热断层成像课件.ppt

第十章 红外线成像与热断层成像,红外辐射,探测红外线,目标,红外线成像热断层成像,红外线成像,第一节 红外探测器,第二节 红外热像仪,第三节 热断层成像,第十章 红外线成像与热断层成像,第一节 红外探测器,三、成像探测器,一、热探测器,二、光子探测器,红外辐射能,电压、电流等（传感器）,电能（探测器）,从F.W.赫歇尔发现红外线时使用的涂黑灵敏温度计开始，随着固体物理学及半导体物理与器件的发展，根据红外辐射与物质相互作用时产生的各种次级效应，到目前已研制出多种结构新颖、灵敏度高、响应快的红外探测器。,第一节 红外探测器,近红外探测器中红外探测器远红外探测器,红外探测分类：,低温探测器(需液态He、Ne、N2致冷)中温探测器(工作温度在195200K热电致冷)室温探测器,按工作温度分,按响应波长范围,单元探测器多元列阵探测器成像探测器,按结构和用途,第一节 红外探测器,根据入射辐射的热效应引起探测材料某一物理性质变化而工作,一、热探测器,探测材料因吸收入射红外辐射,测量这些物理性质的变化就能够测量被吸收的红外辐射功率,原则上讲，热探测器是一类无选择性的探测器。热探测器的响应时间较长（一般为几毫秒或更长些）。,一、热探测器,热探测器是依据辐射产生的热效应来测量入射辐射能量的吸收速率。或者说，热探测器的响应只依赖于吸收的辐射功率，与辐射的光谱分布无关。,(2)金属和半导体热敏电阻热辐射探测器,(3)热释电探测器,热探测器几种类型：,(1)测辐射温差热电偶和热电堆,(4)气动红外辐射探测器,一、热探测器,二、光子探测器,红外光子探测器,利用入射光子流与探测材料中电子之间直接相互作用，从而改变电子能量状态，引起各种电学现象称为光子效应。,根据引起光子效应的大小可以测量被吸收的光子数。并依据所产生的不同电学现象，可制成各种光子探测器。,光子探测器几种类型：,(1)光电子发射探测器,(2)光电导探测器,(3)光-伏探测器,(4)光磁电探测器,二、光子探测器,二、光子探测器,与热探测器不同，光子探测器是探测光子数的吸收速率，探测器的响应正比于单位时间吸收的光子数。而且，欲使材料中的电子从体内逸出，或从束缚态激发到自由导电状态，吸收的光子能量 必须超过某一确定值。,对景物依次扫描时能形成图像,将单元探测器置于景物的像平面上,它将响应像上该点的平均辐照度,三、成像探测器,如果移动光学系统或探测器，使它在像平面上扫描,则可得到像平面上辐射分布的按时间顺序排列的“图像”,它正好对应于物面的辐射分布,单元探测器,成像探测器,三、成像探测器,由无数个单元探测器构成,两类探测器的关键差别是,成像探测器对整个像不间断地响应,而单元探测器则必须依次探测各个像素,由此可将多个单元探测器按线阵或面阵的结构组合成多元列阵成像探测器.,观测时间不同,按其工作原理可分成下列几种类型：,1.热释电摄像管,不同温度分布,特殊热电材料靶面,形成由图像产生电荷分布,扫描电子束读出,三、成像探测器,产生不同表面电荷分布,2.光电子发射型成像探测器:,(1)变像管 将红外图像变为可见光图像,三、成像探测器,根据光电子发射随温度的变化而制成的热敏成像器件,(2)热像管（光热离子变像管）,两种使用较广的成像探测器：,利用光阴极的外光电效应制成的成像器件。,三、成像探测器,3.红外电荷藕合器件（CCD):,以少数载流子作为信息代表存储于MOS电容器的反型层中，并通过电极下势阱进行传输。,主要用于成像、存贮和模拟延迟等方面,以金属-氧化物-半导体技术为基础,第二节 红外热像仪,一、医用红外热像仪的原理,二、医用红外热像仪的性能与参数,三、红外热像仪的特点与临床应用,目标的热像图与目标的可见光图像不同,目标的本身和背景之间的红外线差,一、医用红外热像仪的原理,热红外线形成的图像称为热像图,不是人眼所能看到的目标可见光图像,而是目标表面温度分布图像,物体表面的辐射功率不仅决定于温度T 还依赖于物体表面的发射率,通过收集目标发出的整个光谱范围内的全部辐射能量来确定物体温度的方法,一、医用红外热像仪的原理,1.