專利名稱：醫學熱層析成像系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種由人體表面溫度分布，分析得到人體內部熱源信息的設備。
背景技術：
人體是一個天然生物發熱體，其輻射本領與絕對溫度310K的黑體相似，其峰值波長是9.348μm。根據斯忒-藩玻耳茲曼定律Mb＝σT4，只要測出人體輻射能量就能得出人體的溫度。
正常人體的溫度分布具有一定的穩定性和對稱性。由于解剖結構、組織代謝、血液循環及神經狀態的不同，機體各部位形成不同的溫度場。當局部存在疾患或功能發生改變時，該處血流和細胞代謝發生變化，導致局部溫度偏高或偏低。如果全身或局部溫度偏離正常，提示可能存在疾病或損傷。因此，溫度是觀察與衡量人體機能正常與否的最常用指標之一，獲取并分析全身或局部溫度是一種十分重要的臨床診斷手段。
紅外熱像儀在醫學領域的應用是通過記錄、顯示人體體表溫度分布，并結合人體解剖結構、組織代謝、血液循環及神經狀態等異常變化將導致局部體表溫度改變的特點來進行疾病診斷的。但是由于體表溫度不能夠真實反映體內溫度場，從而導致診斷準確率不高，人體三維溫度場的無損重構是解決問題的有效方法，也是醫學界和工程界公認的難題和亟待解決的關鍵技術。人們普遍認為結合紅外熱像儀獲得的體表溫度數據并利用合理的生物傳熱模型進行生物體三維溫度場的無損重構是最具應用前景的。
1948年，Pennes等人提出了Pennes生物熱傳導方程ρc∂T∂t=▿(k·▿T)+wbρbcb(Ta-T)+Qm]]>式中T(x，y，z)是體內溫度場分布函數，ρ、c是機體的密度和熱容率，k是熱傳導系數，wb、ρb、cb是血液灌注率、血液密度、血液熱容率，Ta是動脈血溫度，Qm是體內新陳代謝的熱量。
在生物傳熱研究和應用領域內，人們普遍認為Pennes方程是迄今為止所有生物傳熱模型中最為合適的。但該方程為二階含時偏微分方程，再加上體表復雜的邊界條件使得該方程幾乎不可能得到解析解。除Pennes生物傳熱模型外，其它的生物傳熱模型還有熱-電模擬的方法[1][2]，電路模擬的方法[3][4]，球形介質溫度分布模擬的方法[5]等。這些生物傳熱模型的特點都是完全脫離了Pennes方程，直接建立各自簡單的生物傳熱模型，雖然模型簡單便于求解，但其物理原理和生理機理值得探討。
發明內容
本發明的目的是針對上述現狀，旨在提供一種通過紅外熱成像過程獲得人體表面的溫度分布狀態，然后應用Pennes方程從體表溫度分布得到體內深層熱源的信息，通過體內熱源信息與疾病間的內在聯系和規律進行疾病診斷的醫學熱層析成像系統。
本發明目的的實現方式為，醫學熱層析成像系統，由中央控制與處理單元1、信號采集單元2和檢查單元3三部分組成，其中中央控制與處理單元1由計算機4、系統控制器5和打印機6組成，信號采集單元2由非致冷焦平面紅外探測器7和云臺8組成，非致冷焦平面紅外探測器固定在云臺上，檢查單元3由檢查室10中的旋轉底盤和電機及齒輪傳動裝置11組成，非致冷焦平面紅外探測器7的信號輸出端與計算機的USB接口相連，系統控制器與云臺8和電機及齒輪傳動裝置11的永磁同步齒輪減速電機相連。
本發明通過紅外熱成像過程獲得人體表面的溫度分布狀態，然后應用Pennes方程從體表溫度分布得到體內深層熱源的信息，通過體內熱源信息與疾病間的內在聯系和規律進行疾病診斷。
本發明提供并反映了機體組織的功能性變化，所以可進行疾病的早期預測，也可對藥物療效進行快速評估。在乳腺癌的早期診斷、SARS、甲狀腺癌、胰腺癌、腸癌、食道癌、肺病和肺癌、肝癌和肝臟疾病、婦科腫瘤、胃腸疾病、糖尿病、軟組織損傷、前列腺肥大、心血管疾病、腦血管疾病、微循環系統、神經系統等領域具有極其廣泛而重要的應用價值。
