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专题报告

红外热成像技术在上呼吸道突发传染病中的应用

            转载自:《甲型H1N1流感防治知识》第四章
            主   编:钟南山
 
         从非典到甲型H1N1流感,红外测温技术的应用越来越普及,尤其是在机场、口岸、医院等人群密集的公共场所,能发挥较好的快速筛查作用。
     我们知道,任何物体在常规状态下都会产生自身的分子和原子的无规则运动,并不停地辐射出红外能量,而且,运动愈剧烈,其辐射的能量愈大,人体也是一样。所以测量问题自身的红外辐射,便能准确地测定它表面的温度,这就是红外测温仪测温依据的客观基础和基本原理。人体是一个天然的红外辐射源,研究发现,当皮肤温度在30-38℃之间时,红外测温仪的工作波段选择在8~14um,即近红外波段,这个波长范围属于大气窗口,红外辐射热能量不被空气所吸收,从而保证了测量的准确性。
     目前,红外测温技术已发展到可对有热变化表面进行扫描测温,确定其温度分布图像,迅速检测出隐藏的温差,即红外热像仪。红外热像仪最先应用于军事领域,逐渐被应用于工业和医学领域,如图4-1所示,红外技术随着科学技术的发展在许多领域中发挥着重要作用。目前,红外测温仪大致分为三类:①红外点温仪:包括便携式和固定式两种;②红外扫描仪;③红外热像仪。

一、红外测温仪的应用原理

     1、发热检测的必要性
     发热被认为是流感的标志性症状。由于发热是早期发现感染患者的首要途径,故通过对公共场所的人群进行体温检测寻找热源,可以查处疑似病例,隔离可能患病的人群,阻断病源,防止病毒扩散,有效预防疾病的传播。但是,这些传染性上呼吸道感染具有高度恶性传染能力,因此在公共场所实施体温检测必须要非接触以避免病毒传播;快速以避免公共场所的人群滞留;同时还要求能够准确测温。而红外技术正好能够满足这些条件。
     2、红外技术的测温应用
     红外技术就是研究红外辐射的产生、传播、转换、测量及应用的技术科学。应用红外检测的实质是红外测温。红外测温仪是用于特定目的的非常规设备,主要是为了在大量人流中快速将体温超过某特定温度的发热人群检出,属于典型的“筛查”设备,这是从临床实际现状出发的一种开发应用。由于上呼吸道传染病具有高度传染性,为此遥感非接触式红外体温快速测温仪迅速普及,款式种类繁多,图4-2为目前市场上常见款式,但是它们的实质就是一个:测温。为了确保这些红外筛检仪的质量,国家标准委于2003年5月30日发布了《红外人体表面温度快速筛检仪通用技术条件》的国家标准。
     3、体温检测的生理学基础
    人和动物都有一定的体温。体温的产生是机体不断地进行新陈代谢的结果,同时又是机体功能活动正常进行的重要条件。人是恒温动物,在健康状态时,人体的体温通常恒定在36.2~37.3℃之间。
     人体体温包括表层温度和体核温度。表层温度即外周组织如皮肤、皮下组织的温度。表层温度不稳定,但各部位之间的差异也不大。在环境温度为23℃时,额部的表层温度通常为33~34℃;当气温达32℃以上时,皮肤温度的部位差将变小;在寒冷环境中,随着气温下降,手、足的皮肤温度降低最显著,但头部皮肤温度变动相对较小。生理学所说的体温指的是体核温度或深部温度,即机体深部脏器的温度。在不同环境下,头部及胸腹腔脏器的体核温度变化最小,我们从图4-4可以看出,在环境温度分别为19℃和35℃时,头部的体表温度变化在1℃,体核温度不变,因此利用红外检测头部温度可以筛选出发热患者。

二、红外热成像检测

     1、红外热检测的原理
     红外热成像是由于人体表面在不同部位上辐射出不同强度的红外线,这些红外线被红外采集镜头接收并转换成灰度的图像,它把不可见的物体表面热分布以人眼可见的图像形式显示出来,将人眼的视觉范围扩展至红外区域,同时还可给出目标物体的温度值信息。近十年来,随着光电技术、计算机、数字图像处理技术以及非制冷焦平面阵列等技术的发展,红外热成像技术发展迅速,并可根据温度的状态与变化用来进行诊断疾病和人体功能状态。
      2、红外热成像检测的特点
     由于红外线对人眼部敏感,是不可见的,所以人们对它没有像可见光那样的直接感受必须用对红外线敏感的红外探测器才能接收到。因此红外热成像系统是一种被动接收辐射的仪器,不向被摄目标发送任何光(波)束或射线,它是无辐射、无创伤、无侵袭、无副作用、非接触、不改变被测目标的性状,病人无痛苦、对人体没有任何危害的,被誉为“绿色”检测,图4-5为同一背景下的可视光图像与红外热成像图,被测目标的状态没有改变。
     3、红外热成像检测在测温筛查中的应用
     由于红外热成像具有非接触、准确、快捷等特性,在重大突发性公共安全事件如传染性上呼吸道感染的早期检测中起了重要作用,被用于诸多公共场所如机场、口岸、医院等对高疑似患者的排查与检筛。目前,国内外主要机场均已安装红外热成像检测仪(图4-6)。

