作者：孙涛,李洪娟
出版社：中国中医药出版社
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亚健康红外热成像测评试读：
前言
亚健康状态是一种人体生命活力和功能的异常状态，不仅表现在生理功能或代谢功能的异常，也包含了心理状态的不适应和社会适应能力的异常，其最大的特点就是尚无确切的病变客观指征，但却有明显的临床症状。这种处于健康和疾病之间的状态，自20世纪80年代被苏联学者称为“第三状态”这个新概念以来，得到国内越来越多学者的认同与重视，并将其称为“亚健康状态”。亚健康主要表现在三个方面，即身体亚健康、心理亚健康和社会适应能力亚健康。亚健康是一个新概念，“亚健康”不等于“未病”，是随着医学模式与健康概念的转变而产生的，而“未病”的概念是与“已病”的概念相对而言的，既非已具有明显症状或体征的疾病，亦非无病，而是指机体的阴阳气血、脏腑功能失调所导致的疾病前态或征兆。未病学主要讨论的是疾病的潜伏期、前驱期及疾病的转变或转归期等的机体变化，其宗旨可概括为“未病先防，既病防变”，从这一点上看可以说中医“未病”的内涵应当是包括了亚健康状态在内的所有机体阴阳失调但尚未致病的状态。总体上讲，亚健康学是运用中医学及现代医学与其他学科的理论知识与技能研究亚健康领域的理论知识、人群状态表现、保健预防及干预技术的一门以自然科学属性为主，涉及心理学、社会学、哲学、人文科学等多个领域的综合学科。
随着社会的发展和科学技术的进步，人们完全突破了原来的思维模式。医学模式也发生了转变，从原来的纯“生物医学模式”转变为“社会-心理-生物医学模式”，使得西医学从传统的“治疗型模式”转变为“预防、保健、群体和主动参与模式”；另外，世界卫生组织对健康提出了全面而明确的定义：“健康不仅是没有疾病和虚弱，而且是身体上、心理上和社会适应能力上三方面的完美状态。”从而使对健康的评价不仅基于医学和生物学的范畴，而且扩大到心理和社会学的领域。由此可见，一个人只有在身体和心理上保持健康的状态，并具有良好的社会适应能力，才算得上是真正的健康。随着人们的观念进一步更新，“亚健康”这个名词已经越来越流行，你有时感觉心慌、气短、浑身乏力，但心电图却显示正常；不时头痛、头晕，可血压和脑电图却没有什么问题，这时你很可能已经处于“亚健康”状态。
据中国国际亚健康学术成果研讨会公布的数据：我国人口15%属于健康，15%属于非健康，70%属于亚健康，亚健康人数超过9亿。中国保健协会对全国16个省、直辖市辖区内各百万人口以上的城市调查发现，平均亚健康率是64%，其中北京是75.31%，上海是73.49%，广东是73.41%，经济发达地区的亚健康率明显高于其他地区。面对亚健康状态，一般西医的建议都是以改善生活方式或工作环境为主，如合理膳食、均衡营养以达到缓解症状的目的，但是需要的时间比较长，且依赖个人的自律。而中医的特色在于可以不依赖西医的检测，只根据症状来调整。它的理念是“整体观念，辨证论治”，随着被治疗者的年龄、性别、症状等的不同，调理和干预的方法也各不相同。中医更强调把人当作一个整体，而不是“头痛医头，脚痛医脚”。因为亚健康状态本身就是一种整体功能失调的表现，所以中医有其独到之处。中医理论认为，健康的状态就是“阴平阳秘，精神乃治”，早在《黄帝内经》中就有“不治已病治未病”的论述，因此调整阴阳平衡是让人摆脱亚健康状态的总体大法。
社会需求是任何学科和产业发展的第一推动力，因此，近几年来亚健康研究机构和相关服务机构应运而生，蓬勃发展。但由于亚健康学科总体发展水平还处于起步阶段，目前的客观现状还是亚健康服务水平整体低下，亚健康服务手段缺乏规范，亚健康服务管理总体混乱，亚健康专业人才严重匮乏，尤其是亚健康专业人才的数量匮乏和质量低下已成为制约亚健康事业发展的瓶颈。突出中医特色，科学构建亚健康学科体系，加强亚健康专业人才的培养，是促进亚健康事业发展的一项重要工作。由此，我们在得到国家中医药管理局的专题立项后，在中和亚健康服务中心和中国中医药出版社的支持下，以中华中医药学会亚健康分会、湖南中医药大学为主，组织百余名专家、学者致力于亚健康学学科体系构建的研究，并着手编纂亚健康专业系列教材，以便于亚健康人才的培养。该套教材围绕亚健康的中心主题，以中医学为主要理论基础，结合现代亚健康检测技术和干预手段设置课程，以构筑亚健康师所必备的基础知识与能力为主要目的，重在提升亚健康师的服务水平，侧重培训教材的基础性、实用性和全面性。读者对象主要为亚健康师学员和教师；从事公共健康的专业咨询管理人员；健康诊所经营管理人员；从事医疗、护理及保健工作人员；从事保健产品的生产及销售工作人员；从事公共健康教学、食品教学的研究与宣教人员；大专院校学生及相关人员；有志于亚健康事业的相关人员。
亚健康专业系列教材第一批和第二批包括16门课程，具体为：
