熱像在生物醫學的應用熱像在生物醫學的應用

前言

紅外線熱像的基本原理

紅外線熱像的量測技術

熱像的應用

結語

NCYU_BME1

前言前言

何謂熱像 ( Thermography )？

熱像熱像：物體所輻射出的熱能分佈圖像(人眼無法偵測)熱像並非物體的影像，而是物體的能量分佈圖譜

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夜視的分類：熱輻射與影像強化

能量量測 熱影像

光子量測 星光夜視

NCYU_BME3

Types of Analysis

QualitativeQualitative – Comparative analysis

QuantitativeQuantitative – True temperaturemeasurement

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Thermographic Nondestructive Testing (TNDT)熱像非破壞檢測

整合紅外線感測器、電腦處理器的數據分析和控制介面

subsurfacestructure(s)of interest

thermalstimulation

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visualization processing recording

specimen

熱像非破壞檢測的重要介質

檢測中常用水和空氣的特性突顯物體表面的溫差

材質 k(W/m.K, @27C) cp(J/kg.K , @27C)

銅 401 385鋁 237 903鐵 80 447鋼(非合金) 52 460水泥 1.5 880磚 1 790水 0.6 4180空氣 0.0263 1007

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TNDT優點

基本上為被動式的檢測技術(?)，不需熱源，能夠日夜進行

適合用於檢測熱點或冷點

熱輻射較可見光之穿透煙霧能力高

即時且非破壞性

可在遠距離操作，可以測危險區的物體

反應速度比傳統測溫方式快，可即時溫度量測或控制

可測到物體表面溫度而不是週界溫度

可以分析暫態的現象

可以觀察及評估熱分佈的模式

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TNDT缺點開始投資成本較高

比較複雜（如箱體內部檢測）

放射率問題，反射問題

FOV限制大氣層考量

大面積之加熱不易均勻（主動式檢測）

較適用於淺層瑕疵

熱像拍攝需有相當經驗

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TNDT適用對象轉動（運動）中目標物

電氣類產品（接觸）危險

目標物脆弱，使用接觸式易受損

小目標物的溫度量測

遠距離目標物（無法接近）

目標物溫度隨時變化

目標物對接觸式測溫器具有破壞性

如震動、腐蝕物質測試

大目標、大範圍量測

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紅外線熱像之基本原理紅外線熱像之基本原理

電磁波光譜 ( Electromagnetic Spectrum )

10nm 100nm 1µm 10µm 100µm 1mm 10mm 100mm 1m 10m 100m 1km

X-RayUV

VisibleIR

MicrowaveRadio wave

2µm 14µm

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紅外線光譜：near infrared 0.75-3 µmmiddle infrared 3-20 µmfar infrared 20-1000 µm

可見光譜：0.35-0.75 µmviolet-blue-green-yellow-red

熱像的產生

自然界任何物體在絕對溫度( 0 K 或 –273.15°C) 以上，即存在內部能量( Internal Energy)，並輻射出電磁波，簡稱輻射能。

為何紅外線熱像儀可以看到溫度? 測量溫度?

物體本身必須有能量

物體本身必須具有輻射能力即所謂的放射(Emissivity)

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輻射能量

物體本身輻射出的能量是溫度和放射率的函數

E = f ( T,ε)

E : 輻射能量T : 物體的絕對溫度ε : 物體的輻射能力

(放射率)

T

εE

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普朗克定律 ( Planck’s Law )

任何物體其溫度在絕對零度(-273.15或0 K)以上均會輻射電磁波，一個黑體的輻射強度，隨波長而變動，可用下列公式表示：

8

5 14387 /

2

3.743 10( 1)

: / : :

b T

b

Ee

unit

E W m m m T K

λ λ

λ

λ

µ λ µ

×=

−

⋅

Spectral emissive power, Ebλ (W/m2.μm)definition：the amount of radiation emitted per unit

surface area at a given wavelength

NCYU_BME13

偉恩位移定律 (Wien’s Displacement Law)