三 、人体上呼吸道红外热态快速测评系统

     1、人体上呼吸道红外热态快速测评系统的开发
     甲型H1N1流感病毒与SARS冠状病毒、禽流感病毒一样,对人类造成巨大威胁又难以避免。在经历2003年非典疫情的严峻考验后,我国从未放松对重大危害公共安全的上呼吸道突发传染病的密切关注及相关早期检测技术的研发。国内科技工作者利用红外热成像检测技术开发了“人体上呼吸道红外热态快速测评系统”(图4-7),并进行了一系列的研究。
       2、人体上呼吸道红外热态快速测评系统分相关实验研究
      为了验证该系统在上呼吸道感染疾病中的预检性、准确性、有效性、安全性等问题,研究小组于2006-2008年期间进行了一系列的临床多中心试验的临床验证和流行病学的前瞻性临床研究,主要包括发热型与未发热型感冒的红外系统评价、正常人群上呼吸道发病预检实验、冷水洗脸干扰评价等实验。
   (1)发热型与未发热型感冒的红外系统评价:如图4-8所示,研究小组通过研究分析发现,在发热与为发热的上呼吸道感染患者的红外热成像图中,两者的上呼吸道均呈现异常的热区表达,发热型和未发热型感冒的红外表达并无明显区别,表明该系统不仅可对发热患者进行监测检查,还可用于以上呼吸道症状为首发症状而没有发热症状的流感患者的监测,这对于筛选评判突发性上呼吸道传染病具有重要意义。
    (2)正常人群上呼吸道发病预检实验:研究小组于2008年3月至4月通过对一千多例正常人近四千多人次的红外采集进行了正常人群上呼吸道发病预检纵向实验。通过红外系统评价上呼吸道,当发现红外表达显示异常者则进行连续一周的全程监测。在此试验中,共发现三百多位上呼吸道红外表达异常者,在连续一周的红外全程监测过程中,除已发生上呼吸道炎症人群外,有近五十例的受试者陆续发生感冒。这次实验有力证实了人体上呼吸道红外热态快速测评系统所具有的预检作用。
    (3)冷水洗脸干扰评价实验:由于冷水洗脸会起到临时降温的作用,考虑到某些人可能因为不同原因会用冷水洗脸,这样在通过普通红外体温检测时就会有疏漏。为此,研究小组做了相关实验,目的是利用人体上呼吸道红外热态快速测评系统评价刚用冷水洗过脸后的上呼吸道。实验证实,上呼吸道感染患者不受洗脸降温的干扰,洗脸前后的上呼吸道热像图均呈现异常表达,且洗脸后,没有病变的区域温度明显下降,但局部病灶温度仍呈异常热区,相对于整个面部正常部位而言,病变部位则显得更加突出(图4-9)。
       3、红外技术对甲型H1N1流感筛检可能
      2009年5月18日广东诊断出首例甲型H1N1流感确诊病例,该病例的首发症状是咽痛、鼻塞和干咳,而且直到2天后才出现发热。此外,2009年墨西哥的很多甲型H1N1流感患者,包括一些重症患者在就诊时都未出现发热症状,但均有上呼吸道的不适或咳嗽。这表明,普通的红外点温仪测量额部某点的方法并不能将这部分患者在早期筛查出来,因而人体上呼吸道红外热态快速测评系统则有望发挥出其特有的优势。
      可以说,热体上呼吸道红外热态快速测评系统与红外点温仪测量额部某点的温度来推测发热与否进而进行隔离有本质的区别。更重要的是,它是基于疾病发生发展的病理基础,结合人体红外热成像图所表达的热态分布特性,进行综合评价,且不受发热与否、洗脸降温等因素干扰,可将患者早期多项症状和体征的热态分布检测出来。因此,如果将该系统应用在甲型H1N1流感的检测中,对于第一时间及时筛查、控制疫情传播将具有重大意义。但甲型H1N1流感在上呼吸道系统中的红外表达部位及特性还不十分明确,需要在临床实践中不断总结完善,以便更好地为早期控制并切断疫情传播发挥独特作用。