CN1802121A - 识别和分类哺乳动物的动态热力学过程并区分此类过程的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种红外造影机(4)，从位于造影机(4)视野(92)内的患者(P)获取红外辐射的多个帧(94)。每个帧(94)是在对应的帧取样间隔期间获取的，且每个帧(94)对应在其帧取样间隔期间从视野(92)内的光学元件(90)阵列获取的红外辐射。根据从光学元件(90)阵列接收的红外辐射确定多个积分，且每个积分对应于至少两个帧(94)中从相同光学元件(90)接收的红外辐射。每个积分被映射为一种色彩或灰度，而每个积分的色彩或灰度被映射至图像中与视野(92)中的相应光学元件(90)的位置相应的位置。造影机(4)可应用于肿瘤疾病过程的早期检测、血管生成的检测和/或疼痛处理疗法的处理部位的识别。

Description

识别和分类哺乳动物的动态热力学过程并区分此类过程的系统和方法

相关申请的交叉参考

本申请是2002年5月6日申请的题为“高清晰度动态红外成像的方法和设备”的美国专利申请No.10/019,904的部分延续，并且要求2003年5月6日申请的题为“识别和分类哺乳动物的动态热力学过程并区分此类过程的系统和方法”的美国临时专利申请No.60/468,321的优先权，在此援引参考上述两份申请。

技术领域

本发明涉及红外成像，更具体涉及用于诊断的红外成像。

背景技术

迄今为止，有时称作热成像的红外成像已被应用于诸如印刷电路板和涡轮叶片等材料的无损检测。而红外成像在医疗诊断上的应用一直受到很大程度的限制，这是由于设备的不足以及缺乏关于生物的红外能量辐射和造成此种辐射的潜在生理过程的普遍性理论。

早期使用的红外成像依赖于缺乏足够分辨率的检测器，对于医疗诊断不具有足够且可靠的价值。虽然红外检测器技术已有所提高，但利用红外造影机(imaging cameras)来检测人体表面温度的细微变化仍无法为有效的医疗诊断提供包含足够信息的数据。

因此，需要提供一种红外成像系统和使用这种红外成像系统的方法，以检测从受到热应力的人体发出的红外辐射特性的变化，并从人体对热应力的反应获得关于人体生理机能的诊断信息。还需要提供一种红外成像系统，其能够立体地观察和分析人体发出的红外辐射。

发明内容

本发明提供一种生成患者的红外成像的方法。该方法包括：提供一种配置的红外造影机，以从红外造影机能观看到的视野(field-of-view)内的光学元件阵列接收红外辐射。从位于视野内的患者获取红外辐射的多个帧。各个帧是在相应的帧取样间隔期间获取的，且各个帧对应在其帧取样间隔期间从至少部分光学元件阵列获取的红外辐射。从光学元件阵列接收的红外辐射的多个积分(integral)可以被确定，各个积分对应于至少两个帧中从相同光学元件接收的红外辐射。各个积分被映射(map)为一种色彩或灰度(shade ofgray)，而各个积分的色彩或灰度可映射至图像中与视野中的相应光学元件的位置相对应的位置。

所述多个帧是在成像间隔期间获取的，且每个帧的获取次数可为固定或可变的。在每个光学元件上接收到的红外辐射可对于绝对温度进行调整。在帧取样间隔期间从视野内的各个光学元件顺序地获取红外辐射。或者，在基本相同的时间从视野内所有的光学元件获取红外辐射。

在开始获取帧之前，患者可暴露于环境温度的空气。然后，开始获取帧，且患者可暴露于调节空气流，该调节空气流的温度不同于环境温度。在成像间隔之后，停止获取帧。在患者身上并处于视野中，设置至少一个标记(marker)，所述至少一个标记的辐射率不同于患者的辐射率。优选的，所述至少一个标记位于患者的固定解剖结构的位置上。

在邻近患者的视野内放置一个或多个反射镜。所述一个或多个反射镜被定向，以反射来自患者身体某一部位的红外辐射，患者身体的该部位处于该视野内，但从该红外造影机的角度，患者身体的该部位被另一部位遮挡。

在红外造影机与患者之间放置栅格。通过栅格将热能传递至患者，而红外辐射的帧可直接从患者以及从一个或多个反射镜获取。患者的三维图像可根据直接从患者以及从一个或多个反射镜获取的红外辐射来构建。

本发明还提供一种红外成像设备，其包括检测装置，用于检测来自光学元件阵列的每个光学元件的红外辐射，该光学元件阵列构成成像设备的视野。控制器被连接，以控制该检测装置，以选择性地在多个相同取样间隔中获取来自光学元件阵列的红外辐射的多个帧。每个帧对应于在一个取样间隔期间从光学元件阵列的所有或部分光学元件获取的红外辐射。该红外成像设备还提供确定装置，用于确定由检测装置从光学元件阵列接收的红外辐射的多个积分。每个积分对应于至少两个帧中从相同的光学元件获取的红外辐射。该确定装置将每个积分映射为一种色彩或灰度，并可将每个积分的色彩或灰度映射至图像中与视野中的相应光学元件的位置相对应的位置。

优选的，每个光学元件对应于可由检测装置处理的视野中的最小单元。

该红外成像设备包括转换装置，用于将从每个光学元件获取的红外辐射转换为对应的数据。确定装置根据对应于每个帧中从每个光学元件获取的红外辐射的数据，确定至少两个帧中相同光学元件的积分。

