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