第一批：（1）《亚健康学基础》，为亚健康学科体系的主干内容之一。系统介绍健康与亚健康的概念、亚健康概念的形成和发展、亚健康的范畴、亚健康的流行病学调查、未病学与亚健康、亚健康的中医辨证、中医保健养生的基本知识、亚健康的检测与评估、健康管理与亚健康、亚健康的综合干预、亚健康的研究展望等亚健康相关基础理论。（2）《亚健康临床指南》，为亚健康学科体系的主干内容之一。针对亚健康人群常见症状、各种证候群和某些疾病倾向，介绍相对完善的干预方案，包括中药调理、饮食调理、针灸调理、推拿按摩、运动调理、心理调理、音乐调理等。（3）《亚健康诊疗技能》，为亚健康学科体系的主干内容之一。介绍临床实用的亚健康诊疗技能，如各种中医常见诊断方法、常用心理咨询的一般理论与方法技巧、各种检测仪器与干预设备、针灸、火罐、水疗、推拿按摩、刮痧、整脊疗法、气功等。（4）《中医学基础》，为亚健康学科体系的辅修内容之一。系统介绍中医的阴阳学说、五行学说、气血津液学说、藏象学说、病因病机学说、体质学说、经络学说、治则与治法、预防和养生学说、诊法、辨证等中医基础理论。（5）《中医方药学》，为亚健康学科体系的辅修内容之一。着重介绍与亚健康干预关系密切的常用中药和常用方剂的功效、主治、适应证及注意事项等。（6）《中医药膳与食疗》，为亚健康学科体系的辅修内容之一。以中医药膳学为基础，重点介绍常见亚健康状态人群宜用的药膳或食疗方法及禁忌事项。（7）《保健品与亚健康》，为亚健康学科体系的辅修内容之一。介绍亚健康保健品的研发思路及目前市场常用的与亚健康相关的保健品。（8）《足疗与亚健康》，为亚健康学科体系的辅修内容之一。着重介绍亚健康足疗的基本概念、机理、穴位、操作手法及适应的亚健康状况。（9）《亚健康产品营销》，为亚健康学科体系的辅修内容之一。介绍一般的营销学原理、方法与语言沟通技巧，在此基础上详细介绍亚健康产品营销技巧。（10）《亚健康管理》，为亚健康学科体系的辅修内容之一。包括国家的政策法规、亚健康服务机构的行政管理、亚健康服务的健康档案管理等。
第二批：（11）《亚健康刮痧调理》，为亚健康学科体系的辅修内容之一。介绍了刮痧的基础知识和基本手法，并详细阐述了常见亚健康的刮痧调理方法。（12）《亚健康经络调理》，为亚健康学科体系的辅修内容之一。介绍了经络的基础知识和经络调理的基础手法，并系统阐述了不同经络亚健康的推拿、按摩、点穴手法。（13）《亚健康芳香调理》，为亚健康学科体系的辅修内容之一。以芳香疗法为基础，重点介绍了芳香疗法的基础知识、精油的配制及使用，以及如何运用芳香疗法调理亚健康。（14）《亚健康音乐调理基础》，为亚健康学科体系的辅修内容之一。主要介绍了西方音乐治疗、中医五音治疗的基础知识和基本原理，并介绍了亚健康音乐调理的方法与疗效评估方法。（15）《亚健康中医体质辨识与调理》，为亚健康学科体系的辅修内容之一。以体质学说为基础，重点介绍了体质学说在亚健康学中的运用、亚健康体质的调理与预防。（16）《少儿亚健康推拿调理》，为亚健康学科体系的辅修内容之一。介绍了少儿推拿手法、穴位及少儿常见亚健康的推拿调理。
在前两批共16本教材编写基本完成的基础上，编委会陆续启动了第三批教材的编写，内容主要涉及亚健康学与其他学科形成的交叉学科及亚健康学的临床运用。第三批教材计划包括：《皮肤亚健康学》《睡眠亚健康学》《中医蜂疗与亚健康》《亚健康红外技术调理》《亚健康红外热成像测评》《营养代餐与减脂》《儿童亚健康学》《亚健康整脊调理》等。
在亚健康学学科体系构建的研究和亚健康专业系列教材的编纂过程中，得到了王永炎院士的悉心指导，在此表示衷心感谢！由于亚健康学科体系的研究与教材的编写是一项全新而且涉及多学科知识的艰难工作，加上我们的水平与知识所限，时间匆促，其中定有不尽如人意之处，好在任何事情均有从无到有，从不成熟、不完善到逐渐成熟和完善的过程，真诚希望各位专家、读者多提宝贵意见，权当“射矢之的”，以便第二版修订时不断进步。何清湖2018年2月于湖南中医药大学
编写说明
亚健康状态是疾病发生前的一个可逆转时期，是预防疾病发生的重要时机。亚健康检测可以在人体还没有出现明显的症状和体征之前检测出即将或可能发生的疾病，指导早期干预，延缓或避免疾病的发生。因此，及时检测出亚健康状态，对疾病的提前预防将是莫大的帮助。
红外热成像技术应用于医学领域已经有几十年的时间了。早在1913年，美国就成立了研究红外热成像的学术机构，并开始运用于临床。1977年，世界上已经有75个医疗机构用热成像仪来诊断疾病。从20世纪80年代到90年代，世界各国召开的红外热成像学术会议，无论数量还是规模都在不断提升，范围也更广，许多发达国家相继研制出多种专供医用的红外热成像仪，比如美国的医学家利用红外热成像仪来研究肿瘤的早期诊断，尤其是在乳腺癌的早期诊断方面取得了很好的效果。如美国爱因斯坦医学院的RanLanson医生，他用红外热成像仪检查了数以万计的妇女，乳腺癌检测的准确率达到92%。日本医学家利用红外热成像仪监测皮肤以确定冻伤、烧伤的面积。不仅如此，红外热成像技术在其他疾病的诊断应用上，如甲状腺疾病、睾丸疾病，以及颈、肩、腰、腿痛等方面积累了很多的经验。红外热成像仪对心脑血管疾病的观察为医生提供了很好的诊断依据。
红外热成像技术在我国起步较晚，20世纪70年代末，国内有个别的大医院和学术机构开始引进红外热成像仪用于医学临床研究，并且发表了远红外在医疗方面运用的许多文章，自此以后，医用红外热成像技术发展速度加快。随着医用红外热成像仪的不断普及和人们对红外热成像技术认识的不断加深，红外热成像仪对于人体亚健康状态检测和评估的优势逐渐凸显出来，加上其检测过程中的无辐射、无创、无痛等诸多优势，越来越多的医疗机构、体检机构、健康管理机构等开始使用医用红外热成像仪，开启对人们身体功能状态的检测、评估，以及对重大疾病的早期预警和筛查。
当前，我国医疗卫生的重点正在由“以治疗为主”向“以预防为主”转移，因此，对疾病的前期状态——亚健康的关注程度也越来越高。但由于亚健康学科和医用红外热成像技术总体的发展水平还相对低下，尤其是亚健康和红外热成像专业人才的匮乏，已成为制约亚健康和医用红外产业发展的瓶颈。科学构建亚健康和医用红外学科体系，培养大量高水平的专业人才，是亚健康和医用红外产业发展的当务之急。希望《亚健康红外热成像测评》教材的编纂和出版，对于改善和解决当前专业人才和教材匮乏的现状能有所帮助，同时本教材也是对亚健康和医用红外热成像人才培养体系和课程设置的一种大胆探索，希望大家提出更多的宝贵意见。