优选的，在成像间隔期间每个帧的获取次数以对数的方式出现，且获取次数在成像间隔后期增大。

帧的获取可与处于视野中的患者的心跳周期同步。至少两个帧可在不同心跳周期的相同部分期间获取。

附图说明

图1为包括红外造影机的红外成像系统的框图；

图2为图1所示的红外造影机的框图，其中包括单一的可选择定位的红外检测器；

图3为表示图2所示的红外造影机可观看到的总视野(tFOV)的帧的示意图，该红外造影机包括形成该帧的光学元件阵列；

图4为利用图2所示的红外造影机获得的多个帧的温度与时间示意图；

图5为根据从图4所示的每个帧由四个相同的光学元件接收的红外辐射确定的温度与时间曲线图；

图6为图2所示的红外造影机的示意图，该红外造影机被定位以便从暴露于加热/冷却泵产生的热应力的患者获取红外图像的帧；

图7为图6中沿VII-VII线观看患者的视图，包括视野中的四个光学元件在患者身上的位置，从所述光学元件获取红外辐射以生成图5所示的温度与时间曲线；

图8a为黑白绘图，包括色彩符号以表示患者乳房的色彩斜率映射图像的色彩，其中与多个帧中位于总视野中的每个位置处的光学元件相关的每条温度与时间曲线被映射成与该温度与时间曲线的积分相关的色彩；

图8b为图8a所示的患者乳房的灰度映射图像，其中具有小于与红色相关的温度与时间曲线的积分的温度与时间曲线，将根据其积分被映射成灰度，而红色部分是以红色的色彩符号来表示；

图9为具有锯齿状脉管系统的另一个患者的乳房的灰度映射图像；

图10为图7所示的患者的示意图，其包括位于患者乳房下方的胸骨反射镜以及位于患者乳房的相对两侧上的侧边反射镜；

图11为用于获取立体图像的一对检测器和一对红外透镜的分体示意图；

图12为图1所示的红外造影机的框图，该红外造影机包括红外检测器的凝视(staring)阵列；以及

图13为用于获取立体图像的一对红外透镜和一对凝视阵列的分体示意图。

具体实施方式

请参阅图1，红外(IR)成像系统2包括连接至工作站6的红外造影机4。红外造影机4从工作站6接收指令信号，并向工作站6提供关于红外造影机4接收的红外辐射的定量数据及信息。工作站6还连接有打印机8、储存装置10、显示器12、定点(pointing)装置14、键盘16以及电源调节器18，上述装置供红外成像系统2的使用者以常规的方式使用。

请参阅图2并继续参阅图1，红外造影机4包括数据接收器22及数据传输器24，用于与工作站6通信。在软件程序的控制下运行的控制器26被连接以接收来自数据接收器22的数据。红外造影机4包括与冷却系统30连接的检测器28，用于以常规的方式将检测器28冷却到可接受的工作温度。检测器28接收来自红外透镜32的红外辐射，红外透镜32将其接收的红外辐射聚焦到检测器28上。红外辐射在到达红外透镜32之前通过前端面板视窗44，且在特定的情况下会通过滤光器46。

用于红外透镜32聚焦的聚焦系统62被连接以接收来自控制器26的控制信号。在控制器26的控制下，红外透镜32的光学聚焦和/或缩放可通过聚焦系统62以现代数字摄影系统的常规方式进行调整。

机动的X-Y定位台64连接至红外透镜32及检测器28，用以控制方向，红外透镜32及检测器28沿该方向检测从滤光器46传播的红外辐射。定位控制器66被连接以接收来自控制器26的控制信号。在控制器26的控制下，定位控制器66控制X-Y定位台64的位置，以使红外透镜32及检测器28能被选择性定位，以检测从滤光器46的选定部分传播的红外辐射光束。

前置放大器76被连接以从检测器28接收对应于接收到的红外辐射的强度的信号。前置放大器76放大并过滤检测器28输出的每个信号，并将每个经过放大与过滤的信号提供给图像模数转换器(ADC)78，该模数转换器78会将每个来自前置放大器76且经过放大与过滤的信号转换为对应的数字信号，此数字信号将被提供给图像处理系统80，如栅极阵列。在控制器26的控制下工作的图像处理系统80将红外辐射的数据及信息提供给数据传输器24，以传输至工作站6。

优选的，前置放大器76被连接以接收来自温度校准系统82的关于绝对温度的数据与信息。在控制器26的控制下，温度校准系统82将绝对温度校准数据提供给前置放大器76。前置放大器76将来自温度校准系统82的绝对温度校准数据与检测器28输出的每个信号结合，以对应检测器28接收的红外辐射的绝对温度调整前置放大器76输出的经过放大与过滤的信号。

控制模数转换器84被连接以接收聚焦系统62、X-Y定位台64、温度校准系统82、前置放大器76以及环境温度传感器86输出的模拟信号。在控制器26的控制下，控制模数转换器84有选择地将与控制模数转换器84接收的模拟信号相对应的数字信号提供给控制器26。控制器26从控制模数转换器84接收的数字信号被控制器26使用，以控制红外造影机4的工作。

请参阅图3，并继续参阅图1与图2，控制器26根据需要控制通过检测器28进行的红外辐射的取样、红外透镜32的聚焦以及X-Y定位台64的位置，以接收并记录来自光学元件90阵列中的每个光学元件90的红外辐射，该光学元件90阵列处于红外成像机4可观看到的总视野(tFOV)92之内。在此，术语“光学元件”(optel)是指在总视野92中的最小单元，其在检测器28的瞬时视野(iFOV)中可被单独处理。

红外造影机4在工作中从总视野92中的每个光学元件90获得红外辐射。例如，从位于图3所示的总视野92中的位置(X1，Y1)的光学元件90开始，控制器26控制X-Y定位台64、检测器28以及红外透镜32，以便对于固定的垂直Y轴位移、沿水平X轴获取来自每个光学元件90的红外辐射。具体而言，红外造影机4从总视野92内包括的介于位置(X1，Y1)与位置(X640，Y1)之间的每个光学元件90获取红外辐射。然后，红外成像系统2调整X-Y定位台64的位置，以使检测器28从总视野92内包括的介于位置(X1，Y2)与位置(X640，Y2)之间的每个光学元件90获取红外辐射。红外造影机4利用上述方式持续扫描总视野92中的光学元件90，直到获取了构成总视野92的全部光学元件90为止。

