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能力拓展训练红外技术在医学上的应用

目录2

摘要I

AbstractII

绪论1

1红外技术2

1.1红外技术简介2

1.2红外技术简史2

1.3红外技术的其他应用3

1.3.1军事应用3

1.3.2民用4

2红外技术在中医学上的应用5

2.1在望诊研究中的应用5

2.2穴位与艾灸研究6

2.3临床辨证论治研究6

2.4红外热像技术在实验动物方面的研究7

3红外光谱在医学中的应用8

3.1傅里叶变换红外光谱分析技术在预防医学领域的应用8

3.2现代近红外光谱分析技术在制药工艺及临床医学中的应用9

4红外热像仪10

4.1红外热成像10

4.2红外热像仪在医学上的应用10

5总结与展望13

参考文献14

摘要

文章主要阐述了红外技术在医学中的广泛应用，如物理治疗、光谱分析、红外热像仪和红外体温计等，除了在西医中的应用以外，红外技术还应用于中医学上，在中医理论和临床实践中有广泛的应用前景，如望诊、穴位艾灸、临床辨证论治和实验动物等。

特别是红外光谱分析技术、红外热像仪介绍在临床应用及制药工业的应用，已经达到相对成熟，对鉴别肿瘤等起到重要作用。

关键词：

红外技术；红外热像仪；红外光谱分析

Abstract

Thearticlefocusesprimarilyoninfraredtechnologywidelyusedinmedicine,suchasphysicaltherapy,spectralanalysis,infraredimagingandinfraredthermometersandsoon.InadditiontoWesternmedicineintheapplications,theinfraredtechnologyisalsousedinmedicine,Chinesemedicinetheoryandclinicalpracticeinawiderangeofapplications,suchasbyinspection,acupuncturemoxibustion,clinicaldiagnosisandtreatmentandexperimentalanimals.Inparticular,infraredspectroscopy,infraredimagingandclinicalapplicationsdescribedintheapplicationofthepharmaceuticalindustry,hasreachedarelativelymatureandplayanimportantroleinidentifyingtumors.

Keywords:

Infraredtechnology;Infrared;infraredspectroscopy 

绪论

早在1800年，赫胥尔在一次物理实验时，意外的发现了红外辐射，人类才刚刚获得这种新的感知，认知到这种不可见光的存在，于是黑暗突然不再存在，纵然是漆黑之夜，到处都闪耀着从一切物质不断发射出来的红外辐射的光芒，红外技术的发展有着较长的历史，但直到二十世纪末才逐渐形成为一门独立的综合性工程技术，上世纪六十年代后期，红外技术在军事，科学，工农业生产，医学，等各方面的应用都有了较快的发展，并且显示巨大的潜力。

热技术在医学领域的研究早在1870年，世界上诞生了能够测知人体温度的水银温度计开始达到高潮，提示人们人体的体温是何等的重要，也驱使成千上万的科学家，用更加先进的方法和手段来研究人的体温和及其分布，想从中探讨人的生命的秘密，这种研究和探讨孕育和推动了医用红外热像技术的诞生和发展。

1936年红外热像技术开始在临床上使用，1961年十月，英国伦敦的一名医学专家用红外扫描以拍摄了世界上第一张乳腺癌的热像图并发表了报告，引起了世界各国的广泛关注。

医用红外热像仪技术在我国起步较晚，1976年以前还是一片空白，直到上世纪80年代，我国才初步有了真正意义上的医用红外热像仪，但由于当时的科学技术条件和生产制造工艺水平，其温度分辨率，空间分辨率，和医学分析软件，都远远不能达到医学深入研究的要求。

随着计算技术和红外热像技术以及各种技术的飞速发展，红外技术在医学领域的研究和应用已扩展到临床的各个领域。

今天科学技术已发展到登峰造极的地步，而所有这些，只有一个目的，就是为人类服务，人类期待长生不老，期待无疾而终，而现实又是如此的无情，人类的生老病死，新陈代谢，是自然规律，这也只好在我们有限的生命里，提高我们的生活质量。

提高我们的健康水平，于是红外热相技术为搜索人类新陈代谢过程，和未来预测医学开启了新的纪元。

1

红外技术

1.1红外技术简介

红外技术就是研究红外辐射的产生、传播、转化和测量及其应用的技术科学。

红外辐射包括介于可见光与微波之间的广阔的电磁波段。

红外技术的内容包含四个主要部分：

①红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的分布；辐射在媒质中的传播特性──反射、折射、衍射和散射；热电效应和光电效应等。

