一、红外热成像-概述

医用红外热成像

一、医用红外热像仪技术原理

凡是温度高于绝对零度的物体均发射出红外辐射。人的体温37?，人体皮肤的发射率0.98，可近似为一种300K的黑体。当室温低于体温时，人体即通过皮肤发射出肉眼看不见的红外辐射能量，该能量的大小及分布与温度成正比。当人，体某些部位患病时，通常存在温度的变化，有的温度升高(如炎症，肿瘤等)，有的温度降低(如脉管炎，动脉硬化等)。借助于红外成像技术可以清晰地、准确地，及时地发现人体由于不同原因而引起的微小的温度变化。

红外热成像技术发明的初期，主要用于军事目的，用于夜间的战场观察和射击瞄准，即所谓的“夜视仪”。二十世纪六十年代，美国和英国先后开始了红外成像医学诊断的应用探索;接着, 欧洲各国和日本纷纷投入人员和经费，大力开发红外成像技术国内外市场。目前，在欧美等发达国家，医学红外成像诊断技术己得到很大发展，已形成现代医学中的一门新学科--红外成像诊断学。它与以往的组织形态学影像技术不同，开辟了以功能学为主的医学影像新领域，在扫描成像过程中对人体无介入、无损伤，对环境无污染、无干扰，因而是真正的“绿色”仪器。红外热像技术与其他影像技术相互补充，但任何其他影像也不能替代它。随着它的推广应用和发展，将逐步成为继X-光、CT、MRI、彩超、核磁共振等医学影像技术之后的又一突破，并造福于人类的健康事业。

二、医用红外热像仪应用领域

健康普查

检测身体潜在的亚健康状态，起到科学预警、疾病筛查作用。

恶性肿瘤 鼻咽癌、胃癌、肝癌、结肠癌、乳腺癌等12种肿瘤早期诊断、预测与恶性期监测。 血管疾病

脑供血不足、早期脑梗塞、心肌供血不足及周围血管疾病。

周围神经疾病

面肌痉挛、面瘫、偏头痛、三叉神经痛的提示等。

脊柱相关疾病

颈椎病、腰椎病、强直性脊柱炎、腰肌劳损、肌肉韧带损伤。

中医

为中医八钢辩证提供客观的影像学依据，可指导针灸选穴及进行疗效评估。

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热成像技术在医疗领域中的应用

一、医用热像图的理论基础

热成像技术（Thermography）又称温差摄影，是利用红外辐射照相原理研究体表温度分布状态的一种现代物理学检测技术。与精密的解剖学相比，热成像系统在反映人体生理的改变以及新陈代谢的进程方面有着独一无二的特性。

人是恒温动物，能维持一定的体温。用物理学的观点来看，人体就是一个自然的生物红外辐射源。它不断地向周围空间发散红外辐射能。当人体患病或某些生理状况发生变化时，这种全身或局部的热平衡受到破坏或影响，于是在临床上表现为组织温度的升高或降低。因此测定人体温度的变化，也就成为临床医学诊断疾病的一项重要指标。

医用热成像技术就是采用焦平面热探测器阵列（或光机扫描）将红外辐射能量转为电子视频信号，经过处理后形成被测物体的红外热图像，这种图像可在彩色监视器上显示，同时可送入计算机进行相应的数据处理，或存贮在硬盘或软盘上，也可由打印机打印成照片。红外热像图的诊断原理正是利用红外辐射能照相来研究体表温度分布状态，并将病变时的人体热像和正常生理状态下的人体热像进行比较，从而为某些疾病的诊断提供客观依据。

红外热成像探测的是人体自身皮肤辐射出的红外线，检查时既无创伤，又无不适，快速方便。它是绝对被动和不伤害人体的，这一点对于诊断工具来说，是非常重要的。

二、医用热像仪的应用领域

从热像仪的工作原理可知，热像仪探测的是人体表面的热辐射，皮肤是一个良好的红外辐射体，其比辐射率可达0.99以上，所以，体内器官的温度差异是可以经过热传导至体表从而被热像仪探测到的；同时，当体内深层器官的病变严重时，在体表也能探测到温度的差异，因此，医用热像仪不仅能诊断体表或接近体表的一些疾病，如皮肤、乳房、甲状腺肿瘤、血管疾病、关节病变等，而且对深层器官疾病的病变也起到很好的临床诊断作用。

