CN114587284A - 一种医学热层析成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于医学热层析成像技术领域，公开了一种医学热层析成像系统，获取待测生物体表面温度分布数据，并对待测生物体表面温度分布数据进行处理，得到待测生物体内部热源强度分布信息；通过三维温度分布计算模型根据待测生物体内部热源强度分布信息计算得到待测生物体内部的三维温度分布信息；通过数据转换程序将待测生物体内部的三维温度分布信息转化为热源形态的灰度图像，得到待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据；通过热源分布状态确定程序根据待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据，计算得到由体表向内逐层深度的热源分布状态信息。本发明能够直接反映病变的形态和位置，并能够进行疾病的早期预测且对药物疗效进行快速评估。
Description
技术领域
本发明属于医学热层析成像技术领域，尤其涉及一种医学热层析成像系统。
背景技术
目前，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。
正常人体的温度分布具有一定的稳定性和对称性。由于解剖结构、组织代谢、血液循环及神经状态的不同，机体各部位形成不同的温度场。当局部存在疾患或功能发生改变时，该处血流和细胞代谢发生变化，导致局部温度偏高或偏低。如果全身或局部温度偏离正常，提示可能存在疾病或损伤。因此，温度是观察与衡量人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临床诊断手段。
红外热像仪在医学领域的应用是通过记录、显示人体体表温度分布，并结合人体解剖结构、组织代谢、血液循环及神经状态等异常变化将导致局部体表温度改变的特点来进行疾病诊断的。但是由于体表温度不能够真实反映体内温度场，从而导致准确率不高，人体三维温度场的无损重构是解决问题的有效方法，也是医学界和工程界公认的难题和巫待解决的关键技术。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有医学热层析成像系统多采用红外热像仪进行局部体表温度变化的衡量，但是由于体表温度不能够真实反映体内温度场，从而导致红外热像仪的准确率不高。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种医学热层析成像系统。
本发明是这样实现的，一种医学热层析成像系统，所述医学热层析成像系统包括：
温度数据获取模块，与中央控制模块连接，用于通过非致冷焦平面红外探测器获取待测生物体表面温度分布数据；
数据预处理模块，与中央控制模块连接，用于通过数据预处理程序对获得的所述待测生物体表面温度分布数据进行处理，得到待测生物体内部热源强度分布信息；
中央控制模块，与温度数据获取模块、数据预处理模块、三维温度数据获取模块、数据转换模块、热源分布状态确定模块连接，用于通过中央处理器协调控制所述医学热层析成像系统各个模块的正常运行；
三维温度数据获取模块，与中央控制模块连接，用于通过三维温度分布计算模型根据所述待测生物体内部热源强度分布信息计算得到待测生物体内部的三维温度分布信息；
数据转换模块，与中央控制模块连接，用于通过数据转换程序将计算得到的所述待测生物体内部的三维温度分布信息转化为热源形态的灰度图像，得到待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据；
热源分布状态确定模块，与中央控制模块连接，用于通过热源分布状态确定程序根据所述待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据，计算得到由体表向内逐层深度的热源分布状态信息。
进一步，所述医学热层析成像系统还包括：
无线通信模块，与中央控制模块连接，用于通过无线通信装置将预处理后的待测生物体内部热源强度分布信息发送至中央处理器；
中央控制模块，与无线通信模块、数据存储模块、更新显示模块连接，用于通过中央处理器协调控制所述医学热层析成像系统各个模块的正常运行；
数据存储模块，与中央控制模块连接，用于通过存储器存储获取的待测生物体表面温度分布数据、预处理后的待测生物体内部热源强度分布信息、计算得到的待测生物体内部的三维温度分布信息、待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据以及计算得到的由体表向内逐层深度的热源分布状态信息；
更新显示模块，与中央控制模块连接，用于通过显示器对获取的待测生物体表面温度分布数据、预处理后的待测生物体内部热源强度分布信息、计算得到的待测生物体内部的三维温度分布信息、待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据以及计算得到的由体表向内逐层深度的热源分布状态信息的实时数据进行更新显示。
进一步，所述非致冷焦平面红外探测器的像素为320×256，响应波长为4.6～6.1μm。
进一步，所述三维温度数据获取模块中，采用点热源模型得到待测生物体内部的热源强度分布信息和待测生物体内部的三维温度分布信息。
进一步，所述待测生物体内部的三维温度分布信息的计算公式为：
式中，T(x,y,z)为待测生物体内坐标为(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，qi(xi,yi,hi)为第i个热源的强度值，k为待测生物体组织的热传导系数，T0为环境温度。
进一步，所述利用热源分布状态确定模块计算得到由体表向内逐层深度的热源分布状态信息包括：
获取待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据，并利用待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据构建热源分布先验知识矩阵；
