一種實現醫學熱層析成像的裝置的製作方法

2023-10-16 21:49:19 3

專利名稱：一種實現醫學熱層析成像的裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型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9.348 "m。根據斯忒一藩玻耳茲曼定律Mb-oT4，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。由於解剖結構、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，獲取並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，並結合人體 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。但是由於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 數據並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 4 = V(k. VT) + wb Acb (Ta - T) + Qm
式中T (x，y,z)是體內溫度場分布函數，p、 c是機體的密度和熱容率，k是熱傳 導係數，wb、 pb、 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，再加上體表複雜的邊界條 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 型還有熱一電模擬的方法[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，雖然模型簡單便於求解，但其物理原理和生理機理值得探討。
發明內容本實用新型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，然後應用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繫和規律進行疾病診斷的一種實現醫學熱層析成 像的裝置。
本實用新型目的的實現方式為， 一種實現醫學熱層析成像的裝置，由中央控制與 處理單元l、信號採集單元2和檢査單元3三部分組成，其中中央控制與處理單元l 由計算機4、系統控制器5和印表機6組成，信號採集單元2由非致冷焦平面紅外探測 器7和雲臺8組成，非致冷焦平面紅外探測器固定在雲臺上，檢査單元3由檢査室10 "t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的信號輸出端 7與計算機的USB接口相連，系統控制器與雲臺8和電機及齒輪傳動裝置11的永磁同 歩齒輪減速電機相連。
本實用新型通過紅外熱成像過程獲得人體表面的溫度分布狀態，然後應用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。
本實用新型提供並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、胰腺癌、胃腸疾病、肝 髒疾病、食道癌、肺病和肺癌、糖尿病、甲狀腺、子宮肌瘤、軟組織損傷、前列腺肥 大、心血管疾病、微循環系統、腦血管疾病、腸癌等^5域具有極其廣泛而重要的應用 價值。


