基于生物传热效应的医用红外热成像技术

摘要

生物组织的热效应引发了人们开展对红外技术医学应用及生物医学传热的研究，形成了红外医学影像学，为人体疾病的早期、无损诊断翻开了新的一页。医用红外成像技术是医学技术、红外技术和计算机多媒体技术相结合的产物，是一种记录人体热场的影像装置，与X-CT、磁共振、B超等以检查组织形态结构为主的医学影像技术具有不可替代的互补作用，是现代医学影像的一个崭新分支。
　　 医用红外热成像技术是通过红外热像仪被动地接收人体的红外辐射信号，其所成的红外热像是人体皮表温度的分布图像，并不能直接反映组织内部病灶部位和大小等相关信息，无法准确的把握人体内部异常温度的分布情况和对病灶进行准确的定位，所以必须进一步确定体表温度分布与体内热源之间的关系。可以说，目前的医用红外热成像技术几乎都止步于对采集到的人体表面温度分布的红外热像图进行定性的疾病诊断，尚未能达到定量诊断的程度。
　　 为了解决上述医用红外热成像技术存在的问题，本文从生物传热理论基础研究出发，对生物组织内外传热机制进行了深入研究，构建了合理的生物传热数学模型。利用红外热成像系统探测人体红外辐射，把不可见的体表温度变化转变为可视性的红外热像图，基于传热模型和红外热像图并经计算机处理和分析获得人体组织内部的温度信息和病变部位的详细信息，为定性诊断疾病提供了定量依据。
　　 为了分析体内热源对皮表温度分布的影响，本文从基本的生物传热理论和简单直观的传热模型出发寻找体表温度分布情况与内部热源之间的关系。在生物组织传热机制研究基础上，结合生物传热学的热力学知识，给出了生物组织传热方程的推导过程，针对两种不同的热源类型建立了相应的组织表面温度的分布模型，并根据所建立的模型分析了不同热源参数对组织表面温度分布的影响。
　　 为了获取内热源的详细信息，本文通过傅里叶定律和能量守恒定律建立了具有内热源的组织导热微分方程，对该微分方程进行求解得到组织表面温度分布情况与内部异常热源之间的关系式，借助有限元分析软件ANSYS得到的组织传热模拟结果，对模型进行数值计算及可行性分析，同时还考虑了组织在环境中的散热情况，推导出组织表面温度分布与内部异常热源深度和强度之间的关系式，通过数据拟合和临床实例验证了该模型的适用性。在此基础上，提出了修正的可用于生物活体研究的热源模型，结合临床实例得到的热源深度和强度信息可知，该改进模型较原模型更符合临床上所得到的结论。
　　 为了无损获取生物体内温度，本文系统地求解了不同边界条件下的Pennes生物传热微分方程，得到了生物组织体内温度随深度的变化关系，结合Pennes实验数据和Wissler的研究成果对求解结果进行了分析计算，得到了生物传热微分方程的最优边界条件，并根据最优边界条件下的求解结果讨论了组织热物性参数对表面温度分布的影响。
　　 在上述理论分析与方法研究的基础上，本文设计了一套新的医用红外成像系统，针对红外图像的特点进行了相应的图像预处理研究，主要实现了非均匀校正和图像对比度增强。对该系统进行了软、硬件组成的设计，并在第四章理论研究的基础上实现了层析算法，可由体表的红外热像图分层获取生物体内温度的分布情况，利用该系统进行了实验研究得到了合理的实验结果。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题的研究背景与意义

1.2生物传热学研究概况

1.2.1生物传热学的生理学背景

1.2.2生物传热学研究意义及特点

1.2.3生物传热学研究内容及应用领域

1.3医用红外热像技术研究概况

1.3.1医用红外热像技术的发展历程

1.3.2医用红外热像技术的应用原理及领域

1.3.3医用红外热像技术的特点及现状

1.4本文的主要研究内容

2内热源对组织表面温度分布影响研究

2.1引言

2.2生物组织内部传热机制

2.2.1导热

2.2.2对流

2.3生物体与环境之间的传热机制

2.3.1对流

2.3.2辐射

2.3.3蒸发散热

2.4生物传热方程推导

2.4.1热力学基础背景

2.4.2生物传热微分方程推导

2.5球状热源对离体组织表面温度分布的影响

2.5.1模型建立

2.5.2数值模拟

2.5.3影响因素分析

2.6点状热源对离体组织表面温度分布的影响

2.6.1模型建立

2.6.2数值模拟

2.6.3影响因素分析

2.7本章小结

3内热源信息获取反演方法

3.1引言

3.2内热源信息获取模型

3.3有限元模拟

3.3.1 ANSYS有限元分析

3.3.2问题描述及求解过程

3.4数值分析

3.4.1 Thermal Texture Maps(TTM)技术

3.4.2结果分析

3.5临床实例

3.5.1乳腺结构

3.5.2恶性乳腺肿瘤的分析

3.5.3良性乳腺肿瘤的分析

3.6考虑环境换热的内热源信息获取方法

3.6.1模型建立

3.6.2有限元分析模型

3.6.3数据分析及拟合结果

3.7生物活体模型及参数分析

3.7.1模型建立

3.7.2参数分析

3.7.3临床实例

3.8本章小结

4基于Pennes模型的生物体内温度的无损检测研究

4.1引言

4.2生物组织温度场重构技术

4.3 Pennes模型及Wissler结论

4.3.1生物传热模型发展历程

4.3.2 Pennes实验及模型

4.3.3 Wissler关于Pennes方程的验证

4.3.4热物性参数的取值问题

4.4 Pennes模型的解及其分析

4.4.1 Pennes生物传热方程的一维求解

4.4.2一维解的验证

4.4.3分析比较

4.4.4热物性参数对温度分布的影响分析

4.5本章小结

5医用红外层析成像系统的设计与实现

5.1引言

5.2红外图像预处理研究

5.2.1非均匀性校正技术

5.2.2红外图像对比度增强技术

5.3系统的硬件设计实现

5.3.1系统硬件组成

5.3.2红外热成像系统

5.3.3数据采集模块及计算机信息处理系统

5.4系统的软件设计实现

5.4.1系统软件框架组成

5.4.2系统界面设计

5.4.3红外图像伪彩色处理

5.4.4层析算法实现

5.5红外层析成像实验

5.6本章小结

6结论

6.1全文工作总结

6.2研究展望

致 谢

参考文献

附录