本教材对红外热成像技术在亚健康领域中的应用价值，提出了新的概念，对以往几十年的医用红外热成像检测技术进行了认真的分析和总结，建立了以中医基础理论、非平衡热力学理论为理论基础的人体热能量定位、定性、定量的判图原则，用相对区域温度差表达三焦、五脏六腑、体质、经络等的热结构特征，判断其阴阳、寒热的偏离状态。红外热成像检测的人体热结构与中医阴阳寒热虚实证候的病理改变完全吻合，也由此创建了中医证候和体质热力学研究方法。
本教材通过一些红外检测与临床辨证相结合的典型病例，诠释红外热成像显示的异常热源的意义，突出红外热成像检测在亚健康检测评估中早期、可视、绿色、无创等特色，以期能让广大读者科学地认识和理解红外热成像在亚健康检测和评估中的作用，提升亚健康红外热成像检测技术的理论内涵和实践价值。
本教材适用对象包括：各科室临床医师；专业红外热成像检测师、评估师；红外热成像仪设备操作相关医师和从业人员；从事医学影像测评的专业人员；医疗机构、治未病中心、体检机构、健康管理中心的体检工作者；从事公共健康的专业咨询管理人员；从事红外热成像技术应用研究的工作人员；医学院校学生及相关人员；有志于从事红外热成像检测和评估技术的所有人员。
全书内容分为五章：第一章主要介绍医用红外热成像技术的发展历史、应用前景，以及和其他医学影像技术之间的区别；第二章详细介绍医用红外热成像仪的基本原理及操作要求；第三章主要介绍亚健康红外热成像测评基础理论；第四章详细介绍红外热成像技术在亚健康测评中的应用和建设中医红外特色专科及远程专家评估；第五章主要介绍一些常见的典型红外热成像。
本教材在编写中，参考了国内外多项红外课题研究结果、文献和专著，大部分成果来源于目前正在进行的国家中医药行业科研专项项目“基于红外热成像技术的正常人体中医特征热图研究”，力求内容丰富翔实，层次清楚，文字精练，描述准确，突出应用，同时图文并茂，形象易学。不足之处请大家批评、指正，并提出宝贵意见！
在本教材的编写中，还得到了2014年国家中医药行业科研专项项目红外热成像课题组和各子课题承担单位的领导、专家以及各红外热成像仪厂家的大力支持，在此一并表示最衷心的感谢！《亚健康红外热成像测评》编委会2018年2月第一章概 述第一节 医用红外热成像技术的发展源流与历史
医用红外热成像技术指在医学、计算机学和物理学理论的指导下，通过红外摄像头采集人体发出的红外线，经过计算机软件处理，形成红外热成像，来解析人体目前的健康状态和未来疾病的发展趋势。
红外热成像技术应用于医学领域已有几十年的历史。1956年，美国著名的外科医师Ran Lanson用红外扫描技术证实了乳腺癌皮肤温度比正常部位高，这一发现拉开了红外扫描技术临床应用研究的序幕。1961年，英国医师Walliams KL用红外扫描仪拍摄了世界上第一张乳腺癌热成像。1971年，Meboume在第九届国际医学生物工程学会议上，正式提出了医用热像图摄影装置，这标志着医用红外热成像技术日趋成熟，随后红外热成像技术的开发、应用热潮迅速在世界各地兴起。
我国自1965年开始由原电子部11所王泽普教授等受命进行红外热成像技术开发与军事应用研究。20世纪80年代初形成了早期民用热成像仪产品，随后逐步在工业、医学领域中推广应用。1979年，姜宗桥等发表了第一篇国产热成像仪临床应用的报道，表明我国医用红外热成像技术开发应用与国际进展基本同步。同期，北京大学肿瘤医院胡永升教授将热成像技术应用于临床乳腺领域，在乳腺疾病的早期筛查、诊疗中发挥了巨大的作用；重庆第三军医大学（现中国人民解放军陆军军医大学）吴士明教授将红外热成像技术应用于临床疼痛诊疗领域。
近20年来，由于光电技术和计算机技术的发展，使热成像仪的分辨能力、清晰度达到了可以满足临床需要的水平。2000年6月，美国CTI公司率先通过红外热成像仪诊断乳腺疾病在美国FDA临床试用。随后美国、法国、日本、德国等国家在非制冷红外热成像仪方面也做出了非常好的产品。2003年，FLIR公司产品获得美国FDA认证，将红外热成像用于SARS和禽流感（Bird Flu）等流行病筛查，随后其产品应用到航天飞机上，现占全球热成像产品市场份额的65%。至今，全世界数千个医疗机构开始使用红外热成像仪，科研学术力量不断发展、壮大。目前国内常用的红外热成像设备主要有以下几款：
1.由中国电子科技集团公司第十一研究所研发生产的中和亚健康红外测评仪YJKCP-Ⅱ型（图1-1）。
2.由上海维恩伟业红外医疗器械有限公司研发生产的中和亚健康红外测评仪MTI-economy型（图1-2）。
3.由重庆宝通华医疗器械有限公司研发生产的医用红外测评仪DH-2010型（图1-3）。
4.由杭州新瀚光电科技有限公司生产的医用红外热成像仪TMT-9000型（图1-4）。图1-1 中和亚健康红外测评仪YJKCP-Ⅱ型图1-2 中和亚健康红外测评仪MTI-econom y型图1-3 医用红外测评仪DH-2010型图1-4 新瀚光电医用红外热成像仪TMT-9000型
近年来，在国内红外热成像工作者的共同努力下，热成像技术的应用取得了较大的进步。目前国内约有400多家科研单位和医疗机构在使用红外热成像技术，中华医学会、中华中医药学会已经举行了多次全国红外热成像学术交流会。自2006年以来，孙涛、王超、谢胜、李洪娟、罗云等在西医临床的基础上，将中医理论思想系统化地引入热成像图分析，在中医辨体与辨证的应用研究方面，取得了初步的成果，自2008年以来已连续完成了二十余项国家级、省部级红外课题，组织全国知名红外专家进行了深入系统的研究。