由于图2所示的红外造影机4具有单一的检测器28，所以红外造影机4必须在不连续的时间段内从总视野92中每个位置上的光学元件90获取信息。在总视野92中的位置(X1，Y1)进行光学元件90取样与在位置(X640，Y480)进行光学元件90取样之间的间隔(即帧取样间隔)是由从被成像的物体接收的红外辐射量来决定。在此方面，帧取样间隔可作为从被成像的物体接收的红外辐射量的函数而被调整。优选的，红外造影机4在每个帧取样间隔中对总视野92中的每个位置的光学元件90进行多次取样，并对总视野92中各个位置的每个光学元件90进行取样平均，以便获得从每个光学元件90所接收的红外辐射的平均值，而此平均值可依照以下所述的方式加以运用。在光导检测器的情况下，来自上述取样的信息(电压输出)被求和；而在光电检测器的情况下，信息(电流输出)被积分。

图像模数转换器78为总视野92中每个位置的光学元件90确定检测器28检测到的瞬时或平均红外辐射的绝对温度的数字值。接着，图像处理系统80在帧扫描间隔期间将为总视野92中每个位置的光学元件90获得的数字值排列在帧94中。优选的，帧94中与每个光学元件90相关的数字值代表红外辐射的绝对温度，该红外辐射是在相应的帧取样间隔期间由检测器28从被成像物体的特定位置接收到的。

请参阅图4，并继续参阅所有上述的图式，红外造影机4在成像间隔(如五分钟)中获得被成像物体的多个帧，例如F1-F200。当在图像处理系统80中接收并汇集每个帧94时，控制器26将每个帧94从图像处理系统80经由数据传输器24传送至工作站6。在医疗应用中，优选的，每个帧94的获取是以对数的方式在成像间隔期间出现，并在成像问隔后期增加相邻帧94的获取次数。然而，相邻帧94的获取可以是固定的或以任何所需的方式变化。

请参阅图5，并继续参阅所有上述的图式，为了进行说明，对于每个帧94的相同光学元件90获取的温度可以表示为温度-时间曲线，如曲线100-106。例如，对于图4所示的帧F1-F200，温度-时间曲线100显示位置(X3，Y3)上的光学元件90的温度与时间的关系。同样地，对于图4所示的帧F1-F200，温度-时间曲线102、104及106分别显示位置(X3，Y7)、(X10，Y3)及(X10，Y7)上的光学元件90的温度与时间的关系。

当在成像间隔期间已获取多个帧94时，工作站6为每个帧94中的相同光学元件90确定每条温度-时间曲线的积分(或积分值)。每个积分可关于特定时间间隔的时间(例如取样帧F1与帧F200之间的时间)确定。或者，每个积分可关于特定的多个子集帧94确定，例如帧F85-F150、帧F85-F150之间的每个其它帧，等等。例如，从每个帧94中相同位置的光学元件90，或者从选定的多个帧94、例如帧F85-F150，工作站6可确定关于每条温度-时间曲线(如曲线100、102、104和106)的时间的积分。例如，当帧F200被采样时，工作站6可在帧F1被采样至时刻t1时从时刻t0起确定每条温度-时间曲线的积分。在另一实例中，当帧F150被采样时，工作站6可在帧F85被采样至时刻t1时从时刻t0起确定每条温度-时间曲线的积分。

出于显示的目的，工作站6可将每条温度-时间曲线(如曲线100-106)的积分值映射为单个色彩。优选的，在用于早期鉴定乳房肿瘤的医疗应用中，具有最小积分值的曲线映射为蓝色，而具有最大积分值的曲线则映射为红色。此外，具有介于最大与最小积分值之间的积分值的曲线映射为红色与蓝色之间的色彩。例如，如图5所示，在帧F85与帧F150之间，工作站6将蓝色映射于具有最小积分值的温度-时间曲线100；将绿色映射于温度-时间曲线102；将黄色映射于温度-时间曲线104；而将红色映射于具有最大积分值的温度-时间曲线106。

接着，工作站6将总视野92中的每个光学元件90或一组光学元件90的位置映射在显示器12上对应的像点或一组像点。当一种色彩被映射至部分或所有温度-时间曲线(如曲线100-106)的积分值时，工作站6会将温度-时间曲线的积分值映射的色彩显示在显示器12上，并显示于具有与总视野92内相应光学元件90的位置相对应的位置的像点或像点组上。如此映射于显示器12的色彩将在其上形成积分值的色彩斜率映射图像。

或者，工作站6可将选定的多个帧94上的每条温度-时间曲线的积分值映射成灰度，从而形成灰度斜率映射图像。优选的，灰度在最大与最小积分值之间延展，最大或最小积分值为白色，而最大或最小积分值中的另一个为黑色。工作站6也可将选定的多个帧94上具有小于或大于预定积分值的积分值的每条温度-时间曲线映射成灰度。此外，每个帧94或选定的多个帧94中的数据可利用常规的方式加以过滤或放大，以增强灰度和/或色彩斜率映射图像的细节。

本发明可应用于乳房癌的早期检测，特别是与乳房肿瘤生长过程有关的近期而管生成(angiogenesis)检测。具体而言，众所周知，随着乳房癌的生长，会出现血管生成过程，且肿瘤病变(lesion)或初期的肿瘤会形成独立的血液供给。据观察，通过近期血管生成所形成的血管并不会对身体的交感神经系统或自主神经系统有所回应。因此，就对于外因性热应力的反应而言，体内由于近期血管生成而被供血的部位对于外因性热应力的反应与身体同一器官内其供血与近期血管生成无关的邻近部位的反应不一致。从皮肤区随时间发出的红外辐射可被映射成不同结构与系统组织层面(例如细胞、组织、器宫和/或系统)的潜在生理、生化及神经过程。若将体内和近期血管生成活动区有关的皮肤区发出的红外辐射与来自其供血和近期血管生成无关的身体皮肤区的红外辐射相比较，可发现其间存在显著的不同。

利用红外成像系统2，获取温度-时间曲线及关于每条温度-时间曲线积分的信息的上述方法，本发明能够识别出是否存在近期血管生成，并提供乳房内这种血管生成所在位置的有意义的数据，从而提供表明患者体内活跃的肿瘤过程可能在发展之中或患者已罹患癌症的早期指示。