物體的輻射能量強度，隨波長的不同而變化。若將輻射能量強度對整個波長微分並設定為零，則可以得到一條連續且平滑的曲線。在特定溫度下輻射能量強度最大峰值所對應的波長，可由下列公式求出 :

max2897.6( )m K

Tµλ ⋅=

太陽光(約6000K)輻射出白熾光，其峰值波長0.5µm。

室溫(約300K)其峰值波長9.7 µm，1000 K其峰值波長約為2.9 µm， 3000 K其峰值波長約為0.97 µm，峰值分別約在遠紅外線、中紅外線、和近紅外線範圍，因此廣大的溫度範圍以紅外線測溫有良好的靈敏度。

NCYU_BME14

史蒂芬-波茲曼定律(The Stefan-Boltzmann Law)

若將物體的輻射能量強度對整個波長積分，則黑體的總輻射能量可以下列公式表示 :

Eb =σ × T4

Eb : 黑體總輻射能量σ : 史蒂芬-波茲曼常數 = 5.67 × 10-8 W / m2.K4

T : 物體的絕對溫度(K)

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物體表面特性

放射( Emittance) - 反射 ( Reflectance )穿透 ( Transmittance ) - 吸收 ( Absorption )

Incident radiation I

Reflected radiation ρI

Absorbed radiation αI

Transmitted radiation τI

1I I I Iα ρ τ α ρ τ= + + ⇒ = + +NCYU_BME16

ε α=Kirchhoff’s Law

1 物體每單位面積所吸收的輻射熱4

absG G Tα ασ= =G

E

, , ,A T α ε

T∵ 外圍等溫體可視為黑體

2物體每單位面積所放射的輻射熱4TE εσ=

in thermal equilibrium4 4A T A Tεσ ασ

ε α=

⇒ =

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放射率

0 1b

WW

ε ε= < < 在相同溫度下，實體的輻射能量比黑體小，其比率稱為放射率 ε

W : 物體輻射能量Wb : 黑體輻射能量

如果物體放射率隨著物體的溫度、波長、輻射角度和表面處理條件（粗糙度）而不同，此物體稱為實體(real body)。如果物體放射率固定且小於1，不因波長而改變，

此物體稱為灰體(gray body)。

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黑體 ε = 1

灰體 ε < 1

波長 (λ)

輻射強度

在相同溫度下，實體的輻射能量比黑體小，

其比率稱為放射率 ε。

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選擇性輻射體（放射率與波長的關係）

NCYU_BME20

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

wavelength (um)

emis

sivi

ty

Aluminum oxide(1255K)

Silicon crystal,polished (433K)

Iron, polished(1078K)

Nickel,polished(294K)

Aluminum(306K)

放射率與角度的關係

conductor

Nonconductor(a)wet ice(b)wood(c)glass(d)paper(e)clay(f)copper oxide(g)aluminum oxide

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放射率與溫度的關係

NCYU_BME22

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Temperature (K)

Emis

sivi

ty

Nickel, soot covered

Iron, oxidized

Iron, polished

Nickel, polished

紅外線熱像之量測技術紅外線熱像之量測技術

紅外線溫度量測系統

Object Atmosphere Thermovision

εEobj τεEobj

大氣的輻射能量

NCYU_BME23

目標物體反射週圍物體的輻射能量

(1-ε)Eamb τ(1-ε)Eamb

TobjEobj

TambEamb

(1-τ)Eatm

大氣層的影響 ( Atmospheric Influence )

大氣會造成紅外線的衰減，限制了紅外線測溫的能力，所以大氣的作用不可忽視。

大氣中各種氣體分子、水蒸氣、粒子等，對紅外線的吸收和散射作用是造成紅外線衰減的主要因素。

吸收（主要因素）？電磁波長、分子內部的振動散射？粒子的大小

粒子愈大或波長愈短，散射愈明顯當波長大於2µm時，大氣中氣體分子的散射作

用可忽略。

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波段的的選擇 ( Choice of Waveband )

8-13µm 長波適用於高性能的系統，因為對於常溫的物體有較佳靈敏度並較能穿透煙霧。

3-5 µm 短波適用於高溫物體或著重對比的效果。

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輻射影像和對比

不同冷熱物體的反射輻射能量對於輻射影像的對比有顯著的影響

waveband ground-level solar emission from 290K emission from 291K contrast(µm) radiation (W/m2) black body (W/m2) black body (W/m2) (∆E/E)