2008年11月，在钟南山、俞梦孙院士的指导下，广州呼吸疾病研究所完成了红外热成像上呼吸道疾病快速筛查法，通过了中华医学会组织的专家审评，成为抗击SARS和Bird Flu等重大流行病的有效筛查防线。近期检索到医用红外技术研究与应用方面比较有价值的文献约20余万篇，其中，国外10万余篇，国内9万余篇。红外热成像测评具有明显的超前性，能提前发现人体的功能性变化，有利于实现“未病先防”的医学理念。第二节 医用红外热成像技术的应用范围与前景
目前，医用红外热成像技术在中医基础理论研究、亚健康理论研究、辅助医学临床诊疗、大病早期预警，以及重点专科、治未病中心、体检中心、亚健康专业调理机构等的应用与建设中发挥了日益重要的作用。
中医理论与红外热成像技术原理具有高度的吻合性，中医学理论核心是整体辨证观和动态平衡观，而红外热成像技术可以获得人体连续的、动态的功能代谢信息，提示机体的功能状态及发展趋势。因此，用红外热成像技术来研究中医学的基本理论具有良好的可行性。而且红外热成像技术的特点是收集和分析人体表面热辐射信息，也符合中医“有诸内必形诸外”“司外揣内，以象察脏”的诊断思想。
红外热成像技术可以将传统千百年来只能通过望、闻、问、切四诊等原始手段获取的人体信息，通过数值化和可视化的影像形式客观地呈现出来，拓展了中医四诊，对就诊者的脏腑、气血、阴阳的整体功能状态做出全面的、客观的、综合的评价，从而可以对患者提出合理的治疗措施，对亚健康人群能够制订出“治未病”的调理方案，可以预见，传统中医将不再神秘。
红外热成像技术用于中医研究已经有20多年的历史，特别是在经络穴位研究中取得了丰硕的成果。许多学者研究发现，中医寒热、阴阳证型的变化可以归结为代谢、产热的不同，故我们可以通过红外热成像测得的温度分布和温差的不同来分辨不同的中医证型。根据中医基础理论和现代物理理论，建立脏腑定位和寒热秩序偏离定性的红外分析方法，把人体热结构与中医证候紧密联系到一起，有利于实现红外热成像检测辅助中医临床诊疗。
在中医理论的指导下，结合红外热成像检测技术，可在临床诊治许多的患者和亚健康人群，如宫寒不孕、感染高热待查、疼痛、乳腺增生、乳腺癌、中风、冠心病、糖尿病足、失眠、疲劳综合征等病症，都获得了良好的临床疗效。且在红外检测前后的热成像对比上，亦有客观明显的改善，因此，我们还可以用红外热成像检测技术来评价药物干预治疗的效果，目前在各医院临床科室、治未病中心、体检中心、健康管理中心已逐渐开始应用。
红外热成像检测最重要的一个优势就是早期预警。目前，心脑血管疾病和肿瘤的发病率日益增高，而X线、B超、CT、MRI等影像技术都属于结构影像技术，只有在疾病形成病灶之后才能发现疾病。而疾病在出现组织结构和形态变化之前，细胞代谢会发生异常，人体会发生温度的改变，温度的高低、温场的形状、温差的大小可以反映出疾病的部位、性质和程度。红外热成像检测主要是功能状态的影像技术，是根据人体温度的异常来发现疾病。因此，红外热成像检测能够在机体只有功能障碍，尚没有明显组织结构异常的情况下，解读出潜在的隐患，更早地发现问题。有资料显示，相比结构影像检测，远红外热成像检测可提前半年乃至更早发现病变，为疾病的早期发现与防治赢得了宝贵的时间。红外热成像指导早期发现，早期干预，不但可以节省医疗费用，还可以提高患者的生活质量。
正是由于红外热成像技术的这种功能影像学的存在，使我们能对未病状态得以评估和量化，预知人体疾病的发生情况。目前在亚健康领域得到了广泛的应用，如评测亚健康及未病状态、指导亚健康干预调理、对干预前后客观化的疗效评价等，是目前认知亚健康最有力的测评手段。
此外，医用红外热成像技术在中医舌诊、面诊研究，专科建设，药物研究，疗效评价等方面亦有良好的应用，其应用前景广泛。第三节 医用红外热成像技术与其他医学影像技术的区别
医用红外热成像技术作为一种功能影像学技术，对人体的功能诊断与识别较X线、CT、MRI等具有明显的优势，但由于设备的特性，亦存在一定的局限性，下面将医用红外热成像技术与其他医学影像技术之间的区别简要介绍如下：一、医用红外热成像技术与其他医学影像技术之间的区别（表1-1）表1-1 医用红外热成像技术与其他医学影像技术之间的区别二、近红外乳腺检查技术与远红外热成像技术的区别（表1-2）表1-2 近红外乳腺检查技术与远红外热成像技术的区别三、医用红外热成像技术的优缺点
红外热成像技术与其他任何影像学诊断一样，各有其优缺点，可以相互补充。临床必须收集到准确的病史、体征、实验室检查及其他影像学诊断资料，排除各种干扰因素，综合考虑，才能做出较符合实际的诊断。（一）医用红外热成像技术的优点
1.红外热成像系被动接受人体的自身辐射而形成热成像。在摄取热成像过程中，人体不接受X线、超声波、电磁波的作用，因此，这种诊断方法对人体无害、无损伤，可用于各类患者，包括孕妇、胎儿，且可多次、反复使用。
2.为非接触测量，患者无任何痛苦，检查方法简便迅速，特别适用于门诊。
3.一次可以观察全身，可作为探索性检查，进而再重点观测或做其他辅助检查，尤其适用于健康检查。
4.精确度、分辨率高。温度分辨率为0.05℃，空间分辨率为0.8mrad，可以反映出0.05～0.1℃的温度变化，可以早期发现亚健康状态或疾病。
5.检测所得为高清晰度彩色图像，具有直观、形象的特点，加上强大的软件处理功能，便于分析诊断。
