紅外熱成像在肺部疾病應用的新進展

【摘要】 紅外熱成像作為一種具備無創性、無輻射性的非接觸式臨床檢測技術，通過檢測人體表面溫度并重建溫度分布圖像，可以早期識別多種疾病，并實現早期診斷及干預。本文著重回顧了紅外熱成像在急性呼吸道傳染性疾病、睡眠呼吸暫停綜合征、中醫肺疾病研究、新生兒重癥監護以及肺栓塞早期篩查等肺部疾病領域中的應用及取得的相關研究進展，具有重要的臨床指導意義。紅外熱成像技術作為一種功能性成像，核心優勢在于“早”，不同于疾病過程結構性的改變，疾病早期常出現血流動力學紊亂、局部炎癥等所致局部異常溫度分布的功能性改變，借助基于熱敏性的紅外熱成像技術可以實現疾病的早期診斷、早期干預以及動態監測等。

【關鍵詞】 肺疾病；紅外熱成像；睡眠呼吸暫停綜合征；肺栓塞；檢測技術

【中圖分類號】 R 563 【文獻標識碼】 A DOI：10.12114/j.issn.1007-9572.2024.0114

New Progress in the Application of Infrared Thermal Imaging in Pulmonary Diseases

YANG Jianuo1，WANG Guanli1，YANG Jiafu2，HE Jiahao1，CHEN Shumin1，SHEN Yi1，LI Juan1，REN Ni1，LIU Chunli1*，DENG Fangge1*

1.Department of Respiratory Medicine，the First Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University/Guangzhou Institute of Respiratory Health，Guangzhou 510000，China

2.Department of Radiology，Cancer Hospital of Shantou University Medical College，Shantou 515000，China

*Corresponding authors：LIU Chunli，Chief physician/Professor/Doctoral supervisor；E-mail：chunli@gird.cn

DENG Fangge，Research fellow/Professor；E-mail：parisdeng256@163.com

【Abstract】 As a non-invasive and non-radiative non-contact clinical detection technology，infrared thermography can identify various diseases early by detecting the body surface temperature and reconstructing the temperature distribution image，and achieve early diagnosis and intervention. This article focuses on reviewing the application and related research progress of infrared thermography in the fields of acute respiratory infectious diseases，sleep apnea syndrome，traditional Chinese medicine lung disease research，neonatal intensive care，and early screening of pulmonary embolism，which has important clinical guidance significance. As a Functional imaging technology，the core advantage of infrared imaging is \"Early\". Unlike structural changes in the course of a disease，the early stages of a disease are often Hemodynamics，the functional changes of local abnormal temperature distribution caused by local inflammation and so on can be early diagnosed，early intervention and dynamic monitoring by means of infrared thermography technology based on thermal sensitivity.

【Key words】 Lung diseases；Infrared thermal imaging；Sleep apnea syndromes；Pulmonary embolism；Detection technology

紅外熱成像（infrared thermal imaging）通過測量人體皮膚表面溫度，并經過特定算法重建觀測部位的溫度數值以及溫度分布圖像［1］。醫學紅外熱成像技術誕生于1957年，外科醫生羅森博士首次應用紅外熱像儀發現乳腺癌患者在癌癥區域出現更高的皮膚溫度［2］。自20世紀70年代以來，紅外熱成像技術已經廣泛應用于醫學的許多領域，特別是在檢測和評估皮膚腫瘤［3］、乳腺腫瘤［4］、糖尿病足部并發癥［5］、風濕性疾病［6］、急性毒性動物咬傷［7］等領域。近年來，隨著紅外熱成像技術的普遍推廣，其在醫學領域中的應用已經涵蓋了多個方面，尤其在肺部疾病的檢測和評估方面具有廣泛應用。