全辐射测温原理,只在较宽波段范围内接受总辐射能的大部分辐射能量,根据史蒂芬-玻尔兹曼定律,不同物体发射率差异很大 不能只通过单一测量辐射出射度来测量温度。,所得到的温度称为物体的辐射温度因发射率 1 故辐射温度总低于真实温度发射率越小 辐射温度与真实温度相差越大,一、医用红外热像仪的原理,若两者的接受辐射出射度相同，应有如下关系：,1.全辐射测温原理,通过黑体定标设黑体的温度为 所对应的辐射出射度为,通过测量目标在某一辐射光谱波段内的辐射功率来确定目标温度，所得到的是物体的亮温度,一、医用红外热像仪的原理,2.单色测温原理,即物体的亮度是在某一特征波长物体与温度为T的黑体光谱辐射出射度相等，如目标的光谱发射率 已知,可知测温仪接收到的辐射出射度只与温度有关取 为单位波长 在 C2 时,亮温度定义,从,用黑体标定温度TBB 的黑体辐射能量应等于温度T 的目标辐射能量,测试波长选的越短由发射率引起的误差就越小测量低温目标宜选用长波波长测量高温目标宜选用短波波长,=,于是得,一、医用红外热像仪的原理,2.单色测温原理,3.比色测温原理,影响因素：材料的性质 表面状况 温度范围 辐射波长 发射角度等,一、医用红外热像仪的原理,难以精确确定 包含误差,全辐射测温和单色测温都必须预知被测目标的发射率,比色测温 根据两个波段辐射能量的比值来测定物体的温度,一、医用红外热像仪的原理,假定在这两个波段范围内发射率相等或变化缓慢,辐射能量的比值就主要决定于被测物体的表面温度而与被测目标的发射率无关,3.比色测温原理,并假定 选定为单位波长，且 C2，利用黑体标定目标温度，则得出两个波长的辐射出射度比的表达式为：,一、医用红外热像仪的原理,3.比色测温原理,所得到的温度是物体的色温度,经整理得,红外热像仪 利用红外探测器、光学成像物镜和光-机扫描系统，采用特殊的测温方法把红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上,一、医用红外热像仪的原理,在光学系统和红外探测器之间，有一个光-机扫描机构（焦平面热像仪无此机构）对被测物体的红外热像进行扫描并聚焦在单元或分光探测器上由探测器将红外辐射能转换成电信号经放大处理、转换或标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热像图,这种热像图与物体表面的热分布场相对应,热像仪原理框图,聚光滤波,信号预处理,扫描电路,伪彩色编码,帧存编码,A/D转换,除噪校正,背景存储,监视器,D/A转换,微处理器,读写控制,红外辐射,一、医用红外热像仪的原理,人体红外辐射非常微弱,二、医用红外热像仪的性能与参数,容易受到其他外界因素的影响,描述红外热像仪的性能是一个比较复杂而宽泛的问题,指标主要有：,视场 空间分辨率 温度分辨率,帧时 测温范围 波长范围等,红外热像仪将人体发出的不可见红外辐射能量通过光-机扫描系统，光-电转换探测器，信号处理系统转变为可见的图像信号在监视器上以热像图的形式显示出来,三、红外热像仪的特点与临床应用,图像的灰度表示温度的高低,用“亮”表示温度高,用“暗”表示温度低,或用暖色和冷色表示温度高低,热像图的识别及病灶的分辨，需要临床经验的积累和与其它诊断方法的比对等。