6.可以进行连续的动态观察，可将不同时间的温度进行对比分析。
7.该检查应用范围广，临床价值大。可进行显微外科手术前、后观测，以及术后近期、远期随访；可用于胸廓出口综合征的诊断及治疗观察；可判断烧伤深度；可探测肿瘤的位置及范围；可诊断关节炎的病变部位及范围；可用于药物疗效观察，了解药物作用的强弱、作用的持续时间等。
8.是目前定位、定性疼痛的唯一有效设备。（二）医用红外热成像技术的缺点
由于红外设备自身的特性，亦存在一定的局限性：
1.深层组织及过于肥胖的人较难观察。
2.目前尚不能直接观察胰腺、肾脏及心脏。
3.受干扰因素较多，所以在拍摄时应设法排除各种干扰因素。
4.因其敏感性很高，所以对大部分疾病诊断的特异性较低。第二章医用红外热成像仪的基本原理及操作要求第一节 红外辐射的基本知识
红外辐射，又称“红外光”或“红外线”。不同名称中“红外”是不可少的，它不仅限定了一种特定“辐射”“光”“射线”的意义，也表明了这些名称的由来。红外辐射从可见光红外边界开始，一直扩展到电子学中的微波区边界。其短波方面的界限位于可见光谱红光以外，一般定义为0.78μm；长波方面的界限可以定到1000μm，是个相当宽的区域。一、简史
1666年，英国物理学家牛顿发现太阳光经过三棱镜后分成彩色光带——红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，其中红色光以外用温度计测量，发现比红光温度要高（图2-1）。
1800年，英国天文学家F.W.赫歇耳在用水银温度计研究太阳光谱的热效应时，发现热效应最显著的部位不在彩色光带内，而在红光之外。因此，他认为在红光之外存在着一种不可见光。后来的实验证明，这种不可见光与可见光具有相同的物理性质，遵守相同的规律，所不同的只是一个物理参数——波长。这种不可见光被称为红外辐射，又称红外光、红外线。
17～18世纪，许多物理学家认为，光（包括红外光和紫外光）具有波动的性质，有一定的传播速度，波长是它的特征参数，并可以测量。可见光的颜色不同，反映了它们的波长不同。紫光的波长最短，红光的波长最长，红外辐射的波长则更长，紫外光的波长比紫光更短。
1864年，英国物理学家J.C.麦克斯韦从理论上总结了当时已有的电磁学规律，提出了存在电磁波的可能性，其传播速度可用纯电学量计算出来。后来的实际测量证明，其传播速度就是光速。因而猜想，光波就是电磁波。
1887年，德国科学家H.R.赫兹用实验证实了这一猜想。已知带电体受到扰动就会发射出电磁波，扰动越强烈，发射出的电磁波的能量就越大，波长就越短。由于受扰动的方式有多种，电磁波的波长范围很广。整个电磁波谱各波段的名称和波长范围见图2-2。图2-1 不同光的温度示意图图2-2 电磁波谱各波段的名称和波长范围
红外辐射位于电磁波谱的中央，其波长覆盖四个数量级。在整个电磁波谱中，不管是哪一个波段，其传播速度都是光速c，波长为-1λ（cm），每秒振动数称为频率ν（秒），则二、红外波段的划分
电磁波谱划分为许多不同名称的波段。主要是根据它们的产生方法、传播方式、测量技术和应用范围的不同而自然划分的。而红外波段在整个电磁波谱中只占一小部分，全部电磁波谱包含20个数量级的频率范围，可见光的波段范围（0.38～0.78μm）只跨过一个倍频程，而红外波段（0.78～1000μm）却跨过大约10个倍频程。因此红外光谱区比可见光谱区含有更丰富的内容。因此，在红外技术领域中，通常把整个红外辐射光谱区按波长分为四个波段（表2-1）。表2-1 红外辐射波段划分
这样的划分方法基本上是考虑了红外辐射在地球大气层中的传播特性而确定的。由于大气对红外辐射的吸收只留下三个“窗口”，即1～3μm、3～8μm、8～14μm，可让红外辐射通过。因而在军事应用上分别称这三个波段为近红外、中红外、远红外波段，8～14μm也称为长波红外（图2-3）。图2-3 红外辐射波段划分
在光谱学中，划分波段的方法尚不统一。一般以0.78～3μm、3～8μm、8～14μm及14～1000μm分别作为近红外、中红外、远红外及极远红外波段。近红外是可以用石英玻璃作为透射材料并有许多探测器可以进行检测的波段；中红外、远红外和极远红外也都有相对应的各种探测器作为接收器件而被广泛使用。三、辐射的产生
在物质内部，电子、原子、分子都在不断地运动，有很多可能的运动状态。这些状态都是稳定的，各具有一定的能量，通常用“能级”来表示这些状态。在正常情况下，物质总是处在能量最低的能级上（基态）。如果有外界的刺激或干扰，把适当的能量传递给电子、原子或分子，后者就可以改变运动状态，进入能量较高的能级（激发态）。但是，电子、原子或分子在激发态停留的时间很短，很快就回复到能量较低的能级中去，把多余的能量释放出来。释放能量的方式有多种，最常见的是发射电磁波。根据现代量子论的概念，从较高能10级E回复到较低能级E时，发射出来的电磁波的频率为：-34
式中h为普朗克常数，h=6.626×10焦·秒，hν是发射出来的能量单元，称为光子。
因此，辐射是从物质中发射出来的。任何一块小的物体都包含着极大数目的原子或分子，每个原子或分子都有很多能级，从高能级跃迁到低能级都能发射光子。实际发射出来的电磁波就是这些大量光子的总和。各个原子或分子发射光子的过程基本上是互相独立的；光子发射的时间有先有后，光子发射时，原子或分子在空间的取向有各种可能，因而光子可向各个方向发射，其电磁场振动也可有各种方向；再加上物体内各能级之间的相互影响，两个能级之间的能量差会有极小的变动。所有这些因素的联合作用，使所发射出来的辐射包含着各种频率，没有一定的相位，没有一定的偏振，这就是非相干辐射。