2014至2015学年第一学期

光电成像原理与技术期末作业

题目： 红外成像技术的发展及应用

学 院：电子与电气工程学院

专 业：电子信息工程

班 级：119411班

姓 名：杨发明

学 号：1109635010

指导老师：胡雪梅

日 期：2014年11月10

红外成像技术的发展及应用

红外线，又称红外辐射，是指波长为0.78~1000微米的电磁波。其中波长为2~1000微米的部分称为热红外线。

从1800年，英国物理学家赫胥尔发现了红外线后，开辟了人类应用红外技术的广阔道路。在第二次世界大战中，德国人用红外变像管，研制出了主动式夜视仪和红外通信设备，为红外技术的发展奠定了基础。

二次世界大战后，首先由美国德克萨斯仪器公司（TI）在1964年首次开发研制成功第一代用于军事领域的红外成像装置，称之为红外寻视系统（FLIR）。它是利用光学机械系统对被测目标的红外辐射扫描，由光子探测器接收两维红外辐射，经光电转换及处理，最后形成热图像视频信号，并在荧屏上显示。六十年代中期，瑞典AGA公司和瑞典国家电力局，在红外寻视装置的基础上，开发了具有温度测量功能的热红外成像装置。这种第二代红外成像装置，通常称为热像仪。七十年代，法国汤姆荪公司又研制出，不需致冷的红外热电视产品。 1986年，瑞典研制出工业用的实时成像系统，它无须液氮或高压气，而以热电方式致冷，可用电池供电;1988年又推出全功能热像仪，它将温度的测量、修改、分析、图像采集、存储合于一体，重量小于7kg，使仪器的功能、精度和可靠性都得到了显著的提高。九十年代中期，美国FSI公司首先研制成功由军用转民用并商品化的新一代红外热像仪，它是属焦平面阵列式结构的一种凝视成像装置，技术功能更加先进，现场测温时只需对准目标摄取图像，并存储到机内的PC卡上。各种参数的设定，可回到室内用软件进行修改和分析，最后直接得出检测报告。由于取代了复杂的机械扫描，仪器重量已小于2kg，如同手持摄像机一样，单手即可操作使用。随着红外焦平面阵列技术的迅速发展，美、英、法、德、日、加拿大、以色列等西方发达国家都在竞相研制和生产先进的红外焦平面阵列摄像仪，其中美国在红外焦平面阵列传感器的发展水平方面处于遥遥领先地位，其焦平面阵列规模已大达2048×2048元，已接近于可见光硅CCD摄像阵列的水平。日本在世界上最先实现了100万像元集成度的单片式红外焦平面阵列，在品种方面，从HgCdTe、InSb、GaAlAs/GaAs量子阱和PtSi到非致冷红外焦平面阵列等种类产品推向市场，抢占商机;

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1 红外热成像仪测试方法比较说明

1、测试类型

A 可变标靶测试系统

B 可变距离测试系统

可变标靶测量系统一般是把各种标靶安装在可转动轮上，通过红外平行光管进行放大，红外热像仪放置在红外平行光管的输出端，标靶在红外平行光管的输入端。红外热像仪和标靶的距离通常比较短，在平常的观察距离之内，由于红外平行光管的作用，热像仪与标靶的距离是却是非常远的。

平行光管使对红外热像仪的长测试能在很短的距离内进行，因此红外热像仪可以准确的对准标靶。因此，测试类型A又可以细分为两种：

1． 平行光管可变标靶测试系统（图1，图2）

图1

图2

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2． 可变标靶直接瞄准系统（图3，图4）

图3

图4

可变距离测试系统通过标靶的图像可直接测试热像仪的性能，类似于直接聚焦于可变标靶系统（图5，图6），但是可变距离测试系统没有红外平行光管，因此需要客户有足够的距离来测试热像仪，也就是说，若要对红外热像仪进行中、长范围的性能测试，那距离需要大于50m。假设红外热像仪的日常焦距为5－10m，那测试红外热像仪性能的距离最好小于1m。

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图5

图6

三种方法各有特点

平行光管可变标靶测试系统（或可变标靶系统）是测试红外热像仪的经典方法，由于热惯量的作用，无论何种红外热像仪，都可用平行光管可变标靶测试系统来进行评估。但这种方法多用于实验室条件下，多用于对中长焦红外热像仪的测量（如THV2000）。

可变标靶直接瞄准系统的优点是由于无需红外平行光管，因此低成本，小体积，一般用于短焦红外热像仪的测量(如：P30、E30、P65)

可变距离测试系统由于体积小，质量轻，适合于户外应用，用便携箱携带即可。但它的测量精度易受环境温度改变的影响。

精确的红外测试，需要保持温度的变化在1mK以下，因此，只有黑体和高稳定的红外测试系统才能达到此要求。