②红外元件、部件的研制，包括辐射源、微型制冷器、窗口材料和滤光片等。

③把红外元件部件组织成系统的光学、电子学和精密机械。

④在军事上和国民经济中的应用[1]。

1.2红外技术简史

1800年，F.W.赫歇耳发现了红外辐射。

此后，红外辐射和红外元件、部件的科学研究逐步发展，但比较缓慢，直到1940年前后才真正出现现代的红外技术。

当时，德国研制成硫化铅和几种红外透射材料，利用这些元件、部件制成一系列军用红外系统，如高射炮用导向仪、海岸用船舶侦察仪、船舶探测和跟踪系统、机载轰炸机探测仪和火控系统、通话设备等。

　　红外探测器的发展是红外技术发展的先导。

1940年以前研制成的红外探测器，主要是热敏型探测器。

19世纪,由于热敏型红外探测器的应用,科学家们认识了红外辐射的特性及其规律，验证了J.C.麦克斯韦的经典的电磁理论。

从黑体辐射的研究导致普朗克的量子假设，从而开创了20世纪的量子物理学。

20世纪初开始，测量了大量的有机和无机物质的吸收、发射和反射光谱，证明红外技术在物质分析中的价值。

30年代，首次出现红外光谱仪，以后发展成在物质分析方面不可缺少的仪器。

　　以硫化铅红外探测器为开端的光电型（光子型）探测器，性能优良、结构牢靠。

50年代半导体物理学的迅速发展，使光电型红外探测器得到新的推动。

到60年代初期,对于1～3、3～5和8～13微米三个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器。

在同一时期内，固体物理、光学、电子学、精密机械和微型致冷器等方面的发展，使红外技术在军事技术上和国民经济建设的各个方面得到广泛的应用。

　　60年代中叶起,红外探测器开始向两个方面发展:

①在1～14微米范围内的探测器,由单元向多元发展。

碲镉汞材料就成为发展多元红外探测器的基础材料。

②响应波段向长波延伸，从几十微米到几百微米以至几千微米。

在15～1000微米波段，大气吸收严重，在野外使用的前途较小，但其科学研究内容丰富。

对于这一波段，已有一些性能良好的探测器可供选用。

在1～3毫米波段，有大气吸收很小的透射窗口，而且可以制造相当强的相干辐射源,因而可以采用外差探测技术,具有重要的应用前景。

　　60年代，激光的出现极大地影响了红外技术的发展。

在这以前，红外技术仅探测到非相干红外辐射。

激光的出现，很多重要的激光都在红外波段，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术。

探测性能比功率探测也高好几个数量级。

雷达和通信等，都有可能在红外波段实现，而且可以得到更高的分辨率和更大的信息容量。

由于这类应用的需要，出现了新的探测器件和辐射传输方式[1]。

1.3红外技术的其他应用

1.3.1军事应用

在军事方面，红外技术也可用于多方面的，如目标探测、通信和夜视等。

（1）红外夜视；

（2）红外制导；

（3）红外通信；

（4）军事侦察；

（5）红外军用机器人[2]。

1.3.2民用

红外技术广泛用于工业、医学和科学研究等许多方面。

（1）热源探测；

（2）医用热像仪；

（3）温度测量与过程控制；

（4）红外光谱分析；

（5）红外加热干燥；

（6）红外遥感；

（7）红外天文学[1]。

2红外技术在中医学上的应用

物理学知识告诉我们，任何物体的温度在绝对零度（-273℃）以上时均有分子的热运动，而分子热运动产生的能量将以红外热辐射能的形式散发。

动物和人体都是热辐射体，在红外热像图上显示出左右温度基本对称的规律。

当他们某一区域发生生理或病理性改变时，该区域新陈代谢将发生变化，其分子热运动也将有所改变：

在分子热运动剧烈的地方温度高，其红外热辐射能也强；相反，分子热运动小的地方，红外热辐射能也弱。

由此，可以通过人体和动物体皮肤温度的变化来推断其所处的生理病理状态。

上世纪80年代以来，红外技术被广泛运用于中医诊断辨证、经络俞穴、实验动物等研究领域。

2.1在望诊研究中的应用

望诊作为中医四诊之首，称“望而知之谓之神”。

可见望诊在中医诊病中起着至关重要的作用。

面部色诊研究，陈振相等用国产HR-2型热像仪对健康人进行了面部红外线辐射量的观测，发现正常人面部红外线辐射量的分布规律和诸脏腑面部反映区的关系，面部各脏腑反映区温度存在一定差别。