利用所述热源分布先验知识矩阵测量获得边界温度作为初始输入；
构建边界温度与体内热源关系，并进行热源分布求解，获得由体表向内逐层深度的生物体热源分布状态信息。
进一步，所述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。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
通过非致冷焦平面红外探测器获取待测生物体表面温度分布数据；通过数据预处理程序对获得的所述待测生物体表面温度分布数据进行处理，得到待测生物体内部热源强度分布信息；通过三维温度分布计算模型根据所述待测生物体内部热源强度分布信息计算得到待测生物体内部的三维温度分布信息；
通过数据转换程序将计算得到的所述待测生物体内部的三维温度分布信息转化为热源形态的灰度图像，得到待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据；通过热源分布状态确定程序根据所述待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据，计算得到由体表向内逐层深度的热源分布状态信息。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
通过非致冷焦平面红外探测器获取待测生物体表面温度分布数据；通过数据预处理程序对获得的所述待测生物体表面温度分布数据进行处理，得到待测生物体内部热源强度分布信息；通过三维温度分布计算模型根据所述待测生物体内部热源强度分布信息计算得到待测生物体内部的三维温度分布信息；
通过数据转换程序将计算得到的所述待测生物体内部的三维温度分布信息转化为热源形态的灰度图像，得到待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据；通过热源分布状态确定程序根据所述待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据，计算得到由体表向内逐层深度的热源分布状态信息。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的医学热层析成像系统。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
本发明提供的医学热层析成像系统，利用生物体内部热源强度和温度分布确定生物体与新陈代谢直接相关的功能学信息，能够反映机体组织的功能性变化；利用发热体形态反映生物体发生结构异常的形态学信息，能够进行疾病的早期预测，也可对药物疗效进行快速评估。
第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
本发明提供的医学热层析成像系统的测量准确率高，能够直接反映病变(如肿瘤)的形态和位置，为生物医学分析提供更多的有用信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的医学热层析成像系统结构框图；
图2是本发明实施例提供的医学热层析成像方法流程图；
图3是本发明实施例提供的利用热源分布状态确定模块计算得到由体表向内逐层深度的热源分布状态信息的方法流程图；
图中：1、温度数据获取模块；2、数据预处理模块；3、无线通信模块；4、中央控制模块；5、三维温度数据获取模块；6、数据转换模块；7、热源分布状态确定模块；8、数据存储模块；9、更新显示模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种医学热层析成像系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
如图1所示，本发明实施例提供的医学热层析成像系统包括：
温度数据获取模块1，与中央控制模块4连接，用于通过非致冷焦平面红外探测器获取待测生物体表面温度分布数据；
数据预处理模块2，与中央控制模块4连接，用于通过数据预处理程序对获得的所述待测生物体表面温度分布数据进行处理，得到待测生物体内部热源强度分布信息；
无线通信模块3，与中央控制模块4连接，用于通过无线通信装置将预处理后的待测生物体内部热源强度分布信息发送至中央处理器；
中央控制模块4，与温度数据获取模块1、数据预处理模块2、无线通信模块3、三维温度数据获取模块5、数据转换模块6、热源分布状态确定模块7、数据存储模块8、更新显示模块9连接，用于通过中央处理器协调控制所述医学热层析成像系统各个模块的正常运行；
三维温度数据获取模块5，与中央控制模块4连接，用于通过三维温度分布计算模型根据所述待测生物体内部热源强度分布信息计算得到待测生物体内部的三维温度分布信息；
数据转换模块6，与中央控制模块4连接，用于通过数据转换程序将计算得到的所述待测生物体内部的三维温度分布信息转化为热源形态的灰度图像，得到待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据；
热源分布状态确定模块7，与中央控制模块4连接，用于通过热源分布状态确定程序根据所述待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据，计算得到由体表向内逐层深度的热源分布状态信息；
数据存储模块8，与中央控制模块4连接，用于通过存储器存储获取的待测生物体表面温度分布数据、预处理后的待测生物体内部热源强度分布信息、计算得到的待测生物体内部的三维温度分布信息、待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据以及计算得到的由体表向内逐层深度的热源分布状态信息；