本发明的另一应用是应用数学与统计方法来检测从皮肤发出的红外辐射，以识别血管体(angiosome)或热节(thermatome)以及红外辐射统计上过高或过低的异常区域，而此红外辐射可映射成不同组织层面(例如细胞、组织、器官和/或系统)的潜在生理、生化及神经过程。在通过如针刺疗法及针压疗法等替代疗法治疗慢性疼痛、特别是肌筋膜(myofascial)疼痛中，或在如治疗性红外线或射频能量等外生电磁辐射的应用中，这类信息具有特殊的价值。

本发明在识别血管体及热节上的应用可让“西医”能够有效地利用“中医”疗法，如针刺疗法及针压疗法，并让“中医”能够将其观点与技术传达给“西方”的医疗业者。

请参阅图6，并继续参阅所有上述的图式，下面参照在检测乳房114的过程中根据从患者P接收的红外辐射获取信息说明本发明。优选的，患者P坐在具有椅背112的凳子或座椅110上，且椅背112相对于垂直轴113以角度θ倾斜；或者，患者P站立并靠在倾斜相同角度的斜板上(未示出)。选择角度θ以使得每个乳房114的下侧理想地处于红外造影机4的总视野92之内。为了便于进行乳房114侧部及腋下区的红外成像，患者P需将其手臂向侧面及头部移动而离开身体，并将其手肘及前臂搁在支持器115上。红外造影机4与患者P之间具有一定的间隔，使得患者P的整个前胸区C、特别是患者P的乳房114处于红外造影机4的总视野92之内。优选的，红外造影机4被定位以使得患者P的乳房114及邻近的身体躯干116充满总视野92的大部分区域。然而，红外透镜32可被调整，以在患者P的特定区域进行光学缩放，从而能够获取来自此选定区域的红外辐射。

在本发明中，利用红外透镜32进行光学缩放可隔离来自患者P选定区域的红外辐射的获取，但是并不能增加每个光学元件90观看到的患者P的表面区。通过光学缩放而在较小的光学元件90阵列获取红外图像，被认为能够提高患者P身体被成像部位的子集合中的图像分辨率。

根据红外透镜32的焦距与患者P必须在总视野92之内的面积之间的权衡(tradeoff)，来选择患者P与红外造影机4之间的距离，以便获得有意义的生理信息。为达此目的，红外透镜32优选设定为使得患者P在总视野92中被成像的所有部位处于对焦点。优选的，红外造影机4的红外透镜32被设定成具有长焦距，且其模糊圆环与衍射界限小于由检测器28可观看到的每个光学元件90的尺寸。以上述的组合，红外造影机4具有可使位于总视野92内的患者P身体的每个部位都处于对焦点的景深，而不论患者P身体的每个子部位与红外造影机4相隔距离的大小。

患者P及座椅110处于当患者P脱去衣物时其环境温度使患者P感觉舒适的房间118内。在患者P坐上座椅110后的适当时间，红外造影机4开始获取对应于绝对温度数值的帧94，该绝对温度由未对患者P施加热应力时从患者P接收到的红外辐射表示。为了在施以外因热应力之前获取足够的“基准”信息而需要获取的帧个数与时间长度是由操作者确定，或通过计算机分析获取的数据来自动确定。在没有热应力时取得所需个数的帧94之后，患者P暴露在来自位于患者P前方的一个或多个加热/冷却泵122的调节空气流120。一个或多个加热/冷却泵122被定位以提供基本均匀的调节空气流120，从而以基本恒定的速率对患者P身体位于总视野92内的部位依照特定的检查规则加以冷却或加热。优选的，加热/冷却泵122提供至患者P的冷调节空气流120的温度不同于房间118的环境温度，但对于患者P而言仍然是舒适的。据观察，仅低于环境室温10°F的调节空气流120的温度就可使患者P产生所需的交感神经反应。

然而，在特定的临床条件下，在进行冷却之前优选使每个乳房114暖化，以便促使更多血液流至皮肤表面，并保证患者P不会因为周围环境条件而产生血管收缩。相应于热应力变化，例如从加热至冷却或从冷却至加热，从患者P接收到的红外辐射中能够取得其它有意义的信息。这些热应力的变化会在特定皮肤区的红外辐射放射中诱发一种生理上的磁滞现象(hysteresis)，该特定皮肤区与下层组织和器官的某些生理过程相关。

例如，加热/冷却泵122首先为患者P提供调节空气流120，同时红外造影机4获取患者P的乳房114的多个帧94。在加热/冷却的循环期间，某些潜在的生理过程会使来自与此生理过程有关的皮肤区的红外辐射出现变化，导致从与这些特定区域相关的光学元件90接收的红外辐射的积分值和从与较小反应的组织相关的光学元件90接收的红外辐射的积分值在统计上存在显著的差异。此积分值之间的差异可在显示器12上显示为灰度和/或色彩斜率映射图像中的差异。下层结构与系统的三维图像还可从获取的数据产生。

由于与某些磁性材料相关的磁滞现象相似的生理组织特性，由加热而后冷却(即“热-冷”循环)和/或冷却而后加热(即“冷-热”循环)构成的热应力增强了红外成像系统2的效能，以识别与近期血管生成活动相关的生理组织区，例如患者P的乳房114。

响应从加热/冷却泵122接收到冷调节空气流120，患者P的交感神经系统会限制血液流至患者P被冷却的皮肤表面。然而，据观察，患者P的交感神经系统不会限制血液流至患者P已遭受近期血管生成或正遭受血管生成发作的生理组织。因此，患者P的一些生理组织或器官的供血与近期血管生成或正在进行的血管生成活动相关，来自与这些生理组织或器官相关的患者P的皮肤区的红外辐射不会以与患者P的其它生理组织相同的方式对冷调节空气流120进行反应。例如，如图5与图7所示，在总视野92的位置(X3，Y3)上的光学元件90观看到的患者P的皮肤表面区，将响应冷调节空气流120对患者P的冷却，而在帧F4与帧F200之间产生温度-时间曲线100。同样地，冷调节空气流120对患者P的冷却将导致在位置(X3，Y7)、(X10，Y3)及(X10，Y7)上的光学元件90观看到的患者P的皮肤表面区在帧F4与帧F200之间分别产生温度-时间曲线102、104及106。