圖1是本發明結構示意2是非致冷焦平面紅外探測器的結構示意3是系統控制器的云臺控制電路4a、b是永磁同步齒輪減速電機工作電路5是系統控制器的控制面板示意圖，圖6是機體內部和機體表面及其坐標系示意7a、b、c、d是機體內部相同熱源強度、不同熱源深度條件下的體表二維溫度分布圖和三曲線疊加一維溫度分布8是機體內部熱源強度不變，熱源深度與體表溫度分布線型的線寬對應關系示意9是機體內部有一個點熱源，熱源強度為5W，熱源深度為5cm的x～q曲線圖10a、b、c是本發明應用于臨床的惡性腫瘤典型x～q曲線之一圖11a、b是本發明應用于臨床的惡性腫瘤x～q曲線之二圖12a、b是本發明應用于臨床的惡性腫瘤x～q曲線之三圖13a、b是本發明應用于臨床的惡性腫瘤x～q曲線之四圖14a、b是本發明應用于臨床的正常乳腺的典型x～q曲線圖15a、b是本發明應用于臨床的纖維瘤的x～q曲線圖16a、b是本發明應用于臨床的囊腫的x～q曲線圖17a、b是本發明應用于臨床的增生病的x～q曲線圖18a、b是本發明應用于臨床的炎癥的x～q曲線之一圖19a、b是本發明應用于臨床的炎癥的x～q曲線之二圖20a、b是本發明應用于臨床的肉芽腫乳腺炎的x～q曲線具體實施方式
參照圖1，本發明由中央控制與處理單元1、信號采集單元2和檢查單元3三部分組成，其中中央控制與處理單元1由計算機4、系統控制器5和打印機6組成，信號采集單元2由非致冷焦平面紅外探測器7和云臺8組成，非致冷焦平面紅外探測器固定在云臺上，檢查單元3由更衣室9、檢查室10和電機及齒輪傳動裝置11組成，非致冷焦平面紅外探測器的信號輸出端與計算機的USB接口相連，系統控制器5與云臺8和電機及齒輪傳動裝置11的永磁同步齒輪減速電機相連。云臺8是市面上常用的云臺。
參照圖2，本發明的紅外探測器采用市面上已有的非致冷焦平面紅外探測器7。人體輻射源的紅外線經紅外光學鏡頭聚焦后，進入紅外焦平面陣列，制冷器為紅外焦平面陣列制冷，保障其在工作溫度范圍內正常工作，紅外焦平面陣列由控制系統控制，將紅外信號轉換為電信號，電信號經前置放大器放大后再經A/D轉換器轉換成數字信號，數字信號經過溫度效驗和去除紅外焦平面陣列上的盲點等測溫處理后直接輸出溫度數字信號，輸出的溫度數字信號通過計算機USB接口輸入計算機并經過處理后得到體表的溫度分布數據，同時以熱圖的形式顯示在顯示器上，應用熱層析成像系統軟件中從體表溫度分布得到體內深層熱源信息的熱層析功能，通過計算機軟件依據體表的溫度分布數據計算并顯示出x～q曲線，通過打印機打印出包含x～q曲線的診斷報告。
系統控制器5的控制電路由圖3所示的云臺控制電路和圖4a、b所示的永磁同步齒輪減速電機工作電路組成。
參照圖3、5，云臺控制電路有電源開關S1，云臺的自動、手動控制開關S2。云臺內有兩對帶動紅外探測器上下、左右運動的雙向交流電動機，電機電源為交流24伏。而每對雙向電機由兩只旋轉方向相反的爪極式交流電機(圖中M1、M1’或M2、M2’)組合成一體的同軸雙向電機。市電經變壓器B降壓為24伏，給云臺內電機供電。當S2接至K2時，分別按下開關S5或S6，云臺將左、右旋轉，分別按下開關S7或S8，云臺將上、下轉動。無論水平或上下轉動，當旋轉到盡頭時，相應的限位開關SY1～SY4將被觸碰而斷開切斷電源，停止旋轉。此時必須按動相反方向旋轉的開關，才能繼續工作。當開關S2接至K1時，云臺進行水平旋轉運動，但上下轉動仍由手動控制。這樣，系統控制器5可控制云臺并帶動非致冷焦平面紅外探測器7根據探測人體部位的不同，由兩對電機M帶動作上、下或左、右運動。
