丁 晶，周志尊，張艷杰

牡丹江醫(yī)學(xué)院 影像學(xué)院，黑龍江牡丹江 157011

解析熱斷層(TTM)技術(shù)的物理學(xué)原理

丁 晶，周志尊，張艷杰

牡丹江醫(yī)學(xué)院 影像學(xué)院，黑龍江牡丹江 157011

熱斷層成像系統(tǒng)（TTM）是一種用對(duì)人體內(nèi)細(xì)胞代謝熱分布形態(tài)的斷層分析來探測熱源的深度、形狀、及熱輻射值的成像方法，經(jīng)臨床使用證明其綜合診斷功能在某些方面優(yōu)于目前世界先進(jìn)的其它類型影像診斷設(shè)備，是20世紀(jì)90年代繼X-CT、MRI、超聲、核醫(yī)學(xué)成像等四大醫(yī)學(xué)影像技術(shù)之后的又一突破。本文除了扼要介紹熱斷層成像技術(shù)產(chǎn)生的技術(shù)背景、應(yīng)用前景外，還深入探究了熱斷層技術(shù)的熱-電模擬方法及物理學(xué)原理。

熱斷層(TTM)；熱-電模擬；人體熱輻射；熱掃描成像

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課題及研究背景：本課題（編號(hào)LC07C16）為黑龍江省留學(xué)歸國人員科學(xué)技術(shù)專項(xiàng)資金項(xiàng)目，主要內(nèi)容是采用各種成像方法研究并創(chuàng)立模擬的人腦數(shù)理模型，驗(yàn)證腦神經(jīng)的耦合方式，探索新的三維重建方法。國外許多學(xué)者對(duì)腦部進(jìn)行了模擬研究，但他們大多局限在計(jì)算機(jī)模擬和數(shù)學(xué)方法的模擬上，尚未發(fā)現(xiàn)有人對(duì)他們的模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。因此，我們對(duì)人腦部的組織TTM系統(tǒng)測量對(duì)頭部建模以及實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)有其獨(dú)特的研究價(jià)值，并對(duì)今后的腦神經(jīng)電磁信號(hào)的研究，對(duì)顱骨的外科手術(shù)、顱骨修復(fù)、顱內(nèi)異常放電源的定位有特殊的意義。

重要概念：熱斷層成像系統(tǒng)（thermal texture maps system，TTM），簡稱熱斷層，又稱TTM系統(tǒng)。熱斷層成像系統(tǒng)的原理是利用紅外熱輻射接收掃描器接收人體細(xì)胞新陳代謝過程中的紅外線輻射信號(hào)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理、分析，基于特定規(guī)律和算法重建出對(duì)應(yīng)于人體所檢查部位的細(xì)胞相對(duì)新陳代謝強(qiáng)度分布圖，并測量出熱輻射源的深度和數(shù)值。

1 熱斷層成像技術(shù)（TTM）產(chǎn)生的技術(shù)背景

熱能是自然界中普遍存在的五種能量（聲、光、電、磁和熱）之一。由經(jīng)典物理學(xué)得知，當(dāng)物體的表面溫度超過絕對(duì)零度（即-273℃）時(shí)，便會(huì)伴有以電磁波形式向外輻射的熱能，醫(yī)用紅外線熱像儀主要利用了熱體向外輻射的紅外線，紅外線僅是熱輻射頻譜中的一小波段，而熱能的輻射為廣譜輻射，它要比紅外線的能量輻射波段寬得多。熱斷層（TTM）在成像的過程中利用了熱輻射能量的幾乎全部頻譜范圍，因此TTM成像與紅外線熱像儀成像有質(zhì)的區(qū)別。

生物體是由生物組織的基本單位細(xì)胞構(gòu)成，細(xì)胞在代謝的過程中會(huì)產(chǎn)生細(xì)胞代謝熱。不同種類的細(xì)胞代謝熱不同，即便是同類生物組織細(xì)胞其代謝熱的強(qiáng)度也會(huì)不同，活性大的細(xì)胞代謝熱的強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)增大。生物體表細(xì)胞代謝熱容易被檢測，但容易受周圍環(huán)境熱和生物體自身狀態(tài)干擾， 而紅外熱像儀成像技術(shù)是基于檢測體表溫度來診斷疾病的，因此對(duì)疾病診斷與特異性的區(qū)分都不靈敏。對(duì)于TTM原理與方法，國外有些學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究[9]，但對(duì)于如何從體表表述體內(nèi)熱輻射規(guī)律沒有建立系統(tǒng)的理論方法。劉忠齊院士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)生物體體內(nèi)細(xì)胞代謝熱與體表溫度的分布關(guān)系展開研究，終于從熱傳遞和輻射的基本理論方面取得了突破性進(jìn)展，提出了熱斷層技術(shù)的基本理論，即體內(nèi)細(xì)胞代謝熱傳遞到體表的分布與熱源的深度滿足高斯曲線的半功率點(diǎn)規(guī)律。并研制出了世界首臺(tái)熱斷層成像系統(tǒng)[1]。熱斷層成像系統(tǒng)（thermal texture maps system,TTM），簡稱熱斷層，又稱TTM系統(tǒng)。