,三、红外热像仪的特点与临床应用,人体脏腑器官或体内组织发生病变时,如有温度的变化,通过导热，在皮肤表面产生温度变化,在其对应的体表或穴位出现热区或冷区,然后通过辐射传热，被红外热像仪接收,最终形成热像图,如头部、颈部、胃肠、乳腺、肺部、肝、胆、心血管、前列腺、脊椎、四肢血管等特别是炎症、肿瘤、周围神经疾病、疼痛、腹腔不明出血等疑难病症诊断效果尤为突出，对判断是充血性炎症，还是缺血性炎症(含妇科)非常明显。,三、红外热像仪的特点与临床应用,红外热成像能精确给出人体温度分布用以研究人体健康情况,是一种无创伤检查手段,很多疾病会引起温度改变，对特定的器官，特殊的疾病有特殊 的诊断效果,医用热像仪不仅在临床阶段使用,三、红外热像仪的特点与临床应用,实践证明,疾病在出现结构和形态变化之前病灶区即呈现温度的变化,变化范围的大小、形状和温差的大小反映了疾病的性质和程度，所以,医用红外热像仪可以提前阳性发现期,为患者赢得了宝贵的确诊时间实现早期治疗,热像图检测手段越来越受到人们的关注和欢迎,而且可以提前到预防和保健阶段,医用红外热像仪接受人体表面的不同部位上辐射出的不同强度的红外线通过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像图像用来进行疾病的诊断和人体功能状态的分析及研究是一种应用领域非常广泛的诊断仪器,三、红外热像仪的特点与临床应用,通过其专用的软件对所存储的热图进行具体的分析为临床诊断提供可靠的依据具有广阔的医疗应用前景,三、红外热像仪的特点与临床应用,优点：,体积小 重量轻温度分辨率高测温精确等,图像质量高，符合临床医学诊断的要求,2003年 香山科学会议第207次学术讨论会中文名称定名为热断层技术。,热断层技术早期在中国曾称为热扫描成像技术、热CT。,2001年6月 美国休士顿建议将这种具有观测热源深度的热成像技术定名为thermal texture maps system，简称TTM系统。,第三节 热断层成像,综合诊断功能在某些方面优于目前世界先进的其它类型影像诊断设备,该系统与一般红外热像仪不同之处是经过热断层可以测出热源的深度、形状、及热辐射值，探测器灵敏度高。,是九十年代继X-CT、MRI、超声、核医学成像等四大医学影像技术之后的又一突破。,第三节 热断层成像,热断层成像系统（thermal texture maps system，TTM),第三节 热断层成像,一、热断层成像技术产生的技术背景,二、热断层(TTM)技术的物理学原理,三、热断层成像系统结构及组成,四、热断层成像系统应用特点及前景,一、热断层成像技术产生的技术背景,热是自然界中存在的声、光、电、磁和热五种能量之一,红外线仅是热辐射频谱中的一小段,热能的辐射远比红外线波段宽得多,细胞新陈代谢过程中产生的热称为细胞代谢热,细胞代谢热与细胞的种类有直接的关系同类细胞代谢热的强度直接与细胞的活性相关,体表细胞代谢热很容易被检测到,但易受到周围环境热和人体自身状态的影响,因此红外热像技术在医学临床的应用很难被认可,红外热像技术基于检测体表温度来诊断疾病受干扰多对疾病诊断的灵敏度和特异性都不高,一、热断层成像技术产生的技术背景,20世纪80年代，我国科技人员开展了有关人体体内细胞代谢热和体表温度的分布关系的研究，从热传递和辐射的基本理论方面获得了突破。,提出了热断层的基本理论：体内细胞代谢热传递到体表的分布与热源的深度满 足高斯曲线的半功率点的规律,研制出了世界第一台热断层成像系统,一、热断层成像技术产生的技术背景,二、热断层（TTM）技术的物理学原理,1.人体热源理论,上式表示通过组织传导的热，组织代谢热容量和被等价于动、静脉温度差的单位血流灌注率,Pennes生物能-热能转换等式,K是热传导率，qm 是组织热容代谢率 是特定热容乘积，T 是未知组织温度Ta是动脉温度,1.人体热源理论,二、热断层（TTM）技术的物理学原理,T为黑体的热力学温度 斯蒂芬-波耳兹曼常量A为辐射表面积,2.