双模态热层析成像方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种双模态热层析成像方法及其装置，该装置由红外CCD探测器、数据采集单元和计算机组成；本发明专利技术以Pennes生物热传导方程为基础，通过点热源模型求得Pennes方程的解析解。生物体热源可视为由均匀分布的点热源组成，各个点热源通过独立热传导形成温度场，真实温度场由各个点热源形成的温度场叠加而成。通过红外CCD获取生物体表面温度分布数据，由表面温度分布数据通过温度拟合方法得到生物体内部热源强度分布信息，进而得到体内温度分布和热源形态信息。生物体内部热源强度和温度分布反映了生物体与新陈代谢直接相关的功能影像学信息，发热体形态反映了生物体发生结构异常的形态影像学信息。

Dual mode thermal tomography and its device

The invention discloses a dual mode thermal tomography method and its device, which is composed of an infrared CCD detector, a data acquisition unit and a computer. Based on the Pennes biological heat conduction equation, the analytical solution of the Pennes equation is obtained through the point heat source model. The heat source of organism can be seen as a point heat source distributed evenly. The heat source of each point heat source is generated by independent heat conduction, and the real temperature field is superposed by the temperature field formed by each point heat source. The temperature distribution data of biological surface are obtained through infrared CCD, and the distribution information of heat source intensity is obtained through temperature fitting data from the surface temperature distribution data, and then the information of temperature distribution and heat source form is obtained. The intensity and temperature distribution of internal heat source reflects the functional imaging information directly related to metabolism of organism, and the form of heating body reflects the morphological and imaging information of abnormal structure of organism.