现代科学技术能采用适当办法，迫使某两个能级之间的光子发射过程都发生在同一时间并向同一方向，这样得到的频带非常狭窄、方向性极好、强度很高，而且是偏振的相干辐射，这就是激光。在无线电波和微波范围内，电磁波的产生是利用电子在真空里的运动，迫使所有电子做相同的运动态的改变，这样就会发射出单一频率的、偏振的相干辐射。四、红外辐射度学
红外辐射度学的术语比较复杂，必须区分辐射的发出和接受两个方面，标明扩展源的方向性。扩展源就是尺寸与测量距离相比不可忽略的辐射源；反之，则可当作点源看待。（一）红外辐射的基本辐射量
通常把以电磁波形式传播的能量称为辐射能。辐射能既可表示在确定的时间间隔内由辐射源发出的全部电磁能，也可以表示被阻挡物体表面所接收的能量。但是，所使用的探测器大多数不是积累型的，它们响应的不是表示传递的总能量，而是辐射能传递的速率，即辐射功率。因此，发射功率以及派生的几个辐射学中的物理量属于基本辐射量。（二）辐射功率或辐射通量
辐射功率就是单位时间发射（传输或接收）的辐射能，单位为瓦（焦/秒）。因此辐射功率的定义表示为：
在不少文献中，常使用辐射通量这个术语，并用符号Ф表示，其意义与辐射功率相同。（三）辐射出射度
在其他条件相同时，辐射源的发射面积越大，发射的辐射功率也越大。因此，为描述辐射源表面所发射的辐射功率沿表面位置的分布特性，必须知道辐射源单位表面积向半球空间（2π）球面度发射的辐射功率，这就是辐射出射度，其定义表示为：
式中A为辐射源表面积。对于表面发射不均匀的物体，辐射出射度M是表面上位置x的函数。辐射出射度对源发射表面积积分，给出源发射的总辐射功率为：由辐射出射度的定义不难看出，其单位为瓦·平方米（W/㎡）。（四）辐射强度
为了描述点源发射的辐射功率在空间不同方向上的分布特性，需要用辐射强度的概念。如图2-4所示，若一个点源围绕某指定方向的小立体角ΔΩ内发射的辐射功率为ΔP，则两者之比的极限值定义为辐射源在该方向的辐射强度，用I表示，其定义表示为：
因此，辐射强度就是点源在某方向上单位立体角内发射的辐射功-1率，单位为瓦·球面度。图2-4 点源的辐射强度五、红外辐射的传输及大气透过特性（一）红外辐射的传输
在红外应用中，红外辐射在到达红外仪器以前，必须经过真空或介质。红外辐射在通过介质（如大气、光学材料等）时，由于受到介质材料的吸收、散射或反射的影响，会引起衰减，对于某些波长甚至会完全不透过。例如金属对于红外辐射基本上是不透明的，只有很薄的金属膜才略有透过。多数半导体材料（如锗、硅等）对于可见光是不透明的，而对于红外辐射则是透明的，因此半导体是重要的红外透光材料。有些塑料薄膜也能透过红外辐射。对于液体来说，大多数对于红外辐射都有很强烈的吸收。对于气体来说，其对红外辐射也有不同程度的吸收。
红外辐射的散射是由于介质的不均匀，晶体不完整，密度不一致，有杂质或悬浮小颗粒等所引起，红外辐射在传输过程中遇到这些不均匀处时，由于反射或折射使光线改变传播方向，从而引起散射，例如大气中的雾、云、雨、雪和烟雾，以及光学材料中的气泡等。
由于我们所使用的红外仪器一般在地面或对空使用，因此在观察目标时，必然要通过大气，但是大气虽然对于可见光是透明的，对于红外辐射却不然。（二）大气透过特性1.大气组成成分
简单来说，大气是由气体、固体微粒和液体微粒所组成。组成气体的主要成分是氮气、氧气和氩气，三者占了大气体积的99.9%以上；大气中的一些次要成分，如水蒸气、二氧化碳、甲烷等占总体积的0.1%。
大气中除含有各种气体分子外，还有悬浮于大气中的各种固体和液体粒子，这些粒子（如雾、云、雨、雪、烟雾、灰尘、碳粒子、盐粒子及微生物等）的成分、形状、大小不一，其半径范围一般为0.01～20μm。这些悬浮粒子本身对红外辐射产生散射。上述悬浮物与气体分子相结合组成的大气，称为气溶胶，其对辐射也可起到吸收和散射的作用。2.大气对红外线的吸收
大气中的三种主要成分在相当宽的波段内对红外辐射没有吸收作用。但大气中的一些次要成分对红外辐射都存在着不同程度的吸收带，如二氧化碳对4.3μm和15μm等波长有着强烈的吸收，对0.78～1.24μm以及1.4μm、1.6μm、2.0μm、2.7μm、4.8μm、5.2μm、9.4μm、10.4μm有不太强的吸收带。水蒸气对2.7μm和6.3μm有较强的吸收带，对0.54μm、0.72μm、0.81μm、0.85μm、0.94μm、1.1μm、1.38μm、1.87μm、3.2μm有不太强的吸收带。此外，臭氧对9.6μm有较强的吸收带；甲烷对3.2μm和7.6μm有较强的吸收带等。
由于这些吸收的存在，使大气对不同波长的红外辐射透过能力不一致，造成了大气对红外辐射的透过形成了几个“窗口”，如2～2.5μm、3～4μm、4.5～5μm、8～14μm等。一般统称为1～3μm、3～5μm、8～14μm三个“大气窗口”。在大气的成分中，由于水蒸气的含量是随着季节、地域变化的，造成上述窗口会有一些变化。在实际应用中，大多数红外系统必须通过地球大气才能观察到目标，这对红外系统来说是不利的，因此，在设计和使用中必须考虑红外辐射通过大气时的衰减，所选择的工作波段必须与大气窗口相一致。（三）大气对红外线的散射
散射是由粒子吸收红外辐射源传输的能量并重新辐射所引起的，由于这种重新辐射可以产生在前后不同的方向，因而衰减了原来的辐射能量。