热断层扫描成像原理与热电模拟技术,固体辐射能量与其表面温度和状况有关黑体的吸收系数为1根据辐射定律,黑体的辐射能量为：,二、热断层（TTM）技术的物理学原理,式中为s 系统发射率；T1 T2为两物体表面温度。,2.热断层扫描成像原理与热电模拟技术,灰体的辐射能量,式中 为该物体的发射率,两个物体的系统，它们之间的辐射传热热流量为,二、热断层（TTM）技术的物理学原理,A为传热面积，为冷热体间的传热温差 K为比例系数，称为总传热系数，简称传热系数，单位是,2.热断层扫描成像原理与热电模拟技术,传热过程是热流从高温想低温的传导过程,在同一传热面上，两物体温差越大传递的热量越多,传热过程热流量可表示为,二、热断层（TTM）技术的物理学原理,利用处理电阻网络的方法来处理某些传热问题，导热与导电相似，根源在于傅里叶定律与欧姆定律之间相似，因此傅里叶定律可以方便地表示为,2.热断层扫描成像原理与热电模拟技术,将热流量表示成热电动势 除以电阻 的形式，与欧姆定律相似，即,热量的传递与电量的传递类似,二、热断层（TTM）技术的物理学原理,热阻概念的建立对复杂热转移过程的分析带来很大的方便，像电路一样，可以借用比较熟悉的串并联电路电阻的计算公式来计算热转移过程的合成热阻。,热流量与坐标无关在一定的温差和热阻条件下，热流量不随坐标的改变而改变。,根据基尔霍夫定律，一个节点的电流代数和为零,对传热而言，电流是指热流密度,2.热断层扫描成像原理与热电模拟技术,二、热断层（TTM）技术的物理学原理,利用红外热辐射接收扫描器接收人体细胞新陈代谢过程中的红外线辐射信号，经计算机处理、分析，基于特定规律和算法重建出对应于人体所检查部位的细胞相对新陈代谢强度分布图，并加以断层，测量出热辐射源的深度和数值，依据正常与异常组织区域的热辐射差来评估人体的健康状况为定性诊断疾病提供定量依据,这是该系统区别于其它红外热像仪的根本之处,2.热断层扫描成像原理与热电模拟技术,热断层成像系统原理：,二、热断层（TTM）技术的物理学原理,如何通过测量人体体表的热辐射来探知人体内部器官的部位、深度与温度是TTM技术中计算方法的关键。,2.热断层扫描成像原理与热电模拟技术,一种不需要直接解决逆向热传递问题的新方法，热-电模拟法孕育而生。,二、热断层（TTM）技术的物理学原理,图中的电路表示一条辐射线上的热-电模拟，M1、M2分别代表身体与空气，H(x,y)代表红外线接收装置接受到的热辐射，二维高斯分布平面图，H(x)代表红外线接收装置接受到的热辐射一维高斯分布曲线。,热电类比关系图,二、热断层（TTM）技术的物理学原理,热电类比关系图,二、热断层（TTM）技术的物理学原理,热电类比关系图,二、热断层（TTM）技术的物理学原理,假定热源（）与体表之间的介质是均匀的对应于体外电压的体表温度可以计算,n 表示电路中使用的电阻数量D 是热源的深度R0表示在某种介质中单位热损失（或热阻率），人体不同部位热阻率不同,热-电模拟技术提供了一种估测热源深度的方法为热断层技术提供了理论基础,二、热断层（TTM）技术的物理学原理,由于热断层成像系统是根据功能学原理设计而成，能在细胞组织新陈代谢发生变化时实时捕捉到信息，根据正常细胞与非正常细胞代谢的热辐射差，经计算机系统分析处理后，在屏幕上以不同的色彩显示出人体细胞相对新陈代谢强度的分布情况，通过分析测量某一部位变化的程度，来判别人体该部位的病变性质，并进行诊断。,二、热断层（TTM）技术的物理学原理,临床应用证明,热断层成像可以,较早期发现其它检查手段尚未发现的病灶,尤其是对癌前期、早期及原发癌的鉴别诊断,指导临床治疗提供了极有价值的参考,二、热断层（TTM）技术的物理学原理,人体体内组织细胞所产生的代谢热可经过人体组织传递到体表在热量从体内传递到体表的过程中，热量逐渐降低并在体表形成热分布，体表热通过热辐射的方式向空间辐射，可被热接收器所接收,人体体内热源向人体体表传递过程示意图,3.