2 熱斷層技術(shù)(TTM)的物理學(xué)原理

2.1 生物體熱源

體內(nèi)的細(xì)胞在進(jìn)行新陳代謝的過程中產(chǎn)生熱量，形成熱輻射，不同細(xì)胞產(chǎn)生的熱量不同，產(chǎn)生的代謝熱在特定的時(shí)間段內(nèi)會(huì)產(chǎn)生熱，與輻射熱處在動(dòng)態(tài)的熱平衡狀態(tài)。熱量從體內(nèi)向體表傳輸?shù)囊?guī)律與生物體的細(xì)胞特性有關(guān)[6]。Pennes生物能-熱能轉(zhuǎn)換等式（1）定量描述了體內(nèi)組織及周圍血流傳遞到生物體表的熱的傳遞規(guī)律。該經(jīng)典生物熱力學(xué)微分方程包含了通過組織傳導(dǎo)的熱，組織代謝熱容量和被等價(jià)于動(dòng)、靜脈溫度差的單位血流灌注率等與生物組織相關(guān)聯(lián)的量[7]。

其中k是熱傳導(dǎo)率；qm是組織的熱容代謝率；是特定熱容的乘積；T表示單位體積組織中總血流量的未知組織溫度；Ta是動(dòng)脈溫度。

理論上講，給定了熱成像所測量到的人體體表的熱輻射強(qiáng)度，通過反解熱傳遞的方程，就可以獲得人體熱輻射模型中的一些組成要素[8]。以前人們在討論人體的熱傳遞過程時(shí)通常都從Pennes生物能-熱能轉(zhuǎn)換等式出發(fā)并經(jīng)過必要的修正來討論，然而這種傳統(tǒng)的方法需要求解二維微分方程，如果考慮修正因素，還會(huì)增加許多額外的變量，從而使求解該微分方程變得相當(dāng)復(fù)雜。但這種方法畢竟成功地提出了熱源的理論并從生物學(xué)角度討論了熱量在生物體內(nèi)的傳輸規(guī)律。找出一種更加有效、便捷、可以直接應(yīng)用到熱成像工程上的生物學(xué)熱傳導(dǎo)理論方法一直是人們研究的目標(biāo)。

2.2 TTM成像原理與熱－電模擬技術(shù)

固體輻射能量與其表面溫度和狀況有關(guān)。黑體的吸收系數(shù)為1，根據(jù)輻射定律，黑體的輻射能量為：

兩個(gè)相鄰的生物體系統(tǒng)之間的輻射傳熱能量的熱流量為：

式中A為傳熱面積；ΔT為冷熱體間的傳熱溫差或溫壓；K為總傳熱系數(shù)，簡稱傳熱系數(shù)。熱量的傳遞與電量的傳遞有很多相似之處，故在傳熱學(xué)中的熱流、溫壓和熱阻分別相當(dāng)于導(dǎo)電問題中的電流、電壓和電阻。因此可以用與電學(xué)中的歐姆定律相等價(jià)的方法來定性與定量描述熱力學(xué)問題[3]。

式（6）可以簡化為：

熱流量與坐標(biāo)無關(guān)，即在一定的溫差和熱阻條件下，熱流量不隨坐標(biāo)的改變而改變。這一結(jié)論是在穩(wěn)定導(dǎo)熱條件下得出的。因此可以利用處理電阻網(wǎng)絡(luò)的方法來處理某些傳熱問題，并可以把基爾霍夫定律直接應(yīng)用到生物熱力學(xué)中，根據(jù)電路的基爾霍夫定律，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流代數(shù)和為零。如果有兩個(gè)電流，則流入電流等于流出電流。對(duì)傳熱而言，電流是指熱流密度。熱阻概念的建立給復(fù)雜熱轉(zhuǎn)移過程的分析帶來很大的方便，像電路一樣，熱阻也有串并聯(lián)關(guān)系，可以借用比較熟悉的串并聯(lián)電路電阻的計(jì)算公式來計(jì)算熱轉(zhuǎn)移過程的合成熱阻。

熱斷層成像系統(tǒng)的原理是利用紅外熱輻射接收掃描器接收人體細(xì)胞新陳代謝過程中的紅外線輻射信號(hào)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理、分析，基于特定規(guī)律和算法重建出對(duì)應(yīng)于人體所檢查部位的細(xì)胞相對(duì)新陳代謝強(qiáng)度分布圖，并測量出熱輻射源的深度和數(shù)值。如何通過測量人體體表的熱輻射來探知人體內(nèi)部器官的部位、深度與溫度是TTM技術(shù)中計(jì)算方法的關(guān)鍵。雖然人體皮膚表面的溫度可以測量，但如果體表溫度與體內(nèi)熱源之間的關(guān)系不能確定，紅外線成像技術(shù)的應(yīng)用必然受到限制，經(jīng)過多方研究與探索，一種不需要應(yīng)用Pennes生物能-熱能轉(zhuǎn)換方程直接解決逆向熱傳遞問題的新方法，一種以熱-電模擬來精確求解生物熱傳遞過程的技術(shù)在劉忠齊院士等人的努力下逐漸成熟并成功應(yīng)用到生物體內(nèi)代謝熱的探測工程中來，他們所研制的TTM獲得了美國專利并成功的應(yīng)用到了醫(yī)學(xué)實(shí)踐中[5]。