3-5 24 4.14 4.30 0.0378-13 1.5 125.7 127.84 0.017

Power available in each thermal imaging waveband

陽光反射對短波影響較大常溫物體在長波的總輻射能較多 靈敏度較高對比 : 一個 291K 物體在 290K 環境下的訊號對比

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290 K 401.03 W/m2291 K 406.59 W/m2

輻射總能量

紅外線熱像儀之特點

熱像形成的流程 :

物體 大氣層 熱像儀 熱像圖

能量強度

溫度數值

紅外線熱像系統工作原理 :

光學系統

光學調變

光檢知器

信號處理

冷卻器紅外線系統並非偵測光能(可見光)，而是感應熱能(不可見紅外光)。

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光學系統

光學系統與可見光大致相同。主要作用是將待測物之紅外線輻射聚焦到光檢知器，並防止不需要之輻射進入。

光學元件包括透鏡、光圈、濾光片和夾具等。

透鏡：控制待測物的距離和大小

光圈：控制偵測的入光強度

濾光片：控制待測物特定的輻射波長通過

Focusing lensFront lens

FPA detector

Filter/Aperture

鏡片上鍍抗反射膜，提高穿透率至90%以上。

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幾何解析度 ( Spatial Resolution Concepts )

單點測溫計

視野 ( Field of View ) :

紅外線感測器可以看見 “ see “的角度範圍內，所有溫度的平均值。

FOV 由距離 ( D ) 與物體大小 ( S ) 的比值來決定。

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單點測溫計

NCYU_BME30

例 : D:S = 30:1 ＝ 30

點溫槍的視野可以完全涵蓋物體的大小距 離 點數大小(直徑)0.75m 2.5cm1.5m 5cm2.4m 8cm

經驗法則 :

FOV至少小於點目標物25%以上，量測才會準確。

被測物距離

目標物(直徑)

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FOV IFOV

目標物

IFOV

FOV: 320(H) x 240(V)看不見=無法量測看得見≠量測準確

/ 2tan( / 2)

tan( / 2) 2

WD

W DIFOVpixels pixels

θ

θ

=

⋅= =

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D

Wθ

感測器

類別：熱型感測器、光子感測器

熱型感測器：輻射熱測定器、焦電感測器

熱檢作用(Bolometric effect)：物體吸收熱輻射而產生電阻改變

焦電效應(Pyroelectric effect)：受熱時表面會產生電荷變化，因為材料的電偶極矩(dipole moment)受溫度的影響，亦即熱能轉換為電能的特性

光電效應：將輻射能量直接轉換成電子訊號

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熱型感測器

Bolometer：金屬或半導體其電阻因溫度而改變

Pyroelectric detector：溫度造成電極性的改變

優點：不受波長限制、不需冷卻、開機時間短

缺點：反應較慢、解析度較低(320×240)

NCYU_BME34

光子感測器

類別：光電導型、光電壓型

特性：需於極低溫下方可作用

此類半導體材料在室溫下其價電子無法自行跳過能階進入導電帶，需藉由冷卻降低能階，使入射光子能量即可激發其價電子造成電氣變化。

優點：解析度高(1,000,000 pixel)、反應快

缺點：需要冷卻至極低溫、開機時間長

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電子電路設計

包含：前級放大、信號處理、顯示與介面

前級放大：將感測器偵測到的微小電氣信號放大，以降低信號受雜訊的影響，同時便於後續的信號處理。

信號處理：類比式和數位式。系統背景雜訊消除和環境參數的校正

類比式：以電子電路做理論運算，求出溫度值

數位式：前級放大的輸出經A/D轉換成數位信號，配合CPU做理論運算，求出溫度值

顯示與介面

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紅外線溫度量測

Object Atmosphere Thermovision

TambEamb

(1-ε)Eamb

εEobj

τ(1-ε)Eamb

(1-τ)Eatm

τεEobj

目標物體反射周圍物體的輻射能量Tobj

Eobj4 4 4

1(1 ) (1 )amb atmE T T Tτεσ τ ε σ τ σ= + − + −

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放射率修正前後溫度值計算基準和範例：

熱像儀接收的輻射能量固定大氣穿透率趨近於1

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4 4 4 41 1 1 2 2 2

4 4 42

24 4 4

2

24 4 4

2

2

(1 ) (1 )