更新显示模块9，与中央控制模块4连接，用于通过显示器对获取的待测生物体表面温度分布数据、预处理后的待测生物体内部热源强度分布信息、计算得到的待测生物体内部的三维温度分布信息、待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据以及计算得到的由体表向内逐层深度的热源分布状态信息的实时数据进行更新显示。
如图2所示，本发明实施例提供的医学热层析成像方法包括以下步骤：
S101，通过温度数据获取模块利用非致冷焦平面红外探测器获取待测生物体表面温度分布数据；通过数据预处理模块利用数据预处理程序对所述待测生物体表面温度分布数据进行处理，得到待测生物体内部热源强度分布信息；
S102，通过无线通信模块利用无线通信装置将预处理后的待测生物体内部热源强度分布信息发送至中央处理器；通过中央控制模块利用中央处理器协调控制所述医学热层析成像系统各个模块的正常运行；
S103，通过三维温度数据获取模块利用三维温度分布计算模型根据所述待测生物体内部热源强度分布信息计算得到待测生物体内部的三维温度分布信息；
S104，通过数据转换模块利用数据转换程序将计算得到的所述待测生物体内部的三维温度分布信息转化为热源形态的灰度图像，得到待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据；
S105，通过热源分布状态确定模块利用热源分布状态确定程序根据所述待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据，计算得到由体表向内逐层深度的热源分布状态信息；
S106，通过数据存储模块利用存储器存储待测生物体表面温度分布数据、内部热源强度分布信息、三维温度分布信息、待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据以及热源分布状态信息；
S107，通过更新显示模块利用显示器对待测生物体表面温度分布数据、内部热源强度分布信息、三维温度分布信息、待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据以及热源分布状态信息的实时数据进行更新显示。
本发明实施例提供的非致冷焦平面红外探测器的像素为320×256，响应波长为4.6～6.1μm。
本发明实施例提供的三维温度数据获取模块中，采用点热源模型得到待测生物体内部的热源强度分布信息和待测生物体内部的三维温度分布信息。
本发明实施例提供的待测生物体内部的三维温度分布信息的计算公式为：
式中，T(x,y,z)为待测生物体内坐标为(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，qi(xi,yi,hi)为第i个热源的强度值，k为待测生物体组织的热传导系数，T0为环境温度。
如图3所示，本发明实施例提供的利用热源分布状态确定模块计算得到由体表向内逐层深度的热源分布状态信息包括：
S201，获取待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据，并利用待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据构建热源分布先验知识矩阵；
S202，利用所述热源分布先验知识矩阵测量获得边界温度作为初始输入；
S203，构建边界温度与体内热源关系，并进行热源分布求解，获得由体表向内逐层深度的生物体热源分布状态信息。
本发明实施例提供的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。
二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用的应用实施例。
本发明的应用实施例提供了一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
通过非致冷焦平面红外探测器获取待测生物体表面温度分布数据；通过数据预处理程序对获得的所述待测生物体表面温度分布数据进行处理，得到待测生物体内部热源强度分布信息；通过三维温度分布计算模型根据所述待测生物体内部热源强度分布信息计算得到待测生物体内部的三维温度分布信息；
通过数据转换程序将计算得到的所述待测生物体内部的三维温度分布信息转化为热源形态的灰度图像，得到待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据；通过热源分布状态确定程序根据所述待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据，计算得到由体表向内逐层深度的热源分布状态信息。
本发明的应用实施例提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
通过非致冷焦平面红外探测器获取待测生物体表面温度分布数据；通过数据预处理程序对获得的所述待测生物体表面温度分布数据进行处理，得到待测生物体内部热源强度分布信息；通过三维温度分布计算模型根据所述待测生物体内部热源强度分布信息计算得到待测生物体内部的三维温度分布信息；
通过数据转换程序将计算得到的所述待测生物体内部的三维温度分布信息转化为热源形态的灰度图像，得到待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据；通过热源分布状态确定程序根据所述待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据，计算得到由体表向内逐层深度的热源分布状态信息。
本发明的应用实施例提供了一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的医学热层析成像系统。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种医学热层析成像系统，其特征在于，所述医学热层析成像系统包括：
温度数据获取模块，与中央控制模块连接，用于通过非致冷焦平面红外探测器获取待测生物体表面温度分布数据；
