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紅外熱成像技術在兒科疾病診療中的應用

來源 : 中國醫療設備雜誌2021年第6期
update : 2021/09/09
引言
體溫異常通常被認為是疾病的自然指標。紅外熱成像(Infrared Thermography,IRT)技術是一種以紅外熱成像為基礎,鎖定機體細胞相對新陳代謝強度為途徑的測量人體體表溫度的功能影像技術。19 世紀,威廉· 赫歇爾爵士確定紅外輻射的存在,其子約翰· 赫歇爾利用熱輻射製作出第一幅“熱成像圖”,為溫度測量開闢了新道路。1934 年,Hardy 等闡述了人體紅外輻射的生理作用,將IRT 技術應用於臨床,確立了通過IRT 技術進行檢測人體溫度的診斷方法。1940 年初,世界上第一台可用于熱成像的紅外輻射電子感測器誕生,十年之後在倫敦的Middlesex 醫院和巴斯的皇家風濕病國家醫院拍攝了第一批醫學紅外熱像圖。1963 年,巴恩斯證明熱像圖可以提供身體異常的資訊,確立了IRT 技術對人體熱異常相關病理表現的診斷意義[1]。1977 年,全球已有75 個醫療機構將IRT 技術用於疾病診斷。而在國內,該項技術的臨床應用較晚,20 世紀70 年代末,中國大陸僅有幾所醫院和學術機構開始將IRT 技術用於臨床研究。由於其具有非接觸式和非侵入性、高效便捷等優勢,IRT 技術應用研究迅速增多,由最初的乳腺癌早期診斷,擴大到發熱、燒傷、疼痛、血管疾病、癌症等疾病篩查和藥物療效監測等多領域[2]。此外,IRT 技術還與中醫學理論相結合,廣泛運用於中醫學領域,如輔助中醫診斷、療效評估、中醫體質辨識[3]。目前,國內外醫學IRT 技術的研究多聚焦于成人,兒童領域研究較少。隨著兒科學的發展,IRT 技術在兒科疾病診療中應用逐漸增多。
 
1 兒童生理學體溫研究
人體任何局部生理溫度或總體溫度的異常,都提示臨床可能存在功能性或器質性病理反應。常用溫度計通過腋窩、口腔等局部進行測溫,不同部位或工具測量結果不一樣,並且部分溫度計可能存在安全隱患。IRT 技術作為非接觸式和非侵入性功能學影像技術,沒有任何生物學副作用,且不需要鎮靜或麻醉配合完成就能夠繪製出人體“體溫雲雨圖”。該方法不僅使體溫監測具體到點面,而且可根據需要重複測量。Kolosovas 等[4] 運用IRT 技術對25 名墨西哥健康兒童的皮膚溫度分佈進行研究,結果顯示兒童皮膚溫度分佈與成人相似,但溫度變化低於成人;男、女孩溫度分佈相似。兒童體溫生理特徵與成人相似,但體溫調節功能差于成人,該研究表明IRT 技術測量兒童體溫可能比成人更為精確。Knobel 等[5] 通過IRT 技術全面監測早產兒體溫動態變化和區域差異,降低早產兒因體溫過低或過高導致的高發病率和高死亡率。而在國內,兒童紅外研究常同祖國醫學相結合,吳敏等[6] 將兒童局部紅外熱像圖譜與中醫望診相結合,通過比較700 名健康學齡前兒童的面部、舌部紅外熱像圖和中醫望診資訊,初步建立中國健康學齡期兒童紅外熱像圖特徵譜。

近日,一項研究表明,過去兩個世紀人體正常體溫呈現下降趨勢[7],IRT 技術作為良好的體溫監測工具,將有助於監測人體正常體溫的動態變化。目前,國內外尚缺乏大規模健康兒童紅外熱像研究報導,兒童紅外熱像資料庫尚未建立。兒童生長發育迅速,各生長階段生理表現存在差異,通過IRT 技術對兒童各年齡段生理學體溫分佈特徵、動態變化及區域差異深入研究,有助於分年齡段建立紅外熱像圖特徵譜,建立兒童紅外熱像資料庫。

