甚小，可将其视为身体的绝热系统。机体深部的热量只有通过血流才能传导至皮肤表面。体表皮肤的温度取决于局部血流量和局部组织代谢机能。皮肤血液循环的特点是，分布至皮肤的动脉穿过绝热系统（脂肪），在皮肤乳头下层形成动脉网，皮下毛细血管特别弯曲，进而形成丰富的静脉丛，皮下还有大量的动静脉吻合枝。此外，在人体深层动静脉之间还存在着一个热量交换的逆流机制，即静脉以网状围围着动脉，这样血温高的动脉血，与血温低的静脉血就发生了热量交换，结果使动脉血温度降低，而静脉血温度上升，以削减热量的损失。在打算局部血流量的诸多因素中，小动脉的收缩或舒张状态起了打算性作用，而小动脉收缩或舒张受控于植物神经的调整。因此，

7、除局部血流量、组织代谢外，体表皮肤温度还反映了植物神经功能状态。当上述三个因素消失特别时，首先会在体表温度即皮温上显不出来。其次节生理体温基本规律一、生理温度的基本规律总体上符合中心轴对称的分布规律。各部位生理温度是不同的，就部位于而言，基本规律是：头颈部温度最高;上肢高于下肢；四肢近端高于远端；躯干腹侧面高于背侧面;胸部高于腹部;左胸高于右胸;上腹部高于下腹部;肝区高于脾区。脂肪较多的组织温度较低;骨突部位如颊部、鼻尖部、额骨前、骼骨突等肤温也较低;通气径路如气管、鼻腔亦呈低温。就组织结构而言，脂肪组织呈低温区;肌肉组织愈厚温度愈低;表浅脏器温度高于深层器官；大血管通过区温度增高；动脉高于静

8、脉。个体差异性是一个不行轻视的问题。某些人在身体的不同部位、不同时间、不同生理状态时皮肤温度也有变化。个体差异性使得每个人的热像不尽相同，甚至有人说世界上不存在完全相同的热像。女性体温的变异较大二、生理因素的影响凡是影响局部血流量、组织代谢率的一些因素都会涉及体温的变化（如体育运动,疾病），体表皮肤温度还反映了植物神经功能状态，组织导热性（脂肪导热性差）及生理性压迫（如腰带区）.当上述任何一个因素发生特别时，首先会在体表温度即皮温上显不出来。第三节人体红外辐射特性一、皮肤红外辐射放射率人体红外辐射遵从热辐射定律（详第一章其次节）。人体是一个良好的高效的热辐射体。发射率用e（1.T）来表证。人体

9、在正常37左右时e为0.98-0.99,近似为1。其辐射特性近似于黑体，不断地向四周空间发散着红外辐射能量。在环境温度为21-240C且无气流扰动的空间里，人体热量的散失60%以红外辐射的形式进行的。人体辐射的红外线主要波长集中在3-5Omm,辐射能量的46%在8T4mm中红外波段，最大以量辐射集中于9.35mm四周，可以通过维恩移位定律证明。将人体视为黑体依据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，一成年男性，33C体表面积为1.73m2体表温度33时人体辐射功率为137Wo二、人体对红外线的反射和散射人体对红外反射率平均为0.34（0.55-0.62）,有色素镇静者反射率为0.42,皮肤充血时为0.Mo人体

10、对红外线的散射微不足道，可以不计。三、人体对红外线的汲取取决于红外线的波长和皮肤状态。人体皮肤含70%左右的水，因此可视为与水的汲取光谱相近。当红外线的汲取波长与被辐照物体的波长相对应时，物体分子将产生共振汲取。共振汲取呈现明显的汲取峰。人体皮肤角质层+透亮层汲取率a（当波长为3mm时）这0.59,颗粒层+棘细胞层0.064,基层乳头+真皮a为0.006o四、红外辐射在人体中的穿透深度穿透深度是指人体红外辐射强度下降到表面强度一半时时的深度。水是组成任何生物体的主要成分，因此，任何一种不能透过薄水层的辐射都是无法透过人体组织的。ICnl厚的水层就能将人体的红外线全部汲取。在正常体温下，皮肤对红

11、外的通透只有两个窗口：波长为300-525nm和800T400nm,即这两个波段的红外线简单通过皮肤。这就给红外成像提出了技术上的要求。红外线的穿透力取决于波长，波长愈长，被汲取的愈多，穿透深度也愈小;反之波长愈短，穿透力愈强。远红外绝大部分被人体上皮和真皮层所汲取，一般穿透深度在0.05-lmm,近红外穿透深度达Icm。第四节热成像装置的原理一、热像仪的组成热成像仪大致分两大类，一类为注视型热像仪，另一类为热像仪，后者优于前者。目前市场上供应的主要为热像仪。依据扫描方式不同，热成像仪装置有光机扫描、电子束扫描和固体阵列扫描三种类型，各具特色，工作原理基本全都。从目前状况来看，光机扫描较成熟，

