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医用红外热像仪技术在皮肤科中的应用

医用红外热像仪技术在皮肤科中的应用

冉杰 林能兴(华中科技大学同济医学院附属协和医院皮肤科)

摘 要

随着红外热像仪技术的不断发展,其非侵入性、价廉的成像方式,易于执行的优点不断被用于多种疾病的早期诊断。本文分别从热成像技术原理、红外热像仪技术在医学上的应用,以及热成像技术在皮肤科中的应用等方面分析红外热像技术的临床应用和研究近况,为多种疾病的早期诊断、疗效评价和应用研究提供参考依据,以促进医用热成像技术在临床皮肤疾病的应用和发展。

关键词:红外热成像技术;临床皮肤病学;医学诊断;皮肤细胞代谢

医用红外热像仪技术(infrared thermography,IRT)是一种通过检测人体表面的红外线辐射来了解人体代谢情况的技术。早期的红外成像系统是在20世纪40年代开发的,于1959年在巴斯首次使用,用于对关节炎关节上增加的热量进行成像。

在过去的20年里,红外成像设备的性能、技术的标准化和热成像的临床方案都取得了长足的进步,体表温度分布的生理机制现在得到了更好的理解。皮肤是人体最大的器官之一,参与整个机体的新陈代谢过程,其中皮肤细胞代谢是皮肤健康的重要指标。皮肤细胞代谢可以通过检测皮肤表面的温度变化来得出,这使得热成像技术可以应用在许多细胞代谢异常的皮肤疾病中。

医用红外热像仪技术的基本原理

医用红外热像仪检测技术其基本原理是利用红外线相对于其他波段的穿透力更强的特性,通过接收不同部位辐射的强度不等的红外线,并转化为不同的温度分布图。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、位置,达到诊断疾病的目的。

当人体的组织或器官发生代谢活动时,细胞就会产生热量。细胞代谢活动的强度与机体活动强度有关。例如,骨骼肌、心脏和肝脏等组织具有较高的代谢率,因为它们需要消耗更多的能量来维持其功能。而一些较少活跃的组织,如脂肪组织,代谢率相对较低。

当体表温度升高时,通常意味着组织或器官的代谢活动正在增加,因为其产生的热量增加。通过测量体表的温度分布,医用红外热成像技术可以提供有关身体不同部位代谢活动和血液循环的信息。这些信息有助于疾病的早期诊断,例如肿瘤、炎症和感染等。

医用红外热像仪技术的应用范围

2.1 风湿性疾病

红外热像仪技术已成功用于雷诺现象治疗后恢复的诊断和评估,Chikura等在一项回顾性研究中,回顾了患者既往2年热成像图像,以评估原发性雷诺现象PRP)和继发性雷诺现象SRP)之间的拇指受累程度是否不同。一项研究研究了轻度运动训练对活动性银屑病关节炎患者的影响。与健康对照组相比,活动性银屑病关节炎患者组的平均基线温度更高。作者记录了与对照组相比,从运动结束到达到最低温度所需的时间更长。基本假设是,即使没有临床症状,炎症相关过程也可能导致运动引起的皮肤温度改变。Ring证明,受试者患在有类风湿性关节炎,幼年关节炎,骨关节病,痛风等疾病时,关节温度分布异常。Collins等开发了一种基于热成像指数的方法,用于量化人类受试者的关节炎症。已经证明了使用IRT来量化非甾体抗炎药阿司匹林、吲哚美辛和苯诺利特)对类风湿关节炎和痛风受试者的影。根据他们的研究,已经得出结论,IRT是评估抗炎治疗反应的合适工具。

2.2 乳腺癌

乳腺癌是女性患癌中最常见的癌症,早期诊断治疗是乳腺癌治疗的关键。目前许多技术可用于乳房疾病筛查,如乳房X光检查,MRI,CT,超声波等。乳房X光检查是最流行的技术,但存在一些固有的问题,例如暴露于X射线辐射,相对较高的成本,检测较小尺寸的肿瘤的问题以及对年轻女性乳房的敏感性低。红外热像仪不纯在这些问题,因此,它是研究乳腺癌的新工具。

Ng等对IRT作为一种非侵入性乳腺肿瘤检测方式进行了很好的综述,他详细描述了基本方法、标准实践、图像捕获和图像分析。他描述说,乳房温度图异常表明存在重大的生物学风险。肿瘤通常具有增加的血液供应和增加的代谢率,这导致这些区域出现局部高温斑点,使它们通过热像仪可视化。Gamagami通过IRT研究了血管生成,并报道了15%的病例IRT可以检测到乳腺X线摄影无法识别的癌症。他还表明,在86%的不可触及的乳腺癌病例中可以看到血管过多和体温过高。