2 IRT技術在兒童疾病早期診斷的臨床應用
2.1 兒童發熱篩查
IRT 技術用於發熱篩查,由來已久,是醫用IRT 技術率先實現標準化的領域。通過紅外熱像儀掃描採集人體輻射的紅外能量,經電腦技術量化人體皮膚溫度而形成紅外熱像圖,用於臨床發熱篩查。Ataş 等[8] 對非接觸式IRT技術檢測兒童體溫進行發熱篩查研究,結果表明IRT 技術對2~6 歲兒童體溫敏感度為95.5%,特異度為72.7%,可作為腋窩測溫的替代方法。臨床約20% 的發熱患兒難以找到發病原因,通常需要大量化驗來尋找病因[9],無明顯原因的發熱經常被誤診,運用IRT 技術測量發熱患兒所得“體溫雲雨圖”,便於觀察患兒熱異常狀況,為查找發熱原因提供依據。小兒體溫調節中樞發育不全,臨床症狀多變,紅外熱像儀靈敏度更高,能夠即時監測到患兒體溫的動態變化,對小兒發熱篩查具有較高的臨床實用性。IRT 技術測溫有效代替傳統的溫度計測溫方式,對患兒配合度要求不高,非接觸式測溫能夠避免病毒接觸傳播,兒科分診室及大規模發熱篩查較為實用。國內,在SARS 和新型冠狀病毒肺炎等流行性疾病爆發期間,多地開展發熱篩查,採用IRT 技術檢測體溫,可高效便捷地篩查發熱症狀患者,減少遺漏者,有效避免病毒接觸傳播,提高疫情防控效率[10]。但目前IRT 技術發熱篩查缺乏兒童標準,確立兒童發熱篩查標準是應用IRT 技術進行兒童發熱篩查的基礎,開展大規模的兒童發熱臨床研究將推動發熱篩查的研究。

2.2 燒傷評估
IRT 技術在不接觸的情況下,能客觀測量患兒體溫分佈,通過量化熱異常和熱不對稱,推斷人體深層組織的代謝狀態,輔助臨床病理診斷。機體表面發生燒傷,溫度會因血管擴張和炎症反應等因素而升高;深部燒傷中,因血管栓塞和傷口區域缺乏血液灌注,溫度將降低。Medina-Preciado 等[11] 運用IRT 技術評估小兒燒傷創面嚴重程度,確定燒傷深度,估算皮膚深度燒傷所需的移植物大小。結果表明IRT 技術對表淺患處和深層組織狀態的評估優於常規臨床診斷,明確其在燒傷深度評估中的診斷價值。Singer等[12] 運用IRT 技術和常規臨床評估、鐳射多普勒成像技術同時對8 月齡到80 歲燒傷患者進行燒傷深度測量,證實在分辨淺表燒傷與深度燒傷中,IRT 評估更準確。運用IRT技術檢測患兒燒傷部位溫度,量化對比患處與健側的熱不對稱性,評估燒傷深度、嚴重程度等,為減少不必要的手術和在必要時減少手術延遲提供依據,但尚缺乏診斷標準,仍需要進一步研究。

2.3 輔助診斷早期炎症反應
IRT 技術對以溫度升高為基本表現的炎症反應表現出高度敏感性,無症狀的早期炎症反應尤為適用,IRT 技術能輔助診斷早期炎症反應,預見感染,檢測併發症等。Seuser 等[13] 通過IRT 技術研究臨床無症狀血友病患兒與同齡健康兒童肌肉骨骼系統的差異,結果顯示,紅外熱像圖測溫精度、敏感度、特異度、陰性預測值均有顯著性差異。IRT 技術對血友病患兒早期關節出血、肌肉骨骼損傷等病變檢測有效,能區分輕、中、重度出血。Casanova 等[14] 運用IRT 技術診斷外周靜脈置入中心靜脈導管的腫瘤患兒是否存在感染,是否伴有血栓形成,結果表明導管感染的腫瘤患兒熱不對稱值高於沒有感染的對照組,IRT 技術能實現對腫瘤患兒外周靜脈穿刺中心靜脈置導管感染進行定性、定量、定位檢測。IRT 技術對溫度的敏感性、特異性和非接觸、可獲得、減少電離輻射等優勢,有助於預見感染和發現早期炎症反應跡象,幫助患兒實施早期診斷和預防策略。IRT 技術輔助診斷早期炎症反應相關研究尚少,且樣本量小,有待進一步加大樣本量、擴大研究範圍和加深研究。