估测热源深度,二、热断层（TTM）技术的物理学原理,不同深度的体内热源，在体表形成的热分布是不一样的并与体内热源深度有密切关系，热断层（TTM）技术利用热接收器将分布不同的热接收，并按人体热辐射模型重建一幅对应人体细胞代谢强度分布的分布图。,目前重建时间小于2毫秒（1/500秒）对热形态的断层可达到1mm/层,3.估测热源深度,二、热断层（TTM）技术的物理学原理,体内热源传递到人体体表热分布图,不同深度时热分布的高斯形分布图,二、热断层（TTM）技术的物理学原理,热断层图像所显示的是人体组织内代谢热的分布情况，即对体内热形态的断层，热断层每断一层，相当于从皮肤往人体内深入1mm，当深度到达体内热源深度时，热源形态将明显增大。,与CT，MRI等形态断层不同热断层是对人体内细胞代谢热分布形态的断层分析而不是对人体组织的断层,3.估测热源深度,二、热断层（TTM）技术的物理学原理,热断层过程示意图,二、热断层（TTM）技术的物理学原理,首先用热断层（TTM）系统扫描，将所得参数输入热断层（TTM）计算机软件系统，计算出人体某部位的细胞代谢热值rfx，人体某部位细胞代谢热值可由下式计算得出,主要人体组织的细胞代谢热补偿系数（度/厘米）,D 为热断层系统经热断层测出的人体某组织的深度Cd为人体某组织的代谢热补偿系数,3.估测热源深度,二、热断层（TTM）技术的物理学原理,其他,人体热源的基本形态,人体细胞代谢热从功能状态主要可分为以下几种：,正常细胞、组织和器官,炎症组织和器官,良性肿瘤组织,增生细胞组织,癌症细胞,外界因素产生的影响,3.估测热源深度,二、热断层（TTM）技术的物理学原理,三、热断层成像系统结构及组成,热断层成像系统,控制系统,扫描系统,扫描床,控制系统,控制台 主机 显示器 彩色打印机等,操作者通过控制台对扫描系统和扫描床进行控制,包括：,组成：,三、热断层成像系统结构及组成,扫描系统,扫描头 扫描架 扫描架外罩,包括：,扫描架置于扫描架外罩中,新型扫描架二者合一,扫描头架设在扫描架上,进行图像的聚集、扫描的启动和停止控制,通过控制台可作升降、左右及上下旋转扫描,三、热断层成像系统结构及组成,扫描床,可沿轨道进行前后移动,下部的旋转盘可进行360度正反旋转,充分考虑到临床检查的需要,既可站位，也可坐位或卧位进行方便的扫描,热断层(TTM)技术的成像系统工作原理流程,三、热断层成像系统结构及组成,三、热断层成像系统结构及组成,热断层(TTM)技术的成像系统工作原理流程,扫描过程中只接收人体热辐射对人体无介入损伤对环境无污染热扫描过程灵敏快捷无需特殊准备可以同时进行多部位的扫描 头 颈 胸 腹 盆腔等该系统操作简单临床应用范围广,四、热断层成像系统应用特点及前景,1.应用特点,在癌前期可对肿瘤进行鉴别、诊断及普查，对心脑血管疾病、外科、皮肤科、妇科、五官科、中医、人体健康状态的综合评估，以及对各类疾病的治疗和药物疗效过程及结果的观察、分析等方面都有着极其重要的应用前景，是对我国目前现有医院已普及了CT、MRI及彩超等以组织形态学为主的影像设备、但又缺少以功能学为主的影像设备现状的完善和补充。,1.应用特点,四、热断层成像系统应用特点及前景,心肌缺血的TTM扫描图,四、热断层成像系统应用特点及前景,许多医学的特殊应用,2.应用前景,热断层(TTM)技术的出现可以弥补目前医学领域在观察细胞活性方面技术手段 的不足开辟从细胞代谢热的角度检查、诊断疾病的新医学领 域细胞代谢热医学。