如图5所示，在帧F85与帧F150之间，曲线104及曲线106比曲线100及曲线102呈现出较小的变化率。此变化率的差异表明：在位置(X10，Y3)及位置(X10，Y7)上的光学元件90观看到的患者P的皮肤表面区，没有象在位置(X3，Y3)及位置(X3，Y7)上的光学元件90观看到的患者P的皮肤表面区一样，响应冷调节空气流120的冷却。对帧F85与帧F150之间的每条曲线102-106进行积分将生成积分值，由此，曲线106的积分值大于曲线104的积分值，曲线104的积分值大于曲线102的积分值，而曲线102的积分值大于曲线100的积分值。这表明患者P处于总视野92内的生理组织可能正在遭受血管生成的发作或者可能已由于近期血管生成而被供血。

除了提供关于血管生成及血管生成活动的信息之外，本发明还能提供关于其血液流动受交感神经系统调节的任何组织、器官或生理系统的活动的有意义信息。

优选的，在人体乳房肿瘤疾病的早期检测的特例中，用于检测总视野92内每个位置的光学元件90的温度-时间曲线的积分的起始帧94(如帧F85)及帧的个数可根据需要改变，以便在显示器12上显现图像。例如，图5所示的每条温度-时间曲线100、102、104及106的积分是在帧F85与帧F150之间被确定。然而，每条温度-时间曲线100、102、104及106的积分也可根据需要在帧F100与帧F125之间、帧F20与帧F85之间，帧F75与帧F175之间等确定。

此外，用于将灰度和/或色彩映射到图5所示的每条温度-时间曲线的积分的数字位数也可以改变。例如，若图像模数转换器78为12位模数转换器，则灰度和/或色彩斜率映射图像可被映射至小于图像模数转换器78的完整12位范围。例如，工作站6可将每条温度-时间曲线的积分映射至与以十为基底的数字800至1600对应的数值范围，从而从即时显示器12中消除含有较少或没有即时诊断价值的信息，但却不会使保存于患者数据库内的患者纪录丢失此类信息。

图8a及图8b分别显示以黑白色绘制的患者P的乳房114的色彩斜率映射图像和结合灰度与黑白色绘制的患者P的乳房114的色彩斜率映射图像。由于在成像间隔期间获取帧94，因此温度-时间曲线表示随着时间的过去，来自患者P的乳房114的整个组织肿块(tissue mass)的红外辐射，而并非只是来自于皮肤表面的温度。能够看到，图8a所示的色彩斜率映射图像提供关于患者P的乳房114对来自加热/冷却泵122的调节空气流120的交感神经反应的详细信息。在此色彩斜率映射图像中，靠近光谱蓝色端的色彩是与具有较小积分值的光学元件90相关，如图5中的曲线100；而以红色显示的区域则是与具有较大积分值的光学元件90相关，如图5中的曲线106。图8a所显示的色彩斜率映射图像中的绿色、黄色及橙色是与其积分值介于图5中的温度-时间曲线100与106的积分值之间的温度-时间曲线相关。

在图8b中，对于小于与红色相关的积分值的积分值，总视野92中具有与该积分值相关的温度-时间曲线的光学元件90的区域被映射成灰度，而具有对应于红色的积分值的温度-时间曲线则以红色符号表示。更具体而言，图8b中结合灰度与黑白色绘制的色彩斜率映射图像是通过结合最后32个帧94的灰度斜率映射图像以及相同的最后32个帧94的色彩斜率映射图像而形成。灰度图像是通过以下方式形成的：将最后32个帧94中的相同光学元件90的积分值映射成灰度以形成图8b的灰度映射图像。与红色相关的色彩斜率映射图像的光学元件90取代灰度映射图像中的相同光学元件90，如此生成的灰度/色彩斜率映射图像显示在显示器12上，以生成图8b的灰度/色彩斜率图像。在图8b中，以红色符号所显示的区域与近期血管生成活动或血管生成已出现或可能正在出现的生理组织相关，因而此生理组织可能需要更进一步检查。

图8b中的灰度与黑白色结合绘制的色彩斜率映射图像还清楚地显示了患者P的乳房114内的血管结构，以为医师提供更多具有诊断价值的信息。根据经验已经注意到，乳房114若如图9所示呈现复杂或极不规则的血管结构，则被视为可疑的，并表示相较于血管结构更规则的情况该患者P具有更高的危险罹患乳癌。通过能够详细地检测并显示乳房114的血管结构，本发明可进行早期的检测，如与乳癌等肿瘤疾病相关的血管生成过程的检测，以及代表与乳癌等肿瘤疾病相关的致病因素的解剖结构或生理特征的检测，从而让患者P能够早在肿瘤可被触知之前，并使患者P在其个人生活方式中采取的改变可防止乳癌发展时就采取行动，如消除“生活方式”的致病因素。

本发明也可应用于通过比较在多个“心跳”周期的相同时间获取的帧94而确定患者P的血液流动。具体而言，由红外造影机4获取的每个帧94可与患者P的心跳周期的特定部分同步。例如，帧F1、F6及F11等可在每个心跳周期的P波期间获取；帧F2、F7及F12等可在每个相同心跳周期的Q波期间获取；帧F3、F8及F13等可在每个相同心跳周期的R波期间获取；帧F4、F9及F14等可在每个相同心跳周期的S波期间获取；而帧F5、F10及F15等则可在每个相同心跳周期的T波期间获取。在整个图像获取序列中利用患者P自己的心跳周期要素作为“时间码”(“time code”)，从而允许以更高的精确度更有效率地应用图像处理及分析的数学方法。此外，利用明确定义的电生理学过程(如心跳)以及适当设立的图形显示表示法(如心电图)，可增强对在不同检测期间获得的图像序列的比较，并且可在对相同或不同患者进行多次检测时提高获取数据的统计分析效率。

当在所需的多个心跳周期已获取所需的多个帧94时，工作站6确定与每个心跳周期中特定时刻相关的帧94中相同光学元件90的积分值。例如，工作站6确定在帧F1、F6及F11等(即在多个心跳周期的P波期间获取的帧)中相同光学元件90的积分值；确定帧F2、F7及F12等(即在多个心跳周期的Q波期间获取的帧)中相同光学元件90的积分值；以及确定在多个心跳周期的R波、S波及T波期间获取的帧中相同光学元件90的积分值。