紅外熱成像通過對人體表面溫度的測定，計算測量區域的溫度絕對值、溫度分布等，并由此生成紅外熱像圖［8］。人體的核心溫度范圍為36.5～37.5 ℃，而表面溫度則約為33 ℃，在生理以及病理狀態下可產生一定范圍的波動［9］。體溫作為人體基礎生命體征，是許多疾病的先兆改變，同時也是呼吸系統疾病的重要監測指標［10］。紅外熱成像基于熱敏性，通過記錄目標區域體表溫度絕對值、局部溫度異常表達區以及溫度變化趨勢曲線等，重建溫度分布圖，協助臨床醫生診斷及評估疾病。近年來紅外成像溫度記錄法在傳統體表溫度檢測基礎上多元化發展，基于熱敏性，通過構建一定算法以及聯合攝像機長時間監測等方式，在評估呼吸頻率、心率以及呼吸模式等方面有較大進展，其原理主要為：（1）基于呼吸過程中熱量的散失所致局部區域的溫度變化，通過定位抓取特定面部區域，標記為興趣區（region of interest），如記錄鼻周、口周等區域溫度隨呼吸過程的波動，計算呼吸頻率以及評估鼻呼吸、口呼吸等呼吸模式；（2）基于心臟搏動引起的面部局部微循環的改變，通過記錄面部標記區域的溫度改變計算心率。目前已有很多臨床研究驗證其檢驗效能，結果普遍與手動測量、儀器測量等金標準呈良好的一致性。通過分析面部特定區域的溫度波動，可以實時監測患者的呼吸頻率和心率，為醫生提供重要的生理信息。

本文文獻檢索策略：計算機檢索PubMed、中國知網以及萬方數據知識服務平臺，檢索時間為建庫至2024-04-30。中文檢索詞為紅外熱成像、睡眠呼吸暫停綜合征、靜脈血栓栓塞癥；英文檢索詞為Infrared thermal Imaging、Obstructive sleep apnea syndrome、Venous Thromboembolism。納入標準：紅外熱成像與呼吸疾病相關的文獻；排除標準：可信度差，與本文主題無關的文獻，共納入49篇文獻。

1 急性呼吸道傳染性疾病

紅外熱成像技術被廣泛用于大規模急性呼吸道傳染性疾病的篩查，如流感和新型冠狀病毒等［11］。發熱是急性呼吸道傳染性疾病常見的癥狀之一［12］，另外也有研究指出，呼吸頻率升高對于急性呼吸道傳染性疾病的診斷也有重要意義［13］。早期的篩查和診斷可以預防或減少急性呼吸道疾病的傳播，提高治療方案的有效性，并減少健康管理成本［14］。目前紅外溫度檢測裝置已廣泛應用于急性呼吸道傳染性疾病的大規模篩查，在邊境、機場、商場以及醫院等均有安置紅外體溫檢測篩查裝置［15］。然而，使用紅外體溫檢測系統的發熱篩查程序存在靈敏度低的問題，因為僅監測體溫不足以發現受感染但無發熱或是正處于疾病潛伏期的患者以及區分其他原因所致發熱的患者等。近年來紅外熱成像技術在評估呼吸頻率、心率方面的應用相對較新，許多研究檢驗了其效能，其與機器、手動測量的結果呈現良好的相關性，其原理通常是基于伴隨呼吸過程中熱量的改變，即鼻周、口周等區域溫度的波動計算呼吸頻率，根據面部局部區域微循環溫度改變估計心率［16］。SUN等［17］在巴西新型冠狀病毒流行期間收集136例急診門診患者，同時予紅外熱像儀以及直接測量（醫護人員根據30 s內患者胸廓起伏次數）評估患者呼吸頻率，發現二者測量數據具有良好的一致性，同時發現新型冠狀病毒組具有更高的呼吸頻率，提示紅外熱成像技術對于指導急診以及急性呼吸道傳染病的預診及分診具備巨大潛力。基于新型冠狀病毒可引起肺損傷，有研究通過手持式熱像儀對比新冠患者以及健康人背部熱像圖，通過設定的圖像處理方法抓取背部圖像圖層，構建了一個具備高診斷效能以及高靈敏度的新型冠狀病毒診斷的紅外熱成像評分系統［18］。同樣定位于背部興趣區，BRZEZINSKI等［19］研究表明紅外熱成像對于診斷新型冠狀病毒感染具備一定臨床價值。季節性流感同樣是常見的急性呼吸道感染性疾病之一［20］。有研究指出，通過構建紅外熱像圖信號處理方法，對季節性流感患者以及健康人進行體溫、呼吸頻率、心率以及面部溫度檢測，并同時在醫護人員參與下直接測量（體溫計、呼吸帶、心電圖），觀察發現二者測量結果呈現高度一致性，且檢測結果可顯著區分季節性流感患者以及健康人組，即流感患者具有更高的面部平均溫度、更快的呼吸頻率以及心率［21］。NEGISHI等［22］利用紅外熱像圖在16例季節性流感患者以及22名健康人中也同樣發現季節性流感患者具有更高的面部平均溫度以及更快的心率。對于具有傳染性的呼吸系統疾病，應用紅外熱成像檢測方式，實現非接觸性、簡便性、高效性檢測受試者體溫、呼吸頻率、心率以及面部溫度等，可以迅速篩查伴有急性呼吸道感染癥狀的患者，有助于早期發現可能的感染者，提高篩查效率，同時進一步保護醫護人員。