,放疗、热疗和化疗治癌过程中的疗效观察中医人体平衡医学研究磁疗疗效研究人体心理数字可视化,四、热断层成像系统应用特点及前景,热断层(TTM)系统通过细胞代谢热接收器接收人体细胞新陈代谢过程中的 热辐射信号按人体热辐射模型重建对应人体内各组织器官不同深度 的细胞新陈代谢相对强度的分布图可对人体状况进行综合评估。,四、热断层成像系统应用特点及前景,不同组织的不同深度热源,各种代谢热分布图,形态及代谢热关联每个器官都有其特定的解剖结构，有相对固定的解剖学关系，如支气管的走形、肺门淋巴及其走形。下肢浅表静脉，乳腺导管等都特定的组织关系，其相应部位细胞的代谢热分布亦具有相似特点，其热传导亦有一定的规律，根据解剖学及热传导规律，TTM可判断病灶的组织形态学类型及相对位置。,乳腺小叶增生与导管增生的代谢热形态区别,各种代谢热分布图,代谢热值该数值可提示人体某一部位的细胞代谢强度，数值高则提示代谢旺盛，数值低则提示代谢缓慢。,某患者右肺上叶的异常代谢热,各种代谢热分布图,代谢热边界分布状况科学研究证明：恶性肿瘤代谢热边界不规则（边界不清），多数呈毛刺状，良性肿瘤边界规则（边界清晰），此特点与组织形态相关。,恶性肿瘤与良性肿瘤代谢热形态的差别,各种代谢热分布图,热断层过程中热辐射分布形态的变化热断层过程中代谢热分布的变化情况可提示病变部位与近端周围组织的关系，如血管，淋巴以及与近端周围组织脏器的关系等。,代谢热分布均匀度（方差）,局部代谢的不均匀分布,各种代谢热分布图,热断层过程中代谢热分布形态的变化,各种代谢热分布图,热断层过程中与远端组织代谢热的关系,局部热源与淋巴关系,各种代谢热分布图,与其他相关的代谢热情况,交感神经反应,各种代谢热分布图,人体整体代谢热分布状况通过人体整体代谢热分布状况的分析，可了解人体整体代谢状况，可对疾病诊断提供一定的参考价值。,人体整体代谢热分布状况,各种代谢热分布图,动态数据:对人体采用有针对性的干预后所产生的代谢热变化情况。,局部动态前后代谢热的变化,通过观察局部病变在外界干预后代谢热值及形态的变化，可进一步确定该局部的病变性质，同时可得知该外界干预对该局部病变的作用。,各种代谢热分布图,小结：1、红外探测器。2、医用红外热像仪的原理,第十章 小结,思考题：1、红外探测器有那几种？2、医红外热像仪怎么工作的？3、热断层成像的原理是什么？,1、在红外辐射理论中，辐射能是以（红外线）的形式发射、传输或接收的能量。2、在电磁辐射中，波数等于波长的（倒数）。3、红外辐射的光子能量比可见光（波长大，或频率小），热效应比可见光（强）。,第十章 作业,4、热探测器是依据辐射产生的（热效应）来测量入射辐射能量的吸收率的。5、红外线成像的探测方式由反射式、透射式发展到（热断层）成像。6、物体的热辐射能量大小直接与物体表面的（温度）相关。,第十章 作业,第十章 作业,1、热探测器是根据 引起探测材料某一物理物理性质变化而工作的。AA、热效应；B、磁效应；C、光效应；D、压电效应。2、TTM红外线成像技术是通过建立人体的 理论，对体表问队进行层析从而获得人体体内辐射热源的位深度和数值。BA、热效应理论；B、热电模拟；C、红外辐射理论；D、电导理论。,第十章 作业,3、在热电类比关系中，人体内部的热源S可以等效为 BA、电流I；B、电压US；C、电阻R；D、电功率P；,第十章 作业,4、对于给定材料制成的某种光子探测器，入射辐射波长有何限制才能产生特定的光电效应CA、必须大于某一极限值；B、必须等于某一极限值；C、必须小于某一极限值；D、无任何限制。,第十章 作业,5、红外热像仪成像的顺序依次为 CA、计算机图像处理、红外传感器、信号放大及转换、光学会聚系统；B、红外传感器、信号放大及转换、光学会聚系统、计算机图像处理；C、光学会聚系统、红外传感器、信号放大及转换、计算机图像处理；D、光学会聚系统、信号放大及转换、红外传感器、计算机图像处理,