工作站6以上述方式将在多个心跳周期的相同时刻获取的帧94中相同光学元件90的积分值映射成灰度和/或色彩。工作站6会将如此映射的灰度和/或色彩显示于显示器12的像点或像点组上，所述像点或像点组的位置对应于总视野92内相应的一个或多个光学元件90的位置，以形成在多个心跳周期的相同时刻积分值的灰度和/或色彩斜率映射图像。例如，工作站6将灰度和/或色彩映射到帧F1、F6及F11等中相同光学元件90的积分值，并在显示器12上显示对应于多个心跳周期的P波期间患者P的血液流动的灰度和/或色彩斜率映射图像。此外，工作站6将灰度和/或色彩映射到与患者P的多个心跳周期的Q波、R波、S波或T波相关的帧94中相同光学元件90的积分值，并选择性地在显示器12上显示其灰度和/或色彩斜率映射图像。

隔离与多个心跳周期的相同时刻相关的帧94，能够使来自患者P的皮肤表面的红外辐射变化与遍布被关注的生理组织的多层及多处的血液流动之间产生关联，从而允许对位于红外造影机4总视野92中的患者P体内的血液流动进行量化评估，进而为医师提供更多有价值的诊断信息。利用可靠而一致的时间码标记、如患者P自己的心跳，允许应用增强图像的数学处理，并提高整体成像系统的总分辨率，从而改善系统的灵敏度与选择性，以作为识别、定性及评估活的人体及其它动物体内以交感神经为媒介的复杂生理过程的手段。

本发明也可用于通过以相减的方式结合包含于两个帧94中的数字信息而获得诊断信息。例如，从帧F2的每个相同位置的光学元件90获得的相应数字信息减去从帧F4的每个位置的光学元件90获得的数字信息。工作站6可将在相同位置的光学元件90获得的这些差异映射成灰度和/或色度，以在显示器12上生成这些差异的灰度和/或色彩斜率映射图像。

请参阅图10并参阅图2至图7，乳房114的红外成像存在一个问题，即不论患者P的倾斜角度θ为何，都难以获得患者P的乳房114的下部124的红外图像。同样，当红外造影机4以图6所示的方式置于患者P前方时，红外造影机4若没有重新定位，则不易获得与患者P的手臂126相邻的每个乳房114的侧部125的红外图像。为了使红外造影机4能够观看到每个乳房114的下部124及其侧部125以及相关的腋下区，胸骨反射镜130可被放置在患者P的乳房114下方，且侧边反射镜132可被放置在患者P的乳房114的相对两侧125。为胸骨反射镜130及侧边反射镜132定位以使得每个乳房114的下部124及其侧部125以及腋下区都处于总视野92之内，并为其定向以使来自每个乳房114下部124及其侧部125的红外辐射能够被反射到红外造影机4。

利用图像处理技术，工作站6由直接从乳房114接收的红外辐射以及由胸骨反射镜130和/或侧边反射镜132反射的红外辐射来构建乳房114的灰度和/或色彩斜率映射图像。为了增强红外造影机4的功能以检测胸骨反射镜130、侧边反射镜132、患者P以及其间空间的过渡，每个胸骨反射镜130及侧边反射镜132可在红外造影机4可看到的其一个或多个边上包括一个或多个条板，所述条板材料的辐射率基本不同于人体或其它活体动物或生理组织的辐射率。这种特殊应用在评估皮肤对于外部材料(如化妆品)的敏感度中特别有用，并提供一种确定皮肤对材料(如局部性施用的药物)的吸收率的途径。这种特殊应用可为人类及其它动物对于化合物和混合物(如化妆品)的皮肤敏感度提供精确定量且可再现的确定，从而消除了对某些具有争议性的动物试验程序(如“Draiz”试验)的需要。本发明还允许对于局部性施用的药物的吸收率或吸收进行精确定量且可再现的确定，进一步消除了对具有争议性的动物试验程序的需要。

请参阅图7并继续参阅图10，为了在患者P的整个寿命期间延续的时间上进行帧94的连续记录，并提供来自胸骨反射镜130及侧边反射镜132的帧94的精确叠加及合并，以及为了调和由于红外造影机4的离轴定位而造成的透视变化，可将标记158放置于某个固定的解剖结构的界标，如前肋骨凹陷160、剑胸骨接合点162、下锁骨骨沟164、前腋窝线166以及肩峰突起168。标记158是由具有基本上不同于患者P的辐射率的材料制成。此外，某些有用的解剖界标的特征可从通过图像处理技术获得的信息识别出来。特别参照人体乳房，乳房血管树的现存分支可用作时间上的图像记录的方法。

有许多种方法能够根据直接来自患者P以及从反射镜130、132反射的红外辐射，构建前面、侧面和/或自下而上的图像或三维图像。例如，栅格133可放置于照射器(lamp)134或其它热源与患者P身体位于红外造影机4的总视野92内的部位之间。在获取帧94之后的适当时间，照射器134被供给能量，从而经过栅格133而将热能传递至患者P身体位于总视野92内的部位。来自照射器134的一部分热能会被栅格133吸收，从而使得患者P以栅格状的图样接收来自照射器134的热能。直接从照射器134接收到的热能会在患者P上形成红外辐射图样135，当直接观看患者P时该红外辐射图样135为栅格状，而当经由反射镜130及132观看时该红外辐射图样135沿着患者P的轮廓。同样地，经由反射镜130及132从照射器134接收的热能会在患者P上形成被反射的红外辐射图样135’，且当经由反射镜130及132通过红外造影机4观看时该红外辐射图样135’是栅格状，但直接从患者P观看时则沿着患者P的轮廓。利用图像重建技术，工作站6能够根据直接可观看到的与经由反射镜130及132可观看得到的红外辐射图样135及135’，构建乳房114的前面、侧面和/或自下而上的灰度和/或色彩斜率映射图像、或三维灰度和/或色彩斜率映射图像。