圖1是本實用新型結構示意圖
圖2是非致冷焦平面紅外探測器的結構示意圖
圖3是控制器的雲臺控制電路圖
圖4a、 b是永磁同步齒輪減速電機工作電路圖
圖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圖
圖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圖
圖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係示
t蹈 團
圖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 《曲線
具體實施方式
參照圖l，本實用新型由中央控制與處理單元l、信號採集單元2和檢查單元3三 剖分組成，其中中央控制與處理單元l由計算機4、系統控制器5和印表機6組成，
信號採集單元2由非致冷焦平面紅外探測器7和雲臺8組成，非致冷焦平面紅外探測 器固定在雲臺上，檢査單元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，系統控制器與雲臺 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。雲臺8是市面上常用的雲
臺
參照圖2，本實用新型的紅外探測器採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後，進入紅外焦平面陣列，製冷器為紅外焦 平面陣列製冷，保障其在工作溫度範圍內正常工作，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後再經A/D轉換器轉換成數字信 號，數位訊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後直接輸出溫 度數位訊號，輸出的溫度數位訊號通過計算機USB接口輸入計算機並經過處理後得到 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體 中從體表溫度分布得到體內深層熱源信息的熱層析功能，通過計算機軟體依據體表的 溫度分布數據計算並顯示出x ~《曲線，通過印表機列印出包含^ 《曲線的診斷報告。
系統控制器5的控制電路由圖3所示的雲臺控制電路和圖4 a、 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，雲臺控制電路有電源開關S1，雲臺的自動、手動控制開關S2。雲臺 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隻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，給雲臺內電機供電。當S2接 至K2時，分別按下開關S5或S6，雲臺將左、右旋轉，分別按下開關S7或S8，雲臺 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，雲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可控制雲臺並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，開啟並選擇電機轉向開關S4，電機通 過齒輪傳動裝置帶動檢査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 控測人體的不同部位。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。
本實用新型實現從體表溫度分布得到體內深層熱源信息的熱層析方法是
首先將Pennes生物熱傳導方程= V(k.VT) +wb/ bcb(Ta -T) + Qm中的血流
項^Vb/V^0;7T)和代謝率項CL合併為統一的內熱源項q，同時假設熱傳導係數k為
一常數，則將Pennes生物熱傳導方程簡化為k.V2T + q = pc肛，當溫度場達到穩定 狀態時，即溫度不隨時間而變化，則！ = 0。因此得出穩態的熱傳導微分方程是 kV2T + q = 0。其中VS是拉普拉斯算符，T是機體組織的溫度場函數，< 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餘的熱量，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於病變區域距體表的距離來說可以忽
略，那麼病變區域的熱源可以視為點熱源，寫為《.3(。，故機體內有病變熱源的穩態
熱傳導方程可寫為v2r = -i《.5(o。
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0設在點熱源12處，體內13及體表14任意一點的位置可用(r"，w)
表示。則有內熱源的穩態熱傳導方程為4.4"P.^、-i.^0，解方程
乂
1、當r^0時，方程變為4.Afr2.^^| =。，其解為r = -2 + z> (C和Z)都
是常數)，不失一般性，取r--二；
2、當r-0時，對方程V2r = -jg.外)的兩邊做體積分得
formula see original document page 6 ，其中積分體積是以坐標原點0為球心，以任意小H]正數e為半徑的球體。另一方面，由高斯定理 WV2^=#WA=#f .<=錄.^*.4-2=-〖，得C = -^，帶
入r--二式，就得到了點內熱源穩態熱傳導方程的解r=l。
由於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0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/;，體表上任意點P16的位
置為屍(;c,少，/0，則任意點距體內熱源的距離">2+ +/ ，因此得出機體表面的溫
度分布表達式r(;c，力=yV =-, w…。
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r(x,力，體內熱源的深度A和強度g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歩驟是從已知表面
溫度分布得到體表最高溫度點//(0,0,/2)的溫度7X0,0)=」；和體表任意點
4禍
的溫度r(:c,j/)-~V=-,《 ,兩式相除得'.
zm=v" "2_ ，因此，^ y^7如),故
—d.r(o，o). y^、《。這樣，由體表的溫度分布roc，力可以得到體內 Vr2(o，o)_rW)
熱源的深度A和強度g信息。
由r(;c，力-—— 9式可知，當《=0時，T(;c，力-O，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 ;達到熱平衡時，體表溫度應該處處與環境溫度7;相同。因此，體表二維溫度分 布表達式應該修正為r(;c，力--, ， ， ， +r0
由上式可知，體表溫度是以(0，0，/0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並為線型分布。 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範圍逐漸變廣。因此，以體表最高溫處為中心，通過對該 中心點不同範圍的溫度分布進行分析可以獲得體內對應於不同深度的熱源強度信息。
以一維體表溫度分布r(;c)--^_= + 7;為例以:c-O點為中心，x取值範 圍由小到大時分別對溫度曲線進行擬合得到不同JC值所對應的g值，S卩X g曲線。 由於X值越大，對應的體表溫度範圍越廣，代表擬合得到的《值對應的熱源深度越深。
這樣，；c 《曲線即表示以;r-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範圍，由r("--^_給出一維體表溫度分布^ 《曲線。
可見，生物體內有一個異常點熱源時的;c 《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於不同的x 《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，會呈現出不同特徵 的x g曲線，因此，通過分析;c 《曲線特徵即可臨床診斷疾病。
本實用新型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 2 4例，其中惡性腫瘤141例，良性病變153例，試驗結果見下表
病種診斷符合例(％)診斷不符合例(％)總例數
乳癌126 (89.4)15 (10.3)141
良性腫瘤49 (89.1)6 (10.9)55
增生病71 (88.7)9 (11.3)80
炎症15 (83.3)3 (16.7)18
合計261 (88.8)33 (11.2)294
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、 炎症5例有病理診斷。
臨床試驗的敏感性、準確性、特異性結果為:
真陽性 126
敏感性=
真陽性+假陰性126+15
=89.4%
準確性-真陽性、+真陰性=1M11^88.8%
特異性=
總病例數 真陰性
294 135
真陰性+假陽性135+18
=88.2%
參考文獻 Z. Liu， C. Wang, Method and Apparatus for Thermal Radiation Imaging, United States Patent: 6,023,637， 2000
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匚5] D.' Guo, J. Wang, The Study about the Temperature Distributing of the Sphere Wedium Surface, Proceeding of the 26th Annual International Conference of IEEE EMBS, San Francisco, CA, USA, September 1—5, 200權利要求1、一種實現醫學熱層析成像的裝置，其特徵在於由中央控制與處理單元(1)、信號採集單元(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)和印表機(6)組成，信號採集單元(2)由非致冷焦平面紅外探測器(7)和雲臺(8)組成，非致冷焦平面紅外探測器固定在雲臺上，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的信號輸出端(7)與計算機的USB接口相連，系統控制器與雲臺(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。
專利摘要一種實現醫學熱層析成像的裝置，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、信號採集單元和檢查單元組成，中央控制與處理單元由計算機、系統控制器和印表機組成，信號採集單元由豐致冷焦平面紅外探測器和雲臺組成，非致冷焦平面紅外探測器固定在雲臺上，檢查單元由檢查室和電機及齒輪傳動裝置等組成。本實用新型通過紅外熱成像獲得人體表面的溫度分布狀態，然後應用Pennes方程從體表溫度分布得到體內深層熱源信息，通過體內熱源信息與疾病間的內在聯繫和規律進行疾病診斷，可對藥物療效進行快速評估。本實用新型已用於乳腺、肝臟、心腦血管、微循環、甲狀腺、糖尿病等疾病診斷和癌症早期診斷。
文檔編號A61B5/00GK201055377SQ20072008578
公開日2008年5月7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