散射所引起的衰减取决于粒子的浓度和粒子的大小。被衰减的红外辐射波长与粒子的大小（半径为b）有关。当b<λ时，为瑞利散射，由于这种散射主要由气体分子所引起，其计算公式中散射系数与波长的四次方成反比，所以对于红外波段，这种散射可以忽略。当b≈λ时，为米氏散射，米氏散射主要由气溶胶引起。瑞利散射与米氏散射的计算公式不同，对红外辐射而言，主要考虑米氏散射的影响。
大气的状态有云、雾、霾、雨等，这些天气状态会对红外辐射产生散射和吸收。由于大气中云、雾等不少悬浮粒子的大小与0.76～14μm的红外波长差不多，因此米氏散射是很严重的。
气溶胶对红外线的吸收也是应该引起注意的。这种吸收包括气溶胶物质和水蒸气、云、雾等复合形成的气溶胶的吸收，以及水蒸气凝聚而成的液态水滴的吸收。
另外应该引起注意的是这些气溶胶粒子在吸收红外辐射以后，在空气温度下也能发射能量，形成了比较强的背景辐射，尤其是在11μm以后更加严重。用热成像仪观察低空目标，可以很容易发现这一现象。（四）大气透过率的计算
大气透过率计算的一般公式为：
式中：γ（λ）为消光系数，γ（λ）=σ（λ）+K（λ），其中σ（λ）为吸收系数，K（λ）为散射系数。
对于大气透过率的计算，美国有Lowtran软件用于计算，但是由于大气条件非常复杂，这些计算结果也很难验证，因为实际测试条件很难与试验条件相一致。六、红外探测器（一）红外探测器的作用和工作原理
红外探测器是将红外辐射转换成人们可以测量的物理量，例如体积、压力、电压、电阻等，因此红外探测器是一种辐射能转换器；又因为人们最终要利用的是电信号，因此红外探测器也是一种光电转换器。（二）红外探测器的分类1.从工作原理分类
红外探测器从工作原理基本上分为热敏探测器和光子探测器两大类。
热敏探测器：在吸收红外辐射后，内部产生温度的变化，而温度的变化又引起物理性质的变化。
光子探测器：在吸收红外辐射后产生光电效应，即光子激发成传导电子而形成电信号。2.从响应波长分类
红外探测器从响应波长可分成无选择性和有选择性两类探测器。
从物理过程来说，热敏探测器首先需要使其自身温度升高，这一过程是比较缓慢的，因此探测器的响应时间都比较长。另一方面，由于是加热过程，不管是什么波长的红外辐射，只要功率相同，对物体的加热效果也相同，因此热敏探测器对入射辐射的各种波长基本上都有相同的响应率，即其光谱响应曲线是平坦的，所以称这类探测器为“无选择性红外探测器”。
光子探测器是利用物体中的电子吸收红外辐射而改变运动状态的光电效应。因为物体的电学性质是由电子运动来决定的，电子运动状态的改变使物体电学性质改变，因此光电探测器的物理过程是红外辐射的照射直接引起电学性质的改变，这个过程比起物体的加热过程要快得多，因而光电探测器的响应时间要比热敏探测器的响应时间短得多。此外，要使物体内部的电子运动状态发生变化，入射辐射的光子能量必须足够大，也就是其频率必须大于某一值；换成波长来说，就是能引起电效应的辐射有一个最长的波长限存在，因而光电探测器都有一个长波限，这种探测器也称为“有选择性探测器”。
此外，一般来说，绝大多数热敏探测器都可以在室温下工作，其灵敏度要比光电探测器低；而绝大多数光电探测器都需要在低温下工作。目前热成像仪中所使用的红外探测器主要是光电探测器。而近年来发展出的非制冷焦平面热成像仪主要属于热敏探测器。（三）几种典型的红外探测器1.热红外探测器
有测辐射热计、温差电偶和热电探测器等。2.光子探测器
光子探测器是利用材料的内光电效应，红外光子直接把材料束缚态电子激发成传导电子，参与导电，从而实现光电转换。电信号大小与吸收的光子数量成比例。按照电信号输出的不同原理，光子探测器又分为光电导、光伏、光磁电探测器等。3.制冷型探测器和非制冷型探测器
灵敏度比较高的光电探测器（通常工作在中长波范围）一般都需要在低温下工作，而且其温度较低，一般为77K，因此器件必须安装在杜瓦瓶接口处，同时由制冷剂或制冷机来提供低温的工作环境。这种必须在低温下才能正常工作的红外探测器就称为制冷型探测器，其温度灵敏度较高。
工作在短波及中波范围的一些光电探测器或热电探测器，一般可以在自然环境温度下工作，所以称为非制冷器件。有些工作在短波或中波段的探测器在降低工作温度时可提高器件的灵敏度，因此使用了半导体制冷器，这时器件的工作温度较自然环境温度低几十度。通常人们将这种可以在常温下工作的器件称为常温型或非制冷型探测器。这些器件的温度灵敏度较低，反应速度也比较慢。4.焦平面探测器
在分立式探测器中，每一个探测元均需要有引出线。显然，当探测元数增加到数百个或成千上万个时，这种方式就不能实现了。如果能够在探测器接收和完成光电转换的同时，将多路信号合成一条或几条线路输出，就可以大大减少探测器的引线，其结果是探测器元数可以大大增加，从而达到进一步提高作用距离的目的，同时也提高了探测器的可靠性，减少了杜瓦瓶的热负载，这就是红外焦平面器件。因此焦平面探测器不仅能完成光电转换的功能，而且能实现某些信号处理，主要是多路转换，即读出电路的功能，所以其不仅包括红外探测器，而且还包括电子线路。
焦平面探测器可以像线列探测器那样，由一列或多列探测器组成，在采用多列探测器时，可以通过内部的TDI电路实现串扫功能（在分立式探测器中，这一功能需要在外部完成），同时通过外部提供的驱动信号使多个通道合成为一个通道输出，使探测器的引出线数量大大下降。
对于大面阵组成的凝视阵列，每个探测器都连接着读出电路，再通过驱动脉冲使每个探测器的像元信号像电视信号一样顺序地输出，而探测器阵列需要的驱动脉冲在器件外部提供。当外部给探测器加上驱动信号、偏置电压后，探测器输出的视频信号在进行模拟和数字处理后，就可以得到符合不同电视制式的复合电视信号，由电视监视器显示出热成像，这就组成了完整的热成像仪。某些探测器阵列还可以通过外部的驱动使其输出320×240或320×256等不同格式的信号。