而吴敏等用日本产TH1100型高灵敏度红外热像仪对700名学龄期健康儿童进行了面部红外热像望诊。

结果表明正常学龄期儿童在男女性别之间面部温度均值比较无显著差异。

王鸿谟等用瑞典AGA782红外热像仪摄取46例健康青年红外面图，对经改进的传统色不即时温度进行数据测试和数理分析[3]。

舌诊是中医诊断学的重要研究内容之一。

舌诊通过观察舌象了解集体的生理功能和病理变化，并作为辨证论治的依据之一。

传统的舌诊是依靠医生对舌象进行观察、判断、分析、描述，有很大的主观性。

红外线是一种波长大于可见光中红光的电磁波，在应用中具有非接触性、无辐射、无创无损等特点。

红外热像技术为中医舌诊的研究提供了新的技术手段，也为临床诊疗疾病提供了客观依据。

它是通过观察、测定生物体表面温度场和热流的异常来发现或预示病变，故可以利用红外热像仪测定舌面温度场，再通过生物传热计算得其内部温度，进而获取其他参数以使舌诊量化[4]。

从很多研究可以看出，舌温与年龄、性别、舌色、舌面分区、病证及舌血液灌注率等有关系。

目前在中医舌诊研究中所应用的主要是红外热像技术，其他常用的红外诊断技术，诸如红外吸收光谱技术、近红外漫射光密度波技术、近红外时间分辨光谱等则应用不多。

2.2穴位与艾灸研究

穴位研究，邓海平等采用自制高灵敏度PHE201体表红外光谱仪检测健康成年和冠心病患者神门穴红外辐射光谱，结果是冠心病患者的神门穴在多个波长上的红外辐射强度与正常的相比有显著差异。

而张栋等通过红外热像仪发现针刺受试者（面瘫病人和健康人）合谷穴所出现的不同红外现象，观察到针刺人体合谷穴后面部升温显著[3]。

艾灸研究，针灸是人类最早采用的物理治病方法之一。

沈雪勇等采用自制高灵敏度人体红外辐射光谱检测装置，观察人体穴位和艾灸红外辐射光谱。

结果发现扣除黑体辐射本地后，穴位红外辐射光谱上出现2～2.5μm和15μm两个辐射期[3]。

丁光宏等用红外辐射光谱检测装置通过锁相放大技术测到人体不到1cm面积的体表红外辐射光谱。

通过对这些光谱的归一化处理后发现，不同人体和同一人体的不同穴位，尽管其红外辐射绝对光谱及强度相差很大，但归一化光谱都有相当的一致性和可比性[4]。

而邓海平等总数了艾灸与经络穴位红外辐射的特性，得出提示艾灸与穴位红外共振辐射可能是发挥疗效的基础。

2.3临床辨证论治研究

人体内脏发生病变之后，红外面图显示出分布不均匀，左右失去对称性。

经过治疗，病情好转，其红外面图亦随即得到调整，可趋于均匀和对称。

陈振相用红外热像仪观察32例冠心病患者，治疗前，面部红外图像不均匀者占65.63%；治疗后，不均匀者下降为43.75%。

其对称性，治疗前不对称者占21.28%，治疗后不对称者下降为9.34%。

说明红外热像仪可用于观察临床疗效。

2.4红外热像技术在实验动物方面的研究

从张栋用红外热像仪对家兔观察的实验以及杨文涛应用红外技术对大鼠肢体缺血模型动态观察，同时结合动脉造影进行对比分析，可以分别说明红外热成像方法能够用于动物温度分布的实验观察中，也可用于探讨针灸原理的动物实验中；杨文涛实验则说明红外热成像技术能够准确观察到肢体缺血动物模型的肢体皮肤温度在中西医结合治疗下的改善过程[3]。