2 睡眠呼吸暫停綜合征

阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征（obstructive sleep apnea syndrome，OSAS）是由于各種原因所致上氣道反復阻塞，進而導致呼吸暫停、睡眠中斷以及間歇缺氧等癥狀的疾病［23］。多導睡眠監測（polysomnography，PSG）是成年人OSAS診斷的金標準［24］，然而，PSG需要在患者身體上連接多個電極來分析評估睡眠情況，并且是在一個不熟悉的環境中（通常在醫院的睡眠室）進行的，因此患者常有不適感或伴有睡眠質量較差，因此得出的數據有時候存在偏差，有時甚至需要多次重復檢查。目前已有多項研究關于開發新的非接觸式、便攜式的睡眠監測設備，具備上述優點的紅外熱成像技術已有多項研究證明其效能。呼吸頻率及心率是睡眠過程重要的監測指標，同時也是OSAS的重要監測數據。基于伴隨呼吸過程中鼻周、口周部位溫度的變化以及面部微循環伴隨的溫度改變，HU等［25］應用紅外成像聯合攝像機長時間監測并定位鼻周、口周、面部等興趣區，構建算法計算睡眠過程呼吸頻率以及心率，并發現與心電圖、呼吸帶等測量結果高度匹配。MURTHY等［26］通過納入13例OSAS患者與14名健康人進行紅外熱像睡眠監測，通過分析比較紅外相關睡眠參數與鼻腔壓力測定以及熱變電阻器所測得的呼吸頻率及呼吸波形數據，發現二者在檢測呼吸暫停以及低通氣具有很好的一致性。呼吸模式是無創計算呼吸頻率的重要參數，TELSON等［27］應用紅外成像將興趣區定位于口腔溫度的變化，并區分鼻呼吸（口腔溫度相對恒定）以及口呼吸（口腔溫度差絕對值增加）兩種呼吸模式，這對于紅外成像自動抓取面部興趣區估計呼吸頻率有重要意義。需要指出的是，紅外熱成像除了檢測睡眠過程中呼吸頻率、心率以及呼吸暫停指數等數據，還具有其本身熱敏性的重要特征。身體體溫調節與睡眠狀態的變化有關，特別對于伴有阻塞性通氣功能障礙的患者，由于其本身存在的慢性上呼吸道炎癥，可觀察到頸前區、下頜部等氣道走行區域伴有溫度異常改變或是分布異常［28］。在動物實驗中也有研究指出，紅外熱像圖分析比較短頭型犬與正常犬腹側、面部以及背側溫度，發現靜息下短頭型犬背側具有更高的溫度，另外聯合6 min步行試驗發現運動后短頭型犬背側以及面部（尤其是口部）具有更高的平均溫度以及峰值溫度，具有明顯差異性，從而進一步闡明短頭阻塞性氣道綜合征（BOAS）的病理生理現象［29］。睡眠呼吸暫停綜合征是常見的呼吸疾病之一，近年來其發病率有上升趨勢，同時由于目前檢測方式的局限易造成部分患者的漏診以及隨訪困難，基于紅外成像的無創性、非接觸式等優點有望最大程度減少睡眠監測過程中的不適性以及增加患者依從性，對于OSAS的篩查、診斷以及隨訪等具有重要意義。