參照圖4a、圖5，接通電機電源開關S3，開啟并選擇電機轉向開關S4，電機通過齒輪傳動裝置帶動檢查室中的旋轉底盤承載被檢查者順時針或逆時針旋轉，以方便探測人體的不同部位。參照圖4b、圖5，電機由兩組線圈組成，為實現電機M順時針或逆時針的轉向，電機的兩組線圈的兩個引線的連接方式是每組線圈的一根引線接在一起，與電源開關S3連接，另一根引線分別接電機轉向開關S4兩個不同的接點。
醫學熱層析成像系統實現從體表溫度分布得到體內深層熱源信息的方法是首先將Pennes生物熱傳導方程ρc∂T∂t=▿(k·▿T)+wbρbcb(Ta-T)+Qm]]>中的血流項wbρbcb(Ta-T)和代謝率項Qm合并為統一的內熱源項q，同時假設熱傳導系數k為一常數，則將Pennes生物熱傳導方程簡化為k·▿2T+q=ρc∂T∂τ,]]>當溫度場達到穩定狀態時，即溫度不隨時間而變化，則∂T∂τ=0.]]>因此得出穩態的熱傳導微分方程是k-_2T+q＝0。其中_2是拉普拉斯算符，T是機體組織的溫度場函數，q是機體內熱源的強度。 是溫度場函數對時間的導數。
機體病變區域將比正常區域產生過余的熱量，視為熱傳導方程中的內熱源。如果病變區域本身不是很大，或病變區域的大小相對于病變區域距體表的距離來說可以忽略，那么病變區域的熱源可以視為點熱源，寫為q·δ(r)，故機體內有病變熱源的穩態熱傳導方程可寫為▿2T=-1kq·δ(r).]]>設點熱源的熱量由體內傳導到體表，忽略機體本身的溫度控制特性且體表的溫度沒有任何限制，在三維無限空間內傳遞熱量，具有球對稱性，建立如圖6所示的球坐標系，將坐標原點O設在點熱源12處，體內13及體表14任意一點的位置可用(r，θ，ψ)表示。則有內熱源的穩態熱傳導方程為1r2·ddr(r2·dTdr)=-qk·δ(r),]]>解方程1、當r≠0時，方程變為1r2·ddr(r2·dTdr)=0,]]>其解為T=-Cr+D]]>(C和D都是常數)，不失一般性，取T=-Cr;]]>2、當r＝0時，對方程▿2T=-1kq·δ(r)]]>的兩邊做體積分得∫∫∫▿2Tdvϵ=-qk·∫∫∫δ(r)dvϵ=-qk,]]>其中積分體積是以坐標原點O為球心，以任意小的正數ε為半徑的球體。另一方面，由高斯定理 得C=-q4πk,]]>帶入T=-Cr]]>式，就得到了點內熱源穩態熱傳導方程的解T=q4πkr.]]>由于內部點熱源在機體表面垂點15的溫度最高，以點熱源為原點O建立如圖6所示的直角坐標系。點內熱源距機體表面垂點H的距離為h，體表上任意點P16的位置為P(x，y，h)，則任意點距體內熱源的距離r=h2+x2+y2,]]>因此得出機體表面的溫度分布表達式T(x,y)=q4πkr=q4πk·h2+x2+y2.]]>圖7a、b、c表示機體內部點熱源在相同熱源強度5W、三種不同熱源深度分別為3cm、5cm、7cm條件下的體表二維溫度分布。圖7d表示圖7a、b、c三曲線疊加的一維溫度分布。
實際應用中，已知體表的溫度分布T(x，y)，體內熱源的深度h和強度q信息是未知量，從體表的溫度分布得到體內熱源的深度和強度信息的具體步驟是從已知表面溫度分布得到體表最高溫度點H(0，0，h)的溫度T(0,0)=q4πkh]]>和體表任意點P(x，y，h)的溫度T(x,y)=q4πkr=q4πk·h2+x2+y2,]]>兩式相除得T(0,0)T(x,y)=h2+x2+y2h]]>因此，h=x2+y2·T(x,y)T2(0,0)-T2(x,y),]]>故T=4πk·T(0,0)·x2+y2·T(x,y)T2(0,0)-T2(x,y).]]>這樣，由體表的溫度分布T(x，y)可以得到體內熱源的深度h和強度q信息。