【技术实现步骤摘要】
双模态热层析成像方法及其装置
本专利技术涉及生物医学测温领域，具体地指一种双模态热层析成像方法及其装置。该方法依据生物传热理论由人体表面温度分布通过点热源传热形成的温度场叠加和温度拟合方法得到人体内部热源强度分布信息和热源形态的方法。并实现功能影像学和形态影像学双模态的热层析成像。
技术介绍
生物组织内与新陈代谢有关的传热、传质以及生物体与环境之间物质和能量的交换过程是生命系统最基本的过程之一。人们对生物传热现象及其生物体内温度分布规律的研究涉及生物体的热量传输机制和传热特性，并已逐步形成了一门新兴交叉学科——生物传热学。其内容涉及从细胞、亚细胞层次到组织、器官直至整个生物体的热质传输过程。与一般工程材料极为不同，生物系统表现了自然界最复杂的传热机制。从局部看，其结构异常复杂，很难看成各向同性、均匀的介质，特别是既有热量传递、又有质量传递特点的血液和体液循环更增加了传热过程的复杂性。要定量确定由于生理原因，特别是血液所引起的能量传递非常困难。从整体看，生物体又是一个高度有序的系统，就热方面而言。每种生物体都存在一个复杂的温度感觉和控制系统，对热刺激有着主动响应的能力。此外，生物系统还是一个存在个体差异、不稳定、小温差的低传热系统。这些特点要求生物传热研究中的温度测量须具有较高的精确性和灵敏性，而这常常很难做到。另外，由于生物个体的高度变化性、组织和功能的差异性、边界和初始条件的多样性，无论从广度还是深度看，生物传热过程及其机理研究都需要经历一个艰巨和漫长的过程。由于生物体内部的解剖结构、组织代谢、血液循环及神经状态的不同，导致机体内部各部位的代谢热分布不同，形成不同的温度场。一般情况下，正常生物体的温度分布具有一定的稳定性和对称性。当生物体某处存在病变或功能发生改变时，该处血流和细胞代谢会发生变化，导致局部温度改变，表现为温度偏高或偏低。如果全身或局部温度偏离正常，提示可能存在病变或损伤。因此，温度是观察与衡量生物体机能正常与否的最常用指标之一，获取并分析全身或局部温度是一种十分重要的分析手段。1948年，Pennes等人提出了Pennes生物热传导方程：式中T(x,y,z)是体内温度场分布函数，ρ、c是机体的密度和热容率，k是热传导系数，wb、ρb、cb是血液灌注率、血液密度、血液热容率，Ta是动脉血温度，Qm是生物体内新陈代谢产生的热量。在生物传热研究和应用领域内，人们普遍认为：Pennes方程是迄今为止所有生物传热模型中最为合适的。如果通过仪器设备测量出生物体内的密度、热容率、热传导系数、血液灌注率、血液密度、血液热容率、动脉血温度以及生物体内新陈代谢的热量等参数，应用Pennes生物热传导方程就可求得生物体内部的三维温度场T(x,y,z)。但是生物体内新陈代谢的热量往往无法用仪器设备进行活体测量，因此在实际应用过程中无法通过Pennes生物热传导方程直接求得生物体内部的三维温度场T(x,y,z)。解决这一问题可以采用求解反问题的方法：应用仪器设备探测得到生物体的体表温度分布再结合生物体的边界条件，理论上通过求解Pennes生物热传导方程即可得到生物体内新陈代谢的热量分布，然后应用Pennes方程进一步得到三维温度场分布。生物体的体表温度探测是基于黑体辐射理论：温度在绝对零度以上的任何物体，都会因物体内部的分子热运动而辐射电磁波。生物体是一个天然发热体，与其它物体一样遵循电磁辐射定律，其辐射本领与绝对温度310K左右的黑体相似。根据维恩位移定律，生物体辐射的波长范围在0.76～1000μm之间，正好处在红外波段，峰值波长为9.348μm。根据斯忒－藩玻耳兹曼定律Mb＝σT4，只要测出生物体辐射能量就能得出生物体的体表温度。应用0.76～1000μm范围的红外CCD热探测器可记录生物体体表辐射的能量，从而获得体表温度分布。但是Pennes生物热传导方程为二阶含时偏微分方程，再加上体表复杂的边界条件使得该方程几乎不可能得到热量分布的解析解。目前的现有测温技术是通过红外热像仪只能够测得生物体表面的温度分布即体表二维成像，而不能够实现三维成像得到体内的三维温度分布，更无法测得与细胞代谢直接相关的热源强度值。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的缺陷，提供了一种双模态热层析成像方法及其装置，该方法采用点热源模型：生物体内部的生物体热源由均匀分布的点热源组成。首先求解点热源传热形成的温度场，实际生物体的温度场可以视为由无限多个均匀分布的点热源传热形成温度场的叠加，然后由生物体表面温度分布通过温度拟合方法得到生物体内部热源强度分布信息，并进而得到体内温度分布信息和热源形态信息。为实现上述目的，本专利技术提供的一种双模态热层析成像方法，它包括以下步骤：1)利用红外CCD探测器获取生物体表面温度分布数据；2)将步骤1)获取的生物体表面温度分布数据带入体表二维温度分布的表达式中，进行温度数据拟合获得生物体内部各点的热源强度值qi(xi,yi,hi)(i＝1,2,3…n)，即生物体内部热源强度分布信息；其中，体表二维温度分布的表达式为：式中，T(x，y)为生物体表面(x，y)处的温度值，x和y分别为生物体表面任意一点的坐标值，xi，yi和hi为生物体内部第i个热源的坐标值，且hi为第i个热源的深度值，qi(xi,yi,hi)为第i个热源的强度值，k为生物组织的热传导系数，T0为环境温度；3)将步骤2)得到的生物体内部各点的热源强度值qi(xi,yi,hi)(i＝1,2,3…n)带入体内三维温度分布的表达式中，即获得了生物体内部的三维温度分布信息；其中，体内三维温度分布的表达式为：式中，T(x，y，z)为生物体内部(x，y，z)处的温度值，x，y和z为生物体内部任意一点的坐标值，xi，yi和hi为生物体内部第i个点热源的坐标值，且hi为第i个热源的深度值，qi(xi,yi,hi)为第i个热源的强度值，k为生物组织的热传导系数，T0为环境温度；4)将各个点热源的强度值qi(xi,yi,hi)转换为灰度值其中：qm为所有点热源qi(xi,yi,hi)的最大值，Grayi(xi,yi,hi)为(xi，yi，hi)处第i个点热源的灰度值；5)将步骤4)得到灰度值Grayi(xi,yi,hi)转化得到热源形态的灰度图像，即为生物体内部热源的三维形态影像学信息；6)生物体内部各个点热源的强度值qi(xi,yi,hi)转换成RGB伪彩色编码，得到强度值的伪彩色图像，构成强度值的三维功能影像学信息；7)生物体内部的温度值T(x，y，z)转换成R′G′B′伪彩色编码，得到温度值的伪彩色图像，构成温度值的三维功能影像学信息；8)将强度值的三维功能影像学信息/温度值的三维功能影像学信息与三维形态影像学信息组成双模态影像学信息，形成生物体双模态热层析图像。进一步地，所述成像方法采用点热源模型。生物体内部的热源由均匀分布的点热源组成，实际生物体的温度场由无限多个均匀分布的点热源传热形成温度场的叠加而成。再进一步地，所述步骤2)中，拟合的方法为洛伦兹线型拟合。再进一步地，所述步骤2)中，生物体热源在体表形成的二维温度分布由点热源形成的二维温度分布叠加而成，生物体热源在体表形成的二维温度分布表达式，即：由点热源形成的体表二维温度分布叠加而成，点本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双模态热层析成像方法，其特征在于：包括以下步骤：1)利用红外CCD探测器获取生物体表面温度分布数据；2)将步骤1)获取的生物体表面温度分布数据带入体表二维温度分布的表达式中，进行温度数据拟合获得生物体内部各点的热源强度值qi(xi,yi,hi)(i＝1,2,3…n)，即生物体内部热源强度分布信息；其中，体表二维温度分布的表达式为：