12、固体阵列扫描颇有进展前途。1 .摄像头部：由红外光学系统、光机扫描装置、红外探测器(传感器)、杜瓦瓶致冷系统、前置放大器、同步信号与调焦系统及掌握电路系统等组成。红外探测器是红外热像仪的关键部件，对红外线敏感元件性能的好坏直接影响图像质量。目前常用的是稀镉汞(HgCdTe),此外错(Ge)、硅(Si)、硫化铅(PbS)、锢家碑(InGaAs)铝酸锂(LiTaO3)、锯酸锂(LiNbo3)等。近年来国外又有一些新的材料投入使用。2 .信号处理与显示:摄像头猎取的信号(光信号转变成电信号)，必需经预处理(如放大、滤波等)，由前置放大器和主放大器放大到肯定电平之后便进入信号处理机。同时进入的信号还有

13、同步信号、参照黑体信号等。信号处理机的主要功能是恢复图像信号的直流电平，使信号电平与热像仪所测温度呈对应关系；补偿环境温度对摄像头部的影响。再经计算机处理并显示。为了便于识别，可将通常的黑白灰度图像(10级)转换为不同颜色的图像，称为伪彩色显示。3 .监视器:为显示图像的终端设施,从监视器上可观看由摄像头所猎取的热图像。监视器的扫描必需与摄像头扫描相全都，实现同步扫描。第五节医用热成像仪一、功能影像诊断红外线诊断属影像学诊断之一。当前影像学诊断大致分为两大类：结构影像学和功能影像学。诸如X线、CT、B超、核共振等以观看人体结构转变为主，当人体消失病变或结构变化时，就能作为诊断依据。功能影像学则

14、以功能变化为主，如红外线、核素扫描、液晶热图等。当人体消失功能性变化时，这种变化可能尚未发生任何结构转变，而此时就能供应了诊断的依据。红外热图两者兼而有之，即有功能上的转变也有结构上的转变。二、原理医用热像诊断仪就是接受人体表面在不同部位上辐射出不同强度的红外线，并转换成温度，用来进行疾病诊断和人体功能状态的讨论。血流进入温度较高或温度较低的组织，会与组织进行热交换。热交换率用下式表示B=VGC6P6（T1-T2）V：是血液流过温度为T2的组织体积（没有密度的为1）G：是血液灌注量，即每秒通过每克组织的血量（ITII）C6和P6分别是血液的比热和密度Tl是血液进入组织前的温度，T2是流经组织后

15、的温度由上可见，局部血流量大则温度较高。动脉血来自心脏或大的动脉，温度较高，因此动脉表浅部位热像图呈现高温像;当肢体供血不足，就会呈现低温图像；当血液回流障碍时呈现血液淤滞；当病变涉及血液的流通，会呈现血管走向、迂曲、变形等变化。组织代谢同样产生大量的热，局部组织代谢旺盛产热就增加，则温度高于四周组织,反之则较低。在恶性肿瘤或局部炎症时代谢旺盛（同时还有血液动力的变化），采用热像图可以发觉病变的部位、大小及程度。如对于乳腺疾病的诊断，乳腺癌和乳腺炎的病变，代谢旺盛，血流循环丰富，故红外热图温度较高（两者的鉴别详见第十二章）；而乳腺腺瘤和乳腺增生症则温度上升不显著。简言之，医用红外热像仪的原理是

16、：红外热像诊断仪接收人体表面不同部位辐射的不同强度的红外线，通过红外摄像头的光电效应转化为电磁信号，经过计算机整理，回归为热图显示在计算机屏幕上，用以测量人体不同部位的温度。同时将电磁信号贮存在计算机的磁盘或软盘上，贮存的信息又可传输到打印机上，运用彩色喷涂技术，以伪彩色图形式打印出来。依据温度变化状况、形态，用以帮助诊断疾病和了解人体功能状态。热成像装置的三种扫描方式（1）光机扫描（2）电子束扫描（3）固体阵列扫描图WP-95型红外热像仪结构示意图三、热成像仪的优缺点红外热图的优点1.红外热像仪系被动接受人体的自身辐射而形成热图像，在摄取热图像过程中，人体不接受X线、超声波、电磁波的作用，这种诊断方法对人体肯定无害，可用于各类病人，包括孕妇、胎儿，可随便频繁使用。俄罗斯发生核泄漏后，目前有用红外成像仪取代X线的趋