303.2 0.26 0.74 293327.7 54.7

325.1 0.93 0.07 293327.1 54.1

319.4 0.74 0.26 293327.3 54.3

amb amb

o

o

o

E T T T T

TT K C

TT K C

TT K C

ε σ ε σ ε σ ε σ= + − = + −

= × + ×

= == × + ×

= == × + ×

= =

4 4 41(1 ) (1 )amb atmE T T Tτεσ τ ε σ τ σ= + − + −

(30.2oC, ε =1.0) (T,0.26)

(52.1oC, ε =1.0) (T,0.93)

(46.4oC, ε =1.0) (T,0.74)

熱像擷取必須注意事項：熱像儀操作

對焦

溫度範圍：感測器接收能量範圍

距離：每一溫度像素的面積大小

此三項若沒處理妥當，無法在資料分析軟體補救。

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對焦於溫度量測的影響

1 2

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3 4

熱像之應用熱像之應用

凡具有溫度或作業過程中產生、消耗、或傳遞熱量的系統，均適用紅外線熱像技術予以測溫。

熱像運用影像處理技術將溫度以影像呈現，以瞭解被測物及環境溫度的高低和分佈，包含分析、估算和預測被測物之體表溫度與溫度演變趨勢。

量測值再經比對正常狀況時被測物體表的溫度與分佈，便可瞭解被測物的異常程度與範圍。

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熱像在農業之應用

生物成長的過程和溫度有極密切的關係，因此溫度的量測為作物發育的重要診斷工具。

乾旱造成作物植株溫度的改變（溫升）

灌溉時期評估蒸散量（溫降）

均係應用作物植體溫度對環境反應而上升或下降的性質

在農學或農業生產系統上，無論是乾旱造成植株溫度的改變、病蟲害感染作物植株後引發的組織色變與溫度升降、植物生理的熱傳遞、或是某種逆境狀況引起作物族群的大規模溫度變異，均可以紅外線熱像技術進行探討、研究。

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熱像在醫學之應用

人體是一個天然紅外線輻射源，人體皮膚的紅外輻射波段為3-50µm。

當人體患病時，人體的熱平衡受到破壞，因此測定人體溫度的變化是臨床醫學診斷疾病的一項重要指標。

熱像儀可以顯示和記錄人體的溫度分佈。將病變時的人體熱像和正常生理狀態下的人體熱像進行比較，便可從熱像是否有異變化來判斷病理狀態。

醫用熱像儀技術用於臨床診斷已有幾十年的歷史，現已可用於多種疾病的診斷。醫用熱像儀已成為診斷淺表腫瘤、血管疾病和皮膚病症等的有效工具，在醫療學科研究中，熱像儀在醫學中的應用已成為一個專門的研究課題。

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人體體表熱量散失方式

牆壁(w

alls)

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蒸發 (25%)Evaporation

輻射 (60%)Radiation

傳導至物體 (3%)Conduction to objects

傳導至空氣 (12%)Conduction to air氣流(對流)Air currents(convection)

人體體表溫度特性

左右對稱

手、腳、臉等部位約比身幹低2-5oC

胸和背部中間比旁邊高0.5-1.0oC

年紀大者，體表溫較低

女人乳房皮溫並完全非左右對稱

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人體熱像擷取之環境

25±1oC

不可通風口直吹人體

避免熱源入射人體：包含壁面反射

照明：日光燈

氣氛的舒適

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人體熱像擷取：病患配合事項

平靜時間：15分鐘不可化妝或塗抹油粉

刮除毛髮：1小時移除膠帶或繃帶：2小時禁煙：4小時禁食大餐：血管膨脹

告知檢驗程序：減少情緒緊張

維持固定姿勢：平靜時間-拍攝

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藥效研究

乳腺瘤的早期診斷

血管疾病的診斷

皮膚損傷病症的診斷

各種炎症的診斷

針灸原理和經絡現象的研究

應用領域

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乳腺瘤的早期診斷紅外熱像儀引入醫學領域，首先從檢查乳腺開始。