3红外光谱在医学中的应用

50余年前，为探测疾病的组织光谱学特征，Blout[6]等以及Woernley[7]，研究了匀浆后的组织标本，希望借助红外方法寻找疾病指标。

20世纪50～60年代见证了振动光谱学设备的巨大发展，响应的方法技术开始在分析测试实验室被广泛采用。

在了解相关知识并且接受傅立叶变换方法学进入红外光谱学领域后，光谱学家在20世纪80年代后期再次开始对生命系统进行研究。

这些早期研究的目的是想要建立可以对细菌与真菌等病原菌进行分类和鉴别的光谱学系统。

20世纪90年代早期，首先是由加拿大的Wong等开始致力于探测病理状态下的人体细胞与组织[8]。

3.1傅里叶变换红外光谱分析技术在预防医学领域的应用

预防医学研究的重要任务之一是通过不断创建、引进和应用新的、先进的技术来阐明化学、物理、生物等环境因素对机体的整体、器官、细胞、亚细胞结构、蛋白质、核酸的多终点、多靶位、多层次、多水平的交互作用机理及可能产生的近、远期影响，以生物标志物和预警体系为重点提出环境因素的限量阈值和预防措施。

随着计算机与傅里叶变换红外光谱技术的不断发展，其中具有指纹特性的中红外光谱法已广泛应用于生物大分子和环境污染等领域；而近红外光谱法因其快速、无损、多组分的同时测定而成为2000年匹兹堡会议上反应强烈的四项新技术之一，广泛应用于食品、药品等领域[9]。

傅里叶变换红外光谱分析技术在医学领域的应用是多种多样的，如进行蛋白质二级结构的定量分析与蛋白质构象变化的研究、膜蛋白的研究、脂的红外光谱分析、核酸的红外光谱分析、细胞和组织等复杂体系的红外光谱研究等，其中在细胞和组织等复杂体系的红外光谱研究中，可以从分子水平探讨致病机理，为早期阻断提供科学依据。

3.2现代近红外光谱分析技术在制药工艺及临床医学中的应用

随着近红外光谱技术及计算机软件技术的发展，近红外光谱在制药工业和临床医学中的应用日趋广泛，在制药方面，无论是定性还是定量测定均显示了巨大的应用潜力，其中包括：

药物中活性组分的测定；固体药剂的非破坏性表征；药物生产过程各个阶段的在线监控、原料和产品的鉴定等，而在临床医学方面用于糖料并血糖的检测以及速检大脑缺氧情况一边采取措施[10]。

4红外热像仪

4.1红外热成像

我们人眼能够感受到的可见光波长为：

0.38—0.78微米。

通常我们将比0.78微米长的电磁波，称为红外线。

自然界中，一切物体都会辐射红外线，因此利用探测器测定目标本身和背景之间的红外线差，可以得到不同的红外图像，称为热图像。

同一目标的热图像和可见光图像是不同，它不是人眼所能看到的可见光图像，而是目标表面温度分布图像，或者说，红外热图像是人眼不能直接看到目标的表面温度分布，变成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。

红外热成像技术在医学临床上的应用始于20世纪50年代后期的乳腺肿瘤诊断。

医用红外热成像技术是医学技术、红外摄像技术和计算机多媒体技术结合的产物，是一种记录人体热场的影像装置。

该技术开辟了一种以检查功能为主、但不同于放射核素示踪检查的新的医学影像系统，是现代医学影像的一个崭新分支[11]。

医用红外热成像技术利用红外扫描采集系统接受人体辐射的红外能量，经计算机智能分析和图像处理形成红外热图，以不同的色彩显示人体表面的温度分布，定量地分析温度变化，判断出某些病灶的性质、为止，达到诊断疾病的目的。

4.2红外热像仪在医学上的应用

用红外热成像技术，探测目标物体的红外辐射，并通过光电转换、信号处理等手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备，我们称为红外热成像仪。

红外热成像仪大致分为致冷型和非致冷型两大类。

　目前，世界上最先进的红外热像仪（热成像仪或红外热成像仪），其温度灵敏度可达0.03℃[12]。

医用红外热成像技术是通过红外热像仪被动接受人体发出的红外辐射信息的，因此凡能引起人体组织热变化的疾病都可以用它来进行检查，如癌前期预示、肿瘤的鉴别诊断及普查、心脑血管疾病、外科、皮肤科、妇科、五官科、人体健康状态的综合检查和评估以及对各类疾病的治疗和药物疗效过程及结果的观察、分析等[13]。