在另一实施例中，患者P穿着尼龙胸罩(未示出)，而标记158设置在其上选定的位置，且被选定的位置通过红外造影机4可直接观看到，或经由反射镜130及132可观看到。由于尼龙对于红外辐射而言是透明的，因此工作站6可利用标记158在胸罩上的位置，根据直接可观看到的以及经由反射镜130及132可观看到的红外辐射图样来构建乳房114的前面、侧面和/或自下而上的灰度和/或色彩斜率映射图像、或三维灰度和/或色彩斜率映射图像。

请参阅图11并同时参阅图2，红外造影机4可配置为利用设置在X-Y定位台64上的一对检测器28以及一对红外透镜32以进行立体成像。该对检测器28及该对红外透镜32被设置在X-Y定位台64上，以同时观看并获取来自总视野92内的共用光学元件90的红外辐射。X-Y定位台64可用于调整该对检测器28及该对红外透镜32的位置，以便观看并获取来自总视野92内的每个光学元件90的红外辐射。在此实施例中，前置放大器76、图像模数转换器78以及图像处理系统80配置为处理由每个检测器28响应同时接收来自同一光学元件90的红外辐射而输出的信号。为总视野92内每个位置上的光学元件90获得的两个图像可被工作站6组合，以生成受到热应力的患者P的生理组织的立体灰度和/或色彩斜率映射图像。

请参阅图12并继续参阅图2，检测器28可被检测器28的阵列148取代，该阵列148被定位以接收通过前端面板视窗44、滤光器46以及红外透镜32的红外辐射。在此实施例中，红外透镜32已被“加大尺寸”(“up-sized”)，以将接收到的红外辐射聚焦在检测器28的阵列148上，而该阵列148即为常规的“凝视阵列”148，以下将使用此名称。在操作中，控制器26基本上同时(即帧取样间隔)对凝视阵列148中每个检测器28的输出进行取样，以形成一个图3所示型态的帧94。控制器26可在预设的间隔内从凝视阵列148获得多个帧94。利用以上结合图4与图5描述的方法，在成像间隔期间，对于每个帧94中相同位置的光学元件90，工作站6获得由光学元件90表示的患者P身体某一部位的热反应。

请参阅图13并同时参阅图11与图12，以如图11所示的一对检测器28及一对红外透镜32的相同方式，利用一对凝视阵列148及一对红外透镜32来生成患者P的立体图像。在此实施例中，该对凝视阵列148接收来自总视野92内每个光学元件90的红外信息，且前置放大器76、图像模数转换器78以及图像处理系统80被配置为处理从每个凝视阵列148接收的图像数据。从该对凝视阵列148为总视野92内每个位置上的光学元件90获得的两个图像可被工作站6组合，以生成受到热应力的患者P的生理组织的立体灰度和/或色彩斜率映射图像。

在图11所示的实施例中，每个检测器28被配置为检测不同波长的红外辐射。例如，一个检测器28可被配置为检测波长介于1微米与2微米之间的红外辐射，而另一检测器28则可被配置为检测波长介于8微米与12微米之间的红外辐射。此外，配置为检测特定波长的红外辐射的每个检测器28，可以如图11所示的方式而与另一个相同的检测器28配对，以生成不同波长的红外辐射的立体图像。优选的，每个检测器28与另一检测器28之间的距离大于每个检测器28可观看到的光学元件90的尺寸。

优选的，将在成像间隔期间获得的患者P的热图像的多个帧94储存在工作站6的非易失性存储器(例如磁性或光学数据储存装置)中的患者数据档案中，以用于后续的本地查找及分析。也可以将患者数据档案传输至储存多个患者数据档案的分布数据系统，以用于后续的查找及分析。优选的，分布数据系统具有多个位于不同地理位置并以常规的方式如互联网而相互连接的计算机。每个相互连接的计算机包括非易失性存储器、适当的操作系统软体以及适当的用户图形界面，其中非易失性存储器用以接收及储存来自本地地理位置的多个患者的数据档案，而用户图形界面则有助于用户与计算机之间的互动。优选的，每个患者的数据档案包括在成像间隔期间获得的红外图像数据的帧94，以及其它患者数据，例如生活习惯、病史及其它致病因素等，其与分析患者是否有罹患乳癌的危险相关。优选的，每个患者数据档案作为单一对象存放在分布数据系统的计算机中分布的相关数据库中。

优选的，分布数据系统的操作系统软体支持能够对多个患者数据档案或多个患者数据档案的子集进行分析的专家系统。具体而言，专家系统利用公知的分析技术，如数值统计分析、差异分析或因子分析等，来分析多个患者P的数据档案，或将单个患者P的数据档案与多个患者P的数据档案进行比较，以找出统计上的不一致性，例如与乳房中正在成长的肿瘤过程相关的血管生成症状。优选的，专家系统定期将接收到的患者P的数据与多个患者P的数据档案中的所有其他患者P的数据进行比较，以便识别在统计上显著的关联性，如与血管生成活动的产生有关的致病因素，或与肿瘤疾病有关的临床症状。

在此说明的红外成像方法与设备可用作进行监测以及客观地将传统与“非传统”疼痛处理疗法的有效性进行量化的手段，其中传统疗法例如为物理治疗及脊椎按摩疗法等，而“非传统”疗法例如为针压疗法及针刺疗法等。此外，本发明的方法与设备可用于确定适当点，以施用特定的疼痛处理疗法，如针压疗法、针刺疗法、推拿治疗、刺激点注射、增生疗法，以及施用聚焦电磁能，如红外辐射。

在评估软组织损伤时，利用在此说明的红外成像方法与设备可通过各种装置随时间获得来自整个身体上或较少的关注区域上的皮肤的红外辐射的图像序列，其中所述装置包括通过软体创建合成图像的主要表面反射镜。

从检测器28和/或凝视阵列148获得的数据可用于确定对侧肌肉群、皮区及热节的对称轴。可采用统计方法确定来自可比较的对侧区域的红外辐射是否具有统计上的显著差异。若存在显著的差异，则继续进行分析以确定在每一个对侧群中的对称区域之间是否存在统计上的显著差异。