生物體內(nèi)部的熱源的熱傳輸可以用熱-電模擬法計(jì)算，熱阻等效為電阻。熱源的溫度等效于電源的電壓US，熱流等效于電流。背景熱源為UA、熱阻為RA，Ri和Ci分別對(duì)應(yīng)給定熱輻射線上的單位熱阻和熱容量。H(x)代表紅外線接收裝置接受到的熱輻射，其熱輻射呈高斯分布。如果熱源與體表之間的介質(zhì)是均勻的，對(duì)應(yīng)于體外電壓的體表溫度可以通過劉忠齊等所推導(dǎo)出的算法（式8、式9）來計(jì)算[1]。

式中n為熱阻的數(shù)量； D是熱源的深度；R0為生物體介質(zhì)的熱阻率。采用此方法我們就可以求出熱源的深度與溫度。熱斷層成像系統(tǒng)是在依據(jù)這一原理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)而成的， 因此可以根據(jù)正常細(xì)胞代謝熱輻射依據(jù)以上算法經(jīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析處理，以不同的色彩顯示出人體細(xì)胞新陳代謝熱強(qiáng)度的分布情況。

人體體內(nèi)組織細(xì)胞所產(chǎn)生的代謝熱可經(jīng)過人體組織傳遞到體表，在熱量從體內(nèi)傳遞到體表的過程中，熱量逐漸降低，并在體表形成熱分布，體表熱通過熱輻射的方式向空間輻射，可被熱接收器所接收。不同深度的體內(nèi)熱源，在體表形成的熱分布不同，與體內(nèi)熱源深度相關(guān)，熱斷層（TTM）技術(shù)利用熱接收器將分布不同的熱接收，并按人體熱輻射模型重建不同深度的生物體細(xì)胞熱代謝強(qiáng)度分布熱像圖，從而實(shí)現(xiàn)熱斷層[2]。

3 熱斷層成像系統(tǒng)（TTM）應(yīng)用前景

TTM掃描過程中只接收人體熱輻射，對(duì)人體無介入損傷，無污染，適用于癌的早期診斷、對(duì)人體健康狀態(tài)的綜合評(píng)估及對(duì)特異疾病的診療和藥物療效過程及結(jié)果的觀察、分析等方面有重要的應(yīng)用價(jià)值，是CT、MRI及彩超等以組織形態(tài)學(xué)為主的影像設(shè)備的功能性補(bǔ)充成像設(shè)備。TTM在放療、熱療和化療等方法在癌癥康復(fù)中的療效觀察、磁療療效研究，人的心理等行為活動(dòng)的頭部熱CT表象等都在不斷地探索中[10,11]。熱掃描成像技術(shù)是中國人對(duì)世界醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的一大貢獻(xiàn)，它將對(duì)有史以來人們一直探索的人類思維及心理狀況的可視化研究產(chǎn)生重大的影響。熱斷層(TTM)系統(tǒng)通過細(xì)胞代謝熱接收器接收人體細(xì)胞新陳代謝過程中的熱輻射信號(hào)，按人體熱輻射模型重建對(duì)應(yīng)人體內(nèi)各組織器官不同深度的細(xì)胞代謝熱相對(duì)強(qiáng)度的熱像圖可對(duì)人體健康態(tài)、亞健康態(tài)、疾病的狀態(tài)進(jìn)行定性、定量的綜合評(píng)估。通過對(duì)TTM技術(shù)的熱斷層技術(shù)的熱-電模擬方法及物理學(xué)原理的探究將有助于人們對(duì)TTM技術(shù)的深入理解。

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The Physics Theory Analysis of Thermal Texture Maps System Technology

DING Jing,ZHOU Zhi-zun, ZHANG Yan-jie
Image College,Mudanjiang Medical College, Mudanjiang Heilongjiang 157011,China

Thermal texture maps system (TTM) is an imaging technology method which was used to detect the depth, shape and the value of the thermal radiation of heat sources, and analyze human body cell metabolism and heat distribution patterns. Clinical results proved that its integrated diagnostic functions are superior to other types of most advanced diagnostic imaging equipment in many aspects. It is a major breakthrough in the nineties century.This paper introduces the technology background and application perspective of TTM tomography imaging technology, and deeply explores the thermal-electrical simulation methods and its principles of physics.

thermal texture maps system(TTM);thermal-electric simulation;human body thermal radiation; thermal scan imaging

R319；R318.6

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.06.022

1674-1633(2010)06-0063-03

2010-02-24

黑龍江省留學(xué)歸國人員科學(xué)技術(shù)專項(xiàng)資金(LC07C16)項(xiàng)目。

本文作者：丁晶，副教授，副院長，黨委副書記。

周志尊，教授，副院長。

作者郵箱：zzho007@hotmail．com