2.3 糖尿病神经病变和周围血管疾病

糖尿病神经病变和血管疾病通常都会引起皮肤表面温度的改变,这使得IRT成为诊断糖尿病神经病变或血管疾病的合适工具。Branemark等对许多糖尿病受试者进行了研究,发现他们的脚和手都有异常的温度模式,如脚趾、跖骨区域和手指的温度降低。Sun等研究了足底皮肤温度与糖尿病高危足部交感神经功能障碍之间的关系。他们发现,与正常受试者30.2±1.3)℃相比,糖尿病高危受试者的平均脚部温度26.8±1.8)℃显着更高。他们的研究证实,体温调节出汗障碍意味着糖尿病足的早期交感神经损伤,这可以在使用IRT的疾病初始阶段检测到。

2.4 发热筛查

Nguyen等研究了红外热成像对发热进行大规模筛查的有效性,记录了颈部和面部区域的热图。他们观察到,热成像方法的敏感性与自我报告的发烧病例相似,并得出结论,IRT是快速和非接触式发热大规模筛查的有效工具。Hewlett等将发烧受试者与健康个体区分开来,敏感性为0.70,特异性为0.92。此外,Chiu等调查了医院发热筛查的有效性,获得了75%的敏感性和99.6%的特异性。由此表明,IRT未来可以在多方面用于发热筛查。

2.5 其他方面

IRT还被广泛用于脑成像热脑镜检查),牙科和皮肤病学,肌肉疼痛和肩部撞击综合征研究,风湿性疾病的诊断,干眼症诊断,寄生虫肝病的治疗,检测转移性肝病等疾病。

医用红外热像仪技术在皮肤科中的应用

皮肤作为调节人体体温的重要器官之一,与血液循环共同调节体内外温度平衡。目前,皮肤温度被认为是诊断和监测几种皮肤疾病治疗的重要参数。热成像作为高效、准确、安全、非接触性等优点,在皮肤疾病诊断治疗中的应用得到了不断加强。

3.1 痤疮

痤疮acne)作为一种炎症性疾病,由于皮下脂肪的产生过多,会改变受影响皮肤区域的血流动态,从而改变温度。Padilla-Medina等指出了应用IRT来确定患者痤疮严重程度的可能性,因为从热像图中获得了定量信息,此外还可以更有效地监测疾病治疗的进展。

3.2 银屑病

银屑病psoriasis)是一种慢性炎症性皮肤病,其特征是组织病理学检查中有一些明显的特征,即角化过度、表皮缺乏颗粒层、真皮炎性浸润以及血管变化,例如新血管形成和管腔增宽。Zalewska等对84例病人稳定的银屑病斑块以及相应的84例无病变皮肤区域进行了红外光谱分析。在活动性病变处观察到皮肤温度升高,随着背部和下肢皮肤病变的消退,皮肤温度降低。

Castillo-Martínez等通过热成像监测了1例患有牛皮癣的9岁儿童的8周治疗。在治疗8周后,患者炎症活动区域的平均温度明显下降,达到与正常儿童温度模式一致。这种情况表明,数字红外成像可能是评估牛皮癣严重程度的有用技术,该技术也可用于选择适当的治疗和评估患者对当前治疗的反应。通过使用数字红外成像和观察高温区域,可以调整治疗剂量,并根据情况切换到另一种治疗甚至停止用药。

3.3 化脓性汗腺炎

化脓性汗腺炎hidradenitis suppurativa)是一种慢性、复发性皮肤病,其特征是在身体的大汗腺分泌区域出现深部、疼痛的炎性结节、脓肿和瘘管。热成像是检测化脓性汗腺炎病变炎症严重程度的有前途的工具,可用作内科和外科HS治疗评估研究中的临床生物标志物。化脓性汗腺炎炎症部位的特征是温度升高,切除HS病变后,温度与健康组织相似。

3.4 系统性硬皮病

系统性硬皮病systemic sclerosis scleroderma,SSc)是一种全身性结缔组织疾病,其特征是纤维化的皮肤和内脏器官,血管功能障碍以及免疫紊乱。Ranosz-Janicka等采用IRT对40例局部硬皮病病变进行检查,并与对侧健康皮肤进行比较。IRT检测活动性/炎症的敏感性和特异性分别为80.7%和86.3%。