2.4 輔助診斷兒童免疫性疾病
機體免疫性疾病常導致皮膚溫度分佈紊亂,IRT 技術能通過分析皮膚溫度分佈特徵推測患兒免疫反應的嚴重程度。

2.4.1 兒童炎症性骨病
自身炎症性骨病是以反復發熱、疼痛,或伴局部腫脹為臨床表現的自身免疫性疾病,IRT 技術能有效輔助臨床篩查。慢性非細菌性骨髓炎是在缺乏感染性病因的情況下發生的自身炎症性骨病,可發展為骨破壞和畸形,臨床症狀常滯後出現,易與感染、腫瘤等所致的骨病混淆,早期診斷難度較大[15]。Zhao 等[16] 對疑似慢性非細菌性骨髓炎兒童和健康兒童同時進行IRT 和核磁共振檢查,結果顯示患兒的局部溫度明顯高於健康兒童,IRT 技術能夠輔助診斷該病。磁共振檢查費用昂貴,需要患兒鎮靜配合,其檢查範圍不全面,對實際疾病狀況的可預測性差;但IRT 技術綠色便捷,經濟有效,配合度要求低,檢查範圍廣,為慢性非細菌性骨髓炎的臨床篩查提供新思路。

2.4.2 兒童特發性血小板減少性紫癜
特發性血小板減少性紫癜是兒童常見的發病機制複雜的出血性免疫疾病,臨床診斷尚缺乏特異性檢測指標,仍處於排他性診斷水準。張文征團隊首次運用IRT 技術檢測該病,通過紅外熱像圖推測患兒免疫反應嚴重程度,在研究皮膚溫度分佈差異性時,他們提出TDSNU 演算法以解讀紅外熱像圖。結果表明IRT 技術對兒童特發性血小板減少性紫癜有較高特異性和敏感性[17-18]。這項研究作為IRT 技術在兒童特發性血小板減少性紫癜領域的新的嘗試,不但為該病實驗室檢查提供了新的方法,而且新演算法解讀紅外熱像圖,融合更多疾病特性,為紅外熱像圖的解讀提供新的思路。IRT 技術能輔助兒童免疫性疾病的早期診斷,紅外熱像圖運用新演算法解讀,既融合了疾病特性,又融合了兒童生理特性,在解讀紅外熱像圖時可以考慮多變數,臨床實用性更高,能夠實現即時分析,快速獲得診斷結果,為IRT 技術的臨床應用提供新方向。但目前IRT 技術在兒童免疫性疾病診斷中的應用研究有限,有待拓展應用研究,且需要進行大規模的臨床研究,以證實IRT 技術的臨床診斷有效性,完善疾病臨床特徵與演算法的融合,提高臨床診斷有效性。

2.5 輔助診斷兒童肥胖症
目前肥胖症的臨床診斷標準是以體重指數為依據的整體性評估,無法確定體脂分佈,而IRT 技術能檢測脂肪組織的分佈和活性。Rashmi 等[19] 運用超聲、CT、核磁共振、密度測定、體積描記、IRT 測溫等方法對肥胖症患者和正常體重者身體成分進行測量評估,表明IRT 技術是一種能夠評估個人或研究肥胖人群的可靠診斷方法。棕色脂肪組織是一種高度代謝的產熱組織,其與預防代謝性疾病,如肥胖症,Ⅱ型糖尿病等相關[20]。青春期前兒童棕色脂肪組織的產熱增加可能在兒童肥胖患病率上升的背景下尤為重要。Malpique 等[21] 通過IRT 技術測量青春期前兒童的鎖骨上區域皮膚溫度,評估棕色脂肪組織的活性,結果表明棕色脂肪組織的活性較高與較少的內臟脂肪和良好的代謝特性有關。運用IRT 技術檢測兒童棕色脂肪組織的產熱來評估其功能和活性,以輔助診斷兒童肥胖症;IRT 技術精准檢測患兒全身脂肪組織分佈和活性,能夠為患兒制定因人制宜的治療策略。IRT 技術能否用於其他代謝性疾病的輔助診斷將是未來的又一大研究方向。