数据预处理模块，与中央控制模块连接，用于通过数据预处理程序对获得的所述待测生物体表面温度分布数据进行处理，得到待测生物体内部热源强度分布信息；
中央控制模块，与温度数据获取模块、数据预处理模块、三维温度数据获取模块、数据转换模块、热源分布状态确定模块连接，用于通过中央处理器协调控制所述医学热层析成像系统各个模块的正常运行；
三维温度数据获取模块，与中央控制模块连接，用于通过三维温度分布计算模型根据所述待测生物体内部热源强度分布信息计算得到待测生物体内部的三维温度分布信息；
数据转换模块，与中央控制模块连接，用于通过数据转换程序将计算得到的所述待测生物体内部的三维温度分布信息转化为热源形态的灰度图像，得到待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据；
热源分布状态确定模块，与中央控制模块连接，用于通过热源分布状态确定程序根据所述待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据，计算得到由体表向内逐层深度的热源分布状态信息。
2.如权利要求1所述的医学热层析成像系统，其特征在于，所述医学热层析成像系统还包括：
无线通信模块，与中央控制模块连接，用于通过无线通信装置将预处理后的待测生物体内部热源强度分布信息发送至中央处理器；
中央控制模块，与无线通信模块、数据存储模块、更新显示模块连接，用于通过中央处理器协调控制所述医学热层析成像系统各个模块的正常运行；
数据存储模块，与中央控制模块连接，用于通过存储器存储获取的待测生物体表面温度分布数据、预处理后的待测生物体内部热源强度分布信息、计算得到的待测生物体内部的三维温度分布信息、待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据以及计算得到的由体表向内逐层深度的热源分布状态信息；
更新显示模块，与中央控制模块连接，用于通过显示器对获取的待测生物体表面温度分布数据、预处理后的待测生物体内部热源强度分布信息、计算得到的待测生物体内部的三维温度分布信息、待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据以及计算得到的由体表向内逐层深度的热源分布状态信息的实时数据进行更新显示。
3.如权利要求1所述的医学热层析成像系统，其特征在于，所述非致冷焦平面红外探测器的像素为320×256，响应波长为4.6～6.1μm。
4.如权利要求1所述的医学热层析成像系统，其特征在于，所述三维温度数据获取模块中，采用点热源模型得到待测生物体内部的热源强度分布信息和待测生物体内部的三维温度分布信息。
5.如权利要求4所述的医学热层析成像系统，其特征在于，所述待测生物体内部的三维温度分布信息的计算公式为：
式中，T(x,y,z)为待测生物体内坐标为(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，qi(xi,yi,hi)为第i个热源的强度值，k为待测生物体组织的热传导系数，T0为环境温度。
6.如权利要求1所述的医学热层析成像系统，其特征在于，所述利用热源分布状态确定模块计算得到由体表向内逐层深度的热源分布状态信息包括：
获取待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据，并利用待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据构建热源分布先验知识矩阵；
利用所述热源分布先验知识矩阵测量获得边界温度作为初始输入；
构建边界温度与体内热源关系，并进行热源分布求解，获得由体表向内逐层深度的生物体热源分布状态信息。
7.如权利要求6所述的医学热层析成像系统，其特征在于，所述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。
8.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
通过非致冷焦平面红外探测器获取待测生物体表面温度分布数据；通过数据预处理程序对获得的所述待测生物体表面温度分布数据进行处理，得到待测生物体内部热源强度分布信息；通过三维温度分布计算模型根据所述待测生物体内部热源强度分布信息计算得到待测生物体内部的三维温度分布信息；
通过数据转换程序将计算得到的所述待测生物体内部的三维温度分布信息转化为热源形态的灰度图像，得到待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据；通过热源分布状态确定程序根据所述待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据，计算得到由体表向内逐层深度的热源分布状态信息。
9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
通过非致冷焦平面红外探测器获取待测生物体表面温度分布数据；通过数据预处理程序对获得的所述待测生物体表面温度分布数据进行处理，得到待测生物体内部热源强度分布信息；通过三维温度分布计算模型根据所述待测生物体内部热源强度分布信息计算得到待测生物体内部的三维温度分布信息；
通过数据转换程序将计算得到的所述待测生物体内部的三维温度分布信息转化为热源形态的灰度图像，得到待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据；通过热源分布状态确定程序根据所述待测生物体内部热源的三维形态影像信息数据，计算得到由体表向内逐层深度的热源分布状态信息。
10.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求1～7任意一项所述的医学热层析成像系统。
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