Motegi等采用IRT评估10例日本患者在基线和治疗后4周的肉毒毒素A对雷诺现象的疗效。为了评估治疗手指皮肤温度的恢复情况,在冰浴浸泡后和浸泡20 min后分别进行IRT测量。注射后4周冷水刺激后皮肤温度恢复较治疗前明显增强。

3.5 医用红外热像仪检测患者皮肤细胞代谢

皮肤作为人体最重要的器官之一参与整个人体的新陈代谢过程,尤其是机体的体温调节。当人体处于健康状态时,皮肤组织的表面温度,将始终处于一个正常范围内;而当人体的某个组织发生病变,会引发血流血氧及细胞新陈代谢改变,最终导致该组织表面温度发生异常变化,这为利用人体组织表面温度进行疾病辅助诊断提供了依据。

皮肤黑色素瘤被认为皮肤癌是最常见和增长最快的癌症之一。目前临床常用皮肤镜检测以及切除可疑病变和组织病理学检查来确认诊断。此外,红外热像仪在皮肤黑色素瘤的检测中应用越来越多。

Bonmarin和Le Gal构建了一个模拟不同皮肤癌阶段的多层传热模型,并测试了稳态和瞬态锁相热成像LIT)热成像检测此类肿瘤的能力。在该模型中病变区域和周围组织之间的温度差异被证明有助于区分恶性和良性皮肤肿瘤。Godoy等使用动态热成像DTI)证明了这些结果,并记录了施加冷应激后皮肤肿瘤的热恢复情况,分别实现了95%和83%的灵敏度和特异性值。

与正常皮肤细胞相比,皮肤癌细胞增大,因为不受控制的细胞分裂率很高。由于细胞分裂率高,癌细胞必须转换更多的能量来运行细胞过程。这种化学过程称为细胞新陈代谢。由于高新陈代谢,有更高的能量需求,这也导致血管生成增加。血管生成是从现有血管形成新血管以提供必要的额外能量的生理过程。结合能量需求的增加,黑色素瘤皮肤病变被认为具有更高的的温度比周围健康皮肤。

因此,黑色素瘤皮肤病变的红外成像基于对新血管的检测以及与肿瘤发生和生长相关的化学变化。其他皮肤肿瘤类型如基底细胞癌)可能形成受累细胞的封装层,其作用类似于热绝缘体,导致体温调节过程延迟。同样,González等研究了不同皮肤病变黑色素瘤和非黑色素瘤)的血管性,发现每种癌症类型都有自己的热特征。使用FLIR T400红外摄像机FLIR Systems,Wilsonville,OR,USA)对30例黑色素瘤和非黑色素瘤皮肤癌患者进行了检查。结果显示不同类型的皮肤肿瘤具有典型的热特征,与鳞状细胞癌和黑色素瘤相比,基底细胞癌表现为冷特征,这与这三种类型的皮肤癌的血管性质相一致。

基底细胞癌和鳞状细胞癌表现出较大的血管范围,而鳞状细胞癌的热分布基本保持不变,基底细胞癌的热分布变化很大。在黑色素瘤的情况下,他们表现出高血管性和几乎恒定的热特征,这表明代谢热的产生与评估侵略性更相关。基底细胞癌的温度分布范围较大,血管性差异较大,在分析基底细胞癌各亚型时观察到血管性与温度分布之间存在相关性,表明基底细胞癌的热行为高度依赖于其亚型。对于鳞状细胞癌,测量了脉管系统的大范围,但是其热分布的温度范围没有显着变化,这表明可能存在代谢性热量产生-脉管系统参数似乎保持不变。

小 结

红外热成像是一种非侵入性、价廉的成像方式,易于执行,利用热像仪检测皮肤发出的红外辐射,以产生特定身体区域的特征热模式。红外热成像技术已经逐渐在医学各领域有效应用,医学红外热像仪在检测皮肤细胞代谢中应用越来越广。尽管据报道它在皮肤癌的鉴定方面取得了成功,但理论研究表明,早期黑色素瘤的鉴定仍然无法实现。热成像技术还有环境影响、个体差异、仪器精度和数据处理等问题需要处理。期待未来改进不足,充分发挥热成像这项技术的潜力,特别是其动态应用,来提高在皮肤相关疾病相关程序中向患者提供的医疗服务的质量。

----本文摘自《皮肤科学通报》2023年8月第40卷第4期

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