由T(x,y)=q4πk·h2+x2+y2]]>式可知，當q＝0時，T(x，y)＝0，表明生物體無內熱源時，體表溫度處處為零。但是，在一般情況下，當生物體內無熱源且與外界環境溫度T0達到熱平衡時，體表溫度應該處處與環境溫度T0相同。因此，體表二維溫度分布表達式應該修正為T(x,y)=q4πk·h2+x2+y2+T0]]>由上式可知，體表溫度是以(0，0，h)點呈中心對稱分布的。因此，在實際應用中只需把二維分布簡化成一維分布來處理。
參照圖8，人體組織17內部點熱源形成的體表溫度呈中心對稱并為線型分布。熱源h由淺入深(由2cm-7cm)變化時，其線型的線寬(如半高寬)逐漸增加，表示內熱源對體表溫度的影響范圍逐漸變廣。因此，以體表最高溫處為中心，通過對該中心點不同范圍的溫度分布進行分析可以獲得體內對應于不同深度的熱源強度信息。
以一維體表溫度分布T(x)=q4πk·h2+x2+T0]]>為例以x＝0點為中心，x取值范圍由小到大時分別對溫度曲線進行擬合得到不同x值所對應的q值，即x～q曲線。由于x值越大，對應的體表溫度范圍越廣，代表擬合得到的q值對應的熱源深度越深。這樣，x～q曲線即表示以x＝0為中心點由體表向內逐層深度的熱源分布狀態。
圖9表示體內有一個點熱源，熱源強度q為5W，熱源深度h為5cm時，當x取不同值代表的體表范圍，由T(x)=q4πk·h2+x2]]>給出一維體表溫度分布x～q曲線。可見，生物體內有一個異常點熱源時的x～q曲線為一個典型的拋物線。
反映人體內部不同熱源分布狀態的體表溫度分布對應于不同的x～q曲線。當人體內部局部組織發生生理和病理變化(包括良性和惡性病變)時，會呈現出不同特征的x～q曲線，因此，通過分析x～q曲線特征即可臨床診斷疾病。
本發明在武漢大學人民醫院和湖北省腫瘤醫院作了乳腺病臨床試驗，總病例294例，其中惡性腫瘤141例，良性病變153例，試驗結果見下表
說明1、乳腺癌與良性腫瘤均有病理診斷；
2、增生病9例有病理診斷；3、炎癥5例有病理診斷。
臨床試驗的敏感性、準確性、特異性結果為 根據生物體熱傳導規律和生物熱傳導模型的研究，結合圖8的生物體內異常點熱源的x～q曲線特征和臨床試驗數據，討論應用醫學熱層析成像系統得到的x～q曲線與不同乳腺疾病(包括癌癥)的關系。
一、惡性腫瘤x～q曲線有以下四種1、如圖10a、b、c所示，惡性腫瘤的典型x～q曲線呈拋物線，曲線的主要部分在30度與45度之間，拋物線的最高點多在45度線之內，少數高出45度線。
2、如圖11a、b所示，曲線在30度與45度之間近似呈直線走勢。
3、如圖12a、b所示，曲線起始部分為拋物線，在30度與45度之間，后半部分偏離拋物線，或呈趨于水平走勢或趨于高抬走勢。
4、如圖13a、b所示，曲線緊貼30度線近似呈直線走勢。
前三種曲線為惡性腫瘤x～q曲線，第四種曲線為可疑惡性腫瘤x～q曲線。
本組病例中141例惡性腫瘤呈圖10的曲線的有90例，占63.8％；良性腫瘤、增生及炎癥共135例中呈圖10的曲線的只有7例，占5.2％，兩組有顯著差異。說明乳腺惡性腫瘤的x～q曲線呈拋物線并位于30度于45度之間，有診斷惡性腫瘤的統計學價值。
二、正常乳腺、部分良性腫瘤、增生及炎癥的x～q曲線特征1、正常乳腺的典型x～q曲線呈低平緩、水平走勢，如圖14a、b所示。
2、部分良性腫瘤、增生病的典型x～q曲線走勢一般都在30度區域，其中纖維瘤如圖15a、b所示；囊腫如圖16a、b所示；增生病如圖17a、b所示。
3、參見圖18a、b，炎癥的典型x～q曲線或走勢或在30度區域內，或走勢在45度以上區域(如圖19a、b所示)，特別是部分肉芽腫乳腺炎走勢在30度與45度之間(見圖20a、b)，其與惡性腫瘤曲線相似，應予以特別注意。