3 IRT技術在兒科疾病臨床療效評價中的應用
3.1 骨折療效評價
目前,X 射線掃描是骨科最常用的成像方法,但多次接觸X 射線,電離輻射存在健康隱患。IRT 技術以非侵入性和非接觸性的優勢,有效避免電離輻射,能定期進行熱成像檢測以跟蹤病灶的進展。骨折的發炎、修復階段是微血管侵襲的特有階段,較高血流量升高骨折部位及周圍局部溫度。重塑階段,血管、纖維愈傷組織被重塑成骨橋,局部溫度降低。Ćurković 等[22] 對前臂骨折的患兒同時進行IRT 測量溫度與X 線掃描研究,並繪製熱譜圖,視覺化和量化骨折癒合過程中皮膚表面溫度的變化差異、動態和持續時間,結果表明骨折部位局部溫度的變化遵循兒童骨骼的放射學癒合。Blasco 等[23] 運用IRT 技術與其他成像工具對患兒骨折病灶定期檢查,明確IRT 技術是重複和長期檢查的有用且可重現的方法,IRT 檢測的併發症少。IRT 技術能準確有效地檢測骨折患兒體溫變化,為減少骨折患兒臨床療效評估及愈後隨訪期間暴露於X 射線的頻率提供代替方案思路。

3.2 血管瘤療效評價
IRT 技術廣泛運用于癌症篩查。嬰兒血管瘤是常見的快速增生的血管腫瘤,目前少有客觀有效方法來客觀定量評估其治療反應。嬰兒血管瘤最初因增殖和灌注增加而變暖,然後隨著細胞凋亡和灌注減少而溫度降低。Mohammed 等[24] 運用IRT 技術測溫,研究血管瘤狀態與皮膚溫度之間的關係以及隨時間變化的情況。Burkes 等[25]運用IRT 技術測量嬰兒血管瘤表面溫度,探究IRT 技術評估嬰兒血管瘤臨床療效的有效性。兩項研究均證實IRT 技術能有效衡量嬰兒血管瘤狀態,有助於預測嬰兒血管瘤的增殖潛力,為臨床醫生治療決策和療效評價提供依據。IRT技術使嬰兒血管瘤實現了臨床定性和定量的雙重評估,為其他兒童腫瘤的臨床評估提供新的方法,作為安全、無痛、非侵入性評估工具,被患兒、家長廣泛接受。

IRT 技術在兒科疾病臨床療效評價中的應用,既能實現定性、定量的視覺化評估,又因綠色便捷、無輻射等優勢,在疾病治療、愈後隨訪實現全過程追蹤評估,臨床接受度高,但目前研究樣本量少,紅外熱像圖解讀尚未實現標準化,有待進一步擴大臨床研究樣本量和建立讀圖標準。

4 中醫兒科學的應用
IRT 技術被認為是中醫望診的延伸,紅外熱圖變化影射人體氣血陰陽的變化,使中醫診斷客觀化,輔助中醫臨床辨證、體質辨識等。IRT 技術能獲得體表整體的溫度分佈,運用中醫藏象理論、經絡理論,從不同的臟腑體表對應區域、經絡循行區域、特定穴位點的溫度變化綜合判斷中醫病證,與中醫學“整體觀”相一致,通過對紅外熱像圖的涼偏離與熱偏離解讀,結合中醫八綱辨證中“寒”、“熱”兩綱,既能辨別臟腑陰陽盛衰,又能從總體把握疾病的寒熱屬性。IRT 技術在疾病預警方面具有明顯優勢,與中醫“治未病”理論相符[26]。目前,IRT 技術運用于中醫兒科學的研究尚少。范洪力等[27] 運用IRT 技術觀察懸灸法治療兒童慢性持續期支氣管哮喘過程中背部腧穴動態變異情況。宋媛媛[28] 基於IRT 技術在成人中醫體質辨識中的應用,探究IRT 技術量化兒童偏肺虛質的科學性和可行性。王翠薇[29] 將IRT 技術用於對小兒中醫體質的評估,小兒臨床常見疾病,如便秘、厭食等的輔助診斷。兒童尚未久經風雨,肌膚嬌嫩,與成人相比,兒童紅外熱像圖更能反映兒童氣血陰陽變化和臟腑組織機能,使中醫望診實現視覺化、資料化。目前IRT技術在中醫兒科的運用尚處於探索階段,紅外熱圖解讀多依照成人讀圖標準,研究樣本量小,有待加大研究樣本量,制定兒童紅外熱圖解讀中醫標準,以期擴大IRT 技術在中醫兒科領域的應用。