對於健康的婦女，兩側乳房的熱圖是對稱的，任何乳房熱圖的不對稱性往往與疾病和細胞活性有關，更多是與腫瘤有關。

惡性腫瘤周圍血管豐富，其溫度大多高於正常組織，均在1.0℃以上。大多數乳腺癌的熱像具有明顯的不對稱性，患側的乳房熱像

呈明顯的局域性熱區，乳暈周圍也明顯出現高溫。

部分區域的高溫

擴張血管的增多

一邊乳房的高溫

婦女乳房之異常熱像

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熱像不正常之程度增加，五年存活率降低

血管疾病的診斷

人的肢體溫度主要由血液迴圈狀態所決定，當存在血管病變時，血循環發生障礙，皮溫降低。如閉塞性脈管炎、動脈栓塞、動脈瘤等，通常表現為病變部位溫度異常，用紅外熱像儀可清楚顯示出病變部位及範圍。

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閉塞性脈管炎是一種慢性全身性疾病，多發生在下肢，更多見於趾端。中小動脈內膜發生炎症，引起血栓，使動脈閉塞，病變部位血液迴圈障礙，皮溫降低。用熱像儀很容易診查出病變部位及範圍，立體感強。特別是對早期脈管炎的診斷，由於其臨床症狀尚不十分明顯，一般方法檢查不出，但用熱像儀，不但能顯示出病變的存在，而且能看出各趾病變的程度和範圍。通過早期診斷和及時治療，可避免肢體發生嚴重損害，如潰瘍和壞死。

Deep Vein Thrombosis (DVT)

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腦動脈病變的先期診斷對於防止腦血栓的出現十分有效。頸動脈由頸部進入顱入，它供給同側腦前部血液。當血管中血栓形成使血管變窄時，對腦供血不足。血栓碎裂向上流到小腦動脈分支停留下來，引起腦血栓。當頸動脈閉塞達到50%以上時，由於血液循環障礙，前額皮膚的溫度有0.5℃的變化，因此用熱像技術診斷，可以在發生腦血栓之前進行手術。

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皮膚損傷病症的診斷

紅外熱圖一般反映皮膚本身溫度的分佈，皮膚病症的診斷是熱像儀應用的一個合適領域。例如，用熱像儀很容易查出皮膚凍傷面積，其準確性接近100%。因為凍傷部位壞死，無血供應，其溫度比周圍皮膚明顯低。

皮膚燒傷的熱像診斷。熱像儀不但可準確診斷燒傷面積內血管損壞的程度，判定燒傷度數，識別可存活皮膚面積、確定需植皮的面積，而且在治療過程中可觀察燒傷組織血運恢復情況，掌握發炎和感染情況及判斷植皮的成敗與否，以便及時採取措施，為用藥及手術提供參考。

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各種炎症的診斷

急性炎症由於局部充血，皮溫上升，容易被熱像儀顯示出來。但需與腫瘤皮膚溫度升高相區別。炎症皮溫高於周圍皮溫，而在炎症中心點的皮溫更高於炎症區皮溫，這是炎症熱像的特徵。

炎 症 和 腫 瘤 的 鑒 別 可 用 Thermal Recovery Method：在熱像拍照前，局部先冷卻，然後觀察溫度回升速度。腫瘤溫度回升慢而炎症溫度回升較快。

用熱像技術還可鑒別各種關節炎的類型，探測出發炎面積大小和熱變化程度。

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針灸原理和經絡現象的研究

熱像技術對中醫的研究很有價值，它是研究針灸原理和經絡現象的一個很有效的手段。在對患者進行針刺治療過程中，記錄針刺前、留針中和起針後各階段的熱圖，比較其升溫幅度、升溫區域的範圍和升溫的特點。

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結語

熱像儀在醫學上的應用範圍，遠不止上述幾個方面，應用領域還在不斷擴大。例如，熱像技術還可用於胎盤定位、器官移植排異反應監視、骨折挫傷診斷等許多方面。隨著這一技術的進一步發展，它的臨床各科的用途必將得到更寬的拓展。

工程人員必須積極吸收醫學新知，以便與醫師合作交流。

研究上遭遇之困難

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