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医用红外线热成像技术的物理学原理分析与研究

2020-03-24刘莉秦学姣章庆勇

科技创新与应用 2020年9期

刘莉 秦学姣 章庆勇

摘  要:近些年来,红外线热成像技术逐渐完善,开始应用在各行各业中,并取得了良好的成果,尤其是在医学的应用上。文章简略分析了红外线热成像技术在当前我国各个领域中的应用,并针对其医用的物理学原理展开了研究与分析。同时还针对当前医用红外线热成像技术存在的问题提出了几点改进措施。

关键词:红外线热成像;医学应用;物理学原理

中图分类号:TN219         文献标志码:A         文章编号: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

红外线热成像技术是本世纪最伟大的发明之一,它的出现使得无时无刻不在交换热量的世间万物能够在该技术的运用下,对肉眼不可见的变化进行检测与诊断。特别是医用红外线热成像技术,其主要成就体现在红外热像仪上,对医疗行业的进步有着重要作用。

1 红外线热成像技术的应用

在人类的日常生活当中,只要是存在温度高于绝对零度的物体,它就会向周围辐射红外线以实现传递热量的目的,同时还会严格遵循基尔霍夫定律,与普朗克量子力学所假设的辐射公式相符合。该公式指的是因为不同类型的物品所具有的温度各不相同,所以使得物体拥有不同的波长分布以及辐射强度等。所谓的红外线热成像技术便是对大自然中所需要探索物体的红外辐射能量进行采集,接下来使其辐射能转变为电能,通过信号的合理转换,运用相关软件以及技术,分析电信号并对其进行科学的处理,使其能够直观的显示在计算机屏幕当中,为工作人员提供数据信息等參考。当今社会红外线成像技术应用的领域广泛,包括对电气设施、机械零件以及机械设备的故障检测,还有在医学方面,对相关疾病的监控与预防和人体健康状况的检测。除此以外,在产品鉴定方面红外线热成像技术也起着重要的作用。在医学方面,红外线热成像仪的应用主要体现在红外热像仪上,通过该设备的运用,实现对人体健康状况的检测。

在红外线热成像仪的运用中,主要是利用其红外探测器对人体中红外线的辐射情况进行探测,将人体所辐射出的红外能收集起来,再将能量信号转换,并且利用相关的软件和技术,使其呈现在红外热像仪的屏幕上。当人体的组织器官受到损害产生病变时,周边的皮肤极易因为病变发生温度的变化。因此,当不同人体部位出现温度不同的情况时,温度分布热像图将会呈现出不同的色彩,便于医者对病人病情进行直观的观察。通过研究红外热像仪上显示的温度变化,对患者所患疾病以及患病的程度进行详细了解,最终诊断出病人的身体健康状况[1]。例如,在对颈痛患者的临床检查中便可以采用红外线热成像技术,通过摄像机摄像、红外线投照以及计算机分析等手段能够尽早的发现患者颈椎部位的病患,并及时采取预防以及治疗措施。在使用红外线热成像技术时,应选取温度适宜、无阳光直射的环境。患者脱去上身衣物,等到情绪稳定之后再实施检测。患者呈站立状态,背正对红外摄像机,屏气数秒,便可以得到颈肩部红外图像。

2 医用红外线热成像技术的物理学原理分析

任何物体都会产生红外线辐射,通过使用红外线探测仪能够收获目标与背景之间所存在的红外线差图像,红外热成像指的是把目标物体表面温度的空间分布转变成能够人类视线所感知的温度分布图。物体表面温度的高低在一定程度上决定着物体热辐射能量的大小,对物体进行温度测量以及状态分析的过程就是对物体开展辐射能量探测的过程。物体本身所具有的温度越高,则会辐射越强的红外能量,其关键问题便是找出温度与物体所辐射能量之间的函数关系,再通过各种手段对二者的关系进行分析,进而为红外线热成像技术在医学中的有效运用提供科学的理论依据,更好地促进我国红外热像仪的研究进程。

通过对红外线热成像技术在当前医学领域的运用和设计的相关物理学原理来看,为了能够完成对人体健康情况的有效检测,当前设备极易完成的过程包括以下两点。第一,是利用红外探测器对人体所辐射出的红外能量进行采集,利用红外探测仪上的光敏元件采集患者皮肤表面上不同温度的信息。第二,对于由光电设备转换电信号的图像输出过程,通常仅需将电信号通过信号放大器进行放大,然后通过滤波器对不想要的信号频率进行滤波,最后可以将其滤除,直观地显示在显示屏上。因此,最困难的部分在于对收集信号的处理和分析系统的设计方面,而处理和分析系统最重要的部分,乃是红外辐射强度与温度变化,并且有效地建立其它们之间的关系,由此需要对以下两点进行考虑。