【技术特征摘要】
1.一种双模态热层析成像方法，其特征在于：包括以下步骤：1)利用红外CCD探测器获取生物体表面温度分布数据；2)将步骤1)获取的生物体表面温度分布数据带入体表二维温度分布的表达式中，进行温度数据拟合获得生物体内部各点的热源强度值qi(xi,yi,hi)(i＝1,2,3…n)，即生物体内部热源强度分布信息；其中，体表二维温度分布的表达式为：式中，T(x，y)为生物体表面(x，y)处的温度值，x和y分别为生物体表面任意一点的坐标值，xi，yi和hi为生物体内部第i个热源的坐标值，且hi为第i个热源的深度值，qi(xi,yi,hi)为第i个热源的强度值，k为生物组织的热传导系数，T0为环境温度；3)将步骤2)得到的生物体内部各点的热源强度值qi(xi,yi,hi)(i＝1,2,3…n)带入体内三维温度分布的表达式中，即获得了生物体内部的三维温度分布信息；其中，体内三维温度分布的表达式为：式中，T(x，y，z)为生物体内部(x，y，z)处的温度值，x，y和z为生物体内部任意一点的坐标值，xi，yi和hi为生物体内部第i个点热源的坐标值，且hi为第i个热源的深度值，qi(xi,yi,hi)为第i个热源的强度值，k为生物组织的热传导系数，T0为环境温度；4)将各个点热源的强度值qi(xi,yi,hi)转换为灰度值其中：qm为所有点热源qi(xi,yi,hi)的最大值，Grayi(xi,yi,hi)为(xi，yi，hi)处第i个点热源的灰度值；5)将步骤4)得到灰度值Grayi(xi,yi,hi)转化得到热源形态的灰度图像，即为生物体内部热源的三维形态影像学信息；6)生物体内部各个点热源的强度值qi(xi,yi,hi)转换成RGB伪彩色编码，得到强度值的伪彩色图像，构成强度值的三维功能影像学信息；7)生物体内部的温度值T(x，y，z)转换成R′G′B′伪彩色编码，得到温度值的伪彩色图像，构成温度值的三维功能影像学信息；8)将强度值的三维功能影像学信息/温度值的三维功能影像学信息与三维形态影像学信息组成双模态影像学信息，形成生物体双模态热层析图像。2.根据权利要求1所述双模态热层析成像方法，其特征在于：所述步骤2)和步骤3)采用点热源模型得到生物体内部热源强度分布信息和生物体内部的三维温度分布信息；生物体内部的热源由均匀分布的点热源组成，实际生物体的温度场由无限多个均匀分布的点热源传热形成温度场的叠加而成。3.根据权利要求1所述双模态热层析成像方法，其特征在于：所述步骤2)中，拟合的方法为洛伦兹线型拟合。4.根据权利要求1所述双模态热层析成像方法，其特征在于：所述步骤2)中，生物体热源在体表形成的二维温度分布由点热源形成的二维温度分布叠加而成，生物体热源在体表形成的二维温度分布表达式，即：由点热源形成的体表二维温度分布叠加而成，点热源在体表形成的二维温度分布为5.根据权利要求1所述双模态热层析成像方法，其特征在于：所述步骤3)中，生物体热源在体内三维温度分布由点热源形成的三维温度分布叠加而成，生物体热源在体内三维温度分布表达式，即：由点热源形成的体内三维温度分布叠加而成，点热源在体内形成的三维温度分布的表达式为：6.根据权利要求1所述双模态热层析成像方法，其特征在于：所述步骤4)中，将各个点热源的强度值qi(xi,yi,hi)转换为灰度值进而得到热源形态的灰度图像的方法：各个点热源的强度值qi(xi,yi,hi)正比于热源形态灰度图像的灰度值：灰度值的取值范围为：0≤Grayi(xi,yi,hi)≤255；其中：qm为所有点热源qi(xi,yi,hi)的最大值，Grayi(xi,yi,hi)为(xi，yi，hi)处第i个点热源的灰度值。7.根据权利要求1所述双模态热层析成像方法，其特征在于：所述步骤6)中，强度值的三维功能影像学信息通过伪彩色图像直观表达：采用常用的伪彩色编码-彩虹码，则伪彩色图像的三原色红(R)、绿(G)、蓝(B)的变换函数表达式为：

【专利技术属性】
技术研发人员：李凯扬，
申请(专利权)人：武汉昊博科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42