參考文獻[1]Z.Liu，C.Wang，Method and Apparatus for Thermal Radiation Imaging，UnitedStates Patent6，023，637，2000[2]H.Qi，P.T.Kuruganti，and Z.Liu，Early Detection of Breast Cancer UsingThermal Texture Mapping，In IEEE Symposium on Biomedical ImagingMacroto Nano，Washington，D.C.，July，2002[3]Z.Zhang，G.Jiang，Fundamental Theoretic Research of Thermal Texture Maps-Simulation and Analysis of the Relation between the Depth of Inner HeatSource and Surface Temperature Distribution in Isotropy Tissue.Proceedingof the 26th Annual International Conference of the IEEE EMBS San Francisco，CA，USA，September 1-5，2004[4]G.Jiang，Z.Zhang，A Circuit Simulating Method for Heat Transfer Mechanismin Human Body，Proceeding of the 26th Annual International Conference of theIEEE EMBS San Francisco，CA，USA，September 1-5，2004[5]D.Guo，J.Wang，The Study about the Temperature Di stributing of the SphereMedium Surface，Proceeding of the 26th Annual International Conference of IEEEEMBS，San Francisco，CA，USA，September 1-5，200權利要求
1.醫學熱層析成像系統，其特征在于由中央控制與處理單元(1)、信號采集單元(2)和檢查單元(3)三部分組成，其中中央控制與處理單元(1)由計算機(4)、系統控制器(5)和打印機(6)組成，信號采集單元(2)由非致冷焦平面紅外探測器(7)和云臺(8)組成，非致冷焦平面紅外探測器固定在云臺上，檢查單元(3)由檢查室(10)中的旋轉底盤和電機及齒輪傳動裝置(11)組成，非致冷焦平面紅外探測器(7)的信號輸出端與計算機的USB接口相連，系統控制器(5)與云臺(8)和電機及齒輪傳動裝置(11)的永磁同步齒輪減速電機相連。
全文摘要
醫學熱層析成像系統，涉及一種由人體表面溫度分布，分析得到人體內部熱源信息的設備。由用電纜相連的中央控制與處理單元、信號采集單元和檢查單元組成，中央控制與處理單元由計算機、系統控制器和打印機組成，信號采集單元由非致冷焦平面紅外探測器和云臺組成，非致冷焦平面紅外探測器固定在云臺上，檢查單元由檢查室和電機及齒輪傳動裝置等組成。本發明通過紅外熱成像過程獲得人體表面的溫度分布狀態，然后應用Pennes方程從體表溫度分布得到體內深層熱源的信息，通過體內熱源信息與疾病間的內在聯系和規律進行疾病的診斷，可對藥物療效進行快速評估。本發明已用于乳腺、肝臟、心腦血管、微循環、甲狀腺、糖尿病等疾病的診斷和癌癥的早期論斷。
文檔編號A61B19/00GK101088454SQ20071005268
公開日2007年12月19日 申請日期2007年7月11日 優先權日2007年7月11日
發明者李凱揚 申請人:武漢昊博科技有限公司