2.1 建立黑体发射的辐射能量与温度之间的关系

通常的方法是建立起修正表格来校正二者之间的相关参数,再通过检测其中的辐射能计算温度值。从普朗克辐射定律看来,黑体辐射能与黑体表面温度之间所存在的函数关系不是线性的,但可以利用普朗克公式、斯武藩定律以及维恩位移定律对其计算。接下来将其放置在标准相同的测试环境中,对黑体在不同情况下的温度进行测试,同时比较计算值以及测量值之间的关系,可以通过检查温度曲线明确二者之间所存在的误差,从而获得合理的相关系数。在随后的温度测量中,通过检测黑体的红外辐射能量并获取存储相关参数的校正系数,能够计算出更加精确的温度值。

2.2 红外热像仪内部辐射等因素的补偿

尤其是在被测物温度较低的情况下,为了能够确保測量数据的科学精确,有必要在一定的温度条件下,基于总的红外辐射能消除环境因素和红外热像仪光学组件本身的热辐射,以及光学元器件在进行辐射能量传递过程中的衰减,依据在相关实验中对于内部辐射补偿与否引起的最终温度误差比较,进而体现出红外热像仪内部辐射因素补偿的重要性。但是,在实际工作中,因为不同的设备具有不同的使用寿命,再加上红外能量探测器的生产厂家拥有不同的生产标准,以及设备内部相关组件的老化问题,选择更精确的内部辐射补偿函数更加困难。为了确保设备内部相关光学组件的辐射补偿的科学性与准确性,通常情况下所采取的措施是在红外热像仪的内部相关组件上安装温度传感器,然后使用不同的微处理器对不同部分不同组件实现热辐射的补偿。最后再将其数据汇总到设备所产生的红外热能的总和当中,进而实现更精确的温度测量。

3 现阶段医用红外技术存在的问题与优化路径

目前,红外热像仪的运用日益普及,在医学方面的应用属于生命科学领域的研究,对于从黑体理论在纯物理中的应用得出的生物温度测量的原理和方法,全辐射温度检测的物理原理和单色辐射温度是否可以直接将物理检测原理在物体的表面上应用有必要进一步研究。但是生物学中具有新陈代谢和生命力的有机分子与物理学中普遍意义上的物质表面存在着诸多不同之处,其最根本的区别便是物质中的分子和原子具有特定的振动模式,以及特定的能量跃迁过程。可以使用经典物理学、量子物理学的理论和方法定性和定量地研究其振动的能量以及能量的辐射过程,但是生物体内部以及表面有机大分子的红外光产生原理也应具备其自身的规律。目前,还没有人根据生物学定律对其进行深入研究并建立自身理论,相反,他们都是对黑体辐射理论进行修改后直接将其应用于生物体的表面,但该理论的基础并不牢固,甚至有些牵强[2]。

现如今,红外测量技术的理论方法是根据黑体辐射中的斯蒂芬-玻尔兹曼定律所得出的,处于理想状态的公式表明了,从物理意义上来说,当处于近似黑体情况下,物体表面的黑体辐射能量在不同温度下依照波长分布的基本定律。但是生物体表面与黑体的辐射定律有着很大的不同,由此可见将此理论在生物体表面上进行直接应用,其理论基础将会得到多数人的质疑,尽管人们在应用此理论的过程中为了符合实际的测量结果引入了多个修正因子对其进行修正,但仍然具有许多不合理的地方。如今,在市场中投入使用的医用红外热像仪在物体表面上所测量出的参数并非是生物体表面所具有的真实温度,而分别是在对生物体表面的辐射温度、颜色温度、辐射亮度温度进行测量之后,在该数据的基础上推测出生物体表面所产生的真实温度[3]。

生物体表面具有的辐射发射率和在物理学中对物质的表述不同,故而运用物理学中的物质表面的发射率并不能精准地揭示出生物学现象。生物体表面的发射率与辐射波长、表面状态以及组成等因素有着密切的联系,与此同时它还和诸如体内温度和背景温度之类的复杂条件有关。同时生物体的表面状态与物理学原理所描述阐述的稳定表面状态有些差别,每时每刻随其外部与内部条件变化而发生变化,所以难以科学准确地评估生物体表面的辐射发射率。因此,在后续针对该问题的研究中,应加强对建立生物体表面辐射发射率计算模型的思考,并实现对其精确的修正。

4 结束语

总而言之,红外线热成像技术在医学上的应用非常广泛,本文重点阐述了红外线热成像技术在物理学上的应用原理以及测量方法,并对当前红外线热成像技术存在的问题进行了探讨,相信在未来科技不断地进步中,能够使相关设备得到进一步优化,从而在医学方面更加造福于社会。

参考文献:

[1]王泊宁,樊碧发.医用远红外线热成像在疼痛科的应用[J].中老年保健,2017(2):20-21.

[2]刘丽娟.医用红外线热成像技术的物理学原理探析[J].科技展望,2017(5):158.

[3]任军,翟慧华,钱江.红外线热成像用于判断硬膜外麻醉痛觉平面变化的临床研究[J].包头医学院学报,2019,35(03):10-11.