3 中醫肺疾病領域研究

紅外熱成像技術作為一種非接觸式的溫度測量工具，同時具備可視化、無創性、高靈敏度等優勢，在中醫理論驗證及經絡、腧穴研究領域中得到廣泛應用［30］。中醫對于呼吸系統疾病有獨特的理論體系，臟腑相合理論認為，肺與腸相表里，即兩者存在特異性的聯系，在生理或病理狀態下，兩者可互相聯系［31］。馬師雷［32］應用紅外熱像儀在106名健康受試者中觀察到肺部疾病患者（支氣管哮喘以及慢性支氣管炎）可引起大腸以及小腸體表投射點溫度特異性升高，其中肺病寒、熱證型對紅外熱值有顯著影響作用，同時腸道疾病患者（潰瘍性結腸炎以及慢性便秘）也可觀察到肺臟體表投射區溫度的升高。肺部相關經絡穴位中肺俞穴、肺經等是慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）、支氣管哮喘、肺結核等肺部疾病的常見體表投射點。基于紅外溫度記錄法評估COPD患者與健康人相關經絡差異性，LI等［33］發現二者心肺經絡的溫度差異性。同時也有研究指出，COPD患者中肺經體表投射點、走行區域特征等均較心經表現出更顯著的變化［34］。研究通過紅外成像觀察對比哮喘患者以及正常人肺及大腸中間結構的穴位體表溫度差異，進一步驗證了哮喘患者中間結構的病理反應區以及肺與腸相表里理論［35］。陳日新等［36］通過納入49例慢性持續期支氣管哮喘患者，對比研究了灸感法以及紅外熱像圖對肺俞穴熱敏態的檢測效能，發現紅外熱成像具有更高的靈敏度以及更明顯的溫度差。過敏性鼻炎同屬高反應性疾病，有研究基于腧穴診察法以及紅外成像法對73例過敏性鼻炎患者研究分析，提示過敏性鼻炎患者較健康人組部分相關經穴存在異常溫度改變，提示存在病理征［37］。朱景智等［38］運用紅外熱成像技術評價無痛蜂療法治療肺脾氣虛型過敏性鼻炎的臨床療效，可觀察到治療前后相關穴位溫度具有明顯差異性，提示紅外熱成像技術對于評估臨床療效具備可觀前景。祖國醫學作為中華民族的文化瑰寶，其對于肺部相關疾病的診治具有卓越的貢獻，其中“肺與腸相表里”與腧穴等相關理論以及針灸等治療方式是其重要組成部分，基于紅外熱成像技術的熱敏性以及可視化的優勢，不僅實現對傳統經脈、腧穴等理論的客觀驗證，也驗證了中醫理論中肺與腸的相表里關系，觀察不同呼吸道疾病肺經區域的溫度變化，為中醫肺疾病的研究提供客觀數據支持。