5 心理生理健康評估
生理因素的整合對社會情感發展研究至關重要。IRT技術因其非接觸和非侵入性,成為心理學研究的一種新技術。熱變化作為識別情緒的客觀標誌,在自主神經系統的協調下,隨血管在皮膚下的深度分佈,以非自願的方式發生以回應身體的熱調節或情緒變化。Aureli 等[30] 對照料者與嬰兒互動過程中嬰兒的面部熱反應進行IRT 檢測,結果與心臟測量研究結果一致。IRT 技術不僅能檢測嬰兒面部自主神經變化,還能檢測嬰兒注意力的變化。Mazzone 等[31] 通過IRT 技術檢測鼻尖溫度,探索兒童欺淩行為和受害與社會排斥的生理反應之間的聯繫。結果證實IRT 技術能通過皮膚溫度間接測量社會排斥引起非接觸生理性改變,IRT 技術能作為評估交感神經活動的有效技術。Nicolini 等[32] 運用功能性IRT 評估Moebius 綜合征兒童對情緒刺激的自主反應。

Goulart 等[33] 運用IRT 技術分析健康兒童厭惡、恐懼、快樂、悲傷和驚訝5 種情緒面部熱圖特徵,結果顯示情緒變化會引起兒童明顯的面部熱變化,熱不對稱現象在面頰部有明顯的傾向性,準確率高達85%。IRT 技術作為一種非接觸式的測溫方法,對兒童配合度要求低,盡可能減少因檢測過程中的刺激而產生的影響,提高準確度,第三代醫用紅外熱像儀溫度解析度達0.05 ℃,具有高度熱敏感性,能檢測到微小的面部熱變化,檢測到的生理或病理溫度變化與心理學相結合,推動心理學與多學科交叉研究的進一步發展。

6 總結與展望
IRT 技術在兒科疾病診療具有強大的應用潛能。本文就IRT 技術在兒科學、中醫兒科學,心理生理學多學科交叉應用現狀進行綜述,IRT 技術在兒童領域的應用,實現了從無到有的突破,多項研究證實IRT 技術在兒科疾病診療應用中的科學性和可行性,IRT 技術具有非侵入性、非接觸性、無輻射、精准便捷等優勢,即使在患兒不能良好配合的情況下,也能實現測溫,使“啞科”以數位化、資訊化的紅外熱圖方式發聲。IRT 技術在兒科的應用,還能緩解兒科臨床醫護人員緊缺的局面。

目前,國內外IRT 技術在疾病中的應用研究良莠不齊,在兒科領域的應用較成人單一,研究深度尚淺,缺乏大規模、系統化的臨床研究,兒童紅外熱圖讀圖標準尚未確立,缺乏兒童紅外熱像圖譜和資料庫,兒科醫生對該技術采圖到讀圖全過程缺乏系統認識,加大了IRT 技術在兒童領域應用的難度。IRT 采圖設備參數、采圖環境等方面實現統一標準化,才能使各項臨床研究具有對比性和參照性,是紅外熱圖讀圖標準確立的基礎。統一各項標準作為IRT 技術研究方向之一,將有助於臨床醫生對IRT 技術的全面認識,擴大IRT 技術臨床應用範圍。

IRT 技術對兒童體溫進行定位、定量監測,定性分析,為實現疾病的預防和早期篩查提供依據,基於疾病臨床特徵建立新演算法或程式解讀紅外熱圖,為實現兒科個性化診療提供即時臨床資料,有利於實現精准診斷、評估,也能夠為兒科學與其他學科交叉研究,提供新的思路。IRT 技術運用於中醫學,從輔助辯證、療效評價、中醫體質研究、“治未病”研究等多方面的研究,提示未來IRT 技術可運用于兒童全生命週期健康監測研究,將是IRT 技術一大研究方向。

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