例如，从右手臂的皮肤表面发出的红外能量与左手比较时，在统计上的显著差异性可能仅仅表明患者P为惯用右手的人。然而，进一步独立进行的每个手臂的统计分析，例如，考虑二头肌群及三头肌群的内部对称性，然后对每个可比较的肌肉群中的内部对称性关系进行统计分析及比较，可消除“偏手性”效应。这种分析方法在处理与宽广平坦的肌肉区(例如斜方肌、背阔肌群以及其它的背部区域)有关的疼痛疾病时将显得格外重要。

对侧肌群、皮区及热节的多个对称轴的准确位置允许对连续的图像时间序列进行准确记录以及对治疗的有效性进行定量评估。将红外辐射数据映射至表面解剖结构的界标，并为医疗人员实时显示信息，能够提高治疗的效率及有效性。

参照优选实施例说明了本发明。其他人在阅读并理解上述说明时，可进行明显的更改及替换。本发明包含落入所附权利要求书或其等效范围内的所有这种更改及替换。

Claims (21)

1.一种生成患者的红外辐射图像的方法，该方法包括以下步骤：

(a)提供配置的红外造影机，以从该红外造影机能观看到的视野内的光学元件阵列接收红外辐射；

(b)获取来自位于该视野内的患者的红外辐射的多个帧，每个帧是在对应的帧取样间隔期间获取的，且每个帧对应在其帧取样间隔期间从该光学元件阵列获取的红外辐射；

(c)确定从该光学元件阵列接收的红外辐射的多个积分，每个积分是由至少两个帧中从相同光学元件接收的红外辐射确定的；

(d)将每个积分映射为一种色彩或灰度；以及

(e)将每个积分的色彩或灰度映射至图像中与该视野中的相应光学元件的位置相对应的位置。

2.如权利要求1所述的方法，其中：

所述多个帧是在成像间隔期间获取的；以及

每个帧的获取次数是固定或可变的。

3.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：调整从每个光学元件获取的红外辐射的绝对温度。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述步骤(b)包括以下步骤：在该帧取样间隔期间，顺序地获取来自该视野内的每个光学元件的红外辐射。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述步骤(b)包括以下步骤：在基本上相同的时间获取来自该视野内的所有光学元件的红外线辐射。

6.如权利要求2所述的方法，其中所述步骤(b)包括以下步骤：

使患者暴露于环境温度的空气；

开始获取帧；

使患者暴露于调节空气流，该调节空气流的温度不同于环境温度；以及

在成像间隔之后，停止获取帧。

7.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：在患者身上且在该视野内设置至少一个标记，所述至少一个标记的辐射率不同于患者的辐射率。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述至少一个标记被设置在患者的固定解剖结构的位置上。

9.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

在邻近患者的视野内设置至少一个反射镜；以及

为所述至少一个反射镜定向，以将来自患者身体某一部位的红外辐射反射至该红外造影机，患者身体的该部位处于该视野内，但从该红外造影机的角度，患者身体的该部位被另一部位遮挡。

10.如权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：

在该红外造影机与患者之间设置栅格；

通过该栅格将热能传送至患者；以及

获取直接来自该患者以及来自所述至少一个反射镜的红外辐射的帧。

11.如权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：根据直接从该患者以及从所述至少一个反射镜获取的红外辐射构建患者的三维图像。

12.如权利要求1所述的方法，应用于以下一个或多个方面：

(i)患者的肿瘤疾病过程的检测；

(ii)患者的血管生成的检测；以及

(iii)患者的疼痛处理疗法的处理部位的识别。

13.一种红外成像设备，该设备包括：

检测装置，用于检测来自光学元件阵列的每个光学元件的红外辐射，该光学元件阵列形成该成像设备的视野；

控制器，用于控制该检测装置，以有选择地在多个相同取样间隔中获取来自该光学元件阵列的红外辐射的多个帧，每个帧对应在一个取样间隔期间从该光学元件阵列的所有或部分光学元件获取的红外辐射；以及

确定装置，用于确定该检测装置从该光学元件阵列接收的红外辐射的多个积分，每个积分是由至少两个帧中从同样的光学元件获取的红外辐射的变化而确定的，其中该确定装置：

将每个积分映射为一种色彩或灰度；以及

将每个积分的色彩或灰度映射至图像中与该视野中的相应光学元件的位置相对应的位置。

14.如权利要求13所述的红外成像设备，其中每个光学元件对应于能够由该检测装置处理的该视野中的最小单元。

15.如权利要求13所述的红外成像设备，还包括转换装置，用于将从每个光学元件获取的红外辐射转换为对应的数据，其中该确定装置根据对应于从每个帧的每个光学元件获取的红外辐射的数据，确定至少两个帧中相同光学元件的积分。

16.如权利要求13所述的红外成像设备，其中：

所述多个帧是在成像间隔期间获取的；以及

每个帧的获取次数是固定或可变的。

17.如权利要求13所述的红外成像设备，其中：

在成像间隔期间每个帧的获取次数是以对数形式出现；以及

该获取次数在该成像间隔后期增大。

18.如权利要求13所述的红外成像设备，其中所述至少两个帧被至少一个帧隔开。

19.如权利要求13所述的红外成像设备，其中：

帧的获取与处于该视野内的患者的心跳周期同步；以及

所述至少两个帧是在两个不同心跳周期的相同部分期间获取的。

20.如权利要求13所述的红外成像设备，还包括至少一个反射镜，其位于处于该视野内的患者附近，其中：

所述至少一个反射镜位于该视野内；以及

所述至少一个反射镜被定向，以将来自患者身体某一部位的红外辐射反射至检测红外辐射的检测装置，患者身体的该部位处于该视野内，但从该检测装置的角度，患者身体的该部位被另一部位遮挡。

21.如权利要求14所述的红外成像设备，其中该设备应用于患者的以下一个或多个方面：

(i)肿瘤疾病过程的检测；

(ii)血管生成的检测；以及

(iii)疼痛处理疗法的处理部位的识别。

Images