表1是日本热像技术学会根据临床应用实践总结出来的红外热像技术的医用范围及诊断原理的标准[14]。

表1红外热像技术的医用范围及其诊断原理

适用范围

诊断原理

肿瘤

（1根据代谢率异常进行鉴别诊断

（2由动静脉吻合所造成的高温皮肤区

血行障碍

（1组织血流量估计

（2血流分布异常

（3由异常血管所造成的温度分布异常

代谢异常

发现组织代谢异常部位

慢性疼痛

发现来自侵害性感受器的慢性疼痛与血管性疼痛及肌肉缺血性疼痛的存在部位的温度异常分布

自律性神经障碍

（1根据自律性神经系统特别是交感神经系统的活动度的神经皮节温度分布进行分析

（2负荷反应分析

炎症

（1发现炎症引起的高温

（2基于指标定量的炎症判定

体温异常

体温异常及体温与末梢温度差异的监视

从表1可以看出红外热像仪在医学上的应用有很多种：

（1）肿瘤鉴别诊断

及早发现是肿瘤治疗的关键，对此医用红外热像技术具有明显的优势。

肿瘤分恶性肿瘤和良性肿瘤两类，恶性肿瘤又分为癌瘤和肉瘤，优势人们把所有的恶性肿瘤统称为“癌症”。

良性肿瘤由成熟细胞组成，生长缓慢，与周围皮肤的温差较小，大多在1℃以内；恶性肿瘤由不成熟细胞组成，血管丰富，代谢旺盛，生长迅速，特别是病变位于浅层者与近周皮肤的温差较大，可高达2℃～3℃之多。

（2）炎症判定

炎症是一种常见的病理现象，红肿热痛是炎症的最常见表现。

急性炎症局部充血，代谢旺盛，其病灶处温度一定是高温；慢性炎症病灶处，由于机化粘连，局部血液循环下降，其温度就会下降；弱慢性炎症病灶急性发作，则会出现高低温交错的情况等。

采用红外成像技术对炎症进行临床诊断可带来许多方便。

（3）血管疾病诊治

红外热像技术在检测血管性病变，特别是肢体血管的供血和功能状态方面具有一定的优势。

集体温度由血液循环状态决定，当血管发生病变时，血运有障碍，皮肤温度降低，热像图能清楚地显示出病变部位及其波及范围，特别是对闭塞性脉管炎、Barger氏病、Raynaud氏病和硬皮病等具有重要的诊断价值。

（4）其他

红外成像技术在医学上航的应用除了上述几个主要方面外，还可扩展至其他能引起人体组织热变化的疾病[13]。

5总结与展望

自从1800年英国天文学家F·W·赫歇尔发现红外辐射至今，红外技术的发展经历了将近两个世纪。

从那时开始，红外辐射和红外元件、部件的科学研究逐步发展，但发展比较缓慢，直到1940年前后才真正出现现代的红外技术。

由于科学家对于红外技术的研究以及激光的出现推动红外技术向更先进的方向发展。

红外技术的应用非常广泛，如红外热像仪、红外摄像机、红外通讯、红外光谱仪、红外传感器等，其中红外热像仪和红外光谱仪就广泛应用于医学领域。

60年代起，红外技术才逐渐发展用于医学领域，目前红外线已被广泛用于医学诊断、检测、治疗及预防保健上。

现阶段红外检测诊断技术、红外校验分析技术、红外治疗技术以及远红外美容、保健[15]上等已经相对成熟，但它们与传统的医学技术还是有时间的差距，但红外技术在医学领域上的前景是光明的。

如医用红外热成像技术是一种新型医用技术,属于功能影像学范围。

该技术与CT、MRI、B超等结构影像学结合，既能了解患者的组织结构情况，又能了解该组织的功能状态，是结构影像和功能影像的结合体，是理想的现代影像学，它是许多病变得到早期发现，疾病规律得到更全面的认识，疾病性质得到更准确的诊断。

当红外热成像技术和红外光谱分析技术更加成熟之时，红外技术将会在医学领域中发挥更大的作用。

红外技术的发展，必然带动医学领域的发展，红外技术对医学领域的贡献会越来越大，所以红外技术在医学领域有着光明的未来。

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本科生能力拓展训练成绩评定表

姓名

性别

专业、班级

能力拓展训练题目：

能力拓展训练答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年月日