目前的热成像一般只能工作在一个波段，为了提高热成像仪识别目标的能力，可以利用两个工作在凝视阵列结构不同波段的热成像仪（如中波和长波）同时观察一个目标，并根据探测到目标的辐射强弱来确认目标的种类。而且利用单波段工作的热成像，由于背景辐射的存在，目标与背景之间的等效温差为零时，目标将消失，在正温差和负温差时，显示出的图像为正像或负像，而接近零时其图像对比度变差。但是此时对于其他波段，由于背景的等效温差是不一致的，因此有可能在其他波段仍然能够观察到图像。这也是采用双波段和多波段能提高探测和识别能力的一个重要原因。（四）红外探测器的性能参数
红外探测器与其他传感器一样，有一套根据实际应用的需要而制定的“性能参数”，用这些参数就可以区别一个红外探测器的好坏。由于红外探测器是一种把红外光转换成电信号的光电转换器件，其关系到两种物理量，即光辐射量和电量：其输入为光辐射，输出为电量。
在选用和制造红外探测器时，至少必须综合考虑探测率、光谱响应和响应时间三个主要参数。对具体的红外系统和应用而言，还需分别考虑响应率、噪声频率、工作温度特性、制冷等，在衡量或比较探测器性能时，还必须注意测量参数的定义和条件。第二节 医用红外热成像仪的工作原理
自然界中任何温度高于绝对零度（-273.15℃）的物体都在随时随地向外发射红外辐射。人体是一个天然的生物发热体，人体通过自身代谢、肌肉运动产生热，并且将体核温度维持在一个小幅波动的范围内，大约为37℃。人体干燥的皮肤近似300K理想的黑体，其发射率为0.98。当皮肤发射出肉眼看不见的红外辐射能量时，该辐射能量的大小与温度成正比。
由于机体解剖结构、组织代谢、血液循环及神经功能状态不同，各部位温度也不同，并形成不同的热成像。正常机体功能状态有正常热成像，异常机体功能状态有异常热成像。当人体某些部位发生病变时，首先伴随的是温度的变化，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）。借助于红外热成像技术可以清晰、准确、及时地发现人体由于不同原因而引起的微小的温度变化。其原理概述如下。一、温度、波长和能量之间的关系
当温度变化时，红外辐射的能量及波长的相应变化规律称为普朗克定律，公式表示如下：
式中，-2λ
W（T）——在某绝对温度T下的光谱辐射能量，单位为W·cm·-1μm；
ε——物体表面的发射率；1
C——常数；2
C——常数；
λ——波长，单位为μm；
T——绝对温度（热力学温度），单位为开尔文（K）。
人体的温度是恒定的，约为37℃，皮肤的温度约为34℃，其红外峰值波长为9.5μm。二、总能量和光谱带内的能量关系400
根据斯特藩-玻耳兹曼定律，即W（T）=εσT，式中W（T）为-2绝对温度T下的总能量，单位为W·cm；ε为物体发射率；σ为常数；T为绝对温度，单位为K。
由此可知，总能量与绝对温度的四次方成正比，当温度有较小的变化时，会引起总能量的很大变化。由于红外探测器的工作特点、大气传输的特性及背景辐射特性等因素，在生物医学工程上多采用一定光谱范围的红外辐射能量，表示为：12
式中，（T）为波长间隔（λ-λ）内的红外辐射能量，-212单位为W·cm；ε为皮肤发射率；F、F为波长间隔内的能量与总能量之比；σ为常数；T为绝对温度，单位为K。
选择接收波长为8～14μm的红外传感器与人体的红外辐射能量峰值波长相一致。三、红外辐射能量的传输
物体内部或物体之间存在温差即可引起热量传递过程。传热的基本方式有导热、对流传热和辐射传热。1.导热
温度不均匀的物体内部或不同温度的物体直接接触时，由于物质的分子、原子运动而引起热量的传递，从高温区向低温区传递。正常人体的表面温度趋于恒定，呈平衡状态。当体内的器官或组织发生病变时，热平衡受到破坏，由于导热作用，病灶区附近的皮肤温度将发生明显变化，为升高或降低。测量出这种变化，找出变化的规律，确定某些标准和规范，即可进行早期诊断。2.对流传热
对流传热是指流体流过固体表面时与固体表面之间的传热过程，是流体的宏观运动（对流）和微观运动（导热）共同作用的结果。3.辐射传热
凡是温度高于绝对零度的任何物体均向外界发射出各种波长的电磁波，其能量称为红外辐射能。红外辐射能不需要任何物体作为介质，可在真空中传播。辐射传热的特性符合上述红外辐射定律。当辐射能通过空气传播时会受到衰减，主要由于空气中水蒸气、二氧化碳的吸收，以及空气中的分子、悬浮微粒散射所造成。由于人体表面到红外热成像仪的距离近，空气对红外辐射的衰减作用可忽略不计。人体的红外辐射包括导热和辐射传热两个过程，在形成一种稳定状态后被红外热成像仪接收。有时，为了使图像更加清晰，突出病区的层次和边界，减小背景干扰的辐射强度确有必要，这就要降低测试环境的温度，增加对比度，或用酒精棉球轻擦皮肤，以便得出更清晰的图像。四、热成像识别及病灶分辨
红外热成像仪的工作原理是将人体发出的不可见红外辐射能量，通过光学系统聚焦到红外探测器的敏感元上；红外探测器敏感元将红外辐射进行光电转换，生成可进行电子学处理的电信号；之后利用与探测器相匹配的偏置与驱动电路完成对探测器的电信号输出，后续电路相继对电信号进行模拟放大处理后，传送给高分辨率A/D采样电路转换成数字图像信号；再对数字图像信号进行一系列的图像处理；最
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