4 新生兒重癥監護

紅外熱成像技術在新生兒監護中可以實現對生命體征的非接觸性監測［39］。早產兒通常在出生后立即進入新生兒監護病房，呼吸暫停/驟停是早生兒常見和嚴重的急性并發癥［40］。作為標準監測程序，臨床上一般通過在新生兒身體連接傳感器和電極進行生命體征監測，但相較于成年人，新生兒的皮膚更敏感以及更易損傷，在分離黏附電極時，有可能損傷新生兒皮膚或引起皮膚脫落，或是長時間與皮膚相連的電極片，可能引起新生兒皮膚過敏，由此導致皮膚損傷及皮膚感染等嚴重后果［41］。而具備無創性、非接觸式等優點的紅外熱成像技術，已有文獻報道其在新生兒監護中的應用價值。ABBAS等［42］首次在新生兒監護病房應用紅外熱成像監測7名新生兒的呼吸頻率，并獲得了較好的相關性。VILLARROEL等［43］應用紅外熱像儀收集了30名早產兒呼吸頻率、心率以及體溫共90個生命體征數據，并與心電監護儀結果具有良好一致性。考慮到不同嬰兒體位的影響，有研究選擇使用多個攝像頭增加視野覆蓋范圍，進而實現嬰兒呼吸運動和血流全面的可視化監測［44］。由于新生兒生理基礎的特殊性，紅外熱成像技術應用于早產兒等新生兒的監護，可以通過無創、非接觸式監測體溫、呼吸頻率等參數，通過減少外界刺激尚未發育完善的皮膚，早期發現呼吸暫停等急性并發癥，在新生兒監護室乃至普通兒科病房均具有較高的應用價值。

5 肺栓塞的早期篩查

靜脈血栓栓塞癥包括肺栓塞和深靜脈血栓形成，肺動脈栓塞是指各種栓子進入肺動脈及其分支，阻斷組織血液供應所引起的病理和臨床狀態，最常見的是血栓栓塞，據文獻報道，其中約90%的血栓來源于下肢深靜脈血栓［45］。皮膚表面溫度與肢體血流有密切關系［46］，由于深靜脈血栓形成所致局部循環障礙，可導致局部血液瘀滯區域表面皮膚溫度升高［47］。有研究指出，應用紅外熱成像評估下肢靜脈血栓，觀察到血栓組患者患側肢體較健康人組具有更高的表面溫度，且與自身對側無血栓肢體的溫度差也較健康人組更高，在與下肢靜脈彩超以及造影顯像結果比較，同時具備較高的診斷效能［48-49］。紅外熱成像技術可以檢測肢體表面的溫度差異，有助于發現下肢深靜脈血栓形成，進一步實現動態評估下肢血流狀態，住院患者血栓風險評估等。這一技術的推廣可應用于肺栓塞的早期篩查，通過檢測患者肢體的表面溫度是否出現不對稱分布，同時利用紅外熱成像可視化的優勢，早期觀察下肢是否出現局部異常溫度表達區域，推論是否出現血栓前狀態的病理改變，為深靜脈血栓形成早期診斷、篩查提供支持，對患者的治療和管理同樣具有潛在的臨床益處。

6 總結與展望

紅外熱成像技術作為一種功能性成像，核心優勢在于“早”。在機體病理狀態下，功能性的改變常先于結構性的改變，同時，早期局部炎癥因子的趨化、代謝產物堆積、血流動力學的改變常引起局部溫度的改變，抑或是溫度分布的異常。局部溫度的改變以及分布可以為臨床醫生提供額外的人體生理信息，以實現疾病的早期篩查、早期監測等。憑借無創性、無輻射性、非接觸式、可視化以及快速便捷等優點，紅外熱成像技術在肺部疾病的應用具有潛在的臨床益處，有助于早期篩查和動態監測疾病狀態。然而，更深入的研究以及診斷流程標準化仍然需要進一步完善，以確保該技術的準確性和可靠性。

作者貢獻：楊佳諾提出研究思路，撰寫論文；王冠理、楊佳夫、何嘉豪、陳舒敏、沈毅、李娟、任妮負責查閱文獻；劉春麗、鄧方閣負責論文修訂、文章的質量控制及審校，對文章整體負責，監督管理。

本文無利益沖突。

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（收稿日期：2024-03-10；修回日期：2024-05-16）

（本文編輯：賈萌萌）